33 Lífrænar stórsameindir

3.2 Kolvetni

Hæfniviðmið

Að þessum hluta loknum munt þú geta gert eftirfarandi:

Lýst hlutverki kolvetna í frumum og í utanfrumuefni dýra og plantna
Útskýrt flokkun kolvetna
Talið upp algengar einsykrur, tvísykrur og fjölsykrur

Flestir þekkja kolvetni, eina tegund stórsameinda, sérstaklega þegar kemur að því sem við borðum. Til að léttast fylgja sumir einstaklingar „lágkolvetnamataræði“. Íþróttamenn „kolvetnahlaða“ hins vegar oft fyrir mikilvægar keppnir til að tryggja að þeir hafi næga orku til að keppa á háu getustigi. Kolvetni eru í raun nauðsynlegur hluti af mataræði okkar. Korn, ávextir og grænmeti eru allt náttúrulegar kolvetnauppsprettur sem veita líkamanum orku, sérstaklega með glúkósa, einfaldri sykru sem er hluti af sterkju og innihaldsefni í mörgum grunnfæðutegundum. Kolvetni gegna einnig öðrum mikilvægum hlutverkum hjá mönnum, dýrum og plöntum.

Sameindabyggingar

Hlutfallaformúlan (CH₂O)ₙ, þar sem n er fjöldi kolefna í sameindinni, táknar kolvetni. Með öðrum orðum er hlutfall kolefnis á móti vetni og súrefni 1:2:1 í kolvetnissameindum. Þessi formúla útskýrir einnig uppruna hugtaksins „kolvetni“ (e. carbohydrate): efnin eru kolefni („carbo“) og efnisþættir vatns (þar af leiðandi „hydrate“ eða „hýdrat“). Vísindamenn flokka kolvetni í þrjá undirflokka: einsykrur, tvísykrur og fjölsykrur.

Einsykrur

Einsykrur (mono- = „einn“; sacchar- = „sætur“) eru einfaldar sykrur, en algengust þeirra er glúkósi. Í einsykrum er fjöldi kolefna yfirleitt á bilinu þrjú til sjö. Flest heiti einsykra enda á viðskeytinu -ósi. Ef sykran hefur aldehýðhóp (virka hópinn með bygginguna R-CHO) er hún aldósi, og ef hún hefur ketónhóp (virka hópinn með bygginguna RC(=O)R') er hún ketósi. Eftir fjölda kolefna í sykrunni geta þær verið tríósar (þrjú kolefni), pentósar (fimm kolefni) og/eða hexósar (sex kolefni). Mynd 3.4 sýnir einsykrur.

The molecular structures of glyceraldehyde, an aldose, and dihydroxyacetone, a ketose, are shown. Both sugars have a three-carbon backbone. Glyceraldehyde has a carbonyl group (c double bonded to O) at one end of the carbon chain with hydroxyl (OH) groups attached to the other carbons. Dihydroxyacetone has a carbonyl group in the middle of the chain and alcohol groups at each end. The molecular structures of linear forms of ribose, a pentose, and glucose, a hexose, are also shown. Both ribose and glucose are aldoses with a carbonyl group at the end of chain,and hydroxyl groups attached to the other carbons. — **Mynd 3.4.** Vísindamenn flokka einsykrur út frá staðsetningu karbónýlhóps þeirra og fjölda kolefna í grindinni. Aldósar hafa karbónýlhóp (sýndur með grænu) á enda kolefniskeðjunnar, og ketósar hafa karbónýlhóp í miðri kolefniskeðjunni. Tríósar, pentósar og hexósar hafa grindur með þremur, fimm og sex kolefnum, í þessari röð.

Efnaformúla glúkósa er C₆H₁₂O₆. Hjá mönnum er glúkósi mikilvæg orkuuppspretta. Við frumuöndun losnar orka úr glúkósa og sú orka hjálpar til við að mynda adenósínþrífosfat (ATP). Plöntur mynda glúkósa með því að nota koltvíoxíð og vatn, og glúkósi sér síðan plöntunni fyrir orku. Menn og önnur dýr sem nærast á plöntum fá oft glúkósa úr sterkju sem hefur verið sundruð í smærri sameindir.

