Istilah ini paling umum dalam biokimia, di mana ia adalah sinonim dari sakarida. Karbohidrat (saccharides) terbahagi dalam empat kumpulan kimia: monosakarida, disakarida, oligosakarida, dan polisakarida. Pada umumnya, monosakarida dan disakarida, yang lebih kecil (berat molekul rendah) karbohidrat, yang sering disebut sebagai gula. [1] sakarida kata berasal dari kata Yunani σάκχαρον (sákkharon), yang bermaksud "gula". Sedangkan nomenklatur saintifik adalah karbohidrat kompleks, nama-nama monosakarida dan disakarida sangat sering berakhir dalam ose-akhiran. Misalnya, gula darah adalah monosakarida glukosa, gula meja adalah disakarida sukrosa, dan gula susu adalah disakarida laktosa (lihat gambar).
Karbohidrat melakukan banyak peranan pada makhluk hidup. Polisakarida berfungsi untuk simpanan tenaga (misalnya, pati dan glikogen), dan sebagai komponen struktur (contohnya, selulosa pada tanaman dan kitin dalam artropod). The ribosa 5-karbon monosakarida merupakan komponen penting dari koenzim (misalnya, ATP, FAD, dan NAD) dan tulang punggung molekul genetik yang dikenali sebagai RNA. The deoksiribosa berkaitan merupakan komponen dari DNA. Saccharides dan turunannya termasuk banyak biomolekul penting lain yang memainkan peranan utama dalam sistem kekebalan tubuh, pemupukan, mencegah patogenesis, pembekuan darah, dan pembangunan. [2]
Dalam ilmu makanan dan dalam konteks formal banyak, karbohidrat istilah yang sering bererti setiap makanan yang sangat kaya akan pati karbohidrat kompleks (seperti bijirin, roti, dan pasta) atau karbohidrat sederhana, seperti gula (ditemui di gula-gula, mentega, dan makanan penutup).
Struktur
Dahulu nama "karbohidrat" digunakan dalam kimia untuk sebatian dengan formula Cm (H2O) n. Setelah definisi ini, beberapa ahli kimia dianggap CH2O formaldehid menjadi karbohidrat sederhana, [3] sementara yang lain menyatakan bahawa judul untuk glycolaldehyde [4] Hari ini, istilah. Secara umum difahami dalam erti biokimia, yang tidak termasuk sebatian dengan karbon hanya satu atau dua.
Alam saccharides umumnya dibina dari karbohidrat sederhana yang disebut monosakarida dengan umum (CH2O) n rumus di mana n adalah tiga atau lebih. Suatu monosakarida khas mempunyai struktur H-(Choh) x (C = O) - (Choh) YH, iaitu, sebuah aldehid atau keton dengan kumpulan hidroksil tambah banyak, biasanya satu pada setiap atom karbon yang bukan sebahagian daripada aldehida atau kumpulan berfungsi keton. Contoh monosakarida adalah glukosa, fruktosa, dan Gliseraldehid. Namun, beberapa bahan biologi yang biasa disebut "monosakarida" tidak sesuai dengan formula ini (misalnya, asid uronic dan deoksi-gula seperti fucose), dan ada banyak bahan kimia yang sesuai dengan formula ini tetapi tidak dianggap monosakarida (misalnya , formaldehid CH2O dan inositol (CH2O) 6). [5]
Bentuk rantai terbuka monosakarida sering berdampingan dengan bentuk cincin tertutup di mana aldehid / keton karbon kumpulan karbonil (C = O) dan kumpulan hidroksil (-OH) bertindak balas membentuk hemiacetal dengan jambatan COC baru.
Monosakarida boleh dihubungkan bersama ke dalam apa yang disebut polisakarida (atau oligosakarida) dalam berbagai macam cara. Banyak karbohidrat mengandungi satu atau lebih unit monosakarida diubah yang telah mempunyai satu atau lebih kumpulan diganti atau dihapuskan. Sebagai contoh, deoksiribosa, komponen DNA, adalah versi modifikasi dari ribosa; kitin terdiri dari unit berulang N-asetilglukosamin, bentuk nitrogen yang mengandungi glukosa. Monosakarida Rencana utama: Monosakarida D-glukosa merupakan aldohexose dengan formula (° C H2O) 6. Atom merah menyerlahkan kumpulan aldehid, dan atom biru menyerlahkan pusat asimetrik terjauh dari aldehid; kerana ini-OH berada di sebelah kanan unjuran Fischer, ini adalah gula D.
