3.2 Kolvetni

Flestir þekkja kolvetni, eina tegund stórsameinda, sérstaklega þegar kemur að því sem við borðum. Til að léttast fylgja sumir „lágkolvetna“ mataræði. Íþróttafólk „hleður“ sig aftur á móti oft upp með kolvetnum fyrir mikilvægar keppnir til að tryggja að það hafi næga orku til að keppa á háu stigi. Kolvetni eru í raun ómissandi hluti af mataræði okkar. Korn, ávextir og grænmeti eru allt náttúrulegar uppsprettur kolvetna sem veita líkamanum orku, sérstaklega með glúkósa, sem er einföld sykra sem er hluti af sterkju (e. starch) og innihaldsefni í mörgum undirstöðufæðutegundum. Kolvetni gegna einnig öðrum mikilvægum hlutverkum í mönnum, dýrum og plöntum.

Sameindabygging

Efnajöfnuhlutfallið (CH₂O)_n, þar sem n er fjöldi kolefnisatóma í sameindinni, táknar kolvetni (e. carbohydrates). Með öðrum orðum er hlutfall kolefnis, vetnis og súrefnis 1:2:1 í kolvetnasameindum. Þessi formúla útskýrir einnig uppruna orðsins „kolvetni“: innihaldsefnin eru kolefni („kol“) og vatn (þar af leiðandi „vetni“). Vísindamenn flokka kolvetni í þrjár undirtegundir: einsykrur, tvísykrur og fjölsykrur.

Einsykrur

Einsykrur (e. monosaccharides) (mono- = „ein“; sacchar- = „sætt“) eru einfaldar sykrur og er glúkósi sú algengasta. Í einsykrum er fjöldi kolefnisatóma yfirleitt frá þremur til sjö. Flest nöfn einsykra enda á viðskeytinu -ósi. Ef sykran hefur aldehýðhóp (efnahóp með bygginguna R-CHO) er hún aldósi og ef hún hefur ketónhóp (efnahóp með bygginguna RC(=O)R') er hún ketósi. Þær geta verið tríósar (þrjú kolefnisatóm), pentósar (fimm kolefnisatóm) og/eða hexósar (sex kolefnisatóm), allt eftir fjölda kolefnisatóma í sygrunni. Mynd 3.4 sýnir einsykrur.

The molecular structures of glyceraldehyde, an aldose, and dihydroxyacetone, a ketose, are shown. Both sugars have a three-carbon backbone. Glyceraldehyde has a carbonyl group (c double bonded to O) at one end of the carbon chain with hydroxyl (OH) groups attached to the other carbons. Dihydroxyacetone has a carbonyl group in the middle of the chain and alcohol groups at each end. The molecular structures of linear forms of ribose, a pentose, and glucose, a hexose, are also shown. Both ribose and glucose are aldoses with a carbonyl group at the end of chain,and hydroxyl groups attached to the other carbons. — Mynd 3.4 Vísindamenn flokka einsykrur eftir staðsetningu karbónýlhópsins og fjölda kolefnisatóma í burðarásnum. Aldósar hafa karbónýlhóp (merktur með grænu) á enda kolefniskeðjunnar og ketósar hafa karbónýlhóp í miðri kolefniskeðjunni. Tríósar, pentósar og hexósar hafa þriggja, fimm og sex kolefnisatóma burðarás, í sömu röð.

Efnaformúla glúkósa er C₆H₁₂O₆. Í mönnum er glúkósi mikilvæg orkuuppspretta. Við frumuöndun losnar orka úr glúkósa og sú orka hjálpar til við að búa til adenósínþrífosfat (ATP). Plöntur mynda glúkósa með því að nota koltvísýring og vatn og glúkósinn sér svo plöntunni fyrir orkuþörf. Menn og önnur dýr sem nærast á plöntum fá oft glúkósa úr niðurbrotinni (niðurbrot stærri sameinda í frumum) sterkju.

Galaktósi (hluti af laktósa eða mjólkursykri) og frúktósi (finnst í súkrósa, í ávöxtum) eru aðrar algengar einsykrur. Þrátt fyrir að glúkósi, galaktósi og frúktósi hafi allir sömu efnaformúlu (C₆H₁₂O₆), eru þeir ólíkir í byggingu og efnafræðilega (og eru því ísómerur) vegna mismunandi fyrirkomulags efnahópa í kringum ósamhverfa kolefnisatómið. Allar þessar einsykrur hafa fleiri en eitt ósamhverft kolefnisatóm (Mynd 3.5).

Glúkósi, galaktósi og frúktósi eru ísómerískar einsykrur (hexósar), sem þýðir að þeir hafa sömu efnaformúlu en örlítið mismunandi byggingu. Glúkósi og galaktósi eru aldósar og frúktósi er ketósi.