Galaktósi (hluti af laktósa, eða mjólkursykri) og frúktósi (finnst í súkrósa, í ávöxtum) eru aðrar algengar einsykrur. Þótt glúkósi, galaktósi og frúktósi hafi allir sömu efnaformúlu (C₆H₁₂O₆) eru þeir ólíkir að byggingu og efnaeiginleikum (og eru hverfur) vegna mismunandi niðurröðunar virkra hópa í kringum ósamhverft kolefni. Allar þessar einsykrur hafa fleiri en eitt ósamhverft kolefni (Mynd 3.5).

Sjónræn tenging

The molecular structures of the linear forms of glucose, galactose, and fructose are shown. Glucose and galactose are both aldoses with a carbonyl group (carbon double-bonded to oxygen) at one end of the molecule. A hydroxyl (OH) group is attached to each of the other residues. In glucose, the hydroxyl group attached to the third carbon is on the left side of the molecular structure and all other hydroxyl groups are on the right. In galactose, the hydroxyl groups attached to the third and fourth carbons are on the left, and the hydroxyl groups attached to the second, fifth and sixth carbon are on the right. Fructose is a ketose with C doubled bonded to O at the second carbon. All other carbons have hydroxyl groups associated with them. The hydroxyl group associated with the third carbon is on the left, and all the other hydroxyl groups are on the right. — **Mynd 3.5.** Glúkósi, galaktósi og frúktósi eru allir hexósar. Þeir eru byggingarhverfur, sem þýðir að þeir hafa sömu efnaformúlu (C₆H₁₂O₆) en mismunandi atómafyrirkomulag.

Hvers konar sykrur eru þetta: aldósar eða ketósar?

Glúkósi, galaktósi og frúktósi eru einsykruhverfur (hexósar), sem þýðir að þeir hafa sömu efnaformúlu en örlítið mismunandi byggingu. Glúkósi og galaktósi eru aldósar, og frúktósi er ketósi.

Einsykrur geta verið til sem línuleg keðja eða sem hringlaga sameindir. Í vatnslausnum eru þær yfirleitt á hringformi (Mynd 3.6). Glúkósi á hringformi getur haft tvær mismunandi niðarraðanir hýdroxýlhópa (OH) í kringum anómeríska kolefnið (kolefni 1 sem verður ósamhverft í hringmyndunarferlinu). Ef hýdroxýlhópurinn er fyrir neðan kolefni númer 1 í sykrunni er hann í alfa (α) stöðu, og ef hann er fyrir ofan planið er hann í beta (β) stöðu.

The conversion of glucose between linear and ring forms is shown. The glucose ring has five carbons and an oxygen. In alpha glucose, the first hydroxyl group is locked in a down position, and in beta glucose, the ring is locked in an up position. Structures for ring forms of ribose and fructose are also shown. Both sugars have a ring with four carbons and an oxygen. — **Mynd 3.6.** Fimm og sex kolefna einsykrur eru í jafnvægi milli línulegra forma og hringforma. Þegar hringurinn myndast læsist hliðarkeðjan sem hann lokast á í α eða β stöðu. Frúktósi og ríbósi mynda einnig hringi, þótt þeir myndi fimmhliða hringi, ólíkt sexhliða hring glúkósa.

Tvísykrur

Tvísykrur (di- = „tveir“) myndast þegar tvær einsykrur ganga í gegnum afvötnunarhvarf (eða þéttihvarf eða afvötnunarmyndun). Í þessu ferli sameinast hýdroxýlhópur einnar einsykru vetni annarrar einsykru, sem losar vatnssameind og myndar samgilt tengi. Samgilt tengi myndast milli kolvetnissameindar og annarrar sameindar (í þessu tilviki milli tveggja einsykra). Vísindamenn kalla þetta glýkósíðtengi (Mynd 3.7). Glýkósíðtengi geta verið af alfa eða beta gerð. Alfa tengi myndast þegar OH-hópurinn á kolefni-1 í fyrsta glúkósanum er fyrir neðan hringplanið, og beta tengi myndast þegar OH-hópurinn á kolefni-1 er fyrir ofan hringplanið.

