q Karbohidratlar, insan diyetinin en önemli kısmını oluştururlar Karbohidratlar Yrd.Doç.Dr. Ahmet GENÇ Sağlık Hizmetleri Meslek Yüksekokulu Karbonhidratlar q Doğada en bol bulunan organik moleküllerdir. q Fonksiyonları; q Başlıca enerji kaynağı, q Enerji deposu, q Hücrelerarası iletişimi sağlayan hücre zarı öğesi gibi, q Bakterilerin hücre duvarında, böceklerin kabuğunda ve bitkilerin fibröz ve sellüloz yapısında bulunan karbohidratlar canlıların yapısal elemanı olarak rol oynarlar. q Basit karbonhidrat için geçerli olan (CH 2 O)n formülünden dolayı hidatlanmış karbon diye adlandırılımıştır. q Karbohidratların molekül yapılarında, alkol grubu ile birlikte ya aldehit ya keton grubu bulunur. Karbohidratlar, polihidroksi alkollerin aldehit veya keton türevleri veya bunların polimerleridirler Sınıflandırılması q Monosakkaritler içerdikleri karbon atomu sayısına göre; q Genel adlar Örnek 1. 3 karbonlu: triozlar Gliseraldehid 2. 4 karbonlu: tetrozlar Eritroz 3. 5 karbonlu: pentozlar Riboz 4. 6 karbonlu: heksozlar Glukoz 5. 7 karbonlu: heptozlar Sedoheptüloz q q En okside grupları aldehit olan karbohidratlara aldoz, keton olanlara ketoz denmektedir Ör, gliseraldehit bir keton, dihidroksikaseton ise bir ketozdur Sınıflandırılması q Monosakkaritler: glikozid bağlarıyla birleşerek daha büyük yapıları oluştururlar. Karbohidratların monomerleridir. (Glukoz, galaktoz, fruktoz, arabinoz vb) q Disakkaritler: İki tane monosakkaritin birleşmesiyle oluşur. (Sukroz, laktoz, mannoz vb.) q Oligosakkaritler: 3-12 arasında monosakkarit birimi içerir. Serbest olarak bulunmazlar q Polisakkaritler: 12 den fazla sayıda monosakkarit içerir (Sellüloz, glikojen) 1
Monosakkaritler (basit şekerler) q Monosakkaritler, hidroliz yoluyla daha küçük moleküllü basit karbohidratlara ayrışmazlar; oligosakkaritlerin ve polisakkaritlerin alt ünitelerini oluştururlar. q Monosakkaritlerin aldehit grubu içerenleri aldoz, keton grubu içerenleri ketoz olarak adlandırılırlar. q Monosakkaritler, moleküllerindeki toplam karbon sayılarına göre de trioz, tetroz, pentoz, heksoz olarak adlandırılırlar İzomer ve epimer q Aynı kimyasal fomüle sahip ama değişik yapılarda olan bileşiklere izomer denir. q Ör, fruktoz, glukoz, mannoz ve galaktozun kimyasal formülleri (C 6 H 12 O 6 ) aynı olup, hepsi birbirinin izomerlerdir q Eğer iki monosakkarid yalnızca özgün bir karbon atomu etrafında konfigrasyon farkı gösteriyorsa, bunlar birbirinin epimerleridir. q Ör, glukoz ve galaktozc-4 epimerleridir: yapılarındaki tek fark 4. C nun OH grubu pozisyonudur. Galaktoz ve mannoz un ikişer C atomlarındaki (2 ve 4) OH gruplarının pozisyonu farklı olduğu için bunlar birbirinin izomerleridir. Enantiomer q Bazı çiftler birbirinin ayna görüntüsü olup özel bir tip izomerizm oluştururlar. Bunlara birbirinin enantiomeri denir ve D veya L şekerler diye adlandırılırlar. Monosakkaritlerin halkasal yapı oluşturmaları q Beş veya daha fazla karbon içeren monosakkaritlerin <%1 açık zincir halinde bulunur q Daha