Einsykrur geta verið til sem línuleg keðja eða sem hringlaga sameindir. Í vatnslausnum eru þær venjulega í hringformi (Mynd 3.6). Glúkósi í hringformi getur haft tvö mismunandi fyrirkomulag hýdroxýlhópa (OH) í kringum anómeríska kolefnið (kolefni 1 sem verður ósamhverft við hringmyndunina). Ef hýdroxýlhópurinn er fyrir neðan kolefni númer 1 í sykrunni er hann í alfa (α) stöðu og ef hann er fyrir ofan planið er hann í beta (β) stöðu.

The conversion of glucose between linear and ring forms is shown. The glucose ring has five carbons and an oxygen. In alpha glucose, the first hydroxyl group is locked in a down position, and in beta glucose, the ring is locked in an up position. Structures for ring forms of ribose and fructose are also shown. Both sugars have a ring with four carbons and an oxygen. — Mynd 3.6 Fimm og sex kolefnisatóma einsykrur eru til í jafnvægi milli línulegra og hringlaga forma. Þegar hringurinn myndast læsist hliðarkeðjan sem hann lokar á í α eða β stöðu. Frúktósi og ríbósi mynda einnig hringi, þó þeir myndi fimm liða hringi öfugt við sex liða hring glúkósa.

Tvísykrur

Tví sykrur (e. disaccharides) (di- = „tvær“) myndast þegar tvær einsykrur gangast undir afvötnunarhvarf (eða þéttihvarf eða afvötnunarsamruna). Í þessu ferli sameinast hýdroxýlhópur einnar einsykru við vetni annarrar einsykru, losar vatnssameind og myndar samgilt tengi. Samgilt tengi myndast milli kolvetnasameindar og annarrar sameindar (í þessu tilfelli milli tveggja einsykra). Vísindamenn kalla þetta glýkósíðtengi (e. glycosidic bond) (Mynd 3.7). Glýkósíðtengi (eða glýkósíðtengingar) geta verið af alfa- eða betagerð. Alfatengi myndast þegar OH-hópurinn á kolefni-1 fyrri glúkósans er fyrir neðan hringplanið og betatengi myndast þegar OH-hópurinn á kolefni-1 er fyrir ofan hringplanið.

The formation of sucrose from glucose and fructose is shown. In sucrose, the number one carbon of the glucose ring is connected to the number two carbon of fructose via an oxygen. — Mynd 3.7 Súkrósi myndast þegar glúkósaeining og frúktósaeining tengjast í afvötnunarhvarfi og mynda glýkósíðtengi. Í ferlinu tapast ein vatnssameind. Samkvæmt venju eru kolefnisatóm í einsykru númeruð frá endastæða kolefninu sem er næst karbónýlhópnum. Í súkrósa myndast glýkósíðtenging milli kolefnis 1 í glúkósa og kolefnis 2 í frúktósa.

Algengar tvísykrur eru laktósi, maltósi og súkrósi (Mynd 3.8). Laktósi er tvísykra sem samanstendur af einingunum glúkósa og galaktósa. Hann er náttúrulega í mjólk. Maltósi, eða maltsykur, er tvísykra sem myndast við afvötnunarhvarf milli tveggja glúkósasameinda. Algengasta tvísykran er súkrósi, eða borðsykur, sem samanstendur af glúkósa- og frúktósaeiningum.

The chemical structures of maltose, lactose, and sucrose are shown. Both maltose and lactose are made from two glucose monomers joined together in ring form. In maltose, the oxygen in the glycosidic bond points downward. In lactose, the oxygen in the glycosidic bond points upward. Sucrose is made from glucose and fructose monomers. The oxygen in the glycosidic bond points downward. — Mynd 3.8 Algengar tvísykrur eru maltósi (kornasykur), laktósi (mjólkursykur) og súkrósi (borðsykur).

Fjölsykrur

Löng keðja af einsykrum sem tengdar eru með glýkósíðtengjum er fjölsykra (e. polysaccharide) (poly- = „margar“). Keðjan getur verið greinótt eða ógreinótt og hún getur innihaldið mismunandi gerðir af einsykrum. Mólmassinn getur verið 100.000 daltón eða meira eftir fjölda tengdra eininga. Miki, glýkógen, sellúlósi og kítín eru helstu dæmin um fjölsykrur.

