de flesta är bekanta med kolhydrater, en typ av makromolekyl, särskilt när det gäller vad vi äter. För att gå ner i vikt följer vissa individer ”low-carb” dieter. Idrottare, däremot, ofta” carb-load ” före viktiga tävlingar för att säkerställa att de har tillräckligt med energi för att tävla på en hög nivå. Kolhydrater är faktiskt en viktig del av vår kost; korn, frukt och grönsaker är alla naturliga källor till kolhydrater. Kolhydrater ger energi till kroppen, särskilt genom glukos, ett enkelt socker som är en del av stärkelse och en ingrediens i många stapelmat. Kolhydrater har också andra viktiga funktioner hos människor, djur och växter.

molekylära strukturer

kolhydrater kan representeras av den stökiometriska formeln (CH2O) n, där n är antalet kol i molekylen. Med andra ord är förhållandet mellan kol och väte och syre 1:2:1 i kolhydratmolekyler. Denna formel förklarar också ursprunget till termen ”kolhydrat”: komponenterna är kol (”carbo”) och komponenterna i vatten (därav”hydrat”). Kolhydrater klassificeras i tre undertyper: monosackarider, disackarider och polysackarider.

monosackarider

monosackarider (mono– = ”en”; sacchar– = ”söt”) är enkla sockerarter, varav den vanligaste är glukos. I monosackarider varierar antalet kol vanligtvis från tre till sju. De flesta monosackaridnamn slutar med suffixet –ose. Om sockret har en aldehydgrupp (den funktionella gruppen med strukturen R-CHO), är den känd som en Aldos, och om den har en ketongrupp (den funktionella gruppen med strukturen RC (=O)R’), är den känd som en ketos. Beroende på antalet kol i sockret kan de också kallas trioser (tre kol), pentoser (fem kol) och eller hexoser (sex kol). Se Figur 1 för en illustration av monosackariderna.

Figur 1. Monosackarider klassificeras baserat på positionen för deras karbonylgrupp och antalet kol i ryggraden. Aldoser har en karbonylgrupp (indikerad i grönt) i slutet av kolkedjan, och ketoser har en karbonylgrupp mitt i kolkedjan. Trioser, pentoser och hexoser har tre, fem och sex Kolben, respektive.

den kemiska formeln för glukos är C6H12O6. Hos människor är glukos en viktig energikälla. Under cellulär andning frigörs energi från glukos, och den energin används för att göra adenosintrifosfat (ATP). Växter syntetiserar glukos med koldioxid och vatten, och glukos används i sin tur för energibehov för växten. Överskott av glukos lagras ofta som stärkelse som kataboliseras (nedbrytning av större molekyler av celler) av människor och andra djur som matar på växter.galaktos (del av laktos eller mjölksocker) och fruktos (del av sackaros eller fruktsocker) är andra vanliga monosackarider. Även om glukos, galaktos och fruktos alla har samma kemiska formel (C6H12O6), skiljer de sig strukturellt och kemiskt (och är kända som isomerer) på grund av det olika arrangemanget av funktionella grupper runt det asymmetriska kolet; alla dessa monosackarider har mer än ett asymmetriskt kol (Figur 2).

övning

Figur 2. Glukos, galaktos och fruktos är alla hexoser. De är strukturella isomerer, vilket betyder att de har samma kemiska formel (C6H12O6) men ett annat arrangemang av atomer.

vilken typ av socker är dessa, Aldos eller ketos?

Klicka för att visa svar

glukos och galaktos är Aldoser. Fruktos är en ketos.

monosackarider kan existera som en linjär kedja eller som ringformade molekyler; i vattenhaltiga lösningar finns de vanligtvis i ringformer (Figur 3). Glukos i en ringform kan ha två olika arrangemang av hydroxylgruppen (-OH) runt det anomeriska kolet (Kol 1 som blir asymmetrisk i processen med ringbildning). Om hydroxylgruppen ligger under kolnummer 1 i sockret sägs den vara i alfa-positionen (Kubi), och om den ligger över Planet sägs den vara i beta-positionen (Kubi).

