Karbonhidrat

Karbonhidrat, karbon (C), hidrojen (H) ve oksijen (O) atomlarından oluşan, genellikle hidrojen-oksijen atomu oranı (suda) 2:1 olan bir biyomoleküldür ve dolayısıyla ampirik (deneysel) formülü Cm(H2O)n şeklindedir. m, nden farklı da olabilir olmaya da bilir. Ancak, tüm karbonhidratlar bu kesin stokiyometrik tanıma uymaz (örneğin üronik asitler, fukoz gibi deoksi şekerler) ve bu tanıma uyan tüm kimyasallar otomatik olarak karbonhidratlar (örneğin formaldehit ve asetik asit) olarak sınıflandırılmaz.

Karbonhidratlar canlı organizmalarda çok sayıda rol oynar. Polisakkaritler, enerjinin (örneğin nişasta ve glikojen) depolanmasında ve vücuttaki bazı yapısal bileşenler (örneğin bitkilerde selüloz ve eklembacaklılarda kitin) olarak görev alır. Bir pentoz olan riboz, koenzimlerin (örneğin ATP, FAD ve NAD) önemli bir bileşenidir ve RNA'nın yapısında yer alır. Ribozla ilişkili olan deoksiriboz ise DNA'nın yapısındadır. Sakkaritler, vücutta önemli rol oynayan diğer birçok önemli biyomolekülü içerir ve bağışıklık sistemi, döllenme, patogenezi önleme, kan pıhtılaşması ve canlılarda gelişmede rol oynar.

Karbonhidratlar beslenmenin merkezinde yer alır ve çok çeşitli doğal ve işlenmiş gıdalarda bulunur. Nişasta bir polisakkarittir. Tahıllarda (buğday, mısır, pirinç), patateslerde ve ekmek, pizza veya makarna gibi tahıl unu bazlı işlenmiş gıdalarda bol miktarda bulunur. Şekerler, insan beslenmesinde temel olarak sofra şekeri (şeker kamışı veya şeker pancarından elde edilen sakkaroz), laktoz (süt şekeri), balda, birçok meyvede ve bazı sebzelerde doğal olarak bulunan glikoz ve fruktoz olarak ortaya çıkar. İçeceklere ve reçel, bisküvi ve kek gibi birçok hazır gıdaya genellikle sofra şekeri, süt veya bal eklenir.

Tüm bitkilerin hücre duvarlarında bulunan bir polisakkarit olan selüloz, çözünmeyen diyet lifinin ana bileşenlerinden biridir. İnsanlar tarafından sindirilmemesine rağmen, selüloz ve çözünmeyen diyet lifi genellikle bağırsak hareketlerini kolaylaştırarak sağlıklı bir sindirim sisteminin korunmasına yardımcı olur. Diyet lifinde bulunan diğer polisakkaritler arasında kalın bağırsağın mikrobiyotasındaki bazı bakterileri besleyen ve bu bakteriler tarafından kısa zincirli yağ asitleri vermek üzere metabolize edilen dirençli nişasta ve inülin bulunur.

Bilimsel literatürde "karbonhidrat" terimi, "şeker" (geniş anlamda), "sakkarit", "oz", "glusit", "karbon hidratı", "polihidroksi" ya da "aldehit veya keton içeren bileşikler" gibi birçok eş anlamlıya kavrama sahiptir. Bu terimlerden bazıları, özellikle "karbonhidrat" ve "şeker", başka anlamlarda da kullanılmaktadır.

Gıda biliminde ve pek çok resmi olmayan bağlamda, "karbonhidrat" terimi genellikle "kompleks karbonhidrat nişastası bakımından özellikle zengin olan herhangi bir gıda" (örneğin makarna, ekmek, tahıl) anlamına gelir.

USDA Ulusal Besin Veri Tabanı gibi beslenme bilgisi listelerinde genellikle "karbonhidrat" terimi su, protein, yağ, kül ve etanol dışındaki her şey için kullanılır. Bu, normalde karbonhidrat olarak kabul edilmeyen asetik veya laktik asit gibi kimyasal bileşikleri ve aynı zamanda bir karbonhidrat olan ancak gıda enerjisine katkıda bulunmayan diyet lifini içerir. Tam anlamıyla "şeker", çoğu insan gıdasında kullanılan tatlı, çözünür karbonhidratlar için kullanılır.

