Kulhydratmolekyler
Kulhydrater er essentielle makromolekyler, der er klassificeret i tre undertyper: monosakkarider, disakkarider og polysakkarider.
Læringsmål
Beskriv strukturen af mono-, di- og polysaccharider
Nøglepunkter
Nøglepunkter
- Monosaccharider er simple sukkerstoffer, der består af tre til syv kulstofatomer, og de kan eksistere som en lineær kæde eller som ringformede molekyler.
- Glucose, galactose og fructose er monosakkaridisomerer, hvilket betyder, at de alle har den samme kemiske formel, men adskiller sig strukturelt og kemisk.
- Disaccharider dannes, når to monosakkarider gennemgår en dehydreringsreaktion (en kondensationsreaktion); de holdes sammen af en kovalent binding.
- Sukrose (bordsukker) er det mest almindelige disaccharid, som består af monomererne glukose og fruktose.
- Et polysaccharid er en lang kæde af monosaccharider, der er forbundet med glykosidbindinger; kæden kan være forgrenet eller uforgrenet og kan indeholde mange typer monosaccharider.
Nøglebegreber
- isomer: En af to eller flere forbindelser med samme molekylformel, men med forskellig struktur.
- dehydreringsreaktion: En kemisk reaktion, hvor to molekyler bindes kovalent sammen i en reaktion, der danner H2O som andet produkt.
- biopolymer: En kemisk reaktion, hvor to molekyler bindes kovalent sammen i en reaktion, der danner H2O som andet produkt.
- biopolymer: Ethvert makromolekyle fra en levende organisme, der er dannet af polymerisering af mindre enheder; en polymer, der forekommer i en levende organisme eller er et resultat af livet.
Kulhydrater kan repræsenteres ved den stoikiometriske formel (CH2O)n, hvor n er antallet af kulstof i molekylet. Forholdet mellem kulstof og brint og ilt er derfor 1:2:1 i kulhydratmolekyler. Oprindelsen af udtrykket “kulhydrat” er baseret på dets bestanddele: kulstof (“carbo”) og vand (“hydrat”). Kulhydrater inddeles i tre undertyper: monosakkarider, disakkarider og polysakkarider.
Monosakkarider
Monosakkarider (mono- = “én”; sacchar- = “sød”) er simple sukkerarter. I monosakkarider varierer antallet af kulstofatomer normalt fra tre til syv. Hvis sukkeret har en aldehydgruppe (den funktionelle gruppe med strukturen R-CHO), kaldes det for en aldose, og hvis det har en ketongruppe (den funktionelle gruppe med strukturen RC(=O)R’), kaldes det for en ketose. Afhængigt af antallet af kulbrinter i sukkeret kan de også være kendt som trioser (tre kulbrinter), pentoser (fem kulbrinter) og hexoser (seks kulbrinter). Monosaccharider kan eksistere som en lineær kæde eller som ringformede molekyler; i vandige opløsninger findes de normalt i ringform.
Monosaccharider: Monosaccharider klassificeres på grundlag af deres carbonylgruppes position og antallet af kulbrinter i rygsøjlen. Aldoser har en carbonylgruppe (angivet med grønt) i slutningen af kulstofkæden, og ketoser har en carbonylgruppe i midten af kulstofkæden. Trioser, pentoser og hexoser har henholdsvis tre, fem og seks kulstofryggekæder.
Fælles monosaccharider
Glucose (C6H12O6) er et almindeligt monosaccharid og en vigtig energikilde. Under den cellulære respiration frigøres energi fra glukose, og denne energi bruges til at hjælpe med at lave adenosintrifosfat (ATP). Planter syntetiserer glukose ved hjælp af kuldioxid og vand, og glukose bruges til gengæld til at dække plantens energibehov.
Galactose (et mælkesukker) og fructose (findes i frugt) er andre almindelige monosaccharider. Selv om glukose, galaktose og fruktose alle har den samme kemiske formel (C6H12O6), adskiller de sig strukturelt og stereokemisk fra hinanden. Det gør dem til forskellige molekyler på trods af, at de deler de samme atomer i de samme proportioner, og de er alle isomerer af hinanden eller isomere monosakkarider. Glucose og galactose er aldoser, og fructose er en ketose.