Figur 3. Fem och sex kolmonosackarider finns i jämvikt mellan linjära och ringformer. När ringen bildas låses sidokedjan som den stängs på i en position av en eller en position av en typ. Fruktos och ribos bildar också ringar, även om de bildar femlediga ringar i motsats till den sexlediga ringen av glukos.

disackarider

disackarider (di– = ”två”) bildas när två monosackarider genomgår en uttorkningsreaktion (även känd som dehydreringssyntes). Under denna process kombinerar hydroxylgruppen av en monosackarid med väte från en annan monosackarid, frigör en molekyl vatten och bildar en kovalent bindning. En kovalent bindning bildad mellan en kolhydratmolekyl och en annan molekyl (i detta fall mellan två monosackarider) är känd som en glykosidbindning (Figur 4). Glykosidbindningar (även kallade glykosidbindningar) kan vara av alfa-eller beta-typen.

Figur 4. Sackaros bildas när en monomer av glukos och en monomer av fruktos förenas i en uttorkningsreaktion för att bilda en glykosidbindning. I processen förloras en vattenmolekyl. Enligt konvention numreras kolatomerna i en monosackarid från det terminala kolet närmast karbonylgruppen. I sackaros bildas en glykosidbindning mellan kol 1 i glukos och kol 2 i fruktos.

vanliga disackarider inkluderar laktos, maltos och sackaros (Figur 5). Laktos är en disackarid bestående av monomererna glukos och galaktos. Det finns naturligt i mjölk. Maltos, eller maltsocker, är en disackarid bildad av en uttorkningsreaktion mellan två glukosmolekyler. Den vanligaste disackariden är sackaros eller bordsocker, som består av monomererna glukos och fruktos.

Figur 5. Vanliga disackarider inkluderar maltos (kornsocker), laktos (mjölksocker) och sackaros (bordsocker).

polysackarider

en lång kedja av monosackarider kopplade av glykosidbindningar är känd som en polysackarid (poly– = ”många”). Kedjan kan vara Grenad eller oförgrenad, och den kan innehålla olika typer av monosackarider. Molekylvikten kan vara 100 000 dalton eller mer beroende på antalet monomerer som förenas. Stärkelse, glykogen, cellulosa och kitin är primära exempel på polysackarider.

stärkelse är den lagrade formen av sockerarter i växter och består av en blandning av amylos och amylopektin (båda polymererna av glukos). Växter kan syntetisera glukos, och överskottet av glukos, utöver växtens omedelbara energibehov, lagras som stärkelse i olika växtdelar, inklusive rötter och frön. Stärkelsen i fröna ger mat till embryot när det groddar och kan också fungera som en källa till mat för människor och djur. Stärkelsen som konsumeras av människor bryts ner av enzymer, såsom salivamylaser, till mindre molekyler, såsom maltos och glukos. Cellerna kan sedan absorbera glukosen.

stärkelse består av glukosmonomerer som förenas med glykosidbindningar av 1-4 eller 1-6. Siffrorna 1-4 och 1-6 hänvisar till kolnumret för de två rester som har gått samman för att bilda bindningen. Som illustreras i Figur 6 är amylos stärkelse som bildas av oförgrenade kedjor av glukosmonomerer (endast föreningar av 1-4-typ av koppling av CI), medan amylopektin är en grenad polysackarid (kopplingar av CI 1-6 vid grenpunkterna).

Figur 6. Amylos och amylopektin är två olika former av stärkelse. Amylos består av oförgrenade kedjor av glukosmonomerer förbundna med glykosidbindningar av glykosid 1,4. Amylopektin består av grenade kedjor av glukosmonomerer förbundna med glykosidbindningar av 1,4 och 1,6. På grund av hur underenheterna förenas har glukoskedjorna en spiralformad struktur. Glykogen (ej visad) har liknande struktur som amylopektin men mer starkt grenad.

glykogen är lagringsformen av glukos hos människor och andra ryggradsdjur och består av monomerer av glukos. Glykogen är djurekvivalenten av stärkelse och är en mycket grenad molekyl som vanligtvis lagras i lever-och muskelceller. När blodsockernivåerna minskar bryts glykogen ned för att frigöra glukos i en process som kallas glykogenolys.

cellulosa är den vanligaste naturliga biopolymeren. Cellväggen av växter är mestadels gjord av cellulosa; detta ger strukturellt stöd till cellen. Trä och papper är mestadels cellulosaiska. Cellulosa består av glukosmonomerer som är länkade med glykosidbindningar av glykosid 1-4 (Figur 7).

