useimmat tuntevat hiilihydraatit, yhdenlaisen makromolekyylin, varsinkin kun on kyse siitä, mitä syömme. Laihtua, jotkut yksilöt noudattavat ”vähähiilihydraattinen” ruokavaliota. Urheilijat sen sijaan usein ”kaasuttelevat” ennen tärkeitä kilpailuja varmistaakseen, että heillä on tarpeeksi energiaa kilpailla korkealla tasolla. Hiilihydraatit ovat itse asiassa olennainen osa ruokavaliotamme; jyvät, hedelmät ja vihannekset ovat kaikki luonnollisia hiilihydraattien lähteitä. Hiilihydraatit antavat keholle energiaa erityisesti glukoosin kautta, joka on yksinkertainen sokeri, joka on tärkkelyksen osa ja monien peruselintarvikkeiden ainesosa. Hiilihydraateilla on myös muita tärkeitä tehtäviä ihmisillä, eläimillä ja kasveilla.

molekyylirakenteet

hiilihydraatit voidaan esittää stoikiometrisellä kaavalla (CH2O)n, jossa n on molekyylin hiilien lukumäärä. Toisin sanoen hiilen ja vedyn suhde Happeen on hiilihydraattimolekyyleissä 1:2:1. Tämä kaava selittää myös termin ”hiilihydraatti”alkuperän: komponentit ovat hiili (”carbo”) ja veden komponentit (siten”hydraatti”). Hiilihydraatit luokitellaan kolmeen alatyyppiin: monosakkarideihin, disakkarideihin ja polysakkarideihin.

monosakkaridit

monosakkaridit (mono– = ”yksi”; Sakar– = ”makea”) ovat yksinkertaisia sokereita, joista yleisin on glukoosi. Monosakkarideissa hiilen määrä vaihtelee yleensä kolmesta seitsemään. Useimmat monosakkaridien nimet päättyvät loppuliitteeseen-ose. Jos sokerissa on aldehydiryhmä (funktionaalinen ryhmä, jonka rakenne on R-CHO), sitä kutsutaan aldoosiksi ja jos sillä on ketoniryhmä (funktionaalinen ryhmä, jonka rakenne on RC(=O)R’), sitä kutsutaan ketoosiksi. Sokerissa olevien hiilien määrästä riippuen niistä voidaan käyttää myös nimityksiä trioosit (kolme hiiltä), pentoosit (viisi hiiltä) ja tai heksoosit (kuusi hiiltä). KS. Kuva 1 monosakkaridien havainnollistamiseksi.

kuva 1. Monosakkaridit luokitellaan niiden karbonyyliryhmän sijainnin ja hiilen määrän perusteella selkärangassa. Aldooseilla on hiiliketjun päässä karbonyyliryhmä (merkitty vihreällä) ja ketooseilla karbonyyliryhmä hiiliketjun keskellä. Trioosilla on kolme, pentoosilla viisi ja heksoosilla kuusi hiilen selkäruotoa.

glukoosin kemiallinen kaava on C6H12O6. Ihmisillä glukoosi on tärkeä energianlähde. Soluhengityksen aikana glukoosista vapautuu energiaa, jota käytetään adenosiinitrifosfaatin (ATP) valmistukseen. Kasvit syntetisoivat glukoosia hiilidioksidin ja veden avulla, ja glukoosia puolestaan käytetään kasvin energiantarpeeseen. Ylimääräinen glukoosi on usein varastoidaan tärkkelys, joka katabolized (hajoaminen suurempia molekyylejä solujen) ihmisten ja muiden eläinten, jotka ruokkivat kasveja.

galaktoosi (osa laktoosia eli maitosokeria) ja fruktoosi (osa sakkaroosia eli hedelmäsokeria) ovat muita yleisiä monosakkarideja. Vaikka glukoosilla, galaktoosilla ja fruktoosilla on kaikilla sama kemiallinen kaava (C6H12O6), ne eroavat rakenteellisesti ja kemiallisesti (ja niitä kutsutaan isomeereiksi) asymmetrisen hiilen ympärillä olevien funktionaalisten ryhmien erilaisen järjestelyn vuoksi; kaikissa näissä monosakkarideissa on enemmän kuin yksi asymmetrinen hiili (kuva 2).

