Ugljikohidrati su biološke molekule ili makromolekule sastavljene od ugljikovih (C), vodikovih (H) i kisikovih (O) atoma, a dijele se na monosaharide, disaharide i polisaharide.
Monosaharid
Monosaharidi su jednostavni šećeri građeni od jedne jedinke. Ovisno o skupini koju posjeduju, mogu biti aldoze ili ketoze. Aldoze posjeduju aldehidnu CHO skupinu, dok ketoze posjeduku karbonilnu C=O skupinu.
Molekule monosaharida sadržavaju jedan ili više kiralnih ugljikovih atoma, pri čemu je iznimka ketotrioza – dihidroksiaceton.
Molekula D-glukoze ima četiri kiralna ugljikova atoma i samim time 16 stereoizomera. Sustavno ime uključuje oznake apsolutne konfiguracije na svakome kiralnom ugljikovu atomu pa će sustavno ime D-glukoze biti (2R),(3S),(4R),(5R)-2,3,4,5,6-pentahidroksiheksanal. Također, koriste se i trivijalna imena koja sadrže nastavak -oza.
Relativna konfiguracija monosaharida koristi oznake D- i L-. Prema dogovoru, monosaharid pripada D-seriji ako mu je konfiguracija na predzadnjem ugljikovu atomu u Fischerovoj projekcijskoj formuli jednaka onoj molekule D-gliceraldehida. Analogno vrijedi i za L-seriju monosaharida.
Od 16 stereoizomernih aldoheksoza osam ih je iz D-serije, a osam iz L-serije. Svi prirodni šećeri jesu D-šećeri te izgrađuju molekule složenih ugljikohidrata. Samo D-šećere naš organizam može iskoristiti kao metaboličko gorivo. Svi D-monosaharidi, koji su u dijastereoizomernom odmosu, iste su molekulske formule, primjerice D-glukoza i D-manoza, D-eritroza i D-treoza itd. Ukoliko se dva dijastereoizomera razlikuji po apsolutnoj konfiguraciji samo jednom C-atoma, tada se taj C-atom naziva epimerni C-atom, a ti dijastereomeri jesu epimeri.
U vodenim otopinama i fiziološkim uvjetima molekule monosaharida u ravnotežnoj smjesi prevladava ciklički oblik molekula. One su posljedica unutarmolekulske interakcije između karbonilne skupine i jedne od hidroksilnih skupina.
Tako iz aldoza nastaju odgovarajući ciklički poluacetali, pri čemu se C-1 atom uobičajeno naziva anomernim ugljikovim atomom. Šesteročlani ciklički oblici molekula šećera nazivaju piranozama (strukturom slični s molekuli pirana).
Anomerni C-atom jest kiralan i zbog te kiralnosti hidroksilna skupina može biti okrenuta "prema gore" i "prema dolje". Ukoliko je -OH skupina okrenuta "prema dolje", spoj se naziva α-D-glukopiranoza, a ukoliko je okrenuta "prema gore", naziva se β-D-glukopiranoza. Spojevi su međusobno dijastereoizomeri koje možemo prikazivati na dva načina - Haworthovim formulama i konformacijskim prikazom.
Na primjeru molekule cikloheksana, konformacijski prikaz razlikuje atome vodika koji se nalaze u aksijalnom i ekvatorijalnom položaju. Vodici u aksijalnom položaju nalaze se okomito na zamišljenu ravninu pstena, a vodici u ekvatorijalnom položaju nalaze se u ravnini zamišljenog prstena.
Iz ketoza unutarmolekulskom reakcijom nastaju poluketali. Peteročlani ciklični oblici molekula šećera nazivaju se furanozama (strukturom slični s molekulom furana). α-D-fruktofuranoza i β-D-fruktofuranoza su dijastereoizomeri.
Reducirajući šećer jest svaki šećer koji daje pozitivan test s bilo kojim od blagih oksidansa (Fehlingovim ili Tollensovim reagensom).
Fehlingov test je kemijska reakcija koja se koristi za dokazivanje reduciranih šećera poput glukoze. Sastoji se od bazične otopine bakrovog(II) sulfata. U prisutnosti reduciranih šećera, zagrijavanjem dolazi do promjene boje iz plave u crvenu, što potvrđuje njihovu prisutnost.
Tollensov test sastoji se od Tollensova reagensa, koji je otopina srebrovog nitrata u amonijaku. U prisutnosti aldehida, srebrni ioni se reduciraju u metalno srebro, stvarajući takozvano "srebrno zrcalo" na stjenkama epruvete.
Samim time, reducirajući šećeri su aldoze u svom necikličkom obliku.
Glikozidi su produkti reakcija monosaharida s alkoholima ili molekulama monosaharida u kiselim reakcijskim uvjetima. U tim reakcijama dolazi do zamjene hidroksilne skupine na položaju 1 odgovarajućom alkoksidnom skupinom. Nastala veza je glikozidna veza, točnije, O-glikozidna veza. Glikozidi su acetali te kao takvi nisu reducirajući šećeri.
Disaharidi
Disaharidi su složeni šećeri koji se sastoje od dviju molekula monosaharida povezanih glikozidnom vezom. Glikozidna veza nastaje reakcijom poluacetalne -OH skupine jedne molekule monosaharida i hidroksilne skupine druge molekule (izuzetak je veza u molekuli saharoze).
