Karbonhidratlar

Biology

Yapılarında karbon, hidrojen ve oksijen atomlarını bulunduran organik bileşiklerdir. Genel formülleri \((CH_2O)_n\) ile gösterilir. Karbonhidratlar hücrelerde iki farklı amaç için kullanılır.

1. Canlılar metabolik olayları için gerekli enerjiyi öncelikli olarak karbonhidratları kullanarak sağlarlar.
   • İçerdiği enerji miktarı yağlar ve proteinlerden az olmasına rağmen, solunum olayı ile parçalanması daha kolay olduğundan hücrelerin enerji üretimindeki ilk tercihi karbonhidratlar olur.
2. Enerji vermelerinin dışında hücrelerde yapı maddesi olarak da kullanılırlar.
   • Örneğin deoksiriboz DNA'nın, riboz ise RNA ve ATP moleküllerinin yapısına katılır.
   • Kitin böceklerin kabuklarını, selüloz ise bitkilerin hücre duvarlarını oluşturur.
   • Glikoz ise protein ve yağlarla birleşip glikoprotein ve glikolipit olarak hücre zarının yapısına katılır.

Karbonhidratlar monosakkarit, disakkarit ve polisakkarit olmak üzere üç farklı grupta incelenirler.

Monosakkaritler

Basit şekerler olarak da adlandırılan monosakkaritler, karbonhidratların monomerleridir.

• Karbon sayıları üç ile sekiz arasında değişir.
• Hücrelerde en fazla bulunanları beş karbonlu (pentoz) ve altı karbonlu (heksoz) olanlardır.

Monosakkaritler monomer yapıda oldukları için glikozit bağı içermezler. Bu nedenle sindirime uğramadan hücre zarından geçebilirler.

Pentozlara örnek olarak riboz ve deoksiriboz verilebilir.

• Pentozlar yapı maddesi olarak kullanılır.
• Riboz RNA ve ATP'nin, deoksiriboz DNA'nın yapısına katılır.
• Bu moleküller hücrede enerji verici olarak kullanılmazlar.

Heksozlara örnek olarak glikoz, fruktoz ve galaktoz verilebilir.

• Bu üç molekülün formülü de \(C_6H_{12}O_6\)'dır.
• Bu moleküllerin kapalı formülleri aynı olduğu halde açık formülleri farklıdır. Böyle moleküllere izomer denir.

En önemli heksoz glikozdur.

• Glikoz, ATP üretmek için ilk tercih edilen organik bileşiktir. Oksijenli solunumda parçalanması sonucu \(CO_2\), \(H_2O\) ve ATP açığa çıkar.
• Beyin hücrelerinin temel enerji kaynağıdır. Kandaki glikoz miktarının azalmasından en fazla etkilenen beyin hücreleridir.
• Sağlıklı insanların 100ml kanında 90-100mg glikoz bulunur. Kandaki miktarı insülin, glukagon ve adrenalin hormonlarının denetiminde belirli değerler arasında sabit tutulur.
• Ayıracı benedikt veya fehling çözeltisidir. Bu çözeltilerle kiremit kırmızısı rengini verir.

Vücuda alınan fruktoz ve galaktoz karaciğerde glikoza dönüşüp kana karışır.

Disakkaritler

İki molekül monosakkaritin glikozit bağı ile birleşmesiyle oluşur. Bu sırada bir molekül su açığa çıkar. (Oluşan bağ kadar su oluşur)

• Küçük moleküllerin birleşirken su açığa çıkarması şeklindeki tepkimelere dehidrasyon sentezi denir.
• Canlılardaki en önemli disakkaritler maltoz, laktoz ve sükroz'dur. Bunlardan maltoz ve sükroz bitkisel, laktoz ise hayvansal kaynaklıdır.

Dehidrasyon tepkimelerinde açığa çıkan su sayısı ile monomerler arasında kurulan bağ sayısı eşittir.

• Örneğin maltoz sentezi sırasında bir tane glikozit bağı oluştuğundan, bir molekül su açığa çıkar.

• \(\ce{Glikoz + Glikoz <=>[Dehidrasyon][Hidroliz] Maltoz + H2O}\)
• \(\ce{Glikoz + Fruktoz <=>[Dehidrasyon][Hidroliz] Sükroz + H2O}\)
• \(\ce{Glikoz + Galaktoz <=>[Dehidrasyon][Hidroliz] Laktoz + H2O}\)

Disakkaritler büyük moleküller oldukları için hücre zarından geçemezler. Disakkaritlerin monomerlerine ayrılması, glikozit bağlarının su kullanarak koparılması ile gerçekleşir.

• Büyük moleküllerin su kullanılarak monomerlerine ayrıştırılmasına hidroliz denir.

Dehidrasyon olaylarında ATP harcanırken, hidroliz olaylarında ATP harcanmaz. Bu yüzden dehidrasyon olayları sadece canlı hücrelerde gerçekleşirken, hidroliz cansız ortamlarda da gerçekleşebilir.

Su üretilen her reaksiyon dehidroliz, su harcanan her reaksiyon ise hidroliz olmaz. Örneğin fotosentezde su harcanır ama hidroliz değildir. Solunumsa ise su açığa çıkar fakat dehidroliz değildir.

Polisakkaritler

Çok sayıda monosakkaritin glikozit bağı ile bağlanması ile oluşan karbonhidratlara polisakkarit denir.