Disaccharider
Disaccharider (di- = “to”) dannes, når to monosaccharider gennemgår en dehydreringsreaktion (også kendt som en kondensationsreaktion eller dehydreringssyntese). Under denne proces kombineres hydroxylgruppen i det ene monosaccharid med hydrogenet i det andet monosaccharid, hvorved der frigives et vandmolekyle og dannes en kovalent binding. En kovalent binding, der dannes mellem et kulhydratmolekyle og et andet molekyle (i dette tilfælde mellem to monosakkarider), er kendt som en glykosidbinding. Glykosidiske bindinger (også kaldet glykosidiske bindinger) kan være af alfa- eller betatypen.
Disaccharider: Saccharose dannes, når en monomer af glukose og en monomer af fruktose forbindes i en dehydreringsreaktion for at danne en glykosidisk binding. I denne proces går et vandmolekyle tabt. Konventionelt er kulstofatomerne i et monosaccharid nummereret fra det terminale kulstof, der er tættest på carbonylgruppen. I saccharose dannes en glykosidisk binding mellem kulstof 1 i glukose og kulstof 2 i fruktose.
Fælles disaccharider
Fælles disaccharider omfatter laktose, maltose og saccharose. Laktose er et disaccharid, der består af monomererne glukose og galaktose. Det findes naturligt i mælk. Maltose, eller maltsukker, er et disaccharid, der dannes ved en dehydreringsreaktion mellem to glukosemolekyler. Det mest almindelige disaccharid er saccharose, eller bordsukker, som består af monomererne glukose og fruktose.
Polysaccharider
En lang kæde af monosaccharider, der er forbundet med glykosidbindinger, kaldes et polysaccharid (poly- = “mange”). Kæden kan være forgrenet eller uforgrenet, og den kan indeholde forskellige typer monosaccharider. Stivelse, glykogen, cellulose og chitin er primære eksempler på polysaccharider.
Planter er i stand til at syntetisere glukose, og den overskydende glukose lagres som stivelse i forskellige plantedele, herunder rødder og frø. Stivelse er den lagrede form for sukkerstoffer i planter og består af glukose-monomerer, der er forbundet med α1-4 eller 1-6 glykosidbindinger. Stivelsen i frøene giver føde til embryoet, når det spirer, mens den stivelse, der spises af mennesker, nedbrydes af enzymer til mindre molekyler som maltose og glukose. Cellerne kan derefter optage glukosen.
Fælles polysaccharider
Glykogen er opbevaringsformen af glukose hos mennesker og andre hvirveldyr. Det består af monomerer af glukose. Glykogen er den animalske ækvivalent til stivelse og er et stærkt forgrenet molekyle, der normalt lagres i lever- og muskelceller. Når blodglukoseniveauet falder, nedbrydes glykogen for at frigøre glukose i en proces, der kaldes glykogenolyse.
Cellulose er den hyppigst forekommende naturlige biopolymer. Plantens cellevæg er for det meste lavet af cellulose og giver cellens strukturel støtte. Cellulose består af glukosemonomerer, der er forbundet med β 1-4 glykosidiske bindinger. Hver anden glukosemonomer i cellulose er vendt på hovedet, og monomerne er pakket tæt sammen som forlængede lange kæder. Dette giver cellulose dens stivhed og høje trækstyrke – som er så vigtig for planteceller.
Polysaccharider: I cellulose er glukosemonomererne forbundet i uforgrenede kæder ved hjælp af β 1-4 glykosidiske bindinger. På grund af den måde, hvorpå glukoseunderenhederne er forbundet, er hver glukosemonomer vendt i forhold til den næste, hvilket resulterer i en lineær, fibrøs struktur.
Kulhydratfunktion
Kulhydrater har forskellige funktioner hos forskellige dyr. Leddyr har et ydre skelet, exoskelettet, som beskytter deres indre kropsdele. Dette exoskelet er lavet af chitin, som er et polysaccharidholdigt kvælstof. Det er lavet af gentagne enheder af N-acetyl-β-d-glucosamin, et modificeret sukker. Chitin er også en vigtig bestanddel af svampes cellevægge.