çok halkasal şekilde bulunan monosakkaritlerde, aldehit (veya keton) grubu aynı şeker üzerinde bulunan bir alkol grubu ile reaksiyona girmiştir Monosakkaritlerin halkasal yapı oluşturmaları q 1. Anomerik karbon: bir halkanın oluşması aldozların 1., ketozların 2. C anomerik karbon oluşmasıyla sonuçlanır. Bu yapılar α veya β konfigrasyonu olarak isimlendirilir q Ör, α-d glukoz, β-d glukoz. Bu şekerlerin her ikisi de glukoz ama birbirlerinin anomerleridir. Enzimler bu iki yapıyı ayırt eder. q 2. İndirgeyici şekerler: Anomerik karbondaki oksijen herhangi bir yapıya bağlı değilse, o şeker indirgeyici bir şekerdir. İndirgeyici bir şeker kimyasal ayraçlarla (ör, benedict) reaksiyona girebilirler ve reaktif bileşeni indirgeyebilirler. q Sadece anomerik karbondaki oksijenin durumu şekerin indirgeyici olup olmadığını belirler Organizmadaki önemli monosakkarit türevleri q Şeker fosfatları, bir monosakkaritin hidroksil gruplarından biri ile fosforik asidinkondensasyonu sonucu oluşmuş bileşiklerdir q Amino şekerler, bir monosakkaritteki bir hidroksil grubunun bir amino grubuile yer değiştirmesi sonucu oluşmuş bileşiklerdir q Deoksi şekerler, bir monosakkaritteki bir hidroksil grubunun bir hidrojen ileyer değiştirmesi sonucu oluşmuş bileşiklerdir q Aldonik, üronik, sakkarik asitler, monosakkaritin aldehit ve/veya alkol gruplarının asit grubuna yükseltgenmesiyle oluşurlar q Şeker alkolleri, serbest yarı asetal hidroksili içeren monosakkaritlerin anomerik karbonunun alkol gruplarına indirgenmesiyleoluşan bileşiklerdir. Glukozdan sorbitol, mannozdan mannitol, galaktozdan dulsitol oluşması önemlidir 2
Disakkaritler q Disakkaritler, bir monosakkarit molekülüüzerindeki anomerik karbon hidroksil grubunun bir diğer monosakkarit molekülü üzerindeki bir hidroksil grubu ile reaksiyonlaşması sonucu oluşturulan bir O-glikozidik bağ vasıtasıyla birbirine bağlanmış iki monosakkarit molekülünden oluşmuş bileşiklerdir q Molekülünde bir serbest anomerik karbon atomu bulunan disakkaritler monosakkaritler gibi indirgeyici özellik gösterdikleri halde molekülünde bir serbest anomerik karbon atomu bulunmayan disakkaritler indirgeyici özellik göstermezler q Maltoz,iki glukoz molekülünün Glc(α1 4)Glc biçiminde kondensasyonu ile oluşmuş molekül yapısına sahip disakkarittir. Maltoz, serbest yarı asetal hidroksili içerdiğinden indirgeyici özelliktedir. Maltoz, doğada serbest halde bulunmaz; bir polisakkarit olan nişastanın yapısında yer alır. Nişastanın enzimatik hidrolizinin başlıca ürünüdür q Laktoz,bir galaktoz molekülü ile bir glukoz molekülünün Gal(β1 4)Glc biçiminde kondensasyonu ile oluşmuş molekül yapısına sahip disakkarittir. Laktoz, önemli miktarda yalnızca sütte bulunur. q Sütte bulunan çeşitli mikroorganizmalar, laktozu laktik asite çevirebilirler. Bu da sütün ekşimesine ve kaynatıldığında kesilmesine neden olur. Laktoz, serbest yarı asetal hidroksili içerdiğinden indirgeyici özelliktedir q Sakkaroz,bir glukoz molekülü ile bir fruktoz molekülünün Glc(α1 