Chapter4 %Carbohydrates:%Simple%Sugars%and% …...2/16/16 1 Chapter4%...

Post on 17-Jun-2020

2 views 0 download

transcript

2/16/16  

1  

Chapter  4    Carbohydrates:  Simple  Sugars  and  

Complex  Chains  BIOL  103,  Spring  2016  

What  Are  Carbohydrates?  

•  Sugars,  starches,  and  fibers  •  Major  food  sources:  Plants  – Produced  during  photosynthesis  

•  Two  main  carbohydrate  types  – Simple  (Sugars)  – Complex  (Starches  and  fibers)  

Simple  Sugars  

•  Monosaccharides  – Glucose  – Fructose  – Galactose    

Monosaccharides  

•  Glucose/Dextrose  – Most  abundant  simple  sugar  in  nature    – Gives  food  a  mildly  sweet  flavor  – Usually  joined  to  another  sugar  in  foods  to  form  disaccharides,  starch,  dietary  fiber  – Provides  energy  to  body  cells  • Blood  sugar  levels  • Only  fuel  source  used  by  brain  

2/16/16  

2  

Monosaccharides  

•  Fructose/Levulose  – “fruit  sugar”  – Tastes  the  sweetest  of  all  the  sugars  – Occurs  naturally  in  fruits  and  vegetables  – Found  in  fruits,  vegetables,  honey,  and  corn  syrup  

High  Fructose  Corn  Syrup  

•  Why  do  we  use  it?  – Before  1970s  à  U.S.  cane  sugar  à  too  expensive  

– 1980s,  food  companies  switched  to  cheaper  corn  • Pepsi/Coke  switched  in  1984  

 

High  Fructose  Corn  Syrup  

•  How  is  it  made?  1.  Convert  glucose  à  fructose,  using  isomerase    2.  Add  corn  syrup,  then  a  specific  ra]o  of  

glucose  • Example:  HFCS  55  (so`  drinks)  

Why  is  High  Fructose  Corn  Syrup  associated  with  weight  gain?  

1.  Corn  is  cheap  à  cheaper  soda  à  supersize  à  drink  more  à  more  calories  

2.  Fructose  does  NOT  release  insulin  and  lep:n  à  does  not  feel  full  à  drink  more  à  more  calories  

 •  However,  note  that  overconsump]on  of  ANY  forms  of  sugar  will  contribute  to  weight  gain.  

 

2/16/16  

3  

Monosaccharides  

•  Galactose  – Rarely  occurs  as  a  monosaccharide  in  food  – Usually  bonds  to  glucose  to  form  lactose  • Primary  sugar  in  milk  and  dairy  products  

Simple  Sugars  

•  Disaccharides:  Consist  of  two  monosaccharides  linked  together  – Sucrose:  glu  +  fru  – Lactose:  glu  +  gal  – Maltose:  glu  +  glu  

•  Linked  by  glycosidic  bonds  

Disaccharides  

•  Sucrose:  glucose  +  fructose  – “Table  sugar”  – Made  from  sugar  cane  and  sugar  beets  – Listed  as  sugar  on  food  labels  

•  Lactose:  glucose  +  galactose  – “Milk  sugar”  – Found  in  milk  and  milk  products  

Lactose  Intolerance  

•  Who  has  it?  – Anyone  who  does  not  have  enough  lactase,  which  normally  converts  (lactose  à  glucose  +  galactose)  

•  Why  do  you  get  it?  – Lactase  nonpersistence  (most  common)  –  Injury/infec]on  to  intes]ne  usually  during  infancy  – Developmental  lactase  deficiency  in  premature  infants  

– Congenital  lactase  deficiency:  rare  gene]c  disorder  from  birth  

 

2/16/16  

4  

Disaccharides  

•  Maltose:  glucose  +  glucose  – “Malt  sugar”  – Seldom  occurs  naturally  in  foods  – Product  of  starch  breakdown  – Found  in  germina]ng  cereal  grains  

Complex  Carbohydrates  •  Chains  of  three  or  more  sugar  molecules  – Oligosaccharides  •  3-­‐10  sugar  molecules  •  Examples  sources:  dried  beans,  peas,  and  len]ls  

–  Polysaccharides  •  Long  chains  of  monosaccharides  •  Structural  differences  affect  how  they  behave  in  water  and  with  hea]ng  •  Diges]ble  (e.g.  starch)  or  nondiges]ble  (e.g.  fiber)  

Complex  Carbohydrates  

•  Starch  – Storage  form  of  energy  in  plants  – Found  in  grains,  legumes,  and  tubers  (potatoes  and  yams)  – Long  chains  of  glucose  units  • Amylose—straight  chains  • Amylopec:n—branched  chains    – Digested  more  rapidly  than  amylose  

– Resistant  starch:  A  starch  that  is  not  digested  

2/16/16  

5  

Complex  Carbohydrates  

•  Glycogen  – Storage  form  of  carbohydrates  in  animals  – Highly  branched  chains  of  glucose  units  – Blood  glucose  – Most  stored  in  our  skeletal  muscle  and  liver  – Carbohydrate  “loading”  

