Otavan Opiston logoOtavan OpistoNettilukioNettiperuskouluMuikku

5.2 Hiilihydraatit

Hiilihydraatit sisältävät hiiltä, vetyä ja happea. Alkujaan niitä pidettiinkin ”hiilen hydraatteina”; esim. glukoosin molekyylikaava on C6H12O6, eli empiirinen kaava on CH2O. Hiilihydraattien perhe koostuu yksinkertaisista sokereista (monosakkarideista), disakkarideista ja polysakkarideista. Tärkeimmät polysakkaridit ovat tärkkelys (elävien systeemien energiavarasto) ja selluloosa (soluseinien rakennusaine kasveissa).

Katso Opetus.tv:ssä aiheeseen liittyvä video:
http://opetus.tv/kemia/orgaaninen/hiilihydraatit/

Monosakkaridien asykliset (avoimet) muodot

Monosakkaridit (sokerit) ovat energian lähde metabolisissa prosesseissa kuten lihastyössä, ja niihin kuuluvat glyseraldehydi, riboosi, glukoosi, fruktoosi, mannoosi ja galaktoosi.

Aldehydin funktionaalisen sisältäviä monosakkarideja kutsutaan aldooseiksi, ketoryhmän sisältäviä ketooseiksi.

Glyseraldehydi sisältää yhden kiraalisen hiiliatomin, ja sillä on kaksi enantiomeeriä (asymmetrisen hiilen vety on jätetty merkitsemättä):

Luonto on spesifinend-sokereiden suhteen, ja tässä teoriajaksossa keskitymmekin tällaisiin stereoisomeereihin.

Kun aloitetaan glyseraldehydistä ja pidennetään ketjua uudella CH(OH)-ryhmällä, saadaan uusi monosakkaridiperhe, tetroosit. Tetrooseissa on nelihiilinen runko, jossa on kaksi epäsymmetristä hiiltä. Lisäämällä seuraavat CH(OH)-ryhmät saadaan pentooseja ja edelleen heksooseja.

Luonnossa esiintyvät tetroosit ovat d-erytroosi ja d-treoosi:

Ketjun pidentyessä useampi stereoisomeeri tulee mahdolliseksi. Pentooseilla on jo 8 mahdollista isomeeriä, joista 4 luonnollisia: d-riboosi (kuvassa), d-arabinoosi, d-ksyloosi ja d-lyksoosi.

Kahdeksan luonnon d-heksoosia ovat glukoosi, mannoosi, galaktoosi (kuvassa), alloosi, altroosi, guloosi, idoosi ja taloosi.

Monosakkaridien sykliset muodot

Tähän mennessä olemme piirtäneet monosakkaridien hiiliketjut avoimeen muotoonsa. Jokainen molekyyli esiintyy kuitenkin avoketjuisen ja syklisen muodon tasapainoseoksena. Oheisessa kaaviossa on esitetty glukoosin syklisaatio pyranoosimuotoon. Renkaan sulkeutuessa syntyy uusi asymmetrinen hiiliatomi, eli kaksi isomeeriä muodostuu. Tätä isomeeriparia kutsutaan anomeereiksi, ja niitä merkitään α- ja β-muotoina:

Sokerin syklinen muoto on ns. hemiasetaali, ja energeettisesti edullisena muotona se hallitsee tasapainoseosta. Mikäli anomeeriä ei haluta yksilöidä, merkitään anomeriakeskuksen hydroksyyliryhmän sidosta aaltoviivalla.

Rengasmuotoja kutsutaan furanooseiksi tai pyranooseiksi renkaan atomien lukumäärän perusteella: nimeäminen on tehty vastaavien syklisten eettereiden perusteella:

Muodoista pyranoosi on paljon suositumpi kuin furanoosi, ja niiden tasapainoa ”välittää” heksoosin avoketjuinen muoto. Pentoosit muodostavat tietenkin vain furanooseja. Tähän mennessä olemme käsitelleet vain aldooseja, seuraavana tutkimme ketooseja. Fruktoosi eli hedelmäsokeri on ketoheksoosi:

Yhteyttäminen eli fotosynteesi on prosessi, jolla kasvit ja eräät levät muuntavat vettä ja hiilidioksidia auringon säteilyenergian avulla glukoosiksi ja hapeksi. Tällaiset eliöt ovat yleensä vihreitä, koska yhteyttämisestä vastuussa oleva pigmentti on lehtivihreää eli klorofylliä. Itse prosessi on monipolvinen ja erittäin monimutkainen, mutta nettoreaktio on seuraava:

6H2O + 6CO2 + valo àC6H12O6 (glukoosi) + 6O2

Pääsääntöisesti ravintoketjut perustuvat fotosynteesiin, mutta esimerkiksi valtamerten pohjalla ei auringon säteily vaikuta ympäristöön ja on havaittu joidenkin organismien keksineen toisen keinon. Vulkaaninen toiminta tuo tällaiseen ympäristöön lämpöenergiaa ja samalla vapautuu myös useimmille elämänmuodoille myrkyllistä rikkivetyä hapen loistaessa poissaolollaan. Mm. eräät simpukat ovat kehittäneet prosessin, jossa ne syntetisoivat rikkivedystä ja hiilidioksidista hiilihydraatteja ja rikkihappoa: selvästikin nämä eliöt ovat paljon kestävämpiä kuin makean veden sukulaisensa!

H2S + CO2 àH2SO4 + [hiilihydraatti]

Glykosidien muodostuminen monosakkarideista

Monosakkaridin reaktio alkoholin kanssa muuntaa hemiasetaalin asetaaliksi. Tällaista asetaalia kutsutaan glykosidiksi, ja se esiintyy kokonaisuudessaanrengasmuodossa, eli tasapainoa avoketjuisen ja rengasmuodon välillä ei ole. Happokatalysoitu glykosidin hydrolyysi tuottaa vastaavaa monosakkaridia. Glykosidit ovat luonnossa yleisiä, ja glykosidisidos liittää sokerirakenneosaset orgaanisiin yksiköihin mukaan lukien muut sokerit. Ohessa esimerkkiglykosidina sydänlääkkeenä käytetty digitalis, jota eristetään kauniista, mutta myrkyllisestä sormustinkukasta (Digitalis purpurea).

Digitalis, esim. Digitalin™ tai Digoxin™.

Disakkaridit: sukroosi ja laktoosi

Sokerit ovat itsekin alkoholeja, joten kaksi tai useampi monosakkaridia voivat yhtyä disakkaridiksi tai trisakkaridiksi jne. Glykosidisidoksen muodostumiseen liittyy hemiasetaalihydroksyylin (karbonyylihapesta muodostunut uusi hydroksyyli) ja toisen sokerimolekyylin hydroksyyliryhmän reaktio veden lohjetessa. Teoriassa suuri määrä isomeerejä voi syntyä. Luonnon synteesit ovat kuitenkin entsyymien ohjaamia, ja käytössä olevia sitoutumistapoja on rajallinen määrä.

Laktoosija sukroosiovat esimerkkejä disakkarideista. Sukroosi on yleinen sokeri kasveissa, ja koostuu α-d-glukoosi-sekä β-d-fruktoosiyksiköistä. Sukroosi on sitä ”sokeria”, jota lisäämme kahviimme. Elimistössämme sukroosi hajoaa entsyymi invertaasinavulla monosakkarideiksi.

Laktoosi on suurin sokerikomponentti maidossa. Laktoosi koostuu β-d-glukoosi-sekä β-d-galaktoosiyksiköistä. Jotkut ihmiset ovat laktoosi-intolerantteja, joka johtuu heidän kyvyttömyydestään hajottaa laktoosimolekyylin glykosidisidosta elimistöstään puuttuvan laktaasi-entsyyminvuoksi. Tämä on erittäin yleinen tila, ja sen voi suorastaan ajatella olevan luonnollinen: maito on tarkoitettu imeväisten ravinnoksi, ei aikuisten.

Laktoosi-intoleranttienkin on käytännössä nautittava sellaisia maitotuotteita, joissa ei maitosokeria ole. Tällaisia ovat esimerkiksi täyskypsytetyt juustot, viili ja jogurtti. Kokonaan maitotuotteista luopuneet kärsivät suurella todennäköisyydellä osteoporoosista eli luiden kalkkikadosta vanhemmalla iällä, elleivät he sitten korvaa syntynyttä kalkkivajetta jollain muulla tavalla.

On kriittisen tärkeää, ettei sekoita suhteellisen harmitonta laktoosi-intoleranssia erittäin vakavaan maitoallergiaan! Maitoallergia on yliherkkyyttä maidon sisältämille proteiineille, eikä allergikolle sovellu ravinnoksi minkäänlaiset maitotuotteet. Mahdollisesti jopa ihokosketus (kädelle roiskahtanut maitopisara) saa aikaan voimakkaan yliherkkyysreaktion! Tämä tarkoittaa, ettei hän voi esim. syödä juustotonta pizzaa, jota on käsitelty samalla pizzalapiolla kuin juustoa sisältäviä.