Monosakarida adalah karbohidrat sederhana kerana mereka tidak dapat dihidrolisis menjadi karbohidrat yang lebih kecil. Mereka adalah aldehid atau keton dengan dua atau lebih kumpulan hidroksil. Rumus kimia umum dari monosakarida diubahsuai adalah (C • H2O) n, harfiah "hidrat karbon." Monosakarida adalah molekul bahan bakar penting juga sebagai blok bangunan untuk asid nukleik. Terkecil monosakarida, yang n = 3, adalah dihidroksiaseton dan D-dan L-Gliseraldehid. Klasifikasi monosakarida
Alpha-D-glukopiranosa-2D-skeletal.png Beta-D-glukopiranosa-2D-skeletal.png
The α dan β anomers glukosa. Perhatikan kedudukan kumpulan hidroksil (merah atau hijau) pada karbon anomeric relatif kepada kumpulan CH2OH terikat pada karbon 5: mereka baik di sisi berlawanan (α), atau sisi yang sama (β).
Monosakarida digolongkan berdasarkan tiga ciri-ciri yang berbeza: penempatan kumpulan karbonil, jumlah atom karbon yang dikandungnya, dan wenangan kiral nya. Jika kumpulan karbonil aldehid, monosakarida adalah suatu Aldosa, jika kumpulan karbonil adalah keton, monosakarida adalah sebuah ketose. Monosakarida dengan tiga atom karbon disebut triosa, mereka dengan empat disebut tetroses, lima disebut pentosa, enam adalah heksosa, dan sebagainya. [6] Kedua-dua sistem klasifikasi sering digabungkan. Sebagai contoh, glukosa adalah aldohexose (a aldehid enam-karbon), ribosa adalah aldopentose (a aldehid lima-karbon), dan fruktosa adalah ketohexose (sebuah keton enam-karbon).
Setiap atom karbon membawa kumpulan hidroksil (-OH), dengan pengecualian pada karbon pertama dan terakhir, yang asimetris, membuat mereka stereocenters dengan dua tatarajah yang mungkin masing-masing (R atau S). Kerana asimetri ini, sejumlah isomer mungkin ada untuk setiap formula monosakarida diberikan. D aldohexose-glukosa, misalnya, memiliki formula (° C H2O) 6, dimana semua kecuali dua daripada enam atom karbon yang stereogenik, membuat satu D-glukosa 24 = 16 stereoisomer mungkin. Dalam kes Gliseraldehid, aldotriose suatu, ada sepasang stereoisomer mungkin, iaitu enantiomer dan epimers. 1,3-dihidroksiaseton, yang ketose sesuai dengan Gliseraldehid Aldosa, adalah molekul simetri tanpa stereocenters). Penugasan D atau L dibuat sesuai dengan orientasi karbon asimetrik terjauh dari kumpulan karbonil: dalam unjuran Fischer standard jika kumpulan hidroksil berada di sebelah kanan adalah molekul gula D, selain itu adalah gula L. The "D-" dan "L-" awalan tidak harus bingung dengan "d-" atau "l-", yang menunjukkan arah bahawa gula pesawat berputar terpolarisasi cahaya. Ini penggunaan "d-" dan "l-" tidak lagi diikuti dalam kimia karbohidrat. [7] Ring-isomer rantai lurus
Glukosa boleh wujud di kedua-dua rantai lurus-dan bentuk cincin.
Kumpulan aldehid atau keton daripada monosakarida berantai lurus akan bertindak balas kembali dengan kumpulan hidroksil pada atom karbon yang berbeza untuk membentuk hemiacetal atau hemiketal, membentuk sebuah cincin heterosiklik dengan jambatan oksigen antara dua atom karbon. Cincin dengan lima dan enam atom disebut bentuk furanose dan pyranose, masing-masing, dan ada dalam keseimbangan dengan bentuk rantai lurus. [8]
Selama penukaran dari bentuk rantai lurus ke bentuk siklik, atom karbon yang mengandungi oksigen karbonil, yang disebut karbon anomeric, menjadi pusat stereogenik dengan dua tatarajah yang mungkin: Atom oksigen dapat mengambil posisi di atas atau di bawah bidang dari cincin. Pasangan yang mungkin dihasilkan dari stereoisomer yang disebut anomers. Dalam anomer α, gantian-OH pada karbon anomeric terletak pada sisi yang berlawanan (trans) dari cincin dari cabang samping CH2OH. Bentuk alternatif, di mana gantian CH2OH dan hidroksil anomeric berada di sisi yang sama (cis) dari pesawat dari cincin, disebut anomer β. Anda boleh mengingati bahawa anomer β adalah cis oleh mnemonic, "Ini selalu lebih baik untuk βe up". Kerana cincin dan bentuk berantai lurus mudah interconvert, baik anomers ada dalam keseimbangan [8] Dalam Unjuran Fischer,. Yang anomer α diwakili dengan kumpulan hidroksil anomeric trans ke CH2OH dan cis di anomer β.