2)Fru biçiminde kondensasyonu ile oluşmuş molekül yapısına sahip disakkarittir. Sakkaroz, serbest yarı asetal hidroksili içermediğinden indirgeyici özellikte değildir q Sellobioz, iki glukoz molekülünün Glc(β1 4)Glc biçiminde kondensasyonu ile oluşmuş molekül yapısına sahip disakkarittir. Sellobioz, indirgeyici özelliktedir. Sellobioz, doğada serbest olarak bulunmaz; sellüloz polisakkaritinin disakkarit birimidir Kompleks karbonhidratlar q Karbohidratlar, karbohidrat olmayan yapılarla glikozidik bağlarla bağlanabilirler. Karbohidrat olmayan bu yapılar: q Pürin ve pürimidinler q Aromatik halkalar (steroidler ve bilirübin) q Proteinler (glikoproteinler ve glikozaminoglikanlar) q Lipidler (glikolipidler) 3
Kompleks karbonhidratlar KARBONHİDRATLARIN SİNDİRİMİ q O-ve N-glikozidler: eğer şeker karbohidrat olmayan molekülde bir OH grubuna bağlanmışsa, bu yapı bir O- glikozid dir. Eğer bir NH 2 grubuna bağlanmışsa, bu yapı bir N-glikozid dir. q Bütün şeker-şeker glikozidik bağları, O-tipidir. q Karbonhidrat sindiriminin gerçekleştiği başlıca yer ağız ve bağırsaklardır. Sindirim hızlıdır ve mide içeriği duodenojejunal bileşkeye geldiğinde tamamlanmış olur. Hayvansal ve bitkisel besinlerde çok az monosakkarid olduğundan polisakkaritleri yıkmak için disakkaridaz ve endoglikozidaz enzimlere ihtiyaç vardır. q Glikozid bağlarının hidrolizi bir takım glikozidaz enzimleriyle sağlanır ve karbohidratlar kendilerini oluşturan indirgeyici şeker bileşenlerine ayrılırlar. Karbonhidratların Sindirimi Ağızda Başlar q Diyette bulunan polisakkaritlerin çoğu, hayvansal (glikojen) ve bitkisel (nişasta, amiloz ve amilopektinden) kaynaklıdır. Çiğneme esnasında, tükürük α-amilaz besinlerdeki nişastadaki rastgele bazı α(1 4) bağlarını kırar. q Doğada α(1 4) ve β(1 4) endoglukozidazlar bulunur. Ama insanlarda β(1 4) endoglukozidaz sentezlenmez ve sindirim sıvılarında bulunmaz. Bu nedenle insanlar, glukoz kalıntıları arasında β(1 4) glikozidik bağlar bulunan ve bitkisel kaynaklı karbonhidrat olan sellülozun sindirimini yapamazlar. A. Karbonhidratların Sindirimi Ağızda Başlar q α-amilazın etkilediği sindirim ürünleri amilopektin ve glikojen α(1 6) bağlarını da içerdiklerinden bir miktar küçük dallanmış oligosakkarid molekülleri de içerirler. q Karbonhidrat sindirimi midedeki yüksek asit α-amilazın inaktive etmesi sonucunda durur. B. Karbonhidratların Sindirimi İnce Barsakta Devam Eder q Asidik mide içeriği ince barsağa ulaştığında pankreas tarafından salgılanan bikarbonatla nötralize edilir ve pankreatik α-amilaz karbonhidrat sindirimini devam ettirir 4