Plöntur geyma sykrur í formi mika. Í plöntum samanstendur þessi sykur af blöndu af amýlósa og amýlópektíni (hvort tveggja fjölliður glúkósa). Plöntur geta myndað glúkósa og þær geyma umframglúkósann, umfram bráða orkuþörf sína, sem mika í mismunandi plöntuhlutum, þar á meðal rótum og fræjum. Mikinn í fræjunum veitir fósturvísinum fæðu þegar hann spírar og getur einnig verið fæðuuppspretta fyrir menn og dýr. Ensím brjóta niður mikann sem menn neyta. Til dæmis hvetur amýlasi í munnvatni niðurbrot þessa mika í smærri sameindir, svo sem maltósa og glúkósa, eða brýtur hann niður. Frumur geta síðan tekið upp glúkósann.

Glúkósamiki samanstendur af einingum sem eru tengdar með α 1-4 eða α 1-6 glýkósíðtengjum. Tölurnar 1-4 og 1-6 vísa til kolefnisnúmers tveggja leifa sem hafa tengst til að mynda tengið. Eins og Mynd 3.9 sýnir mynda ógreinóttar keðjur glúkósaeininga (aðeins α 1-4 tengingar) mikann; en amýlópektín er greinótt fjölsykra (α 1-6 tengingar við greinipunktana).

The chemical structures of amylose and amylopectin are shown. Amylose consists of unbranched chains of glucose subunits, and amylopectin consists of branched chains of glucose subunits. — Mynd 3.9 Amýlósi og amýlópektín eru tvö mismunandi form mika. Ógreinóttar keðjur glúkósaeininga mynda amýlósa með α 1-4 glýkósíðtengingum. Greinóttar keðjur glúkósaeininga mynda amýlópektín með α 1-4 og α 1-6 glýkósíðtengingum. Vegna þess hvernig einingarnar eru tengdar hafa glúkósakeðjurnar gormlaga byggingu. Glýkógen (ekki sýnt) er svipað að byggingu og amýlópektín en er mun greinóttara.

Glýkógen (e. glycogen) er geymsluform glúkósa í mönnum og öðrum hryggdýrum og samanstendur af glúkósaeiningum. Glýkógen er dýraígildi mika og er mjög greinótt sameind sem venjulega er geymd í lifrar- og vöðvafrumum. Alltaf þegar blóðsykursgildi lækka brotnar glýkógen niður til að losa glúkósa í ferli sem vísindamenn kalla glýkógenólýsu.

Sellúlósi (e. cellulose) er algengasta náttúrulega líffjölliðan. Sellúlósi myndar að mestu leyti frumuvegg plöntu. Þetta veitir frumunni byggingarstuðning. Viður og pappír eru að mestu leyti sellúlósakenndir. Glúkósaeiningar mynda sellúlósa sem β 1-4 glýkósíðtengi tengja (Mynd 3.10).

Three different magnifications of cellulose are shown. The microfibril is shown as a string-like tube. Further magnification shows that the microfibril is made up of chains of glucose molecules. Further magnification shows the structure of the glucose and that they are linked by hydrogen bonds. — Mynd 3.10 Sellúlósi er lífrænt efnasamband sem samanstendur af línulegum keðjum hundraða til þúsunda tengdra glúkósasameinda. Glúkósaeiningarnar mynda vetnistengi sem halda keðjunum þétt saman hlið við hlið og mynda sterkar örþráðlur. Þessi stífleiki er mikilvægur byggingarþáttur frumuveggja sem finnast í plöntum. Heimild: Ryan, K. Rao, A. og Hawkins, A. Department of Biology, Texas A&M University.

Eins og Mynd 3.10 sýnir snýr önnur hver glúkósaeining í sellulósa öfugt og einingarnar pakkast þétt saman í langar, teygðar keðjur. Þetta gefur sellulósanum stífleika sinn og mikla togstyrk, sem er svo mikilvægt fyrir plöntufrumur. Þótt meltingarensím manna geti ekki brotið niður β 1-4 tengið, geta jurtaætur eins og kýr, kóalabirnir og buffalóar, með hjálp sérhæfðrar örveruflóru í maga sínum, melt plöntuefni sem er ríkt af sellulósa og notað það sem fæðuuppsprettu. Í sumum þessara dýra búa ákveðnar tegundir baktería og frumvera í vömbinni (hluti af meltingarkerfi jurtaætunnar) og seyta ensíminu sellulasa. Botnlangi grasbíta inniheldur einnig bakteríur sem melta sellulósa, sem gefur honum mikilvægt hlutverk í meltingarkerfi jórturdýra. Sellulasar geta brotið niður sellulósa í glúkósaeiningar sem dýr nota sem orkugjafa. Termítar geta einnig brotið niður sellulósa vegna þess að í líkama þeirra eru aðrar lífverur sem seyta sellulösum.

