Kohlenhydrate

Kohlenhydrate sind Grundnahrungsmittel auf der ganzen Welt. Sie bekommen auch viel negative Aufmerksamkeit in den Medien. Da neue Diäten in und aus der Mode kommen, hat jede eine andere Idee für die richtige Menge an Kohlenhydraten zu konsumieren. Obwohl es einst als Superfood galt, wird Zucker (die einfachsten Kohlenhydrate) jetzt in einem bösartigen Licht gezeigt. Es gibt sogar eine Bewegung, Zucker als gefährliche und süchtig machende Droge neu einzustufen! Polysaccharide (was die Leute traditionell als „Kohlenhydrate“ bezeichnen) wurden vor einigen Jahren allgemein bekannt, aber jetzt gibt es gemischte Meinungen. Ketogene Diäten (Low Carb, High Protein und Fett) sind aufgrund von Gesundheitsrisiken in Ungnade gefallen, es gibt jedoch immer noch eine Debatte darüber, ob Kohlenhydrate gut für Sie sind oder nicht. Bodybuilder behaupten, dass sie gut für die Trainingsleistung und den Stoffwechsel sind. Ernährungswissenschaftler warnen vor den Risiken einer erhöhten Blutzucker- und Gewichtszunahme. Aus dem Kontext der Reformkostdebatte ist nicht immer klar, was Kohlenhydrate genau sind. Der Begriff neigt dazu, als Catch-all für jede stärkehaltige Nahrung verwendet zu werden. Während Stärke ein Kohlenhydrat ist, gibt es auch viele andere. Kohlenhydrate sind ein Makronährstoff (Moleküle, die in relativ großen Mengen konsumiert werden müssen, um das Leben zu erhalten). Sie sind das am häufigsten vorkommende Biomolekül auf der Erde und nehmen viele Formen an. Zucker, Signalmoleküle, Teile unseres Immunsystems, Nukleinsäuren und viele Strukturkomponenten werden alle aus Kohlenhydraten gebildet.

Die chemische Zusammensetzung von Kohlenhydraten verleiht ihnen mehrere Eigenschaften, die ihnen helfen, so viele verschiedene Rollen zu erfüllen. Am wichtigsten ist, dass sie aus fundamentalen Einheiten bestehen, die dann wie Legosteine miteinander verbunden werden können, um große und einzigartige Moleküle zu bilden. Die einzigen Biomoleküle, die dabei besser sind als Kohlenhydrate, sind Proteine. Die allgemeine Molekülformel für jedes Kohlenhydrat ist

Cn(H2O)n

Der Name für diese Moleküle leitet sich von diesem Verhältnis ab: Für jedes Kohlenstoffatom (Carbo-) gibt es eine gleiche Menge Wasser (-Hydrat). Da die Kombination von Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff leicht oxidiert werden kann, sich jedoch nicht von selbst zersetzt, haben Kohlenhydrate sowohl ein hohes Energiepotenzial als auch eine strukturelle Stabilität. Dies macht sie ideal für biochemische Reaktionen. Tatsächlich ist die Oxidation des Kohlenhydrats Glukose die grundlegende chemische Reaktion, die alles Leben auf der Erde antreibt.

Die kleinsten funktionellen Gruppen von Kohlenhydraten sind Monosaccharide. Das Wurzelwort „Saccharid“ kommt vom griechischen Wort für süß, weil diese Einheiten einen charakteristischen süßen Geschmack haben. Monosaccharide werden manchmal als einfache Zucker bezeichnet. Sie bilden die einfachsten Kohlenhydrate und sind Kohlenstoffketten mit vielen Alkohol (-OH) -funktionellen Gruppen und einem speziellen doppelt gebundenen Sauerstoff (Keton oder Aldose), der es der Kette ermöglicht, einen Ring zu bilden. Es gibt viele Beispiele für einfache Zucker, die für Energie verbraucht werden. Glukose ist das Molekül, das in Blutzuckerwerten gemessen wird und die Schlüsselquelle für biologische Energie für alles Leben ist.

Fructose ist eine Zuckerart, die in Pflanzen hergestellt wird. Es ist die Quelle der Süße in Maissirup mit hohem Fructosegehalt.

Galactose ist eine von Säugetieren produzierte Zuckerart, die sich mit Glukose zu Laktose binden kann.

Es gibt auch viele Arten von Monosacchariden, die nicht zur Energiegewinnung verdaut werden. Ribose ist die primäre Strukturkomponente in den Nukleotiden, aus denen DNA und RNA bestehen. Mannose ist ein einfacher Zucker, der in Signalmolekülen vorhanden ist, die als Glykoproteine bekannt sind.

Disaccharide

Die Zuckerarten, mit denen die meisten Menschen vertraut sind, sind Disaccharide, zwei Monosaccharide, die durch eine spezielle Bindung miteinander verbunden sind. Die Bindung, die die beiden Monosaccharide verbindet, wird als glykosidische Bindung bezeichnet. Sie treten auf, weil sich ein spezieller Kohlenstoff im Ring eines Monosaccharids (der anomere Kohlenstoff) mit der -OH-Gruppe eines anderen Monosaccharids verbinden kann, um eine Verknüpfung plus Wasser herzustellen. Disaccharide haben eine größere, doppelringige Struktur und haben eine Vielzahl von Eigenschaften, basierend auf denen Monosaccharide verknüpft sind, sowie die Lage und Stereochemie der glykosidischen Bindungen. Viele natürlich vorkommende Zucker sind Disaccharide von Glucose und einigen anderen Monosacchariden. Saccharose (Haushaltszucker) besteht aus den beiden Monosacchariden Glucose und Fructose. Lactose (Milchzucker) besteht aus den Monosacchariden Glucose und Galactose. Maltose (teilweise verdaute Stärke) besteht aus zwei verbundenen Glucosemonosacchariden und ist das Produkt des Malzens.