The formation of sucrose from glucose and fructose is shown. In sucrose, the number one carbon of the glucose ring is connected to the number two carbon of fructose via an oxygen. — **Mynd 3.7.** Súkrósi myndast þegar glúkósaeinliða og frúktósaeinliða tengjast með afvötnunarhvarfi og mynda glýkósíðtengi. Í ferlinu tapast vatnssameind. Samkvæmt venju eru kolefnisatómin í einsykru númeruð frá endakolefninu sem er næst karbónýlhópnum. Í súkrósa myndast glýkósíðtengi milli kolefnis 1 í glúkósa og kolefnis 2 í frúktósa.

Algengar tvísykrur eru meðal annars laktósi, maltósi og súkrósi (Mynd 3.8). Laktósi er tvísykra sem samanstendur af einliðunum glúkósa og galaktósa. Hann er náttúrulega í mjólk. Maltósi, eða maltsykur, er tvísykra sem myndast við afvötnunarhvarf milli tveggja glúkósasameinda. Algengasta tvísykran er súkrósi, eða borðsykur, sem er samsettur úr glúkósa- og frúktósaeinliðum.

The chemical structures of maltose, lactose, and sucrose are shown. Both maltose and lactose are made from two glucose monomers joined together in ring form. In maltose, the oxygen in the glycosidic bond points downward. In lactose, the oxygen in the glycosidic bond points upward. Sucrose is made from glucose and fructose monomers. The oxygen in the glycosidic bond points downward. — **Mynd 3.8.** Algengar tvísykrur eru meðal annars maltósi (maltsykur), laktósi (mjólkursykur) og súkrósi (borðsykur).

Fjölsykrur

Löng keðja einsykra tengd með glýkósíðtengjum er fjölsykra (poly- = „margir“). Keðjan getur verið greinótt eða ógreinótt og hún getur innihaldið mismunandi gerðir einsykra. Mólmassinn getur verið 100.000 dalton eða meira eftir fjölda tengdra einliða. Sterkja, glýkógen, sellulósi og kítín eru helstu dæmin um fjölsykrur.

Plöntur geyma sykrur sem sterkju. Sterkja plantna er blanda af amýlósa og amýlópektíni, sem eru bæði glúkósafjölliður. Plöntur geta myndað glúkósa og þær geyma umframglúkósa, umfram tafarlausa orkuþörf sína, sem sterkju í mismunandi plöntuhlutum, þar á meðal rótum og fræjum. Sterkjan í fræjunum sér kíminu fyrir næringu þegar það spírar og getur einnig virkað sem fæðugjafi fyrir menn og dýr. Ensím brjóta niður sterkjuna sem menn neyta. Amýlasi í munnvatni hvatar til dæmis niðurbrot sterkju í minni sameindir, svo sem maltósa og glúkósa. Frumurnar geta síðan tekið upp glúkósann.

Sterkja samanstendur af einliðum sem eru tengdir með α-1,4 eða α-1,6 glýkósíðtengjum. Tölurnar 1-4 og 1-6 vísa til kolefnisnúmers þeirra tveggja leifa sem hafa tengst til að mynda tengið. Eins og Mynd 3.9 sýnir mynda ógreinóttar glúkósaeinliðukeðjur (aðeins α-1,4 tengi) sterkjuna; en amýlópektín er greinótt fjölsykra (α-1,6 tengi á greiningarstöðum).