Gunakan dalam organisma hidup
Monosakarida adalah sumber utama bahan bakar untuk metabolisme, yang digunakan baik sebagai sumber tenaga (glukosa menjadi yang paling penting di alam) dan dalam biosintesis. Ketika monosakarida tidak akan diperlukan oleh banyak sel mereka sering ditukar ke ruang lebih bentuk cekap, sering polisakarida. Pada banyak binatang, termasuk manusia, bentuk simpanan glikogen, terutama dalam sel hati dan otot. Pada tumbuhan, pati digunakan untuk tujuan yang sama.
Disakarida Dua monosakarida menyertai disebut disakarida dan polisakarida ini adalah sederhana. Contohnya termasuk sukrosa dan laktosa. Mereka terdiri daripada dua unit monosakarida yang terikat bersama oleh ikatan kovalen dikenali sebagai penghubung glikosidik dibentuk melalui reaksi dehidrasi, yang mengakibatkan kehilangan sebuah atom hidrogen dari satu monosakarida dan kumpulan hidroksil dari yang lain. Rumus disakarida diubahsuai adalah C12H22O11. Walaupun ada pelbagai jenis disakarida, segelintir disakarida sangat penting.
Sukrosa, membayangkan ke kanan, adalah disakarida paling banyak, dan bentuk utama yang diangkut karbohidrat pada tanaman. Ini terdiri daripada satu molekul D-glukosa dan satu molekul D-fruktosa. Nama sistematik untuk sukrosa, O-α-D-glucopyranosyl-(1 → 2)-D-fructofuranoside, menunjukkan empat perkara:
* Its monosakarida: glukosa dan fruktosa
* Jenis cincin mereka: pyranose glukosa, dan fruktosa adalah sebuah furanose
* Bagaimana mereka dihubungkan bersama: oksigen pada karbon nombor 1 (C1) glukosa-α-D ini berkaitan dengan C2 D-fruktosa.
* The-oside akhiran menunjukkan bahawa karbon anomeric kedua monosakarida menyertai dalam ikatan glikosidik.
Laktosa, suatu disakarida yang terdiri daripada satu molekul D-galaktosa dan satu molekul D-glukosa, terjadi secara semulajadi dalam susu mamalia. Nama sistematik untuk laktosa adalah O-β-D-galactopyranosyl-(1 → 4)-D-glukopiranosa. disakarida penting lain termasuk maltosa (dua D-glucoses berkaitan α-1, 4) dan cellulobiose (dua D-glucoses berkaitan β-1, 4). disakarida boleh diklasifikasikan menjadi dua types.They adalah mengurangkan dan bukan-mengurangkan disaccahrides jika kumpulan berfungsi hadir dalam ikatan dengan unit yang lain gula disebut sebagai mengurangkan disakarida.
Oligosakarida dan polisakarida
Amilosa merupakan polimer linier dari glukosa terutama berkaitan dengan α (1 → 4) bon. Hal ini dapat dibuat dari beberapa ribu unit glukosa. Ini adalah salah satu daripada dua komponen pati, yang amilopektin yang lain.
Oligosakarida dan polisakarida terdiri dari rantai unit monosakarida lagi terikat oleh ikatan glikosidik. Perbezaan antara keduanya adalah berdasarkan jumlah unit monosakarida hadir dalam rantai. Oligosakarida biasanya mengandungi antara tiga dan sepuluh unit monosakarida, dan polisakarida mengandungi lebih dari sepuluh unit monosakarida. Definisi seberapa besar karbohidrat harus jatuh ke setiap kategori berubah-ubah mengikut pendapat peribadi. Contoh oligosakarida termasuk disakarida disebutkan di atas, raffinose trisaccharide dan stachyose tetrasaccharide.
