MOOC: Söömisest, joomisest ja informatsioonist

1.4. Süsivesikud

Selle temaatika omandamisjärgselt peaksite oskama analüüsida:

Millised susivesikud esinevad inimkehas ja mis on nende ülesanded?
Millised süsivesikute derivaadid ja miks on olulised inimkehas?
Miks inimkeha ei suuda seedida mõningaid toidus olevaid süsivesikuid?
Süsivesikute biofunktsioone inimkehas ja tuua nende kohta näiteid.

Kolmandate osapoolte sisu nägemiseks palun nõustu küpsistega.

Meeldejätmiseks:

Inimkehas on põhilised D-monosahhariidid
Olulisemad monosahhariidid on näiteks glükoos, fruktoos, galaktoos, riboos ja desoksüriboos
Tähtsamad oligosahhariidid on sahharoos, laktoos ja maltoos
Homopolüsahhariidid on glükogeen, tärklis ja tselluloos
Süsivesikutel on palju tähtsaid biofunktsioone

Ühenditegrupi käsitlemine “süsiniku hüdraatidena”, üldvalemiga Cn(H2O)n, tingis mõiste “süsivesikud” (1844.a., C.Schmidt, TÜ professor). See jäigi tunnustatud üldmõisteks, kuigi pole biokeemiliselt korrektne (nt uroonhappe, desoksüriboosi jt puhul). Sünonüümtermin on ”sahhariidid”. Mõnede poolt alternatiivmõistena kasutatav “suhkrud” pole õige. Suhkrud on kokkuleppeline käibetermin: kitsamas mõttes kaubandusliku sahharoosi kohta ja laiemas mõttes magusamaitseliste mono-, di-, tri- ja tetrasahhariidide üldnimetusena. Nii hõlmab termin ”suhkrud” vaid teatud osa süsivesikutest.

Süsivesikute nimetuse lõpp on enamasti -oos, (glükoos, fruktoos jne). Käsitleme vaid neid süsivesikuid, mille ehitus, omadused ja rollid aitavad mõista inimkeha metabolismi ja selle häireid.

Molekuli suurusel baseeruv struktuurne klassifikatsioon eristab süsivesikute kolme põhirühma:

monosahhariidid (monoosid);
oligosahhariidid (sisaldavad 2…10 monoosijääki);
polüsahhariidid (polüoosid, mis jagunevad homo- ja heteropolüoosideks).

Monosahhariidid (monoosid)

Lihtsüsivesikutena ei hüdrolüüsu nad väiksemateks süsivesikuteks. Loodus-monoosid on värvitud, veeslahustuvad, reeglina magusamaitselised ja kristalsed. Monooside empiiriline üldvalem on (CH2O)n, kus n on 3…7. Neid jaotatakse alarühmadeks C-aatomite arvu järgi.

Monoose liigendatakse ka funktsionaalse põhirühma järgi: aldoosidel on aldehüüdrühm, ketoosidel – ketorühm. Glütseeraldehüüd ja dihüdroksüatsetoon on lihtsaimad monoosid. Kuna monoosid sisaldavad üle ühe hüdroksüülrühma, on nad ka polühüdroksüaldehüüdid või -ketoonid.

Monooside kujutamine

Monoosid esinevad inimkehas nii avatud ahelana kui ka tsüklilises vormis. Tutvume nende vastavate vormidega (joonis 1): a) lineaarne ehk avatud ahel; b) tsükliline vorm.

Joonis 1. Glükoosi erinevate vormide erinev kujutamine.

Lineaarne (avatud) vorm. Antud vormis võivad olla kõik monoosid (trioosid ja tetroosid ongi ainult lineaarvormis). Vaatleme süsinikuaatomite numeratsiooni glükoosi näitega (joonis 1).

Tsükliline ehitus. Pentoosidest alates tekitab molekulisisene reaktsioon aldehüüd- (või keto-) grupi ja ühe -OH vahel püranoos- (6-lüliline) või furanoostsükli (5-lüliline). Glükoosil domineerib püranoosvorm (joonis 1). Monoosid on vesilahustes peamiselt termodünaamiliselt stabiilse tsüklina (alla 0,1% molekulidest on lineaarvormis). Kristalsel kujul on nad ainult tsüklilises vormis.