• \(\ce{n(Monosakkarit) <=>[Dehidrasyon][Hidroliz] Polisakkarit + (n-1)H2O}\)

Polisakkaritlerin temel yapı birimi glikozdur. Polisakkaritlerde binlerce glikoz molekülü bulunur. Örneğin selüloz, 10.000 glikoz molekülünün birbirine bağlanması sonucu oluşan bir polisakkarittir.

Polisakkaritlerde çeşitlilik, yapılarına katılan glikozların birbirine farklı biçimde bağlanmasından kaynaklanır.

Polisakkaritler deposal ve yapısal olmak üzere iki farklı gruba ayrılırlar. Nişasta ve glikojen deposal, selüloz ve kitin ise yapısal polisakkaritlere örnektir.

Deposal Polisakkaritler

Nişasta

Glikozun bitki hücrelerindeki depo formudur.

• Pirinç, arpa ve mısır gibi bitkilerin tohumlarında, patates ve havuç gibi bitkilerin ise köklerinde depo edilir.
• Bitkiler, fotosentez ile ürettikleri glikozun fazlasını plastidlerinde (lökoplast gibi) nişasta olarak depolarlar.
• Enerji gerektiğinde nişasta molekülleri glikoza dönüştürülüp kullanılır.
• Nişasta molekülünün ayıracı iyottur. Nişasta ve iyot mavi-mor renk oluşturur.

Bitkiler nişastayı hücre içinde sindirebilirken, hayvanlarda nişasta sindirimi hücre dışında gerçekleşir.

Nişasta büyük bir molekül olduğundan hücre zarından geçemez. İnsanlar besinlerle beraber aldıkları nişastayı sindirerek glikoza dönüştürürler. Glikoz küçük bir molekül olduğundan ince bağırsaklarda emilerek kana karışır.

Glikojen

Glikozun hayvan hücrelerindeki depo formudur.

• Besinlerden elde edilen glikozun fazlası karaciğer ve kas hücrelerinde glikojen olarak depolanır.
• Kandaki glikoz miktarı azaldığında karaciğerdeki glikojen glikoza dönüştürülüp kana verilir.
• Kas hücreleri depoladıkları glikojenleri kendi faaliyetleri için kullanırlar.
• Glikojen deposu canlıya uzun süre yetecek miktarda değildir. Örneğin insanlarda glikojen bankası yiyecekle beslenmediği takdirde bir günde tükenir.

Canlılarda glikozun fazlasının nişasta ve glikojen şeklinde depolanması, hücrelerdeki osmotik basıncın ayarlanmasını sağlar. Örneğin 1000 glikoz molekülünün yarattığı osmotik basınç bir glikojen molekülünün yarattığı osmotik basınçtan 1000 kat daha fazladır. Bu durum hücreye fazla miktarda suyun girmesine neden olur. Eğer polisakkaritler olmasaydı birçok organizma, hücrelerinden fazla suyu dışarı atmak için daha fazla enerji harcamak zorunda kalacaktı.

Bakteri ve mantarlar da glikozun fazlasını glikojen olarak depolarlar.

Yapısal Polisakkaritler

Selüloz

Bitkilerin hücre duvarında bulunan yapı maddesidir. Suda çözünmez.

Selüloz üretimi bitkilere özgü değildir. Örneğin protista aleminde bulunan bazı yosun türleri de selüloz üretebilir.

Glikozları birbirine bağlayan glikozit bağları farklı olduğundan birçok hayvan selülozu sindiremez. Bu yüzden besinlerle alınan selüloz sindirilmeden vücuttan atılır.

İnsnaların selülozu sindirememelerine rağmen sağlıklı beslenme için selüloz gereklidir. Selülozu oluşturan lifler bağırsakta ilerlerken yüzeyi aşındırarak epitel hücrelerin mukus üretmelerine neden olur. Mukus besinlerin sindirim kanalından kayarak ilerlemelerini sağlar.

Küresel ölçekte bitkiler yılda yaklaşık olarak \(10^{14}kg\) (100 milyar ton) selüloz sentezler. Bu nedenle selüloz dünya üzerinde bulunan en bol organik bileşiktir.

Otçul hayvanların sindirim sisteminde yaşayan bazı mutualist bakteriler selülozu sindiren enzimlere sahiptir. Bu yüzden otçul hayvanlar selülozdan faydalanabilir.

Kitin

Böcek ve örümcek gibi eklem bacaklı canlıların dış iskeletinde bulunan azotlu bir polisakkarittir. Ayrıca mantarların hücre duvarında da bulunur.

• Saf kitin deri gibi yumuşak olmakla birlikte yapısına kalsiyum karbonat tuzunun katılması ile sertleşir.

Kitindeki glikoz monomeri azot içeren bir yan grup oluşturur.

Maltoz, nişasta, glikojen ve selüloz tek çeşit monomerden (glikoz), laktoz ve sükroz ise iki çeşit monomerden oluşur.

---

Karbonhidratların Canlılar İçin Önemi

• Canlıların enerji üretimi amacıyla ilk sırada kullandıkları organik moleküllerdir.
• DNA, RNA, ATP ve hücre zarı gibi molekül ya da yapıların sentezinde kullanılır.
• Fazla alındığında yağa dönüşerek depolandığı için çok tüketilmesi obeziteye sebep olabilir.
• Fazla alınması insülin direncine sebep olan şeker hastalığının (diyabet) gelişmesine neden olabilir.
• Az tüketilmesi halsizlik, yorgunluk ve baş dönmesine neden olabilir.