If you're seeing this message, it means we're having trouble loading external resources on our website.

Bağlandığınız bilgisayar bir web filtresi kullanıyorsa, *.kastatic.org ve *.kasandbox.org adreslerinin engellerini kaldırmayı unutmayın.

Ana içerik

Karbonhidratlar

Karbonhidratlara genel bakış: Monosakkaritler, disakkaritler ve polisakkaritlerin yapıları ve özellikleri.

Giriş

Bir patatesin içinde ne vardır? Su! Evet, su patatesin ağırlığının büyük bir bölümünü oluşturur. Peki ya, başka? Biraz yağ, biraz protein...ve bol miktarda karbonhidrat (ortalama bir patateste yaklaşık 37 gram)!
Bu karbonhidratın bir kısmı şeker formundadır. Bu şekerler, patatese ve patatesi yiyen kişiye hazır enerji kaynağı sağlar. Patatesteki karbonhidratın bir kısmı ise patatesin hücre duvarına şekil veren selüloz polimerleri de dahil olmak üzere lif formundadır. Fakat patatesin içerdiği karbonhidratın büyük çoğunluğunu nişasta oluşturur. Nişasta, birbirine bağlı glikoz molekülerinin oluşturduğu uzun bir zincir ve enerjinin depo edilme şekillerinden biridir. Yani patates kızartması, cips veya kumpir yediğinizde, sindirim sisteminizdeki enzimler uzun glikoz zincirlerini parçalayarak hücrelerinizin kullanabileceği daha küçük şekerlere dönüştürmeye başlarlar.
Karbonhidratlar, karbon, hidrojen ve oksijenden meydana gelen, yaklaşık olarak bir karbon (C) atomuna karşılık bir su (H2O) molekülü içeren biyolojik moleküllerdir. Bu bileşim, aynı zamanda karbonhidratlara ismini de verir : karbon (karbon-) ve su (-hidrat) . Karbonhidrat zincirleri birbirlerinden farklı uzunluklara sahiptir ve biyolojik açıdan önemli olan karbonhidratlar 3 kategoriye ayrılabilir: monosakkaritler, dissakkaritler ve polisakkaritler. Bu yazıda, karbonhidrat çeşitlerinin yanı sıra insanlarda ve diğer organizmalarda karbonhidratların üstlendiği oldukça önemli enerji ile ilgili ve yapısal görevleri de öğreneceğiz.

Monosakkaritler

Monosakkaritler (mono- = “bir”; sacchar- = “tatlı”) en bilinen üyesi glikoz olan basit şekerlerdir. Monosakkaritler, (CH2O)n, formülüne sahiptir ve içerdikleri karbon atomu sayıları genellikle 3-7 arasında değişir.
Monosakkaritlerde, oksijen atomlarının çoğunluğu hidroksil (OH) gruplarında bulunurlar, fakat oksijenlerden bir tanesi karbonil grubunun (C=O) bir parçasıdır. Bu karbonil grubunun (C=O) konumu, şekerleri kategorize etmek için kullanılabilir:
  • Şeker eğer bir aldehit grubu içeriyorsa, yani karbonil C, zincirin son karbonu ise bu şekere aldoz adı verilir.
  • Karbonil C zincirin içindeyse, yani her iki tarafında da başka karbonlar bulunuyorsa, bu bir keton grubu oluşturur. Bu şekerler ketoz olarak adlandırılır.
Şekerler aynı zamanda içerdikleri karbon atomu sayısına göre de isimlendirilirler: en yaygın türlerden bazıları triozlar (üç karbonlu), pentozlar (beş karbonlu) ve heksozlardır (altı karbonlu).
Monosakkaritlerin yapısı. Karbonil konumlarına göre: gliseraldehit (aldoz), dihidrokslaseton (ketoz). Karbon sayılarına göre: gliseraldehit (trioz), riboz (pentoz) ve glikoz (heksoz).
Aldehitin yapısı: bir tarafında H’ye ve diğer tarafında R grubuna (karbon içeren bir grup) bağlanan karbonil. Ketonun yapısı: her iki tarafında da R ve R’ gruplarına (karbon içeren gruplar) bağlanan karbonil.
Görselin uyarlandığı kaynak: OpenStax Biology.