Monooside tsüklilist ehitust saab esitada Kolli-Tollens projektsioonis (C-aatomid on paigutatud vertikaalselt) ja Haworth projektsioonis, mis kujutab tsüklit perspektiivis (joonis 1) kusjuures rasvane joon C-aatomite vahel näitab esiplaanil asetsevat serva.

Konformatsioonide esitamine. Sel puhul kasutatakse monooside kujutamiseks konformatsioone (tugitool, vann jt). Nii on glükoosi puhul tugitool-konformatsioon (joonis 1) stabiilseim ja sellisena esinebki ta enamikes loodusühendites. Kasutatakse ka visuaalselt lihtsustatut Haworth valemit: vabad jooned näitavad vaid -OH rühmade paiknemist tsüklitasapinna suhtes (joonis 2). See teeb kujutise visuaalselt lihtsaks.

Joonis 2. Glükoosi tsüklilise vormi lihtsustatud kujutamine.

Monosahhariidid inimkehas

Absoluutne enamus inimkeha monoosidest (ka nende derivaatidest) on D-isomeerid ja vaid üksikud esindajad on L-isomeerid. Seetõttu jäetakse tavaliselt tähistus D märkimata.

Tabel 1. Füsioloogiliselt tähtsad monoosid.

Üldnimed	Näited inimorganismis
	Aldoosid	Ketoosid
3C Trioosid	Glütseeraldehüüd	Dihüdroksüatsetoon
4C Tetroosid	Erütroos	Erütroloos
5C Pentoosid	Riboos Ksüloos	Ribuloos Ksüluloos
6C Heksoosid	Glükoos Galaktoos Mannoos	Fruktoos
7C Heptoosid		Seduheptuloos

Trioosid (C₃H₆O₃). Inimkehas on nendeks glütseeraldehüüd (glütseroos) ja dihüdroksüatsetoon
Tetroosid (C₄H₈O₄). Tetrooside esindaja inimorganismis on erütroos.
Pentoosid (C₅H₁₀O₅). Põhiesindajad on riboos ja desoksüriboos. Inimkeha pentoosid on ka ksüluloos, ribuloos, lüksoos. D- ja L-arabinoos (Ara) ja D-ksüloos (Xyl) on taimsete gummide glükoproteiinides. Funktsionaalsetena pole neid inimkehast leitud.
Heksoosid (C₆H₁₂O₆), joonis 3. Inimkehas esinevad glükoos (viinamarjasuhkur), galaktoos (piimasuhkur), fruktoos (puuviljasuhkur) ja mannoos. Pisut esineb ka L-fukoosi ja 2-desoksüglükoosi.
Heptoosid (C₇H₁₄O₇). Inimkehast on funktsionaalsena leitud sedoheptuloosi.

Joonis 3. Heksooside kesksed esindajad.

Monooside biokeemilis-kliinilisi aspekte

Glükoos (Glc) on inimkeha keskne süsivesik. Veresuhkur ongi glükoos. Veri kannab Glc kudedesse, kus ta kasutub peamiselt energia tootmiseks. Glc ilmnemine uriinis (glükosuuria) suhkurtõve puhul viitab veresuhkru kõrgtasemele (hüperglükeemia).
Galaktoos (Gal) on piimasuhkru laktoosi ja närvikoe liitlipiidide (tserebrosiidid, gangliosiidid) ehituskomponent. Gal metabolismi pärilikud häired avalduvad galaktoseemiana (tekitab maksakahjustust, vaimse arengu peetust, katarakti).
Fruktoos (puuviljasuhkur, levuloos) on sahharoosi komponent. Pärilik fruktoosi intolerantsus resulteerub Fru kuhjumisena maksas (hüpoglükeemia, kollatõbi, hemorraagia).
Mannoos on glükoproteiinide komponent.
L-fukoos on veregrupi markerite A, B ja 0 ning rinnapiima oligosahhariidide komponent.
D-Sed-P on süsivesikute metabolismi vaheühend.
Riboos on koensüümide, vitamiin B12 ja ATP komponent.
D-ksüluloos ja ribuloos on süsivesikute metabolismi vaheühendid.
L-ksüluloos on glükuroonhappe oksüdatsiooni vaheühend.
L-ksüluloos ja L-lüksoos on essentsiaalse pentosuuria markeriteks uriinis.