Eskiden "karbonhidrat" adı kimyada Cm(H20)n formülüne sahip herhangi bir bileşik için kullanılıyordu . Bu tanımı takiben, bazı kimyacılar formaldehitin (CH2O) en basit karbonhidrat olduğunu düşünürken, diğerleri glikolaldehit için bu unvanı iddia etti. Günümüzde bu terim, genellikle sadece bir veya iki karbonlu bileşikleri hariç tutan ve bu formülden sapan birçok biyolojik karbonhidratı içeren biyokimya anlamında anlaşılmaktadır. Örneğin, yukarıdaki temsili formüller yaygın olarak bilinen karbonhidratlarmış gibi görünse de, her yerde bulunan ve bol karbonhidratlar genellikle bundan sapar (bu formüle sahip değildir.). Örneğin, karbonhidratlar sıklıkla, N-asetil (örn. kitin), sülfat (örn . glikozaminoglikanlar), karboksilik asit ve deoksi modifikasyonları (örn. fukoz ve sialik asit) gibi kimyasal gruplar sergiler.

Bir monosakkaritin açık zincirli formu, genellikle aldehit/keton karbonil grubu karbon (C=O) ve hidroksil grubunun (–OH) yeni bir C–O–C köprüsü ile bir hemiasetal oluşturarak reaksiyona girdiği kapalı bir halka formuyla birlikte bulunur.

Monosakkaritler, çok çeşitli şekillerde polisakaritler (veya oligosakkaritler) olarak adlandırılan birimlerin oluşması için birbirine bağlanabilir. Birçok karbonhidrat, bir veya daha fazla grubun değiştirildiği veya çıkarıldığı bir veya daha fazla modifiye monosakkarit birimi içerir. Örneğin, DNA'nın bir bileşeni olan deoksiriboz, ribozun değiştirilmiş bir versiyonudur. Kitin, azot içeren bir glikoz formu olan N-asetil glukozamin'in tekrar eden birimlerinden oluşur.

Karbonhidratlar, polihidroksi aldehitler, ketonlar, alkoller, asitler, bunların basit türevleri ve asetal tipi bağlantılara sahip polimerleridir. Polimerizasyon derecelerine göre sınıflandırılabilirler ve başlangıçta şekerler, oligosakkaritler ve polisakkaritler olmak üzere üç ana gruba ayrılabilirler.

Monosakkaritler, daha küçük karbonhidratlara hidroliz edilemedikleri için en basit karbonhidratlardır. İki veya daha fazla hidroksil grubuna sahip aldehitler veya ketonlardır. Modifiye edilmemiş bir monosakkaritin genel kimyasal formülü (CH2O)n şeklindedir. Monosakaritler, önemli moleküllerinin yanı sıra nükleik asitlerin yapı taşlarıdır. "n=3" olan en küçük monosakkaritler, dihidroksiaseton ve D- ve L-gliseraldehitlerdir.

Monosakkaritler üç farklı özelliğe göre sınıflandırılır: karboksil grubunun yerleşimi, içerdiği karbon atomlarının sayısı ve kiral kullanımı. Karbonil grubu bir aldehit ise, monosakkarit bir aldozdur; karbonil grubu bir keton ise, monosakkarit bir ketozdur. Üç karbon atomlu monosakkaritlere trioz, dört karbonlulara tetroz, beşine pentoz, altısına heksoz (vb.) denir. Bu iki sınıflandırma sistemi genellikle birleştirilerek kullanılır. Örneğin, glikoz bir aldoheksoz (altı karbonlu bir aldehit), riboz bir aldopentoz (beş karbonlu bir aldehittir) ve fruktoz bir ketoheksozdur (altı karbonlu bir keton).

Düz zincirli bir monosakkaritin aldehit veya keton grubu, farklı bir karbon atomu üzerindeki bir hidroksil grubu ile geri dönüşümlü olarak reaksiyona girerek bir hemiasetal veya hemiketal oluşturur ve iki karbon atomu arasında bir oksijen köprüsü olan bir heterosiklik halka oluşturur. Beş ve altı atomlu halkalar sırasıyla furanoz ve piranoz formları olarak adlandırılır ve düz zincir formuyla dengede bulunur.