Glikoz ve izomerleri

Önemli bir monosakkarit olan glikoz, altı karbonlu bir şekerdir. Formülü C6H12O6'dir. Diğer yaygın monosakkaritler arasında galaktoz (sütte bulunan şeker olan laktozun bir parçasını oluşturur) ve fruktoz (meyvelerde bulunur) bulunur.
Glikoz, galaktoz ve fruktoz aynı kimyasal formüle (C6H12O6) sahiptirler, fakat atomlarının dizilişlerinde farklılıklar vardır. Bu onları birbirinin izomeri yapar. Fruktoz; glikoz ve galaktozun yapı izomeridir. Bu, atomların birbirlerine farklı bir sırayla bağlandığı anlamına gelir.
Glikoz ve galaktoz stereoizomerdir (başka bir deyişle, atomları aynı sıra ile bağlanmışlardır ancak uzaydaki düzenlenmeleri farklıdır). Karbon 4’teki stereokimyaları ile birbirlerinden ayrılırlar. Fruktoz, glikoz ve galaktozun yapısal izomeridir (atomları aynıdır ancak farklı bir sıra ile bağlanmışlardır).
Görselin uyarlandığı kaynak: OpenStax Biology.
Glikoz ve galaktoz birbirlerinin stereoizomeridir; yani ikisinin de atomları aynı sıra ile birbilerine bağlanmıştır, fakat atomların asimetrik karbon atomlardan birinin etrafındaki 3 boyutlu düzenlenmeleri birbirinden farklıdır. Bunu şemada kırmızıyla işaretlenmiş olarak görebilirsiniz. Hidroksil (OH) grubunun yönü iki molekülde birbirinden farklıdır. Bu küçük fark, enzimlere hangisinin glikoz hangisinin galaktoz olduğunu anlamak ve kimyasal tepkimeye girmek üzere ikisinden birini seçmek için yeter de artar bile!

Şekerlerin halkalı yapısı

Şu ana kadar incelediğimiz bütün şekerlerin, düz zincirler içeren doğrusal moleküller olduklarını fark etmiş olabilirsiniz. Şekerler genellikle halka olarak temsil edildikleri için bu durumu garipsemiş de olabilirsiniz. Aslına bakarsanız, bunların ikisinin de doğru olduklarını söyleyebiliriz! Beş veya altı karbonlu şekerlerin birçoğu hem düz zincir hem de bir veya birden çok halka içeren şekillerde olabilirler.
Bu şekiller birbirleriyle denge halindedir, özellikle de sulu veya su bazlı çözeltilerde; denge durumu halkalı yapılardan yanadır. Örneğin, çözelti içindeki glikozun temel konfigürasyonu altı karbonlu bir halka şeklindedir. Glikozun %99'u genellikle bu formda bulunur3.
Glikoz altı karbonlu halka formundayken bile farklı özelliklere sahip iki farklı formda bulunabilir. Halka oluşumunda, karbonilin hidroksil grubuna dönüşmüş oksijeni (O) ya halkanın ''üzerinde'' (CH2OH grubuyla aynı tarafta) ya da ''altında'' (CH2OH grubunun zıt tarafında) kalır. Hidroksil altta olduğu zaman, glikozun alfa (α) formunda, üstte olduğunda zamansa beta (β) formunda olduğunu söyleriz.
Glikozun doğrusal ve halkalı yapıları. Doğrusal form halkalı alfa ya da beta formuna dönüşebilir. Bu iki form arasındaki fark, doğrusal formun karbonilinden türeyen hidroksil grubunun konumudur. Hidroksil grubu eğer (CH2OH grubuyla aynı tarafta) yukarıda ise, o zaman molekül beta glikozdur. Aşağıda (zıt tarafta) olduğunda ise, alfa glikoz olarak adlandırılır.
Riboz ve glikozun halka formları. Altı üyeli halkanın aksine, bu halkalar beş üyelidir.
Görselin uyarlandığı kaynak: OpenStax Biology.