Füsioloogiliselt tähtsad monooside derivaadid inimkehas

Fosfosahhariidid – biokeemilis-meditsiinilised aspektid
Fosfosahhariidid on süsivesikute metabolismi vaheühendid ja nende metaboliseerimiseks sobivad aktiivvormid (fosforüülitud ATP-ga). Negatiivse laengu tõttu ei difundeeru nad rakust välja (vajaliku taseme säilumine rakus!). Triooside fosfoestrid (GAP, DAP), erütroos-4-P, ribuloos-5-P ja ksüloos-5-P on gükoosi metabolismi vaheühendid. Riboos-5-P ja desoksüriboos-5-P on nukleotiidide komponent.
NB! Glükoos-6-P (Glc-6-P) on süsivesikute metabolismi keskne ühend. Süsivesikute metabolismi vaheühendid on ka Glc-1-P, Fru-1,6-bisP ja Fru-6-P ja sedoheptuloos-7-P (Sed-7-P).
Glükosiidid – biokeemilis-kliinilised aspektid
Need on glükosiidsidemega seotud monoos-mittesahhariid (aglükoon) või monoos-monoos kompleksid. O-glükosiidides on glükosiidside monoosi hemiatsetaalse -OH ja aglükooni -OH vahel. Nt mitmed südameglükosiidid (aglükooniks on steroid), mis on digitaalise ja strofantiini preparaatidena südameravimid. Oligosahhariidides on glükosiidside ühe monoosi hemiatsetaalse -OH ja teise monoosi tavalise -OH vahel. Kui baasosa (hemiatsetaalne osa) on Glc, on tegemist glükosiidiga, kui Gal, siis on see galaktosiid, jne. Mõnedes on baasosaks disahhariidjääk ja aglükooniks steroid (nt antibiootikum streptomütsiin). N-glükosiidi annab monoosi hemiatsetaalse -OH ja mingi teise ühendi aminorühma vaheline reaktsioon (nt nukleotiidid ja mõned glükoproteiinid).
Uroonhapped ja suhkuralkoholid – biokeemilis-meditsiinilised aspektid
Ensüümide toimel oksüdeerub C6 juures olev hüdroksüülrühm karboksüülrühmaks, st tekib uroonhape: glükoosist tekib glükuroonhape, galaktoosist galakturoonhape. D-glükuroonhape on vajalik ksenobiootikumide (sh raviained) detoksikatsioonis. Uroonhapped on glükoosaminoglükaanide põhikomponendiks. Aldehüüdrühma ensümaatiline redutseerumine annab suhkuralkoholi (alditooli), nt glükoosist tekib suhkuralkohol ehk sorbitool (kasutatakse magustajana).
Aminosahhariidid – biokeemilis-meditsiinilised aspektid
Tüüpesindaja inimkehas on glükoosamiin. Tema derivaat N-atsetüülglükoosamiin on heteropolüsahhariidide (hüaluroonhape jt) komponent. Galaktoosamiini derivaat, N-atsetüülgalaktoosamiin, on kondroitiini komponent. Mitmed antibiootikumid (erütromütsiin jt) sisaldavad aminosahhariide, mis on ilmselt nende antibiootilise toime aluseks.
Siaalhapped – biokeemilis-meditsiinilised aspektid
Monooside derivaatidena käsitletavad siaalhapped on neuramiinhappe atsetüülderivaadid. Üheks siaalhapete esindajaks on N-atsetüülneuramiinhape ehk NANA. NANA on gangliosiidide ja plasmamembraani pinnal lokaliseeruvate glükoproteiinide komponent. Märkus: Monoose saab veres/uriinis määrata ka hemiatsetaalse -OH redutseeriva toime alusel. Redutseerivate monooside (glükoos jt) tase tõuseb veres suhkurtõve ja kaasasündinud süsivesikute metabolismi häirete (galaktoseemia jt) puhul.

