Monosakkaridin määritelmä
Monosakkaridi on hiilihydraattien yksinkertaisin muoto. Monosakkaridit voivat yhdistyä glykosidisidoksilla suuremmiksi hiilihydraateiksi, joita kutsutaan oligosakkarideiksi tai polysakkarideiksi. Oligosakkaridia, jossa on vain kaksi monosakkaridia, kutsutaan disakkaridiksi. Kun yli 20 monosakkaridia yhdistyy glykosidisidoksilla, oligosakkaridista tulee polysakkaridi. Jotkut polysakkaridit, kuten selluloosa, sisältävät tuhansia monosakkarideja. Monosakkaridi on eräänlainen monomeeri eli molekyyli, joka voi yhdistyä samankaltaisten molekyylien kanssa muodostaen suuremman polymeerin.
Monosakkaridien tehtävät
Monosakkarideilla on monia tehtäviä soluissa. Ennen kaikkea monosakkarideja käytetään energian tuottamiseen ja varastointiin. Useimmat organismit tuottavat energiaa hajottamalla monosakkaridi glukoosia ja keräämällä sidoksista vapautuvan energian. Muita monosakkarideja käytetään pitkien kuitujen muodostamiseen, joita voidaan käyttää eräänlaisena solurakenteena. Kasvit tuottavat selluloosaa tätä tarkoitusta varten, kun taas jotkut bakteerit voivat tuottaa samanlaisen soluseinän hieman erilaisista polysakkarideista. Jopa eläinsolut ympäröivät itseään monimutkaisella polysakkaridien matriisilla, joka on tehty pienemmistä monosakkarideista.
Monosakkaridien rakenne
Kaikkien monosakkaridien yleiskaava on (CH2O)n, joka tarkoittaa keskimmäistä hiilimolekyyliä, joka on sitoutunut kahteen vetygeeniin ja yhteen happiin. Happi sitoutuu myös vetyyn, jolloin syntyy hydroksyyliryhmä. Koska hiili voi muodostaa 4 sidosta, useita tällaisia hiilimolekyylejä voi sitoutua toisiinsa. Yksi ketjun hiilistä muodostaa hapen kanssa kaksoissidoksen, jota kutsutaan karbonyyliryhmäksi. Jos tämä karbonyyli esiintyy ketjun lopussa, monosakkaridi kuuluu aldoseihin. Jos karboksyyliryhmä on ketjun keskellä, monosakkaridi kuuluu ketoosiperheeseen.
Yllä on kuva glukoosista. Glukoosi on yksi luonnon yleisimmistä monosakkarideista, jota lähes kaikki eliöt käyttävät. Tämä yksinkertainen monosakkaridi koostuu 6 hiilestä, joista jokainen on merkitty kuvaan. Ensimmäinen hiili on karbonyyliryhmä. Koska se on molekyylin lopussa, glukoosi kuuluu aldoseihin. Tyypillisesti monosakkaridit, joissa on enemmän kuin 5 hiiltä, esiintyvät renkaina vesiliuoksissa. Viidennen hiilen hydroksyyliryhmä reagoi ensimmäisen hiilen kanssa. Hydroksyyliryhmä luovuttaa vetyatominsa muodostaessaan sidoksen ensimmäisen hiilen kanssa. Ensimmäisen hiilen kaksoissidoksinen happi sitoutuu uuteen vetyatomiin, kun toinen sidos hiilen kanssa katkeaa. Näin muodostuu täysin kytkeytynyt ja stabiili hiilariren rengas.
Esimerkkejä monosakkarideista
Glukoosi
Glukoosi on tärkeä monosakkaridi siinä mielessä, että se tarjoaa monille eliöille sekä energiaa että rakennetta. Glukoosimolekyylejä voidaan pilkkoa glykolyysissä, jolloin saadaan energiaa ja esiasteita soluhengitystä varten. Jos solu ei tällä hetkellä tarvitse enempää energiaa, glukoosia voidaan varastoida yhdistämällä se muihin monosakkarideihin. Kasvit varastoivat näitä pitkiä ketjuja tärkkelyksenä, joka voidaan purkaa ja käyttää energiaksi myöhemmin. Eläimet varastoivat glukoosiketjuja polysakkaridiksi glyokogeeniksi, johon voidaan varastoida paljon energiaa.
Glukoosi voi myös liittyä pitkiksi monosakkaridiketjuiksi muodostaen kuituja muistuttavia polysakkarideja. Kasvit tuottavat tätä tyypillisesti selluloosana. Selluloosa on yksi planeetan runsaimmista molekyyleistä, ja jos voisimme punnita kaiken sen kerralla, se painaisi miljoonia tonneja. Kukin kasvi käyttää selluloosaa ympäröimään kutakin solua ja luomaan jäykkiä soluseinämiä, jotka auttavat kasveja seisomaan pystyssä ja pysymään turvoksissa. Ilman monosakkaridien kykyä yhdistyä näiksi pitkiksi ketjuiksi kasvit olisivat litteitä ja litistyneitä.
