KARBONHİDRATLAR (ŞEKERLER)

Tanım ve karbonhidratların fonksiyonları
Karbonhidratlar, kimyasal olarak polihidroksi aldehit veya ketondurlar veya hidroliz edildiklerinde böyle bileşikler veren maddelerdir. Bu sınıftaki çoğu madde için C : H : O oranı, 1:2:1 şeklindedir; genel formülleri (CH2O)n şeklinde yazılabilir. Bazı karbonhidratlar, (CH2O)n genel formülüne uymazlar; aynı zamanda azot, fosfor veya kükürt de içerirler; bu nedenle karbonhidrat yerine karbohidrat kelimesini kullanma eğilimi de vardır.
Karbonhidratların yapılarında ya aldehit ya da keton bir karbonil grubu; hem primer alkol yapısında hem sekonder alkol yapısında iki veya daha fazla sayıda hidroksil grupları bulunur.

Karbonhidratlar, dünyada en yaygın olarak bulunan biyomoleküllerdir; yeşil bitkiler ve algler tarafından fotosentez ile sürekli olarak CO2 ve H2O’dan sellüloz ve diğer bitkisel ürünler yapılmaktadır.
Karbonhidratların organizmada birçok fonksiyonu vardır:
1) Sofra şekeri ve nişasta gibi bazı karbonhidratlar, dünyanın önemli bir bölümünde insan diyetinin en önemli kısmıdır.
2) Karbonhidratların oksidasyonu, çoğu nonfotosentetik hücrede temel enerji sağlayıcı yoldur. Kan şekeri olarak bilinen ve vücudun en önemli karbonhidratı olan glukoz, memeli dokularının en önemli yakıtıdır.
3) İnsolubl (suda çözünmeyen) karbonhidrat polimerleri, bakteri ve bitkilerin hücre duvarlarında ve hayvanların bağ dokularında yapısal ve koruyucu elemanlar olarak işlev görürler.
4) Bazı karbonhidrat polimerleri, iskelet eklemlerini kayganlaştırırlar ve hücreler arası yapışmayı sağlarlar.
5) Karbonhidratlar, vücutta lipidlerin, bazı amino asitlerin, glikolipidlerin, glikoproteinlerin ve proteoglikanların ön maddesidir. Proteinlere ve lipidlere kovalent olarak bağlı bazı kompleks karbonhidrat polimerleri, molekülün intrasellüler yerini veya metabolik akibetini belirleyen sinyal olarak etki gösterirler.
Karbonhidratlar, genellikle üç büyük sınıfa ayrılarak incelenirler: 1) Monosakkaritler. 2) Disakkaritler. 3) Polisakkaritler.

Monosakkaritler (basit şekerler)

Monosakkaritler, bir veya daha fazla hidroksil gruplu ya aldehit ya da keton yapısında en basit karbonhidratlardır. Monosakkaritler, hidroliz yoluyla daha küçük moleküllü basit karbonhidratlara ayrışmazlar; oligosakkaritlerin ve polisakkaritlerin alt ünitelerini oluştururlar. Oligosakkaritler, 2-10 arasında aynı ya da farklı monosakkaritlerin birleşmesiyle oluşurlar; iki mono sakkaritin birleşmesiyle oluşmuş olan disakkaritler dışında serbest olarak bulunmazlar. Polisakkaritler, monosakkarit polimerleridirler; 10 ve daha fazla monosakkarit içerirler.
Monosakkaritler, renksiz, kristalli katilardır; suda çözünürler, fakat nonpolar çözücülerde çözünmezler. Monosakkaritlerin çoğu tatlıdır.