Düz zincirli formdan siklik forma dönüşüm sırasında, anomerik karbon olarak adlandırılan karbonil oksijeni içeren karbon atomu, iki olası konfigürasyonla stereojenik bir merkez haline gelir: Oksijen atomu, düzlemin üstünde veya altında bir pozisyon alabilir. Ortaya çıkan olası stereoizomer çiftine anomerler denir. α anomerinde, anomerik karbon üzerindeki -OH ikamesi, CH2OH yan dalından halkanın karşı tarafında (trans) bulunur. CH2OH sübstitüentinin ve anomerik hidroksilin halka düzleminin aynı tarafında (cis) olduğu alternatif forma β anomer denir.

Monosakkaritler, hem enerji kaynağı (bitkilerde fotosentez ürünü olduğu için doğada en önemli olanglikozdur) hem de biyosentezde kullanılan metabolizma için ana yakıt kaynağıdır. Monosakkaritler hemen gerekli olmadığında, genellikle daha fazla alan verimli formlara, polisakaritlere dönüştürülürler. İnsanlar da dahil olmak üzere birçok hayvanda, bu depolama şekli, özellikle karaciğer ve kas hücrelerinde glikojendir. Bitkilerde nişasta aynı amaçla kullanılır. En bol bulunan karbonhidrat olan selüloz, bitkilerin ve birçok alg formunun hücre duvarının yapısal bir bileşenidir. Riboz, meyve şekerinin bir bileşenidir, birçok bitki ve insanda bulunur, karaciğerde metabolize edilir, sindirim sırasında doğrudan bağırsaklarda emilir ve menide bulunur. Böceklerin başlıca şekerlerinden biri olan trehaloz, sürekli uçuşu desteklemek için hızla iki glikoz molekülüne hidrolize edilir. Deoksiriboz, DNA'nın bir bileşenidir. Liksoz, insan kalbinde bulunan liksozinin bir bileşenidir. Pentoz fosfat yolunda ribüloz ve ksilüloz oluşur Süt şekeri laktozunun bir bileşeni olan galaktoz bitki hücre zarlarındaki galaktolipidlerde ve birçok dokudaki glikoproteinlerde bulunur. Mannoz, insan metabolizmasında, özellikle belirli proteinlerin glikozilasyonunda meydana gelir.

Birleştirilmiş iki monosakkaride disakkarit denir ve bunlar en basit polisakkaritlerdir. Sakkaroz ve laktoz birer disakkarit örneğidir. Bir dehidrasyon reaksiyonu yoluyla oluşturulan ve bir monosakaritten bir hidrojen atomunun ve diğerinden bir hidroksil grubunun kaybıyla sonuçlanan bir glikosidik bağ olarak bilinen bir kovalent bağ ile birbirine bağlanan iki monosakkarit biriminden oluşurlar. Değiştirilmemiş disakkaritlerin formülü C12H22O11'dir. Çok sayıda disakkarit türü olmasına rağmen, bazı disakkaritler özellikle diğerlerine göre daha önemlidir.

Sakkaroz, en bol bulunan disakkarittir ve karbonhidratların bitkilerde taşındığı ana formdur. Bir D-glikoz molekülü ve bir D-fruktoz molekülünden oluşur. Sistematik adı O-α-D-glucopyranosyl-(1→2)-D-fructofuranoside şeklindedir.

Bir D-galaktoz molekülü ve bir D-glikoz molekülünden oluşan bir disakkarit olan laktoz, memeli sütünde doğal olarak bulunur. Laktozun sistematik adı O-β-D-galactopyranosyl-(1→4)-D-glucopyranose şeklindedir. Diğer önemli disakkaritler arasında maltoz ve selobiyoz bulunur. Disakkaritler, indirgeyici ve indirgeyici olmayan disakkaritler olarak ikiye ayrılır. Fonksiyonel grup başka bir şeker birimi ile bağda mevcutsa, buna indirgeyici disakkarit veya biyoz denir.