Polysaccharide

Die meisten Kohlenhydrate existieren nicht als relativ kleine Monosaccharide oder Disaccharide, sondern bilden massive Ketten einfacher Zucker, die durch glykosidische Bindungen miteinander verbunden sind. Diese Strukturen sind in Form und Funktion sehr unterschiedlich, werden aber zusammen als Polysaccharide bezeichnet. Technisch umfasst der Begriff Kohlenhydrat alle Saccharide, in der Freizeitsprache wird er jedoch für Stärke verwendet. Polysaccharide neigen dazu, nicht den charakteristischen süßen Geschmack von Monosacchariden und Disacchariden zu haben. Sie können in der Größe stark variieren und reichen von nur wenigen Monosaccharideinheiten bis zu ausgedehnten Komplexen von Hunderten von Monosacchariden. Sie können auch unterschiedliche Strukturen haben. Polysaccharide, bei denen die glykosidische Bindung an jeder Einheit an derselben Stelle auftritt, bilden lange Ketten, die sich um sich selbst wickeln, um helikale Strukturen zu bilden. Alternativ können einige Einheiten mehrere glykosidische Bindungen aufweisen, was zu einer lockeren, verzweigten Struktur führt. Schließlich können Polysaccharide vollständig aus einer einzigen Monosaccharideinheit zusammengesetzt sein (Homopolysaccharide) oder sie können sich wiederholende Muster von zwei oder drei verschiedenen Monosacchariden aufweisen (Heteropolysaccharide).

Homopolysaccharide

Polysaccharide, die als Energiequellen verwendet werden, sind in der Regel Homopolysaccharide, die aus Glucose bestehen. In Pflanzen wird diese Energiequelle Stärke genannt und kommt in zwei Varianten vor. Amylose ist eine unverzweigte Stärke. Es bildet enge Spiralen, die sich zu einer kristallinen Struktur zusammenfügen. Weil es dicht gepackt ist, ist Amylose energiedichter, aber weniger löslich und schwerer zu verdauen. Amylopektin ist eine Stärke mit kurzen, verzweigten Ketten. Es ist leicht verdaulich und löst sich leicht in Wasser auf, ist aber weniger energiedicht, da die Zweige eine enge Packung verhindern. Köche verwenden Stärken als Energiequellen und Verdickungsmittel. Tiere und Pilze haben ein Molekül, das analog zu Stärke Glykogen genannt wird. Anstatt helikale Strukturen wie Stärke zu bilden, bildet Glykogen Granulate aus hochverzweigten Glukoseketten, die an ein zentrales Protein gebunden sind. Es wird in der Leber hergestellt und dient als mittelfristiger Energiespeicher für Muskelgewebe. Die klare geleeartige Substanz am Boden einer Dose Spam ist hauptsächlich Glykogen.

Homopolysaccharide können auch stabile Strukturmaterialien bilden. Cellulose ist ein robustes und faseriges Material, das hilft, Zellwände in Pflanzen und Mikroorganismen zu schaffen. Es besteht aus linearen Glukoseketten. Im Gegensatz zu Amylose macht die Form der glykosidischen Bindungen die Struktur jedoch unlöslich und schwer verdaulich. Zellulose wird in Lebensmitteln als Ballaststoffe bezeichnet und macht den größten Teil der Baumwollfasern, Papierprodukte und Holz aus. Chitin ist ein weiteres strukturelles Homopolysaccharid, das häufig in der Natur vorkommt. Es bildet das Exoskelett von Insekten und die Schuppen von Fischen. Wie Cellulose wird Chitin an unlöslichen Ketten linearer Glucose gebildet. Jede Glucoseeinheit ist jedoch so modifiziert, dass an sie eine Amin- (-NH2) -Gruppe gebunden ist.

Heteropolysaccharide

Heteropolysaccharide enthalten zwei oder drei verschiedene Monosaccharide in sich wiederholenden Mustern. Diese Kohlenhydrate sind normalerweise eng mit einem Lipid oder einem Protein verbunden, das Hybridstrukturen bildet, die als Glykolipide oder Glykoproteine bezeichnet werden. Diese Moleküle sind in Pflanzen, Tieren und Mikroorganismen weit verbreitet. Die Komponenten und die Form dieser Moleküle weisen eine enorme Vielfalt auf, und die genaue Struktur vieler von ihnen ist noch unbekannt. Viele Heteropolysaccharide sind medizinisch relevant. Beispiele hierfür sind Hyaluronsäure, die als hoch hydrophiles Stoßabsorptionsmittel und Gleitmittel in Knorpel, Haut und Nervengewebe fungiert; Heparin, ein Antikoagulans, das natürlicherweise im Blut vorhanden ist, und Immunglobuline (Antikörper), die für das aktive Immunsystem essentiell sind.

Schlussfolgerung

Kohlenhydrate sind eine riesige Klasse von Biomolekülen, deren Komplexität und Funktionsvielfalt mit der von Proteinen vergleichbar ist. Ihre Größe kann von relativ einfachen Monosacchariden bis zu ausgedehnten Komplexen von Polysacchariden reichen. Sie haben eine einzigartige Kombination aus struktureller Stabilität und hoher potentieller Energie, die sie ideal für Makromoleküle zur Betankung des Stoffwechsels macht, aber sie haben auch viele andere Funktionen, einschließlich Struktur und Zellsignalisierung. Wir tun Kohlenhydraten einen schlechten Dienst, indem wir sie nur als Nudeln und Kartoffeln betrachten. Sie sind eine einzigartige und sehr vielfältige Familie von Molekülen, die für alles Leben auf der Erde essentiell sind.