Back to chapter

21.5:

Koolhydraten

JoVE Core
Chimie
Un abonnement à JoVE est nécessaire pour voir ce contenu.  Connectez-vous ou commencez votre essai gratuit.
JoVE Core Chimie
Chemistry of Carbohydrates

Langues

Diviser

Koolhydraten zijn verbindingen die zijn samengesteld uit koolstof, waterstof en zuurstof. Deze moleculen ontlenen hun naam aan de empirische formule van veel monosacchariden met twee waterstofatomen en één zuurstofatoom voor elke koolstof. Simpele koolhydraten zijn monomeren die monosacchariden worden genoemd en dimeren die disacchariden worden genoemd.Complexe koolhydraten zijn polymeren die polysacchariden worden genoemd. Een monosaccharide kan worden geclassificeerd als een aldose of een ketose door zijn functionele groep. Degenen met een aldehydegroep worden aldosen genoemd en degenen met een ketongroep worden ketosen genoemd.Monosacchariden bevatten gewoonlijk drie tot zeven koolstofatomen in hun ketens. Elk van de koolstofatomen kan worden genummerd beginnend met nummer één vanaf het uiteinde dat het dichtst bij de carbonylkoolstof ligt. Suikers kunnen niet-vlakke ringstructuren vormen en komen in de natuur meestal voor in deze cyclische vorm.Ringstructuren ontstaan wanneer de carbonylgroep via een condensatiereactie reageert met een hydroxylgroep aan het andere uiteinde van het molecuul. De koolstof die aan het reactieve aldehyde of keton is gehecht, staat ook bekend als de anomere koolstof. Deze koolstof-zuurstofringstructuren kunnen bestaan als twee anomeren:alfa en bèta.Anomeren zijn structurele isomeren die verschillen in de configuratie op de carbonylkoolstof. In de alfa-vorm bevinden de hydroxylgroep op de anomere koolstof en de CH2OH-groep op de laatste koolstof in de ring zich aan weerszijden van de ring, en in de bètavorm bevinden ze zich aan dezelfde kant. Een vergelijkbare naamgevingsconventie wordt gebruikt voor bindingen die de monosacchariden met andere moleculen verbinden.Bindingen gevormd onder de ringstructuur staan bekend als alfa-bindingen, terwijl die boven de ring bekend staan als bèta-bindingen. De nummers in de naam van glycosische bindingen geven de koolstofgetallen aan van de monosacchariden die bij de bindingen betrokken zijn. Wanneer twee monosacchariden met elkaar verbonden zijn via glycosidische bindingen, vormen ze disacchariden.Glycosidische bindingen zijn covalente bindingen die worden gevormd wanneer de hydroxylgroep van een monosaccharide reageert met de anomere koolstof van een ander monosaccharide met de eliminatie van een watermolecuul. Polysacchariden of complexe koolhydraten zijn een keten van monosacchariden die bij elkaar worden gehouden door covalente bindingen. Variatie in de glycosidische bindingen die in deze moleculen aanwezig zijn, kan resulteren in verschillende soorten polysacchariden van hetzelfde monosaccharide.Glucosemoleculen gekoppeld via β-1, 4-glycosidische bindingen vormen cellulose, een in water onoplosbaar polysaccharide. Glucosemoleculen gekoppeld via α-1, 4-glycosidische bindingen vormen amylose, een in water oplosbaar polymeer en een bestanddeel van zetmeel. Zetmeel en cellulose zijn polysacchariden die in planten voorkomen.Glycogeen is een in water onoplosbaar molecuul gemaakt van glucose gekoppeld door α-1, 4-glycosidebindingen en intermitterende vertakkende doorgaande α-1, 6-glycosidische bindingen. Glycogeen dient als opslagpolysaccharide bij dieren.

21.5:

Koolhydraten

Carbohydrates are an essential part of the diet in humans and animals. Grains, fruits, and vegetables are natural sources of carbohydrates that provide energy to the body, particularly through glucose, a simple sugar that is a component of starch and an ingredient in many staple foods. The stoichiometric formula (CH2O)n, where n is the number of carbons in the molecule represents carbohydrates. In other words, the ratio of carbon to hydrogen to oxygen is 1:2:1 in carbohydrate molecules. This formula also explains the origin of the term “carbohydrate”: the components are carbon (“carbo”) and water (“hydrate”). Carbohydrates can be classified into simple and complex. Monosaccharides and disaccharides are simple carbohydrates. Polysaccharides are complex carbohydrates.

Monosaccharides

Monosaccharides are simple sugars, the most common of which is glucose. In monosaccharides, the number of carbons usually ranges from three to seven. If the sugar has an aldehyde group (the functional group with the structure R-CHO), it is an aldose, and if it has a ketone group (the functional group with the structure RC(=O)R'), it is a ketose. Depending on the number of carbons in the sugar, they can be trioses (three carbons), pentoses (five carbons), and/or hexoses (six carbons).

Galactose and fructose are other common monosaccharides. Glucose, galactose, and fructose are isomeric monosaccharides (hexoses), meaning they have the same chemical formula but have slightly different structures. Glucose and galactose are aldoses, and fructose is a ketose.

Monosaccharides can exist as a linear chain or as ring-shaped molecules. In aqueous solutions, they are usually in ring forms. Glucose in a ring form can have two different hydroxyl group arrangements (OH) around the anomeric carbon (carbon 1 that becomes asymmetric in the ring formation process). If the hydroxyl group is below carbon number 1 in the sugar, it is in the alpha (α) position, and if it is above the plane, it is in the beta (β) position.

Disaccharides

Disaccharides form when two monosaccharides undergo a dehydration reaction (or a condensation reaction or dehydration synthesis). During this process, one monosaccharide's hydroxyl group combines with another monosaccharide's hydrogen, releasing a water molecule and forming a covalent bond. This is called a glycosidic bond. Glycosidic bonds (or glycosidic linkages) can be alpha or beta type. An alpha bond is formed when the OH group on the carbon-1 of the first glucose is below the ring plane, and a beta bond is formed when the OH group on the carbon-1 is above the ring plane. The most common disaccharide is sucrose, or table sugar, which is composed of glucose and fructose monomers.

Polysaccharides

A long chain of monosaccharides linked by glycosidic bonds is a polysaccharide. The chain may be branched or unbranched, and it may contain different types of monosaccharides. The molecular weight may be 100,000 daltons or more depending on the number of joined monomers. Starch, glycogen, cellulose, and chitin are examples of polysaccharides.

Plants store starch in the form of sugars. In plants, an amylose and amylopectin mixture (both glucose polymers) comprise these sugars. Starch comprises glucose monomers that are joined by α 1-4 or α 1-6 glycosidic bonds. The numbers 1-4 and 1-6 refer to the carbon number of the two residues that have joined to form the bond.

Glycogen is the storage form of glucose in humans and other vertebrates and is composed of monomers of glucose. Glycogen is the animal equivalent of starch and is a highly branched molecule usually stored in liver and muscle cells. Whenever blood glucose levels decrease, glycogen breaks down to release glucose.

Cellulose is the most abundant natural biopolymer. Cellulose mostly comprises a plant's cell wall. This provides the cell structural support. Wood and paper are mostly cellulosic in nature. Glucose monomers comprise cellulose that β 1-4 glycosidic bonds link

This text is adapted from Openstax, Biology 2e, Chapter 3.4: Carbohydrates.