Practice

kuva 2. Glukoosi, galaktoosi ja fruktoosi ovat kaikki heksooseja. Ne ovat rakenteellisia isomeerejä, eli niillä on sama kemiallinen kaava (C6H12O6), mutta eri atomien järjestely.

millaisia sokereita nämä ovat, aldoosi vai ketoosi?

Klikkaa nähdäksesi vastauksen

glukoosi ja galaktoosi ovat aldooseja. Fruktoosi on ketoosi.

monosakkaridit voivat esiintyä lineaarisena ketjuna tai rengasmaisina molekyyleinä; vesiliuoksissa ne esiintyvät yleensä rengasmuodossa (kuva 3). Glukoosilla voi rengasmuodossa olla anomeerisen hiilen ympärillä kaksi erilaista hydroksyyliryhmän (-OH) järjestelyä (hiili 1, joka muuttuu asymmetriseksi renkaan muodostumisprosessissa). Jos hydroksyyliryhmä on sokerissa hiililuvun 1 alapuolella, sen sanotaan olevan alfa (α) – asemassa, ja jos se on tason yläpuolella, sen sanotaan olevan beeta (β) – asemassa.

kuva 3. Viisi ja kuusi hiilimonosakkaridia ovat tasapainossa lineaaristen ja rengasmuotojen välillä. Renkaan muodostuessa sen Sulkeutuva sivuketju lukittuu α-tai β-asentoon. Fruktoosi ja riboosi muodostavat myös renkaita, joskin ne muodostavat viisijäsenisiä renkaita erotuksena glukoosin kuusijäsenisestä renkaasta.

disakkaridit

disakkaridit (di– = ”kaksi”) muodostuvat, kun kaksi monosakkaridia käy läpi dehydraatioreaktion (tunnetaan myös nimellä dehydraatiosynteesi). Tämän prosessin aikana yhden monosakkaridin hydroksyyliryhmä yhdistyy toisen monosakkaridin vedyn kanssa vapauttaen molekyylin vettä ja muodostaen kovalenttisen sidoksen. Hiilihydraattimolekyylin ja toisen molekyylin (tässä tapauksessa kahden monosakkaridin) välille muodostuvaa kovalenttista sidosta kutsutaan glykosidisidokseksi (Kuva 4). Glykosidisidokset (joita kutsutaan myös glykosidisidoksiksi) voivat olla alfa-tai beetatyyppisiä.

kuva 4. Sakkaroosia muodostuu, kun glukoosin monomeeri ja fruktoosin monomeeri yhdistyvät dehydraatioreaktiossa muodostaen glykosidisidoksen. Prosessissa menetetään vesimolekyyli. Konventionaalisesti monosakkaridin hiiliatomit numeroidaan karbonyyliryhmää lähinnä olevasta terminaalihiilestä. Sakkaroosissa glukoosin hiili 1: n ja fruktoosin hiili 2: n välille muodostuu glykosidinen sidos.

yleisiä disakkarideja ovat laktoosi, maltoosi ja sakkaroosi (kuva 5). Laktoosi on glukoosin ja galaktoosin monomeereista koostuva disakkaridi. Sitä esiintyy luontaisesti maidossa. Maltoosi eli mallassokeri on disakkaridi, joka muodostuu kahden glukoosimolekyylin välisessä dehydraatioreaktiossa. Yleisin disakkaridi on sakkaroosi eli pöytäsokeri, joka koostuu glukoosin ja fruktoosin monomeereista.

kuva 5. Yleisiä disakkarideja ovat maltoosi (viljasokeri), laktoosi (maitosokeri) ja sakkaroosi (pöytäsokeri).

polysakkaridit

pitkä glykosidisidoksilla sidottujen monosakkaridien ketju tunnetaan polysakkaridina (poly– = ”monet”). Ketju voi olla haaraton tai haaraton, ja siinä voi olla erityyppisiä monosakkarideja. Molekyylipaino voi olla 100 000 daltonia tai enemmän riippuen yhdistettyjen monomeerien määrästä. Tärkkelys, glykogeeni, selluloosa ja kitiini ovat ensisijaisia esimerkkejä polysakkarideista.