Oligosahhariidid

Need liitsusivesikud koosnevad 2…10 monoosijäägist, seotuna glükosiidsidemega. Sõltuvalt monoosijääkide arvust eristatakse di-, tri-, tetrasahhariidid jne. Glükosiidside võib neis olla alfa- või beeta-side (sõltuvalt milline anomeerne –OH on haaratud sidemesse). Oligosahhariid on mitteredutseeriv (nt sahharoos), kui mõlema liitunud monoosi hemiatsetaalne -OH on kasutunud glükosiidsideme tekkeks. Laktoos ja maltoos on redutseerivad suhkrud (üks hemiatsetaalne -OH on vaba, vt allpool).

Disahhariidid

Füsioloogiliselt olulised disahhariidid on laktoos, sahharoos ja maltoos. Disahhariidi süstemaatiline nimetus koosneb monoosijääkide nimetustest, kusjuures lõpp -oos osutab, et üks hemiatsetaalne OH-rühm pole sidemesse hõivatud.

Laktoos (piimasuhkur) koosneb galaktoosi- ja glükoosijäägist (joonis 4). Ta on piima põhisüsivesik (rinnapiimas 6…8%, lehmapiimas 3,8…5%), mida sünteesitakse piimanäärmetes laktatsiooniperioodil. Inimesele on ta väga oluline Gal allikas. Mõned on laktoosile intolerantsed (seedeensüüm laktaasi aktiivsus on väga madal või väga harva puudub üldse). Laktoos ei hüdrolüüsu, kuhjub seedekulglas ja lõhustub seedekulgla mikroobide toimel. Sümptomid: kõhuvalu, kõhulahtisus, meteorism ja oksendamine. Piimaproduktid (juust jt), kus laktoos on hüdrolüüsitud, probleeme ei tekita.

Joonis 4. Laktoos.

Sahharoos (peedisuhkur, roosuhkur) koosneb glükoosi- ja fruktoosijäägist (joonis 5). Ta on toiduaine (toidusuhkur) ja magustaja. Teda lõhustab seedekulgla sahharaas ehk invertaas (glükosiidsidemete hüdrolüüsi soodustab happeline keskkond maos) ja vabanenud Glc ning Fru imenduvad. Üliharv sahharaasi defitsiit tekitab kõhulahtisuse ja kõhupuhituse.

Sahharoosi in vitro hüdrolüüsil saadud Glc ja Fru ekvimolaarsegu on invertsuhkur (pr inversion = pööre; sahharoosilahuse eripöörang enne ja pärast hüdrolüüsi on erinev). Kõrgetel kontsentratsioonidel sahharoos inhibeerib mikroorganismide kasvu (konservant!). Tema magusus on suhteliselt kõrge (kui võtta sahharoosi suhteliseks magususeks 100, siis teiste mono- ja disahhariidide magusus on järgmine: Fru 120…170, Glc 60…70, maltoos 45…60, laktoos 15…20).

Joonis 5. Sahharoos.

Maltoos sisaldab kahte glükoosijääki (joonis 6). Ta on tärklise ja glükogeeni struktuuriühik. Maltoos (linnasesuhkur) on tärklise hüdrolüüsiprodukt taimedes. Sülje amülaas suudab toidutärklist osaliselt lõhustada tootes maltoosi jt produkte. Pankrease amülaas hüdrolüüsib toidutärklise maltoosiks. Seedeensüüm maltaas lõhustab maltoosi glükoosiks.

Joonis 6. Maltoos.

Polüsahhariidid (polüoosid) on liitsusivesikud

Nad täidavad varuaine ja ehituslikke ülesandeid. Nende monomeere (monoosijääke) seob alfa- või beeta-glükosiidside andes lineaarseid (hargnenud või mittehargnenud), spiraalseid, sfäärilisi struktuure.

Homopolüsahhariidid (homopolüoosid)

Nende ehitusüksusteks on üht-tüüpi monoosijäägid (enamasti Glc). Kesksed homopolüoosid on:

varupolüoosid (Glc varud): glükogeen loomsetes rakkudes (ka seentes), tärklis taimerakkudes
struktuurpolüoosid: tselluloos (taimede rakukest); kitiin (putukate, krabide jt eksoskelett).