The chemical structures of amylose and amylopectin are shown. Amylose consists of unbranched chains of glucose subunits, and amylopectin consists of branched chains of glucose subunits. — **Mynd 3.9.** Amýlósi og amýlópektín eru tvö mismunandi form sterkju. Ógreinóttar glúkósaeinliðukeðjur mynda amýlósa með α-1,4 glýkósíðtengjum. Greinóttar glúkósaeinliðukeðjur mynda amýlópektín með α-1,4 og α-1,6 glýkósíðtengjum. Vegna þess hvernig undireiningarnar eru tengdar hafa glúkósakeðjurnar gormlaga byggingu. Glýkógen (ekki sýnt) er svipað að byggingu og amýlópektín en mun meira greinótt.

Glýkógen er geymsluform glúkósa í mönnum og öðrum hryggdýrum og er samsett úr einliðum glúkósa. Glýkógen er dýraígildi sterkju og er mjög greinótt sameind sem er yfirleitt geymd í lifrar- og vöðvafrumum. Þegar blóðsykursgildi lækkar brotnar glýkógen niður til að losa glúkósa í ferli sem vísindamenn kalla glýkógenlýsu.

Sellulósi er algengasta náttúrulega líffjölliðan. Sellulósi myndar að mestu frumuvegg plantna. Hann veitir frumunni styrk. Viður og pappír eru að mestu úr sellulósa. Glúkósaeinliður mynda sellulósa sem tengjast með β-1,4 glýkósíðtengjum (Mynd 3.10).

Three different magnifications of cellulose are shown. The microfibril is shown as a string-like tube. Further magnification shows that the microfibril is made up of chains of glucose molecules. Further magnification shows the structure of the glucose and that they are linked by hydrogen bonds. — **Mynd 3.10.** Sellulósi er lífrænt efnasamband sem er samsett úr línulegum keðjum hundruða til þúsunda tengdra glúkósasameinda. Glúkósaeinliðurnar mynda vetnistengi sem halda keðjunum þétt saman hlið við hlið og mynda sterkar örtrefjar. Þessi stífleiki er mikilvægur byggingarþáttur frumuveggja sem finnast í plöntum. Heimild: Ryan, K. Rao, A. og Hawkins, A. Líffræðideild, Texas A&M háskóla.

Eins og Mynd 3.10 sýnir er annarri hverri glúkósaeinliðu í sellulósa snúið við, og einliðunum er pakkað þétt saman sem löngum, útréttum keðjum. Þetta gefur sellulósa stífleika sinn og mikla togfestu – sem er svo mikilvæg fyrir plöntufrumur. Þótt meltingarensím manna geti ekki brotið niður β-1,4 tengið, geta jurtaætur eins og kýr, kóalabirnir og vísundar, með hjálp sérhæfðra örvera í maga sínum, melt plöntuefni sem er ríkt af sellulósa og notað það sem fæðugjafa. Í sumum þessara dýra búa ákveðnar tegundir baktería og frumvera í vömbinni (hluta af meltingarkerfi jurtaætunnar) og seyta ensíminu sellulasa. Botnlangi beitardýra inniheldur einnig bakteríur sem melta sellulósa, og því gegnir hann mikilvægu hlutverki í meltingarkerfum jórturdýra. Sellulasar geta brotið sellulósa niður í glúkósaeinliður sem dýr nota sem orkugjafa. Termítar geta einnig brotið niður sellulósa vegna tilvistar annarra lífvera í líkama þeirra sem seyta sellulösum.

Kolvetni gegna ýmsum hlutverkum í mismunandi dýrum. Liðdýr (skordýr, krabbadýr og fleiri) hafa ytri stoðgrind sem verndar innri líkamshluta þeirra (eins og við sjáum á býflugunni á Mynd 3.11). Þessi ytri stoðgrind er gerð úr lífrænu stórsameindinni kítíni, sem er niturinnihaldandi fjölsykra. Hún er gerð úr endurteknum N-asetýl-β-D-glúkósamíneiningum, sem eru breyttar sykrur. Kítín er einnig meginþáttur í frumuveggjum sveppa. Sveppir eru hvorki dýr né plöntur og mynda sitt eigið ríki í léninu Eukarya.