tärkkelys on kasveihin varastoitunut sokerien muoto, joka koostuu amyloosin ja amylopektiinin (molemmat glukoosin polymeerejä) seoksesta. Kasvit pystyvät syntetisoimaan glukoosia, ja ylimääräinen glukoosi, yli kasvin välittömän energiantarpeen, varastoituu tärkkelykseksi eri kasvinosiin, kuten juuriin ja siemeniin. Siementen sisältämä tärkkelys antaa alkiolle ravintoa sen itäessä ja voi toimia myös ravinnonlähteenä ihmisille ja eläimille. Ihmisen kuluttama tärkkelys pilkkoutuu entsyymien, kuten sylkirauhasten amylaasien, avulla pienemmiksi molekyyleiksi, kuten maltoosiksi ja glukoosiksi. Solut voivat sitten imeä glukoosia.

tärkkelys koostuu glukoosimonomeereista, joihin liittyy α1-4-tai α1-6-glykosidisidoksia. Numerot 1-4 ja 1-6 viittaavat niiden kahden jäännöksen hiililukuun, jotka ovat liittyneet yhteen muodostaen sidoksen. Kuten kuvassa 6 esitetään, amyloosi on tärkkelystä, joka muodostuu glukoosimonomeerien haaroittumattomista ketjuista (vain α 1-4-sidokset), kun taas amylopektiini on haarautunut polysakkaridi (α 1-6-sidokset haarapisteissä).

kuva 6. Amyloosi ja amylopektiini ovat tärkkelyksen kaksi eri muotoa. Amyloosi koostuu glukoosimonomeerien haarautumattomista ketjuista, joita yhdistää α1,4 glykosidisidos. Amylopektiini koostuu glukoosimonomeerien haarautuneista ketjuista, joita yhdistävät α1,4-ja α1,6-glykosidisidokset. Koska alayksiköt ovat liittyneet toisiinsa, glukoosiketjuilla on kierteinen rakenne. Glykogeeni (ei esitetty) on rakenteeltaan amylopektiinin kaltainen, mutta voimakkaasti haaroittunut.

glykogeeni on glukoosin varastointimuoto ihmisillä ja muilla selkärankaisilla ja koostuu glukoosin monomeereistä. Glykogeeni on tärkkelyksen eläinvastine ja se on hyvin haarautunut molekyyli, joka varastoituu yleensä maksa-ja lihassoluihin. Aina kun veren glukoosipitoisuus laskee, glykogeeni hajoaa, jolloin glukoosi vapautuu glykogenolyysiksi kutsutussa prosessissa.

selluloosa on runsain luonnon biopolymeeri. Kasvien soluseinä on suurimmaksi osaksi selluloosaa; tämä antaa solulle rakenteellista tukea. Puu ja paperi ovat luonnossa enimmäkseen selluloosamaisia. Selluloosa koostuu glukoosimonomeereista, joihin liittyy β 1-4 glykosidisidoksia (Kuva 7).

kuva 7. Selluloosassa glukoosimonomeerit sitoutuvat yhdistämättömiin ketjuihin β 1-4 glykosidisidoksilla. Koska glukoosin alayksiköt ovat liittyneet toisiinsa, Jokainen glukoosimonomeeri kääntyy suhteessa seuraavaan, jolloin muodostuu lineaarinen, kuitumainen rakenne.