Glükogeen

Glükogeen on veresuhkru (glükoosi) lühiajaline varu inimkehas (peamiselt maksas ja skeletilihastes). Tema monomeeriks on α-D-Glc, tema osaline hüdrolüüs annab dekstriine ja isomaltoosi ning ta seostub tsütoplasma valkudega ja osaliselt ka rakusisese membraanistikuga.

NB! Vabade ahelaotste tohutu arv võimaldab füsioloogilisel vajadusel rohkete glükoosimolekulide kiiret vabanemist (aga ka liitmist).

Joonis 7. Glükogeeni skemaatiline ehitus. Hargnemispunkt on iga 4…8 glükoosijäägi järel ning kõrvalahelad sisaldavad 6…12 glükoosijääki.

Glükogeenimolekuli konkreetne suurus (ahelate pikkus) sõltub keha glükoosivajadustest antud hetkel. Järelikult varieerub tema Mw olles 1…16 miljonit (maksimaalselt 10⁵ glükoosiühikut!). Tema üldvalem on (C₆H₁₀O₅)n x H₂O. Glükogeeni arvukad hüdroksüülrühmad seostuvad vesiniksidemete abil veemolekulidega ning glükogeenimolekul on tugevasti hüdratiseerunud. Tema vesilahuse viskoossus on madal (jooditest on pruunikas-violetne). Glükogeenimolekuli külgahelateta osa (glükogeeni osalise ensümaatilise hüdrolüüsi produkt) nim jääkdekstriiniks.

Tärklis

Ta on inimtoidu olulisim süsivesik (eriti tärkliserikkad on teraviljad, kartul, banaanid). Tema üldvalem on (C₆H₁₀O₅)n x H₂O ja ligikaudne Mw on 10⁶…10⁷.

Tärklis on segapolümeer: 75…85% moodustab amülopektiin ja 15…25% veeslahustuv α-amüloos. Tärklise osalisel hüdrolüüsil tekkivad dekstriinid hüdrolüüsuvad maltoosiks ja lõpuks glükoosiks.

Amülopektiin (Mw kuni 10⁶) on hargnenud biopolümeer. Molekul on väiksem, vähem kompaktsem ja vähemhargnenud (kõrvalahel on iga 8…9 glükoosijäägi järel) kui glükogeenil. Ta ei lahustu vees, kuid pundub vees ja annab kuumutamisel kliistri. Amülopektiini jooditest on punakasvioletne.

α-Amüloos on lineaarne polümeer (Mw on 10 000…50 000), milles on seostunud Glc-jäägid (100…300 jääki). Tema disahhariidfragment on maltoos. Amüloos esineb tärklises helikaalsena (ühes spiraalikeerus on kuus glükoosijääki), mida stabiliseerivad vesiniksidemed. Amüloos lahustub vees. Et joodimolekulid paigutuvad tänu oma mõõtmetele amüloosi heeliksi sisemusse, siis komplekseerudes amüloosi kolloidlahuse mitsellidega annabki tärkliselahus tüüpilise sinise värvuse (jooditesti puhul). Amüloos on mitteredutseeriv süsivesik.

Tselluloos

Tselluloos on eluslooduse levinuim ehitusbiopolümeer (taimede rakukesta põhikomponent), mille monomeer on beeta-glükoos. Tema Mw on 300000…1 000000 (ehk 3000…10000 monoosijääki). Monoosijääkide vaheliseks sidemeks hargnematus polümeerses ahelas on beeta(1,4) ja tinglikult võib tselluloosi vaadelda koosnevana tsellubioossetest üksustest. Tselluloosis oleva sideme beeta(1,4) konfiguratsioon tingib tselluloosi polümeersete ahelate paigutuse teineteise kõrvale. Polümeerseid naaberahelaid seovad vesiniksidemed, vesiniksidemed esinevad ka ahelasisestena. Ahelatevaheliste ja ahelasiseste vesiniksidemete võrgustiku tõttu kujunevad pikad, vees lahustumatud ja praktiliselt venimatud tselluloosi mikrofibrillid. Mikrofibrillid koonduvad fibrillideks, millede kimbud moodustavad rakukesta toese, kuhu lisanduvad ka hemitselluloosid (polümeersed arabaanid, ksülaanid, mannaanid, galaktaanid jt). Taimeraku vananedes ladestub rakukesta toese tühimikesse puitumisel moodustuv ligniin (hüdroksüfenüülpropaanne polümeer), mis muudab rakukesta jäigaks.