Beslenme ile alınan karbonhidratların vücutta üç önemli fonksiyonu bulunmaktadır. İlki, vücudun başlıca enerji kaynağı olmasıdır. İkincisi, glikoprotein ve glikolipid gibi türevlerle vücudun tüm doku ve hücrelerinde yapı taşı olarak kullanılmasıdır. Üçüncüsü ise sindirilemeyen karbonhidratların (diyet liflerinin) sindirime olan olumlu etkileridir.

Yiyeceklerde tüketilen karbonhidrat, diğer birçok gıdada basit şekerler için gram başına 3.87 kilokalori, ve kompleks karbonhidratlar için gram başına 3.57 ila 4.12 kilokalori arası enerji verir. Nispeten yüksek karbonhidrat seviyeleri; tatlılar, kurabiyeler ve şekerlemeler, sofra şekeri, bal, alkolsüz içecekler, ekmekler ve krakerler, reçeller ve meyve ürünleri, makarnalar ve kahvaltılık tahıllar dahil olmak üzere işlenmiş gıdalar veya bitkilerden yapılan rafine gıdalar ile ilişkilidir. Daha düşük miktarlarda karbonhidrat genellikle fasulye, yumru kökler, pirinç ve rafine edilmemiş meyveler dahil olmak üzere rafine edilmemiş gıdalarla ilişkilendirilir. Süt yüksek oranda laktoz içermesine rağmen, hayvansal bazlı gıdalar genellikle en düşük karbonhidrat seviyelerine sahiptir.

Organizmalar tipik olarak tüm karbonhidrat türlerini enerji elde etmek için metabolize edemezler. Glikoz her yerde erişilebilir bir enerji kaynağıdır. Birçok organizma aynı zamanda diğer monosakkaritler ve disakkaritleri metabolize etme yeteneğine de sahiptir, ancak genellikle önce glikoz metabolize olur. Örneğin Escherichia colide, lak operon mevcut olduğunda laktozun sindirimi için enzimler devreye girecektir, ancak hem laktoz hem de glikoz mevcutsa, lak operon bastırılır, bu da ilk önce glikozun kullanılmasına neden olur. Polisakkaritler aynı zamanda yaygın enerji kaynaklarıdır. Birçok organizma nişastaları kolayca glikoza parçalayabilir. Ancak çoğu organizma, selüloz, kitin ve arabinoksilanlar gibi diğer polisakkaritleri metabolize edemez. Bu karbonhidrat türleri bazı bakteri ve protistler tarafından metabolize edilebilir. Örneğin geviş getiren hayvanlar ve termitler, selülozu işlemek için mikroorganizmaları kullanır. Bu kompleks karbonhidratlar çok sindirilebilir olmasalar da, insanlar için diyet lifi adı verilen önemli bir diyet öğesini temsil ederler. Lif, diğer faydalarının yanı sıra sindirimi artırır.

Ulusal Tıp Enstitüsü, Amerikalı ve Kanadalı yetişkinlerin diyet enerjisinin %45 ila 65'ini tam tahıllı karbonhidratlardan almasını önermektedir. Gıda ve Tarım Örgütü ve Dünya Sağlık Örgütü ortaklaşa, ulusal beslenme kılavuzlarının toplam enerjinin %55-75'ini karbonhidratlardan, ancak yalnızca %10'unu doğrudan şekerlerden belirlemesini önermektedir. 2017 tarihli bir Cochrane Sistematik İncelemesi, tam tahıl diyetlerinin kardiyovasküler hastalıkları etkileyebileceği iddiasını destekleyecek yeterli kanıt olmadığı sonucuna varmıştır.