Figur 7. I cellulosa är glukosmonomerer kopplade i oförgrenade kedjor med glykosidbindningar från 1-4 glykosider. På grund av hur glukosunderenheterna förenas vänds varje glukosmonomer relativt nästa, vilket resulterar i en linjär, fibrös struktur.

som visas i Figur 7 vänds varannan glukosmonomer i cellulosa och monomererna packas tätt som förlängda långa kedjor. Detta ger cellulosa sin styvhet och hög draghållfasthet—vilket är så viktigt för växtceller. Medan kopplingen mellan 1 och 4 i samband med matsmältningen inte kan brytas ner av mänskliga matsmältningsenzymer, kan växtätare som kor, koalor, bufflar och hästar med hjälp av den specialiserade floran i magen smälta växtmaterial som är rikt på cellulosa och använda det som matkälla. Hos dessa djur finns vissa arter av bakterier och protister i vommen (del av matsmältningssystemet hos växtätare) och utsöndrar enzymet cellulas. Bilagan till betande djur innehåller också bakterier som smälter cellulosa, vilket ger den en viktig roll i idisslarnas matsmältningssystem. Cellulaser kan bryta ner cellulosa till glukosmonomerer som kan användas som energikälla av djuret. Termiter kan också bryta ner cellulosa på grund av närvaron av andra organismer i sina kroppar som utsöndrar cellulaser.

figur 8. Insekter har en hård yttre exoskelett gjord av kitin, en typ av polysackarid. (kredit: Louise Docker)

kolhydrater tjänar olika funktioner i olika djur. Leddjur (insekter, kräftdjur och andra) har ett yttre skelett, kallat exoskelettet, som skyddar deras inre kroppsdelar (som ses i biet i Figur 8). Detta exoskelett är tillverkat av det biologiska makromolekylkitinet, vilket är ett polysackaridinnehållande kväve. Den är gjord av upprepande enheter av N-acetyl-Kubi-D-glukosamin, ett modifierat socker. Kitin är också en viktig del av svampcellväggar; svampar är varken djur eller växter och bildar ett eget rike inom domänen Eukarya.

avsnitt sammanfattning

kolhydrater är en grupp makromolekyler som är en vital energikälla för cellen och ger strukturellt stöd till växtceller, svampar och alla leddjur som inkluderar hummer, krabbor, räkor, insekter och spindlar. Kolhydrater klassificeras som monosackarider, disackarider och polysackarider beroende på antalet monomerer i molekylen. Monosackarider är kopplade av glykosidbindningar som bildas som ett resultat av uttorkningsreaktioner, bildar disackarider och polysackarider med eliminering av en vattenmolekyl för varje bildad bindning. Glukos, galaktos och fruktos är vanliga monosackarider, medan vanliga disackarider inkluderar laktos, maltos och sackaros. Stärkelse och glykogen, exempel på polysackarider, är lagringsformerna av glukos i respektive växter och djur. De långa polysackaridkedjorna kan vara grenade eller oförgrenade. Cellulosa är ett exempel på en oförgrenad polysackarid, medan amylopektin, en beståndsdel av stärkelse, är en mycket grenad molekyl. Lagring av glukos, i form av polymerer som stärkelse av glykogen, gör det något mindre tillgängligt för metabolism; detta förhindrar emellertid att det läcker ut ur cellen eller skapar ett högt osmotiskt tryck som kan orsaka överdriven vattenupptagning av cellen.

kontrollera din förståelse

svara på frågorna nedan för att se hur väl du förstår de ämnen som behandlas i föregående avsnitt. Denna korta frågesport räknas inte mot ditt betyg i klassen, och du kan återta det ett obegränsat antal gånger.

använd denna frågesport för att kontrollera din förståelse och bestämma om du vill (1) studera föregående avsnitt ytterligare eller (2) gå vidare till nästa avsnitt.