NB! Et side beeta(1,4) ei hüdrolüüsu inimese seedekulgla ensüümide toimel, siis tselluloos (ega ka hemitselluloos) ei seedu inimese seedeensüümide toimel seedekulglas.

Kitiin on lineaar-pomopolümeer: monomeerid N-atsetüülglükoosamiinid on seotud beeta(1,4)-sidemetega (krabide, homaaride, putukate eksoskeleti materjal, mida tugevdab kaltsiumkarbonaat). Dekstraanpolüooside monomeeriks on a-glükoos ja sidemed on alfa(1,6), alfa(1,2) või alfa(1,3) nii ahelates kui hargnemispunktides. Dekstraanid on pärmirakkude, bakterite varupolüoosid. Nende molekulid moodustavad kergesti ristsidemeid ja sobivad elektroforeesil kasutatavateks dekstraangeelideks. Inuliini monomeeriks on beeta-fruktoos, sidemeks beeta(1,2). Ta on taimerakkude varupolüoos. Agar-agar (modifitseeritud beeta-galaktoosi jääkidest) on vetikate polümeer, mida kasutatakse geelmaterjalina marmelaadi valmistamisel, geelelektroforeesis jm.

Heteropolüsahhariidid (heteropolüoosid, heteroglükaanid)

Koosnevad reeglina korduvatest disahhariidsetest “plokkidest”, need ”plokid” koosnevad erinevate monooside derivaatidest (GlcUA, GlcNAc, GalNAc; seejuures on GlcNAc ja GalNAc tihti sulfateerunud vormis). Neid nimetatakse nüüd ka proteoglükaanideks. Kesksed esindajad on kondroitiinsulfaadid, dermataansulfaadid, heparaansulfaat, kerataansulfaat, hüaluroonhape jt. Nad talitlevad inimkehas komplekseerunult teiste biomolekulidega.

Süsivesikute biofunktsioonide meditsiinilisi aspekte

Süsivesikud on looduses levinuimad orgaanilised ühendid. Nad moodustavad taimedes 75…90%, loomorganismides keskmiselt 2…3% ja mikroorganismides 12…28% kuivkaalust. Süsivesikute kesksemad biofunktsioonid inimkehas on:

Energeetiline: süsivesikute keskne funktsioon. Ööpäevasest energiavajadusest katab toidusüsivesikute (glükoosi) täielik oksüdatsioon süsihappegaasiks ja veeks 50..60% energiavajadustest. Energeetiliseks varuaineks on maksa ja lihaste glükogeen. 1g süsivesikute täielik oksüdatsioon annab 4,1 kcal (17,1 kJ) energiat.
Varuaine: loomarakus on varupolüoosiks glükogeeniterakesed. Maksa ja skeletilihaste glükogeen on Glc lühiajaline reserv inimkehas. Maksa glükogeen on kasutatav Glc tagavarana kogu organismi jaoks, lihaste glükogeen on vaid lihaste enda energeetilisteks vajadusteks.
Biosünteetiline: süsivesikute metaboliidid laktaat, püruvaat jt on rasvhapete jt ühendite süsinikskeleti loomise aluseks. Rib-5-P vajab nukleotiidide ja koensüümide süntees.
Bioregulatoorne: süsivesikud on mõnede hormoonide ja koensüümide komponentideks.
Struktuurne: monoosid ja nende derivaadid on polüooside monomeerideks. Süsivesikuid sisaldavad biomolekulid on biomembraanide pinnakomponendid, rakkudevahelise maatriksi, sidekudede komponendid. Ka retseptorite ehituses on leitud süsivesikulisi komponente.
Kaitse: Glükuroonhape osaleb toksiliste ainete (ka raviainete) kahjutuks tegemises. Antikehade, kaitselimade, mitmete verehüübimisfaktorite ehituses on ka süsivesikuline komponent.
Toitaineline: rinnapiima laktoos on vastsündinutele ülioluline toitaine, vajalik ka täiskasvanute normaalses söömises.