Kohlenhydrate bestehen aus den Elementen Kohlenstoff (C), Wasserstoff (H) und Sauerstoff (O). Allgemein wird ein Stoff als Kohlenhydrat bezeichnet, wenn er wenigstens drei Kohlenstoffatome enthält, mindestens eine Aldehyd- oder Ketogruppe sowie zwei Hydroxygruppen .
Die Aldehyd- bzw. Ketogruppe und die Hydroxygruppen sind entscheidend für die chemischen Eigenschaften und die räumliche Anordnung der Kohlenhydrate. Die Aldehyd- und die Ketogruppe sind sehr reaktiv und können mit einer Hydroxygruppe reagieren. Bei dieser Reaktion kommt es unter Bildung zum Ringschluss des Kohlenhydrates.
Die einfachsten Kohlenhydrate sind die sogenannten Monosaccharide (gr. monos für ein), die aus nur einer Kohlenstoffkette bestehen. Diese Monosaccharide können nach der Länge ihrer Kohlenstoffkette benannt werden. Demnach werden Monosaccharide mit fünf Kohlenstoffatomen als Pentosen (gr. penta für fünf) und Monosaccaride mit sechs Kohlenstoffatomen als Hexosen (gr. hexa für sechs) bezeichnet.
Die wichtigsten Hexosen des Stoffwechsels sind Glukose, Fruktose und Galaktose. Sie sind vielfach in Lebensmitteln enthalten. Außerdem stellt vor allem die Glukose eine wichtige Energiequelle für viele Zellen dar. So sind rote Blutkörperchen (sogenannte Erythrozyten) zwingend auf das Vorliegen von Glukose im Blut angewiesen.
Aus diesen drei Monosacchariden können verschiedene Disaccharide (gr. di für zwei) wie Saccharose (aus Glukose und Fruktose), Laktose (aus Glukose und Galaktose) oder Maltose (aus zwei Glukosemolekülen) gebildet werden. Umgekehrt werden diese Disaccharide während der Verdauung in die jeweiligen Monosaccharide gespalten und aufgenommen (siehe Abb.5.6).
Oligosaccharide (gr. oligos für wenig) sind Mehrfachzucker, die aus drei bis zehn Monosacchariden aufgebaut sind. Kohlenhydrate mit mehr als zehn verknüpften Monosacchariden werden als Polysaccharide bezeichnet. Diese sind Bestandteil vieler pflanzlicher und tierischer Zellen. Durch die Verknüpfung vieler Monosaccharide innerhalb eines Polysaccharids binden die Polysaccharide weniger Wasser und ermöglichen somit das Speichern größerer Energiemengen. Damit die Energie schlussendlich freigesetzt wird, müssen die Monosaccharide von den Polysacchariden abgespalten werden.
Im Folgenden werden einige wichtige Polysaccharide vorgestellt:
Amylose und Amylopektin: Einige Pflanzen, wie beispielweise die Kartoffeln, speichern ihre Energie in Form von Stärke. Diese Stärke besteht zu 20 % aus Amylose und zu 80% aus Amylopektin. Beide sind aus verknüpften Glukose-Molekülen aufgebaut. Die jeweilige Verknüpfung kann durch körpereigene Enzyme gespalten werden, sodass während der Verdauung Glukosemoleküle aus der Stärke gewonnen werden können.
Glykogen: Tiere und Menschen speichern Energie unter anderem in Form von Glykogen, das dem Amylopektin in Aufbau und Verknüpfungsart sehr ähnlich ist. Jedoch ist es deutlich stärker verzweigt und besteht aus bis zu 50.000 Monosacchariden. Die Frage, warum der Körper bis zu 50.000 Monomere verknüpft, ist an dieser Stelle sehr berechtigt. Unser Körper kann seine Energie nicht in Form von einzelnen Glukosemolekülen speichern, da jedes dieser Moleküle osmotisch aktiv ist und somit aktiv Wasser an sich binden würde. Ein Speichern einzelner Glukosemoleküle würde die Zelle daher zum Platzen bringen. Daher werden die Glukosemoleküle als Glykogen in Muskeln und Leber gespeichert und können bei Bedarf freigesetzt werden.
Zellulose: Pflanzliche Zellwände bestehen hauptsächlich aus Zellulose. Zellulose ist ein lineares Molekül und besteht aus ca. 20.000 verknüpften Glukose-Molekülen. Die Verknüpfungsart unterscheidet sich jedoch von der der Stärke und des Glykogens, sodass der Mensch Zellulose bei der Verdauung nicht spalten und somit nicht verwerten kann. Damit wäre auch die Frage geklärt, warum sich der Mensch nicht von Gras ernähren kann und warum wir aus Salat keine Energie gewinnen können.