A photograph shows a bee in flight, getting nectar from a flower. — **Mynd 3.11.** Skordýr hafa harða ytri stoðgrind úr kítíni, tegund fjölsykru. (heimild: Louise Docker)

Tenging við starfsvettvang

Löggiltur næringarfræðingur

Næring er heilbrigðismál á heimsvísu og margir sjúkdómar, svo sem sykursýki og hjartasjúkdómar, verða sífellt algengari. Þetta er ein af ástæðunum fyrir því að fólk leitar í auknum mæli ráða hjá löggiltum næringarfræðingum. Löggiltir næringarfræðingar hjálpa til við að skipuleggja næringaráætlanir fyrir einstaklinga við ýmsar aðstæður. Þeir vinna oft með sjúklingum á heilbrigðisstofnunum og hanna næringaráætlanir til að meðhöndla og fyrirbyggja sjúkdóma. Til dæmis geta næringarfræðingar kennt sjúklingi með sykursýki hvernig á að stjórna blóðsykursgildum með því að borða réttar tegundir og magn kolvetna. Næringarfræðingar geta einnig starfað á hjúkrunarheimilum, í skólum og á einkastofum.

Til að verða löggiltur næringarfræðingur þarf maður að ljúka að minnsta kosti bakkalárgráðu í næringarfræði, matvælatækni eða skyldu sviði. Að auki verða löggiltir næringarfræðingar að ljúka starfsþjálfun undir eftirliti og standast landspróf. Þeir sem leggja fyrir sig starfsferil í næringarfræði taka námskeið í næringarfræði, efnafræði, lífefnafræði, líffræði, örverufræði og lífeðlisfræði mannsins. Næringarfræðingar þurfa að verða sérfræðingar í efnafræði og lífeðlisfræði (líffræðilegri virkni) matvæla (próteina, kolvetna og fitu).

Kostir kolvetna

Eru kolvetni góð fyrir þig? Sumir telja að kolvetni séu slæm og að þeir ættu að forðast þau. Sumir megrunarkúrar banna algjörlega neyslu kolvetna og halda því fram að lágkolvetnamataræði hjálpi fólki að léttast hraðar. Hins vegar hafa kolvetni verið mikilvægur hluti af mataræði mannsins í þúsundir ára. Fornminjar frá fornum siðmenningum sýna tilvist hveitis, hrísgrjóna og maís á geymslusvæðum forfeðra okkar.

Í vel samsettu mataræði ættu kolvetni að vera í jafnvægi við prótein, vítamín og fitu. Hvað varðar hitaeiningar gefur eitt gramm af kolvetni 4,3 kkal. Til samanburðar gefur fita 9 kkal/g, sem er orkumeira hlutfall. Kolvetni innihalda leysanleg og óleysanleg efni. Óleysanlegi hlutinn, trefjar, er að mestu sellulósi. Trefjar hafa mörg not. Þær stuðla að reglulegum hægðum með því að auka rúmmál hægða, og þær stjórna upptökuhraða blóðsykurs. Trefjar hjálpa einnig til við að fjarlægja umframkólesteról úr líkamanum. Trefjar bindast kólesteróli í smáþörmunum, festast síðan við kólesterólið og koma í veg fyrir að kólesterólagnirnar fari út í blóðrásina. Kólesteról fer síðan úr líkamanum með saur. Trefjaríkt mataræði hefur einnig verndandi hlutverk við að draga úr tíðni ristilkrabbameins. Að auki veitir máltíð sem inniheldur heilkorn og grænmeti seddutilfinningu. Sem tafarlaus orkugjafi brotnar glúkósi niður í frumuöndunarferlinu, sem framleiðir ATP, orkugjaldmiðil frumunnar. Ef við neytum ekki kolvetna minnkar framboð líkamans á skjótfenginni orku. Að útiloka kolvetni úr mataræðinu gæti verið nauðsynlegt fyrir sumt fólk, en slíkt skref er kannski ekki hollt fyrir alla.

Tengill í námsefni

Til að fá frekari sýn á kolvetni skaltu skoða „Lífsameindir: Kolvetnin“ með þessari gagnvirku hreyfimynd.