Disakkaritler

Disakkaritler (di- = “iki”), iki monosakkaridin dehidrasyon tepkimesi yoluyla bir araya gelmesi sonucu oluşur. Bu tepkime, kondenzasyon tepkimesi ya da dehidrasyon sentezi olarak da bilinir. Bu süreçte, bir monosakkaridin hidroksil grubu, bir su molekülü açığa çıkararak ve glikosidik bağ olarak da bilinen kovalent bağ oluşturarak, bir başka hidroksil grubunun hidrojeniyle birleşir.
Sofra şekeri olarak da bilinen bir disakkarit çeşidi olan sakkarozu dehidrasyon tepkimesi yoluyla oluşturan glikoz ve fruktoz monomerlerinin birleşimi aşağıdaki grafikte gösterilmiştir. (Tepkime aynı zamanda su molekülü de açığa çıkarır, ancak bu resimde gösterilmemiştir.)
Dehidrasyon sentezi yoluyla glikoz ve fruktoz arasındaki 1-2 glikosidik bağların oluşumu.
Görsel hakları: OpenStax Biology.
Bazı durumlarda, iki şeker halkasındaki hangi karbonların glikosidik bağla bağlandığını bilmek önemlidir. Karbonil gruba en yakın uçtaki karbonla başlamak üzere, bir monosakkaritteki her karbon atomuna bir numara verilir (şeker doğrusal formunda olduğunda). Bahsedilen bu numaralandırma, yukarıda glikoz ve fruktoz için yapılmıştır. Bir sakkaroz molekülünde, glikozun 1 karbonu, fruktozun 2 karbonuna bağlı olduğundan, bu bağ, 1-2 glikosidik bağ olarak adlandırılır.
En çok bilinen disakkarit çeşitleri laktoz, maltoz ve sakkarozdur. Laktoz, glikoz ve galaktozdan meydana gelen ve sütte doğal olarak bulunan bir disakarittir. Çoğu insan yetişkinliklerinde laktozu sindiremez ve bu da laktoz hassasiyetine neden olur (bu kişiler arasında siz ya da arkadaşlarınızın olma ihtimali çok yüksek) Maltoz ya da malt şekeri iki glikoz molekülünden meydana gelen bir disakkarittir. En bilinen disakkarit çeşidi, glikoz ve fruktozdan oluşan sakkarozdur (sofra şekeri).
En çok bilinen disakkaritler: maltoz, laktoz ve sakkaroz
Görsel hakları: OpenStax Biology.

Polisakkaritler

Glikosidik bağlarla bağlanmış monosakkaritlerden oluşan uzun zincir, polisakkarit (poly- = “çok”) olarak adlandırılır. Zincir dallanmış olabilir veya olmayabilir; ayrıca değişik monosakkarit türleri de içerebilir. Bir polisakkaridin molekül ağırlığı çok fazla olabilir. Şöyle ki; eğer yeterince monomer birleşirse 100,000 dalton ya da fazlası olabilir. Nişasta, glikojen, selüloz ve kitin canlı organizmalar için önemli başlıca polisakkarit çeşitlerindendir.

Depo polisakkaritleri

Nişasta bitkilerde şekerin depolanmış halidir ve her ikisi de glikozun bir polimeri olan amiloz ve amilopektin adı verilen polisakkaritlerin birleşiminden oluşur. Bitkiler fotosentez sırasında topladıkları ışık enerjisini kullanarak glikoz sentezini yapabilirler. Bitkinin acil enerji ihtiyaçlarının dışında kalan fazla glikoz, kökleri ve tohumları da dahil olmak üzere bitkinin değişik bölümlerinde depolanır. Tohumlardaki nişasta, filizlenmesi sırasında embriyonun besin ihtiyacını karşılar; aynı zamanda da daha sonra onu sindirim enzimlerini kullanarak glikoz monomerlerine ayıracak olan insan ve hayvanların besin kaynağı olarak işlev görür.
Nişastada, glikoz monomerleri α formundadır (karbon 1'in hidroksil grubu halkanın alt kısmındadır) ve öncelikli olarak 1-4 glikosidik bağlarla bağlıdırlar. Bu, iki monomerin 1 ve 4 karbon atomlarının glikosidik bağ kurması anlamına gelir.
  • Amiloz, 1-4 bağlarıyla bağlı glikoz monomerlerinin dallanma olmayan zincirlerinden meydana gelir.
  • Amilopektin dallanmış bir polisakkarittir. Monomerlerinin çoğu 1-4 bağlarla bağlanmış olsa da, belli aralıklarla ilave 1-6 bağları oluşur ve molekülün dallanmasını sağlar.
Altbirimlerin şekli nedeniyle, amiloz ve amilopektindeki glikoz zincirleri, aşağıdaki şekilde de gösterildiği gibi tipik olarak sarmal bir yapıya sahiptir.
Üstte: amilozun doğrusal bir yapısı vardır. 1-4 glikosidik bağlarla bağlanan glikoz monomerlerinden oluşur. Altta: amilopektinin dallanmış bir yapısı vardır. Genellikle 1-4 glikosidik bağlarla bağlanan glikoz monormerlerinden oluşur ancak dallanma noktalarında 1-6 bağlarla bağlanan glikoz molekülleri vardır.
Görsel hakları: OpenStax Biology.
Bu bitkiler için çok iyi ama peki ya bizim için? Glikojen, glikozun insanlarda ve diğer omurgalılardaki depolanmış halidir. Nişasta gibi, glikojen de glikoz monomerlerinin bir polimeridir ve amilopektine göre çok daha dallanmış bir yapısı bulunur.
Glikojen genellikle karaciğer ve kas hücrelerinde depolanır. Kan şekeri seviyesinin düşmesi durumunda glikojen, hücreler tarafından emilen ve kullanılan glikoz monomerlerini açığa çıkarmak için hidroliz yoluyla parçalanır.