Monosakkaritlerin sınıflandırılmaları

Monosakkarit moleküllerinin omurgası, tüm karbon atomlarının tek bağlarla bağlandığı dallanmamış bir karbon zinciridir. Karbon atomlarından biri, bir karbonil grubu oluşturmak için bir oksijen atomuna çift bağlıdır; diğer karbon atomlarından her biri bir hidroksil grubu içerir. Karbonil grubu karbon zincirin bir ucunda ise, monosakkarit bir aldehittir ve aldoz olarak isimlendirilir; karbonil grubu karbon zincirin bir ucunda değilse monosakkarit bir ketondur ve ketoz olarak isimlendirilir.
Monosakkaritler, moleküllerindeki toplam karbon sayılarına göre de sınıflandırılırlar ve karbon sayısının Latince adının sonuna “oz” hecesi getirilerek adlandırılırlar; monosakkaritlerin moleküldeki toplam karbon sayısı 3 olanlar triozlar, 4 olanlar tetrozlar, 5 olanlarpentozlar, 6 olanlar heksozlar, 7 olanlar heptozlardır:

Doğada ve organizmada en yaygın bulunan monosakkaritler, trioz, pentoz ve heksozlardır. Heksozlardan en fazla bulunanları da glukoz, fruktoz, galaktoz ve mannozdur. Kan şekeri deyince, bir aldoheksoz olan glukoz anlaşılır. Aldopentoz olan riboz ve 2-deoksiriboz, nükleotitlerin ve nükleik asitlerin komponentleridirler.

Monosakkaritlerin izomerleri

Organik kimya bilgilerimizden biliyoruz ki, karbon atomlarının çevresindeki tek bağların tetrahedral düzenlenmesi, bazı organik bileşiklere önemli özellikler verir. Bir organik moleküldeki bir karbon atomuna dört farklı atom veya fonksiyonel grup bağlanmışsa, karbon atomunun asimetrik (şiral, kiral) olduğu ifade edilir. Asimetrik karbon atomu içeren molekül, uzayda farklı konfigürasyonlara sahip iki farklı formda bulunabilir ve bu formlar, molekülün stereoizomerleri olarak tanımlanırlar. Genel olarak, n sayıda asimetrik karbon atomu içeren bir molekülün 2n sayıda stereoizomeri vardır.
Stereoizomerlerin özel bir sınıfı, enantiyomerler olarak adlandırılırlar ki bunlar, birbirinin aynı düzlemde üst üste gelmeyen ayna görüntüleridirler. Bir bileşiğin iki enantiyomeri, aynı kimyasal özelliklere sahiptirler, fakat polarize ışığın düzlemini çevirme yeteneği gibi karakteristik fiziksel özellikleri farklıdır; enantiyomerler den birinin çözeltisi polarize ışığın düzlemini sağa (+) çevirir, diğerinin çözeltisi ise aynı derecede sola (-) çevirir. Polarize ışığın düzlemini sağa veya sola çeviren maddelere optikçe aktif maddeler veya optik aktif maddeler dendiğini biliyoruz.
Dihidroksi aseton hariç bütün monosakkaritler, bir veya daha fazla asimetrik karbon atomu içerirler; bu nedenle optikçe aktif izomerleri vardır. En basit aldoz olan gliseraldehit, bir asimetrik karbon atomu içerir; bu nedenle de iki farklı enantiyomeri vardır. Gliseraldehitin iki farklı formu, âdet üzerine D-gliseraldehit ve L-gliseraldehit olarak adlandırılırlar:

Monosakkaritlerin optikçe aktif izomerlerinin bir sınıfı D- ve L-izomerlerdir.

Organizmadaki önemli heksoz türevleri

Glukoz, galaktoz ve mannoz gibi basit heksozların türevlerinde, ana bileşikteki bir hidroksil grubu, bir başka yapı ile yer değiştirmiştir veya bir karbon atomu karboksilik asite okside olmuştur.