Saharoza ili obični stolni šećer najrašireniji je disaharid u prirodi. Prirodni izvor saharoze jesu šećerna repa i šećerna trska. Pri sobnoj temperaturi, to je bijela kristalna tvar, topljiva u vodi. Saharoza nije reducirajući šećer. Sastoji se od molekule glukoze i fruktoze povezane su α1,β2-glikozidnom vezom. Hidrolizom saharoze nastaju monosaharidi glukoza i fruktoza (invertni šećer).
Laktoza ili mliječni šećer nalazi se u mlijeku sisavaca. Sastoji se od monosaharida galaktoze i glukoze. To je reducirajući šećer – ima slobodnu poluacetalnu (anomernu) skupinu na molekuli glukoze, a razgrađuje ju enzim laktaza.
Maltoza nije prirodni disaharid. Maltoza se dobiva nepotpunom enzimskom hidrolizom biljnih i životinjskih polisaharida (škroba i glikogena). Građena je od dviju molekula glukoze, povezanih α-1,2-glikozidnom vezom.
Celobioza također nije prirodni disaharid te se dobije hidrolizom celuloze. Građena je od dviju molekula glukoze, povezanih β-1,4-glikozidnom vezom. Nije probavljiva za ljude.
Polisaharidi
Polisaharidi nastaju povezivanjem velikoga broja monosaharidnih jedinica glikozidnim vezama. Najvažniji polisaharidi su škrob, glikogen i celuloza. Često su netopljivi ili slabo topljivi u vodi, ne kristaliziraju, nisu slatki te ne pokazuju redukcijska svojstva. Osnovna gradivna jedinica jest D-glukoza, a razlikuju se po načinu na koji su molekule glukoze međusobno povezane.
Škrob je polisaharid biljnog podrijetla. Sadržavaju ga mnoge biljke i plodovi te ga je moguće pronaći u sjemenkama žitarica, graha, graška, u gomoljima krumpira, u korijenu mrkve. U biljci se skladišti u obliku škrobnih zrnaca koja se kod različitih biljaka razlikuju po obliku. Škrob se koristio kao Ijepilo, u prehrambenoj industriji kao sredstvo za zgrušavanje hrane, u tekstilnoj industriji te kozmetici.
Škrob je smjesa dvaju različitih polimera glukoze - amiloze i amilopektina.
Amiloza je linearni nerazgranani polisaharid spiralne strukture sa šest glukoznih molekula po jednom navoju pri čemu su glukozne jedinice povezane α-1,4-glikozidnom vezom. Amiloza je netopliiva u vodi te ona čini petinu škrobne mase.
Amilopektin je polimer razgranane strukture u čijoj su strukturi glukozne jedinice povezane α-1,4-glikozidnom vezom u lance koji su međusobno povezani α-1,6-glikozidnom vezom. Amilopektin je topljiv u vodi.
Produkti hidrolize škroba jesu dekstrini i glukoza.
Dekstrini nastaju djelomičnom razgradnjom škroba. S Lugolovom otopinom dalju crveno obojenje. Upotrebljavaju se kao dodatak dječjoj hrani te ih ima i u prženom brašnu, primjerice u korici kruha.
Glukoza nastaje potpunom hidrolizom škroba (kemijskom ili enzimskom). Ona ne mijenja boju Lugolove otopine. U organizmu škrob se probavlja enzimskim putem (enzim α-glukozidaza).
Glikogen je rezervni ili skladišni polisaharid u ljudskom organizmu. Nalazi se u mišićima i jetri te je strukturom sličan razgrananom amilopektinu. Enzimskom se razgradnjom cijepa do glukoze, a zatim i dalje, dajući organizmu potrebnu energiju. Sinteza i razgradnja glikogena u organizmu jest složeni biokemijski procesi različiti enzimi.
Celuloza je strukturni polisaharid biljnog podrijetla. Ona gradi stijenke biljnih stanica, a najviše je ima u pamučnim vlaknima i drvetu. Građena od nekoliko stotina do nekoliko tisuća glukoznih jedinica povezanih u nerazgranane lance β-1,4-glikozidnom vezom. Celulozni lanci međusobno su povezani vodikovim vezama, što im daje čvrstoću. Neprobavljiva je za ljude, kao i za većinu sisavaca (u organizmu nedostaje enzim za cijepanje β-1,4- glikozidne veze). Uporabljava se u tekstilnoj industriji i graditeljstvu, proizvodnja papira, vate, tkanine, polusintetičnih vlakana (viskoza, acetatna svila), kao gorivo. Nužna u prehrani jer povećava volumen hrane i pozitivno utječe na rad crijeva.
Hitin je strukturni polisaharid u životinjskom svijetu. Molekule hitina slične su molekulama celuloze – bitna je razlika u tome što su u njima hidroksilne skupine na C-2 atomima zamijenjene acetiliranom amino-skupinom (CH3CONH–). Hitin je polimer N-acetil-β-D-glukozamina, koji izgrađuje ljušture rakova i kukaca – mrava, hrušteva, žohara. Ima ga i u nekim gljivama. Nakon celuloze, hitin je drugi najčešći biopolimer.