Yapısal polisakkaritler

Energi depolama polisakkaritlerin önemli rollerinden biri olsa da; polisakkaritlerin farklı ama bir o kadar da önemli olan bir başka rolleri daha vardır: yapı sağlamak. Örneğin selüloz, bitki hücre duvarlarının temel bileşenlerinden biridir. Bitkilerin hücre duvarları, hücreleri çevreleyen katı yapılardır (aynı zamanda marul gibi sebzelerin de çıtır çıtır olmasını sağlar). Tahta ve kâğıt çoğunlukla selülozdan yapılır. Selülozun kendisi ise 1-4 glikosidik bağlarla bağlı glikoz monomerlerinin dallanmamış zincirlerinden oluşur.
Selüloz lifleri ve selülozun moleküler yapısı. Selüloz, her bir monomerin, komşularına göre baş aşağı çevrildiği bir zincir olarak tanımlanabilecek beta formundaki glikoz monomerlerinden oluşur.
Görselin uyarlandığı kaynak: OpenStax Biology.
Amilozun aksine selüloz β formunda glikoz monomlerinden oluşur. Bu yüzden özellikleri çok farklıdır. Yukarıdaki şekilde gösterildiği üzere, zincirdeki diğer her glikoz monomeri bitişiğindekilere bağlanırken ters çevrilir. Bu da selülozun uzun, düz ve sarmal olmayan bir yapıya sahip olmasına sebep olur. Bu zincirler hidroksil grupları arasındaki hidrojen bağları tarafından bir arada tutulan paralel demetler oluşturarak bir araya gelirler4,5. Bu, selüloza bitki hücreleri için önemli olan katılık ve yüksek gerilim kuvvetini kazandırır.
Selülozdaki β glikosidik bağları, insanlardaki sindirim enzimleri tarafından parçalanamadığı için insanlar selülozu sindiremezler. (Bu selülozun, yediğimiz besinler arasında olmadığı anlamına gelmez. Selüloz, çözünmeyen bir lif olarak, sindirilmeden sindirim sistemimizi terk eder.) Ama inek, koala, sığır ve at gibi bazı otobur hayvanlar, selülozun işlenmesi için özelleşmiş mikroplara sahiptirler. Bu mikroplar, hayvanların sindirim sisteminde yaşarlar ve selülozu hayvan tarafından kullanılabilecek olan glikoz monomerlerine ayırırlar. Ek olarak, tahtakuruları da, bağırsaklarında yaşayan mikroorganizmalar yardımıyla selülozu parçalarlar.
Arı resmi. Arının eksoskeletonu (sert dış kabuk) kitin içerir. Kitin, kendilerine bağlı azotlu fonksiyonel grupları olan değiştirilmiş glikoz birimlerinden oluşur.
Görsel hakları: Louise Docker.
Selüloz bitkilere özgü bir şeydir ama polisakkaritler bitki olmayan türler için de önemli yapısal bir rol oynarlar. Örneğin, böcekler ve kabuklular gibi eklembacaklıların, daha yumuşak olan iç organlarını koruyan eksoskeleton adında sert dış iskeletleri vardır. Eksoskeleton, bir makromolekül olan kitinden oluşur. Kitin, selüloza benzer ancak azot içeren fonksiyonel grupları olan değiştirilmiş glikoz birimlerinden oluşmuştur. Kitin aynı zamanda, ne hayvan ne de bitki olarak sınıflandırılabilecek, kendilerine ait bir alemleri olan mantarların hücre duvarlarını oluşturan başlıca bir bileşendir.

Tartışmaya katılmak ister misiniz?

İngilizce biliyor musunuz? Khan Academy'nin İngilizce sitesinde neler olduğunu görmek için buraya tıklayın.