1) Şeker fosfatları:
Karbonhidratların sentezlerinde ve metabolizmalarında ara ürünler, çok sık olarak monosakkaritlerin kendileri değil, fosforillenmiş türevleridirler. Bir monosakkaritin hidroksil gruplarından biri ile fosforik asidin kondensasyonu, bir fosfat esteri oluşturur:

Şeker fosfatları, bir monosakkaritin hidroksil gruplarından biri ile fosforik asidin kondensasyonu sonucu oluşmuş bileşiklerdir:

Hücre içinde şeker fosforilasyonunun bir etkisi, şekerin hücre dışına diffüzyonunun önlenmesidir. Şeker fosfatları, nötral pH’da nispeten stabildir ve negatif yük taşırlar; yüksek derecede yüklü moleküller de biyolojik membranları, spesifik transport sistemi olmaksızın geçemezler. Şeker fosforilasyonun bir başka etkisi, şekerlerin sonraki kimyasal değişmeler için aktive olmasını sağlamaktır. Şeker fosfatları, karbonhidratların aktif şekilleridirler; sentez ve metabolizma olaylarında kimyasal değişime uğrarlar.

2) Amino şekerler:
Bir monosakkaritteki bir hidroksil grubunun bir amino grubu ile yer değiştirmesi sonucu oluşmuş bileşiklerdir. Glukozamin, galaktozamin ve mannozaminde ana bileşikteki C-2’na bağlı hidroksil, amino grubu ile yer değiştirmiştir:

Amino şekerler, eritromisin, karbomisin gibi birçok antibiyotiğin yapısında bulunur; vücutta glikozaminoglikanların, glikoproteinlerin ve glikolipidlerin yapı taşlarıdırlar.
Amino şekerlerin amino gruplarının asetik asit ile kondense olmasıyla bunların da türevleri oluşabilir:


3) Deoksi şekerler:
Bir monosakkaritteki bir hidroksil grubunun bir hidrojen ile yer değiştirmesi sonucu oluşmuş bileşiklerdir; içlerindeki oksijen sayısı karbon sayısından azdır. 
Galaktozun C-6’nundaki hidroksil grubunun yerine bir hidrojen geçmesiyle fukoz oluşur; a- L-Fukoz, hücre membranı glikoproteinlerinde bulunur. Mannozun C-6’nundaki hidroksil grubunun yerine bir hidrojen geçmesiyle ramnoz oluşur; a-L-Ramnoz, bakterilerin dış membranlarının yapı taşı olan lipopolisakkaritlerde bulunur:

Ribozdan oluşan 2-deoksi-riboz, deoksiribonükleik asitlerde (DNA) bulunur:


4) Aldonik asitler:
Bir monosakkaritin aldehit karbonunun karboksilik aside yükseltgenmesiyle oluşan organik asitlerdir; glukozdan oluşan glukonik asit önemli bir örnektir:


5) Üronik asitler:
Bir monosakkaritin aldehit karbonundan uzaktaki primer alkol grubunun karboksilik aside yükseltgenmesiyle oluşan organik asitlerdir; glukozdan oluşan glukuronik asit önemli bir örnektir:


6) Sakkarik asitler:
Aldozların l.karbonundaki aldehit grupları ile 6.karbonlarındaki primer alkol gruplarının oksitlenerek karboksil grubuna değişmesiyle oluşan dikarboksilik asitlerdir:


7) N-asetil nöraminik asit (NANA, sialik asit):
Dokuz karbonlu asidik şeker olan nöraminik asidin asetillenmiş türevidir:

N-asetil nöraminik asit (NANA, sialik asit), glikoproteinlerin ya da glikolipidlerin oligosakkarit yan zincirindeki terminal karbonhidrattır.

8) Şeker alkolleri:
Monosakkaritlerin aldehit veya keton gruplarının alkol gruplarına indirgenmesiyle oluşan bileşiklerdir; glukozdan sorbitol, mannozdan mannitol, galaktozdan dulsitol oluşur:

Kontrolsuz diyabete s mellituslu hastalarda kanda glukoz konsantrasyonu yükselir; hiperglisemi ortaya çıkar. Bu durumda retina, lens, böbrek ve sinir hücrelerine giren glukoz miktarı artar. Bu hücrelerde artan glukoz, aldoz redüktaz enziminin etkisiyle sorbitol’e çevrilir. Sorbitolün güçlü ozmotik etkisi sonucunda hücre içinde su retansiyonu olur ki bu, olasılıkla gözde katarakt oluşmasının nedenlerindendir.