Kolvetni gegna ýmsum hlutverkum í mismunandi dýrum. Liðdýr (skordýr, krabbadýr og fleiri) hafa ytri stoðgrind, sem verndar innri líkamshluta þeirra (eins og við sjáum á býflugunni á Mynd 3.11). Þessi ytri stoðgrind er gerð úr lífrænu stórsameindinni kítíni (e. chitin), sem er köfnunarefnisinnihaldandi fjölsykra. Hún er gerð úr endurteknum einingum af N-asetýl-β-d-glúkósamíni, sem er breytt sykra. Kítín er einnig stór hluti af frumuveggjum sveppa. Sveppir eru hvorki dýr né plöntur og mynda sitt eigið ríki innan léns heilkjörnunga.

A photograph shows a bee in flight, getting nectar from a flower. — Mynd 3.11 Skordýr hafa harða ytri stoðgrind úr kítíni, sem er tegund fjölsykru. (Heimild: Louise Docker)

Starfsferill

Löggiltur næringarfræðingur

Næring er heilbrigðismál um allan heim og margir sjúkdómar, svo sem sykursýki og hjartasjúkdómar, verða sífellt algengari. Þetta er ein af ástæðunum fyrir því að fólk leitar í auknum mæli ráða hjá löggiltum næringarfræðingum. Löggiltir næringarfræðingar hjálpa til við að skipuleggja næringaráætlanir fyrir einstaklinga í ýmsum aðstæðum. Þeir vinna oft með sjúklingum á heilbrigðisstofnunum og hanna næringaráætlanir til að meðhöndla og koma í veg fyrir sjúkdóma. Til dæmis geta næringarfræðingar kennt sjúklingi með sykursýki hvernig á að stjórna blóðsykursgildum með því að borða réttar tegundir og magn kolvetna. Næringarfræðingar geta einnig starfað á hjúkrunarheimilum, í skólum og á einkastofum.

Til að verða löggiltur næringarfræðingur þarf að ljúka að minnsta kosti BS-gráðu í næringarfræði, matvælafræði eða skyldu fagi. Að auki verða löggiltir næringarfræðingar að ljúka starfsnámi undir handleiðslu og standast landsmælt próf. Þeir sem sækjast eftir starfsferli í næringarfræði taka námskeið í næringarfræði, efnafræði, lífefnafræði, líffræði, örverufræði og lífeðlisfræði mannsins. Næringarfræðingar verða að verða sérfræðingar í efnafræði og lífeðlisfræði (líffræðilegri virkni) matvæla (próteina, kolvetna og fitu).

Ávinningur af kolvetnum

Eru kolvetni holl fyrir þig? Sumir telja að kolvetni séu óholl og að þeir ættu að forðast þau. Sumir megrunarkúrar banna alfarið neyslu kolvetna og halda því fram að lágkolvetnamataræði hjálpi fólki að léttast hraðar. Hins vegar hafa kolvetni verið mikilvægur hluti af mataræði mannsins í þúsundir ára. Fornleifar frá fornum siðmenningum sýna fram á tilvist hveitis, hrísgrjóna og maís í geymslum forfeðra okkar.

Sem hluta af vel samsettu mataræði ættum við að bæta við kolvetni með próteinum, vítamínum og fitu. Hvað varðar hitaeiningar gefur gramm af kolvetni 4,3 kkal. Til samanburðar gefur fita 9 kkal/g, sem er óhagstæðara hlutfall. Kolvetni innihalda leysanleg og óleysanleg efni. Óleysanlegi hlutinn, trefjar, er að mestu leyti sellulósi. Trefjar hafa margvíslegan tilgang. Þær stuðla að reglulegum hægðum með því að auka umfang, og þær stjórna hraða upptöku glúkósa í blóði. Trefjar hjálpa einnig til við að fjarlægja umframkólesteról úr líkamanum. Trefjar bindast kólesterólinu í smáþörmunum, festast síðan við kólesterólið og koma í veg fyrir að kólesterólagnirnar komist í blóðrásina. Kólesteról fer síðan úr líkamanum með hægðum. Trefjaríkt mataræði hefur einnig verndandi hlutverk við að draga úr tíðni ristilkrabbameins. Að auki gefur máltíð sem inniheldur heilkorn og grænmeti seddutilfinningu. Sem skyndiorkugjafi brotnar glúkósi niður við frumuöndun, sem framleiðir ATP, orkugjaldmiðil frumunnar. Án neyslu kolvetna minnkum við framboð á „skyndiorku“. Að útiloka kolvetni úr mataræðinu getur verið nauðsynlegt fyrir suma, en slíkt skref er ef til vill ekki hollt fyrir alla.

Námsmarkmið