Fruktoosi
Vaikka se on lähes identtinen glukoosin kanssa, fruktoosi on hieman erilainen molekyyli. Kaava ((CH2O)6) on sama, mutta rakenne on paljon erilainen. Alla on kuva fruktoosista:
Huomaa, että sen sijaan, että karbonyyliryhmä olisi molekyylin lopussa, kuten glukoosissa, se on toisena hiilenä. Tämä tekee fruktoosista ketoosin eikä aldoosia. Kuten glukoosissa, myös fruktoosissa on edelleen 6 hiiltä, joihin kuhunkin liittyy hydroksyyliryhmä. Koska fruktoosin kaksoissidoksinen happi on kuitenkin eri paikassa, muodostuu hieman erimuotoinen rengas. Luonnossa tämä vaikuttaa suuresti siihen, miten sokeria käsitellään. Useimmat solujen reaktiot ovat tiettyjen entsyymien katalysoimia. Erimuotoiset monosakkaridit tarvitsevat kukin tietyn entsyymin hajotakseen.
Fruktoosi, koska se on monosakkaridi, voi yhdistyä muiden monosakkaridien kanssa oligosakkarideiksi. Erittäin yleinen kasvien valmistama disakkaridi on sakkaroosi. Sakkaroosi on yksi fruktoosimolekyyli, joka on yhdistetty glukoosimolekyyliin glykosidisidoksella.
Galaktoosi
Galaktoosi on monosakkaridi, jota tuotetaan monissa eliöissä, erityisesti nisäkkäissä. Nisäkkäät käyttävät galaktoosia maidossa antaakseen energiaa jälkeläisilleen. Galaktoosi yhdistyy glukoosin kanssa disakkaridiksi laktoosiksi. Laktoosin sidoksiin mahtuu paljon energiaa, ja vastasyntyneet nisäkkäät tuottavat erityisiä entsyymejä, jotka hajottavat nämä sidokset. Kun ne vieroitetaan äidinmaidosta, ne entsyymit, jotka hajottavat laktoosin glukoosi- ja galaktoosimonosakkarideiksi, häviävät.
Ihminen, joka on ainoa nisäkäslaji, joka käyttää maitoa aikuisena, on kehittänyt joitakin mielenkiintoisia entsyymitoimintoja. Populaatioissa, jotka juovat paljon maitoa, useimmat aikuiset pystyvät sulattamaan laktoosia suurimman osan elämästään. Populaatioissa, jotka eivät juo maitoa vieroituksen jälkeen, laktoosi-intoleranssi vaivaa lähes koko väestöä. Vaikka monosakkaridit voitaisiin pilkkoa yksitellen, laktoosimolekyyliä ei voida enää sulattaa. Laktoosi-intoleranssin oireet (vatsakrampit ja ripuli) johtuvat ylimääräistä laktoosia sulattavien suolistobakteerien tuottamista toksiineista. Niiden tuottamat toksiinit ja ylimääräiset ravintoaineet nostivat suolistossa olevien liukoisien aineiden kokonaismäärää, jolloin suolisto pidättää enemmän vettä pitääkseen pH:n vakaana.
- Disakkaridi – Kaksi monosakkaridia, jotka ovat yhteydessä toisiinsa glykosidisidoksella.
- Oligosakkaridi – 3-20 monosakkaridia, jotka ovat yhteydessä toisiinsa glykosidisidoksella, tyypillisesti monosakkaridien kuljettamiseen ja varastoimiseen lyhytaikaisesti.
- Polysakkaridi – Monia (20+) monosakkarideja, jotka yleensä liittyvät pitkiksi ketjuiksi, käytetään varastointiin tai rakenteelliseen tukeen.
- Hiilihydraatti – Sokerit ja tärkkelys, jotka kaikki on valmistettu monosakkarideista.
Visailu
1. Sukraloosi, yleinen keinotekoinen makeutusaine, on muodoltaan samankaltainen kuin sakkaroosi, joka on kasvien tuottama sokeri. Kaikkiin hiileihin sitoutuneiden hydroksyyliryhmien (OH) sijasta sukraloosin rakenteessa on kuitenkin joitakin klooriatomeja (Cl). Tutkimukset ovat osoittaneet, että vaikka suurin osa kulutetusta sukraloosista kulkee ihmisen läpi, 2-8 prosenttia siitä metaboloituu. Miksi tämä voisi olla ongelma henkilölle, joka sulattaa sukraloosia?
A. Se ei tarjoa yhtä paljon kaloreita kuin sakkaroosi.
B. Ilman hydroksyyliryhmiä elimistö ei voi toimia.
C. Elimistön entsyymit eivät ole sopeutuneet sukraloosin aineenvaihduntaan.
2. Aminohappo on yksittäinen molekyyli, joka voidaan lisätä ketjuun proteiinin muodostamiseksi. Aminohappo ei ole hiilihydraatti. Mitkä seuraavista termeistä kuvaavat aminohappoa?
A. Monomeeri
B. Monosakkaridi
C. Polymeeri
3. Kuten mainittiin, monosakkaridit, jotka koostuvat yli viidestä hiilestä, pyrkivät luonnossa usein muodostamaan renkaita. Vuorovaikutus, joka saa ne muodostamaan renkaita, johtuu monosakkarideihin vaikuttavien polaaristen vesimolekyylien voimista. Jos monosakkaridit sijoitetaan poolittomaan liuokseen, mitä ne muodostavat?
A. Spiraaleja
B. Lineaarisia molekyylejä
C. Renkaat