Oligosakarida dijumpai sebagai bentuk umum dari pengubahsuaian protein posttranslational. pengubahsuaian posttranslational tersebut termasuk Lewis dan oligosakarida ABO bertanggung jawab atas klasifikasi golongan darah dan dari rangkaian yang tidak serasi, yang epitop alpha-Gal bertanggung jawab atas penolakan hiperakut di xenotransplantation, dan pengubahsuaian O-GlcNAc.
Polisakarida merupakan kelas penting dari polimer biologi. fungsi mereka dalam organisma hidup biasanya baik struktur atau simpanan-berkaitan. Pati (polimer glukosa) digunakan sebagai polisakarida simpanan di kilang, yang ditemui dalam bentuk baik amilosa dan amilopektin bercabang. Pada haiwan, polimer glukosa struktur yang sama adalah glikogen lebih padat bercabang, kadang-kadang disebut 'binatang pati'. sifat Glikogen yang membolehkan anda dimetabolisme lebih cepat, yang sesuai dengan kehidupan aktif haiwan bergerak.
Selulosa dan kitin adalah contoh dari polisakarida struktur. Selulosa yang digunakan pada dinding sel tanaman dan organisma lain, dan didakwa sebagai molekul organik yang paling berlimpah di bumi [9]. Ini mempunyai banyak kegunaan seperti peranan penting dalam industri kertas dan tekstil, dan digunakan sebagai bahan baku untuk pengeluaran serat rayon (melalui proses viskosa), selulosa asetik, seluloid, dan nitroselulosa. Kitin mempunyai struktur yang sama, namun mengandungi nitrogen cabang samping, meningkatkan kekuatan. Hal ini ditemui dalam exoskeletons artropod dan di beberapa dinding sel cendawan. Ini juga telah menggunakan beberapa, termasuk benang bedah.
polisakarida lain termasuk kalosa atau laminarin, chrysolaminarin, xilan, arabinoxylan, mannan, fukoidan dan galactomannan.
Nutrisi
Makanan tinggi karbohidrat termasuk buah-buahan, gula-gula, minuman ringan, roti, pasta, kacang-kacangan, kentang, dedak, beras, dan bijirin. Karbohidrat adalah sumber umum tenaga dalam organisma hidup, bagaimanapun, tidak ada karbohidrat merupakan nutrisi penting dalam manusia.
Karbohidrat tidak blok bangunan yang diperlukan molekul lain, dan tubuh boleh mendapatkan semua tenaga dari protein dan lemak [10] [11] Otak. Dan neuron umumnya tidak boleh membakar lemak untuk tenaga, tetapi glukosa menggunakan atau keton. Manusia dapat mensintesis beberapa glukosa (dalam siri proses yang dikenali sebagai glukoneogenesis) dari asid amino tertentu, dari tulang punggung di trigliserida gliserol dan dalam beberapa kes dari asid lemak. Karbohidrat mengandungi 15,8 kilojoule (3,75 kilokalori) [rujukan?] Dan protein 16,8 kilojoule (4 kilokalori) pada gram, sedangkan lemak mengandungi 37,8 kilojoule (9 kilokalori) pada gram. Dalam hal protein, ini agak menyesatkan kerana hanya sebahagian asid amino boleh digunakan untuk bahan bakar.
Organisma biasanya tidak boleh memetabolisme semua jenis karbohidrat untuk menghasilkan tenaga. Glukosa merupakan sumber hampir universal dan diakses dari kalori. Banyak organisma juga mempunyai kemampuan untuk memetabolisme monosakarida dan disakarida lain, walaupun glukosa lebih disukai. Dalam Escherichia coli, misalnya, operon lac akan mengekspresikan enzim untuk pencernaan laktosa saat itu hadir, tetapi jika kedua-dua laktosa dan glukosa hadir operon lac ditekan, sehingga glukosa digunakan pertama. Polisakarida juga merupakan sumber umum tenaga. Banyak organisma boleh dengan mudah memecah pati menjadi glukosa, bagaimanapun, organisma yang paling tidak boleh metabolisme polisakarida lain seperti selulosa atau kitin dan arabinoxylans. Karbohidrat ini jenis boleh dimetabolisme oleh beberapa bakteria dan protista. Ruminansia dan anai-anai, misalnya, dengan menggunakan mikroorganisme untuk memproses selulosa. Walaupun karbohidrat kompleks ini tidak terlalu dicerna, mereka mungkin terdiri daripada unsur-unsur makanan penting bagi manusia. Disebut serat makanan, karbohidrat ini meningkatkan pencernaan antara manfaat lain.