Biologisissa systeemeissä di- ja polysakkaridit ovat keino varastoida energiaa tulevaa käyttöä varten, ja tarpeen tullen vapauttaa monosakkarideja entsymaattisella hydrolyysillä.

Keinotekoiset makeutusaineet

Toisinaan sokereiden käyttöä syystä tai toisesta vältetään, ja käytetään keinomakeuttimia. Keinotekoiset makeutusaineet voidaan jakaa kahteen ryhmään: bulkki- ja intensiivimakeuttimet.

Bulkkimakeutintakäytetään suuria määriä, kuten sokeriakin. Bulkkimakeuttimia ovat mm. sorbitoli, mannitoli, isomalt, maltitoli, laktitoli ja ksylitoli. Sorbitolia esiintyy luonnossa useissa hedelmissä ja marjoissa.

Intensiivimakeutinta käytetään hyvin pieni määrä, koska sen makeus on monta kertaluokkaa suurempi kuin normaalin sokerin. Tällaisia makeutusaineita ovat mm. asesulfaami-K, aspartaami, syklaamihappo ja sen suolat, sakariini ja sen suolat, taumatiini ja neohesperidiini DC. Aspartaamia myydään useilla kauppanimillä, esim. NutraSweet™ ja Spoonful™. Vaikka nämä lisäaineet ovatkin hyväksyttyjä elintarvikekäyttöön, on ainakin aspartaamin asema kiistanalainen. On näyttöä käyttäjien oireista, joihin kuuluvat mm. päänsärky, pahoinvointi, depressio, uupumus ja unettomuus. On selvää, että keinomakeuttimia ei tule käyttää suurina annoksia etenkään liian usein.

Polysakkaridit

Polysakkarideihinkuuluvat tärkkelys, selluloosa ja glykogeeni. Tärkkelystä syntyy jatkuvasti elävissä soluissa, ja samoin jatkuvasti sitä hajotetaan. Tärkkelys koostuu kahdesta komponentista: amyloosista ja amylopektiinistä. Amyloosi on vesiliukoista, ja koostuu 200-1000 α-glukoosiyksiköstä, jotka ovat liittyneet suoriksi ketjuiksi 1,4’-glykosidisidoksin:

Amylopektiininrakenne on hyytelömäinen, ja se koostuu >1000 α-glukoosiyksiköstä, jotka ovat haarautuneita ketjuja. Ketjun suorissa osissa on 1,4’-glykosidisidoksia, mutta haarautumispisteissä on 1,6’-glykosidisidoksia. Tärkkelys on ruumiin glukoosinlähde ja sitä hajottaa entsyymi amylaasi, jota esiintyy syljessä ja haiman erittämänä. Ruokavaliomme tärkeimmät tärkkelyslähteet ovat peruna- ja viljatuotteet.

Selluloosa on kasvien soluseinien pääasiallinen rakennusaine. Selluloosamolekyyli koostuu 500-3000 β-glukoosiyksiköstä, jotka ovat liittyneet suoriksi ketjuiksi 1,4’-glykosidisidoksin:

Selluloosan ja amyloosin samankaltaisista rakenteista huolimatta ihmisillä on vain amyloosin hajottamiseen tarvittavia entsyymejä. Lampaiden ja lehmien kaltaiset kasvissyöjät kykenevät kuitenkin hajottamaan selluloosan glukoosiksi. Kohtuullinen määrä selluloosaa eli ns. ravintokuitua on kuitenkin oleellinen osa ruokavaliotamme, koska kuitu pitää suolistomme kunnossa.

Maassa lojuva humus on osittain hajonnutta kasvi- ja eläinperäistä ainesta, jonka koostumus on monipuolinen. Se toimii energianlähteenä vesistöjen bakteereille, ja vesistön humuspitoisuuden voi hyvinkin päätellä veden väristä.

Glykogeeni eli eläintärkkelys varastoituu maksaan toimien ruumiin glukoosinlähteenä. Sen rakenne on monimutkainen koostuen α-glukoosiyksikköketjujen verkostosta. Kuten amylopektiinissäkin, ketjun suorissa osissa on 1,4’-glykosidisidoksia, mutta haarautumispisteissä on 1,6’-glykosidisidoksia. Yksittäinen glykogeenimolekyyli koostuu tuhansista glukoosiyksiköistä, ja sen suhteellinen molekyylimassa on ≈4*106. Ruumiissa glukosidaasi-entsyymi hajottaa glykogeenia glukoosiksi.

Joillakin eläimillä kuten hevosella glykogeenia on huomattavia määriä myös lihaksissa: tämän vuoksi hevosen liha maistuu hieman makealta.

© Otavan Opisto / Ari Kiviniemi

© 2015 Otavan Opisto