Beslenme uzmanları genellikle karbonhidratları basit veya karmaşık olarak adlandırır. Ancak, bu gruplar arasındaki kesin ayrım belirsiz olabilir. Karmaşık karbonhidrat terimi ilk olarak, şekerleri diğer karbonhidratlardan (beslenme açısından daha üstün olarak algılanan) ayırmanın amaçlandığı ABD Senatosu Beslenme ve İnsan İhtiyaçları Seçilmiş Komitesi yayını olan Dietary Goals for the United States (1977) (Amerika Birleşik Devletleri için Diyet Hedefleri (1977)) yayınında kullanılmıştır. Rapor, polisakkaritlerin yanı sıra şeker içerebilecek olmasına rağmen, karmaşık karbonhidrat sütununa "meyve, sebze ve tam tahıllar" koydu. Bugün bazı beslenme uzmanları karmaşık karbonhidrat terimini, lif, vitamin ve minerallerin de bulunduğu (enerji sağlayan ancak diğer birkaç besin maddesi sağlayan işlenmiş karbonhidratların aksine) bir bütün gıdada bulunan sindirilebilir her türlü sakkariti belirtmek için kullandığından, bu karışıklık devam etmektedir. Ancak standart kullanım, karbonhidratları kimyasal olarak sınıflandırmaktır: Şekerlerse basit (monosakkaritler ve disakkaritler) ve polisakkaritler (veya oligosakaritler) ise karmaşık karbonhidratlardır.

Her durumda, basit ve karmaşık kimyasal ayrımının karbonhidratların beslenme kalitesini belirlemek için çok az değeri vardır. Bazı basit karbonhidratlar (örneğin fruktoz) kan şekerini hızla yükseltirken, bazı karmaşık karbonhidratlar (nişastalar) kan şekerini yavaş yükseltir. Sindirim hızı, karbonhidratla birlikte hangi diğer besinlerin tüketildiği, yiyeceğin nasıl hazırlandığı, metabolizmadaki bireysel farklılıklar ve karbonhidratın kimyası gibi çeşitli faktörler tarafından belirlenir. Karbonhidratlar bazen ince bağırsakta emilen "yararlı karbonhidratlar" ve kalın bağırsağa geçen ancak "alınamayan karbonhidratlar" olarak ikiye ayrılır.

Amerika Birleşik Devletleri Tarım Bakanlığı tarafından yayınlanan Dietary Guidelines for Americans 2010 (Amerikalılar için 2010 Diyet Yönergeleri)'ne göre her gün altı bir ons porsiyon tahıl gıdaları içeren dengeli bir diyetten orta ila yüksek karbonhidrat tüketimini, en az yarısının tam tahıl kaynaklarından ve geri kalanının zenginleştirilmiş gıdalardan alınması gerekmektedir.

Glisemik indeks (GI) ve glisemik yük kavramları, insan sindirimi sırasında gıda davranışını karakterize etmek için geliştirilmiştir. Karbonhidrat açısından zengin yiyecekleri kan şekeri seviyeleri üzerindeki etkilerinin hızına ve büyüklüğüne göre sıralarlar. Glisemik indeks, gıda glikozunun ne kadar hızlı emildiğinin bir ölçüsüdür; glisemik yük ise gıdalardaki toplam emilebilir glikozun bir ölçüsüdür. İnsülin indeksi, yiyecekleri glikoz (veya nişasta) ve yiyeceklerdeki bazı amino asitlerin neden olduğu kan insülin seviyeleri üzerindeki etkilerine göre sıralayan ve daha yeni bir sınıflandırma yöntemidir.

Düşük karbonhidratlı diyetler, baklagiller ve bakliyatlar, tam tahıllar, meyveler ve sebzelerde bulunan yüksek kaliteli karbonhidratların sağladığı diyet lifi alımının artması gibi sağlık avantajlarını kaçırabilir. Diyetin dezavantajları arasında ağız kokusu, baş ağrısı ve kabızlık sayılabilir ve genel olarak karbonhidrat kısıtlı diyetlerin potansiyel olumsuz etkileri, özellikle olası osteoporoz ve kanser insidansı riskleri açısından yeterince araştırılmamıştır.