kuten kuvassa 7 on esitetty, joka toinen selluloosan glukoosimonomeeri käännetään ympäri ja monomeerit pakataan tiiviisti pitkinä ketjuina. Tämä antaa selluloosalle sen jäykkyyden ja suuren vetolujuuden—mikä on niin tärkeää kasvisoluille. Vaikka ihmisen ruoansulatusentsyymit eivät pysty hajottamaan β1-4-yhteyttä, kasvinsyöjät, kuten lehmät, koalat, puhvelit ja hevoset, pystyvät vatsansa erikoistuneen kasviston avulla sulattamaan runsaasti selluloosaa sisältävää kasviainesta ja käyttämään sitä ravinnonlähteenä. Näissä eläimissä tietyt bakteeri-ja protistilajit asuvat pötsissä (osa kasvinsyöjien ruoansulatusjärjestelmää) ja erittävät sellulaasientsyymiä. Laiduntavien eläinten umpilisäke sisältää myös selluloosaa sulattavia bakteereja, jolloin sillä on tärkeä rooli märehtijöiden ruuansulatuselimistössä. Sellulaasit voivat hajottaa selluloosan glukoosimonomeereiksi, joita eläin voi käyttää energianlähteenä. Termiitit kykenevät myös hajottamaan selluloosaa, koska niiden elimistössä on muita eliöitä, jotka erittävät sellulaaseja.

kuva 8. Hyönteisillä on kova ulompi tukiranka, joka on valmistettu kitiinistä, eräänlaisesta polysakkaridista. (luotto: Louise Docker)

hiilihydraatit palvelevat erilaisia tehtäviä eri eläimillä. Niveljalkaisilla (hyönteisillä, äyriäisillä ja muilla) on ulkoinen tukiranka, jota kutsutaan tukirangaksi, joka suojaa niiden sisäisiä ruumiinosia (kuten Mehiläisessä kuvassa 8). Tämä tukiranka on valmistettu biologisesta makromolekyylikitiinistä, joka on polysakkaridipitoinen typpi. Se koostuu toistuvista yksiköistä N-asetyyli-β-d-glukosamiinia, muunnettua sokeria. Kitiini on myös tärkeä osa sienisoluseiniä; sienet eivät ole eläimiä eivätkä kasveja ja muodostavat oman valtakuntansa eukarya-alaan.

Sektion Yhteenveto

hiilihydraatit ovat ryhmä makromolekyylejä, jotka ovat solulle elintärkeitä energianlähteitä ja tarjoavat rakenteellista tukea kasvisoluille, sienille ja kaikille niveljalkaisille, joihin kuuluvat hummerit, ravut, katkaravut, hyönteiset ja hämähäkit. Hiilihydraatit luokitellaan monosakkarideiksi, disakkarideiksi ja polysakkarideiksi riippuen monomeerien määrästä molekyylissä. Monosakkarideihin liittyy glykosidisidoksia, jotka muodostuvat dehydraatioreaktioiden seurauksena muodostaen disakkarideja ja polysakkarideja, jolloin jokaisesta muodostuneesta sidoksesta poistuu vesimolekyyli. Glukoosi, galaktoosi ja fruktoosi ovat yleisiä monosakkarideja, kun taas yleisiä disakkarideja ovat laktoosi, maltoosi ja sakkaroosi. Tärkkelys ja glykogeeni, esimerkkejä polysakkarideista, ovat glukoosin varastointimuotoja kasveissa ja eläimissä. Pitkät polysakkaridiketjut voivat olla haaroittuneita tai haaroittumattomia. Selluloosa on esimerkki yhdistämättömästä polysakkaridista, kun taas tärkkelyksen aineosa amylopektiini on voimakkaasti haarautunut molekyyli. Glukoosin varastointi polymeerien, kuten glykogeenin tärkkelyksen muodossa, tekee siitä hieman vähemmän saatavilla aineenvaihduntaa; tämä kuitenkin estää sitä vuotamasta ulos solusta tai luomasta suurta osmoottista painetta, joka voisi aiheuttaa liiallista vedenottoa soluun.

Tarkista ymmärryksesi

vastaa alla oleviin kysymyksiin nähdäksesi, kuinka hyvin ymmärrät edellisessä jaksossa käsitellyt aiheet. Tätä lyhyttä tietokilpailua ei lasketa luokan arvosanaan, ja voit ottaa sen uusintana rajattoman määrän kertoja.

käytä tätä tietokilpailua tarkistaaksesi ymmärryksesi ja päättääksesi, tutkitaanko (1) edellistä osiota tarkemmin vai (2) siirrytäänkö seuraavaan osioon.