C. İnce Barsak Mukoza Hücrelerinde Sentezlenen Enzimlerle Karbohidrat Sindiriminin Sonlanması q Karbohidratlar ince barsakta aşağıya doğru ilerlerken pek çok disakkaridaz ve oligosakkaridazın etkin olduğu sindirim işlemi üst jejenum mukoza hücrelerinde sonlanır. q Örneğin, izomaltaz, izomaltozdaki α(1 6) bağını kırar ve maltaz, maltozu kırar ve sonuçta her ikisinin de etkisiyle glukoz ve fruktoz açığa çıkar. q Laktaz (β-galaktozidaz) ise, laktozu parçalayarak galaktoz ve glukoz oluşturur q Bu enzimler ince barsak mukoza hücrelerinin mikrovilluslarından salgılanır ve luminal yüzeye ilişik şekilde bulunur. D. Monosakkaritlerin Barsak Mukoza Hücreleri Tarafından Emilir q Duodenum ve üst jejunumda şekerlerin çoğu emilir. Glukozun barsak hücreleri tarafından alımı için insüline gerek yoktur. q Şekerlerin değişik emilim mekanizmaları vardır q Ör, galaktoz ve glukoz mukoza hücresi içine aktif transportla alınır. Bu işlemi özgün bir protein sağlar ve beraber sodyum iyonu (Na + ) alımı da gerçekleşir. q Fruktoz emilimi ve alımı için monosakkarit taşıyıcısı (GLUT-5) gerekir q Bu monosakkritlerin üçü de barsak mukoza hücrelerinden portal dolaşıma başka bir taşıyıcı protein olan GLUT-2 ile taşınır. E. Disakkaritlerin Yıkımında Bozukluklar q Sağlıklı insanlarda karbonhidrat sindirimi ve emilimi etkin olup, hepsi aşağı jejenuma gelene kadar emilmiş olur. q Disakkaridaz aktivitesindeki bir esiklik sonucunda sindirilmemiş karbohidratların kalın bağırsağa geçişine neden olur. Bu karbonhidratların yarattığı osmotik basınç mukozadan su çekilmesine ve sonuçta osmotik diareye neden olur. q Ayrıca burada kalan karbonhidratların bir miktar bakteriyel fermantasyonu sonucunda 2-3 C lu bileşiklere dönüşür. Bunun sonucunda açığa çıkan CO 2 ve H 2 gazları abdominal kramplara, diare ve gaz oluşumuna neden olur. 1. Sindirim Enzim Eksikleri q Yeni doğanda ve çocuklarda disakkaridazların eksikleri disakkarid intolerası olarak tanımlanmıştır. q Çeşitli intestinal hastalıklar, malnütrasyon veya ince barsak mukozasında hasara yol açan ilaçlar disakkarid yıkımında değişikliğe yol açabilir. q Ağır diarede durumlarda mikrovillus enzimleri yitirilir ve sonuçta edinsel enzim eksikliği oluşur. Bu hastalar normal besin veya sukroz yiyip içemezler, aksi durumda diarede artış gözlenir. 2. Laktoz İntoleransı q Dünyada erişkinlerin yarısından fazlasında laktoz intoleransı vardır 3. İzomaltaz-Sukraz Eksikliği q Bu enzim eksikliğinde sukroza karşı intolerans gelişir. q Enzim eksikliğinin mekanizması açık olmamakla birlikte genetik olduğu ve değişmiş inaktif bir enzimden çok enzimin protein miktarında azalma olduğu düşünülmektedir. q Tanı: her bir disakkaritle oral tolerans testi yapılarak enzim eksikliği tanıları konulabilir. q Tedavide diyetten laktoz çıkarılır veya yemek öncesi laktaz ilaç olarak verilir. 5
Monosakkaritlerin kimyasal özellikleri q Hafif alkali ortamda serbest yarı asetal hidroksili içeren monosakkaritlerin anomerik karbonunun karboksilik aside yükseltgenmesi sırasında şeker, indirgen olarak etki gösterir; Cu 2+, Ag 2+, Hg 2+, Bi 3+ gibi iyonları indirger; böyle şekerler, indirgeyici şeker olarak tanımlanırlar q Glukoz oksidaz da glukozu glukonik aside ve hidrojen perokside dönüştürür q Fehling reaktifi ve Benedict reaktifleri, indirgeyici şekerlerin tanınmasında kullanılırlar q Glukoz oksidaz reaksiyonundan, kan glukoz düzeyinin belirlenmesinde yararlanılmaktadır 6