Berdasarkan kesan pada risiko penyakit jantung dan obesiti, Institute of Medicine mengesyorkan bahawa orang dewasa Amerika dan Kanada mendapatkan antara 45-65% daripada tenaga makanan dari karbohidrat [12] Pertubuhan Makanan dan Pertanian dan Pertubuhan Kesihatan Dunia mengesyorkan bersama-sama. Yang nasional pedoman diet menetapkan tujuan dari 55-75% daripada tenaga total dari karbohidrat, tetapi hanya 10% langsung dari gula (istilah mereka untuk karbohidrat sederhana). [13]
Klasifikasi
Secara bersejarah ahli gizi telah diklasifikasikan sebagai karbohidrat sederhana atau kompleks, bagaimanapun, penggambaran yang tepat dari kategori ini adalah ambigu. Hari ini, karbohidrat sederhana biasanya merujuk pada monosakarida dan disakarida dan polisakarida artinya kompleks karbohidrat (dan oligosakarida). Namun, karbohidrat kompleks istilah pertama kali digunakan dalam konteks yang sedikit berbeza di Senat AS Jawatankuasa Pilih Nutrisi dan Keperluan Manusia penerbitan Tujuan Diet untuk Amerika Syarikat (1977). Dalam karya ini, karbohidrat kompleks ditakrifkan sebagai "buah, sayuran dan seluruh butir-butir" [14] Beberapa ahli gizi menggunakan karbohidrat kompleks untuk merujuk kepada apapun yang hadir sakarida dicerna dalam makanan utuh, dimana serat, vitamin dan mineral juga dijumpai. (sebagai lawan dari karbohidrat olahan, yang menyediakan kalori tapi sedikit nutrisi lain).
Sebuah keyakinan umum diadakan, bahkan di antara ahli gizi, adalah karbohidrat kompleks (polisakarida, misalnya pati) yang dicerna lebih lambat dari karbohidrat sederhana (gula) dan dengan demikian lebih sihat. [15]
Namun, tampaknya ada ada perbezaan yang signifikan antara karbohidrat sederhana dan kompleks dalam hal kesannya terhadap gula darah [16] Beberapa karbohidrat sederhana (misalnya fruktosa) yang dicerna sangat lambat, sementara beberapa karbohidrat kompleks (pati), terutamanya jika diproses, meningkatkan gula darah dengan cepat. Kelajuan pencernaan ditentukan oleh pelbagai faktor termasuk nutrisi lain yang diambil dengan karbohidrat, bagaimana makanan disiapkan, perbezaan individu dalam metabolisme, dan kimia karbohidrat.
Manual diet umumnya mengesyorkan bahawa karbohidrat kompleks (pati) dan karbohidrat sederhana kaya nutrisi seperti buah-buahan dan sayur-sayuran, dan produk susu membuat sebahagian besar pengambilan karbohidrat. Yang diproses sumber karbohidrat seperti kerepek jagung atau kentang, gula-gula, minuman manis, kuih-kuih dan nasi putih umumnya dianggap tidak sihat secara berlebihan.
Manual Diet USDA untuk Amerika 2005 ditiadakan dengan perbezaan / sederhana yang kompleks, bukan mengesyorkan makanan kaya serat dan gandum. [17]
Indeks glisemik dan konsep muatan glycemic telah dibangunkan untuk menggambarkan perilaku makanan semasa proses pencernaan manusia. Mereka kedudukan makanan kaya karbohidrat berdasarkan kelajuan dan besarnya pengaruh mereka terhadap kadar glukosa darah. Indeks glikemik adalah ukuran dari seberapa cepat glukosa makanan diserap, sedangkan beban glikemik adalah ukuran dari jumlah keseluruhan menyerap glukosa dalam makanan. Indeks insulin adalah, mirip yang lebih baru Kaedah klasifikasi yang kedudukan makanan berdasarkan pengaruhnya terhadap kadar insulin darah, yang disebabkan oleh glukosa (atau pati) dan beberapa asam amino dalam makanan.