Karbonhidrat kısıtlı diyetler, genel kalori alımı azaldığında kısa vadede kilo vermeye yardımcı olmada düşük yağlı diyetler kadar etkili olabilir. Bir Endokrin Derneği bilimsel bildirisinde, "kalori alımı sabit tutulduğunda [...] vücut yağ birikiminin, diyetteki yağ ve karbonhidrat miktarındaki çok belirgin değişikliklerden bile etkilenmediği görülüyor" dedi. Uzun vadede, etkili kilo kaybı veya bakımı, bir diyetteki makro besinlerin oranına değil, kalori kısıtlamasına bağlıdır. Diyetin mantığı, karbonhidratların kan insülinini artırarak aşırı yağ birikimine neden olduğunu savunur.düzeyleri ve düşük karbonhidratlı diyetlerin "metabolik avantajı" olduğu klinik kanıtlarla desteklenmemektedir. Ayrıca, iki inceleme karbonhidrat kısıtlamasının kardiyovasküler hastalık riskinin lipid belirteçlerini iyileştirebileceğini gösterse de, düşük karbonhidratlı diyetin kardiyovasküler sağlığı nasıl etkilediği tam olarak belli değildir.

Karbonhidrat kısıtlı diyetler, tip 2 diyabetin başlamasını önlemede geleneksel sağlıklı diyetten daha etkili değildir, ancak tip 2 diyabetli kişiler için kilo vermek veya glisemik kontrole yardımcı olmak için uygun bir seçenektir. Tip 1 diyabetin yönetiminde düşük karbonhidratlı diyetin rutin kullanımını destekleyen sınırlı kanıt vardır. Amerikan Diyabet Derneği, diyabetli kişilerin karbonhidrat veya diğer makro besinlere odaklanan bir diyet yerine genel olarak sağlıklı bir diyet benimsemelerini önermektedir.

Düşük karbonhidratlı diyetin daha ileri bir şekli olan ketojenik diyet, epilepsi tedavisi için tıbbi bir diyet olarak kurulmuştur. 21. yüzyılın başlarında ünlülerin desteğiyle, kilo verme aracı olarak moda bir diyet haline geldi, ancak düşük enerji seviyeleri ve artan açlık, uykusuzluk, mide bulantısı ve gastrointestinal rahatsızlık gibi istenmeyen yan etki riskleri vardı. İngiliz Diyetisyenler Derneği, onu "2018'de kaçınılması gereken en kötü 5 ünlü diyetinden biri" olarak adlandırdı.

En önemli karbonhidrat, bilinen hemen hemen tüm organizmalar tarafından metabolize edilen basit bir şeker(monosakkarit) olan glikozdur. Glikoz ve diğer karbonhidratlar, türler arasında çok çeşitli metabolik yolların bir parçasıdır. Bitkiler, emilen enerjiyi dahili olarak, genellikle nişasta veya lipit şeklinde depolayan fotosentez yoluyla karbondioksit ve sudan karbonhidrat sentezler. Bitki bileşenleri hayvanlar ve mantarlar tarafından tüketilir ve hücresel solunum için yakıt olarak kullanılır. Bir gram karbonhidratın oksidasyonu yaklaşık 16 kJ (4 kcal), bir gram lipidin oksidasyonu yaklaşık 38 kJ (9 kcal) verir. İnsan vücudu, vücut ağırlığına bağlı olarak 300 ila 500 g karbonhidrat depolar ve depolamanın büyük bir kısmına iskelet kası katkıda bulunur. Metabolizmadan elde edilen enerji (örneğin, glikozun oksidasyonu) genellikle hücrelerde ATP formunda geçici olarak depolanır. Anaerobik ve aerobik solunum yapabilen organizmalar, yan ürünler olarak karbondioksit ve su ile enerjiyi serbest bırakmak için glikoz ve oksijeni metabolize eder.

Glikolizde, oligo- ve polisakaritler, önce glikozit hidrolazlar adı verilen enzimler tarafından daha küçük monosakaritlere bölünür. Monosakkarit birimleri daha sonra monosakkarit katabolizmasına girebilir. Glikozun glikoz 6-fosfat'a (G6P) ve Fruktoz 6-fosfat'ın (F6P) Fruktoz 1,6-bifosfata (FBP) fosforile edilmesi için glikolizin ilk adımlarında 2 ATP gereklidir, bu nedenle reaksiyonu geri döndürülemez şekilde ilerletir. Bazı durumlarda, insanlarda olduğu gibi, gerekli sindirim ve metabolik enzimler bulunmadığından tüm karbonhidrat türleri kullanılamaz.