Complex  Carbohydrates  

•  Fiber  – Nondiges]ble  carbohydrates  and  lignins  – Dietary  fiber:  soluble  +  insoluble  fiber  • Fruits,  vegetables,  legumes,  and  whole  grains  

– Func:onal  fiber:  Isolated  and  added  to  foods  – Total  fiber:  Sum  of  dietary  fiber  and  func]onal  fiber  

Types  of  Dietary  Fiber  

Soluble  •  Dissolves  in  water  à  gel-­‐

like  à  slows  diges]on,  lowers  blood  cholesterol  and  glucose  levels  

•  Fermentable  •  Example:  Fruits,  vegetables,  

legumes,  oats,  oat  bran,  legumes  (dried  beans  and  peas)  

Insoluble  •  Does  not  dissolve  in  water  

à  creates  a  bulk  à  larger,  so`er  stool  

•  Fermentable  (Resistant  Starch)  vs.  Non-­‐fermentable  

•  Example:  Bran  por]on  of  whole  grains,  skins  of  fruits/vegetables,  cauliflower,  potato  skins  

2/16/16  

6  

Complex  Carbohydrates  (Dietary  Fiber)  

•  Gums  and  mucilages  – Gums:  Gel-­‐forming  fibers  in  plant  cell  walls  and  seeds  

– Mucilages:  gela]nous  soluble  fiber  found  in  seaweed  

•  Pec:ns  – “Sugar  acids”;  keeps  fruits  in  shape  – Dietary  fiber  found  in  all  plants,  especially  fruits  and  berries    

– Pec]ns  +  acid  +  sugar  =  jam    

Complex  Carbohydrates  (Dietary  Fiber)  

•  Beta-­‐glucans  – Polysaccharides  of  branched  glucose  units  linked  with  beta  glycosidic  bonds  

– Found  in  barley  and  oats  – Help  decrease  blood  cholesterol  levels  

•  Lignin:  – Non  actually  carbohydrates;  composed  of  mul]-­‐ring  alcohol  units  that  compose  the  only  non-­‐carbohydrate  component  of  dietary  fiber  

– Found  in  cell  walls  of  woody  plants  and  the  seeds  of  fruits  

Complex  Carbohydrates  (Dietary  Fiber)  

•  Cellulose:  long,  straight  chains  of  glucose  molecules  with  beta  glycosidic  bonds  – Structural  func]on  in  plants:  forms  the  woody  fibers  in  trees  and  strong  plant  cell  walls  

•  Hemicelluloses:  variety  of  monosaccharides  with  many  branching  side  chains  – Usually  mixed  with  cellulose  in  plants  – Outer  bran  layer  in  cereal  grains,  legumes,  vegetables,  nuts  

Dietary  Fiber    

2/16/16  

7  

Carbohydrate  Diges]on  

•  Diges]on  breaks  down  carbohydrates  to  single  sugars  – Mouth  • Salivary  amylase    

– Stomach  • HCl’s  acidity  stops  the  ac]on  of  salivary  amylase  à  stops  carbohydrate  diges]on  

Carbohydrate  Diges]on  

•  Diges]on  – Small  intes]ne  • Pancrea:c  amylase  con]nues  starch  diges]on  • Brush  border  enzymes  digest  disaccharides  • Other  diges]ve  enzymes:  – Maltase,  sucrase,  and  lactase  

Carbohydrate  Diges]on  

•  Diges]on  – Bonds  that  link  glucose  molecules  • Alpha  bonds  – Broken  down  by  human  enzymes  (e.g.  starch)  

• Beta  bonds  – Bonds  remain  unbroken  by  human  enzymes  (e.g.  cellulose,  resistant  starch)  

2/16/16  

8  

Carbohydrate  Absorp]on  

•  Absorp]on  in  the  small  intes]ne  – Glucose,  galactose,  fructose  molecules  travel  to  the  liver  through  the  portal  vein  – Liver  converts  the  absorbed  monosaccharaides  to  glucose:  • Galactose  à  glucose  • Fructose  à  glucose  

Carbohydrates  and  Glucose  in  the  Body  

•  Excess  glucose  is  stored  as…    – Liver  glycogen  (~1/3)  • Maintains  normal  blood  glucose  levels  

– Muscle  glycogen  (~2/3)  • Fuels  muscle  ac]vity  

 

Carbohydrates  and  Glucose  in  the  Body  

•  Glucose  is  our  primary  fuel  – To  drive  chemical  processes  – To  maintain  normal  blood  glucose  levels  

•  Other  sources  of  energy:  fat,  protein  •  What  is  the  order  of  energy  usage  by  body?  

2/16/16  

9  

Consequence  of  Low  Blood  Sugar  

•  Sparing  body  protein  – Adequate  carbohydrates  prevent  body  from  making  glucose  from  body  proteins  

– Preven]ng  ketosis  • Ketone  bodies  à  ketosis  à  dehydra]on  • Body  needs  a  minimum  of  50  to  100  grams  of  carbohydrate/day  to  prevent  ketosis  

Carbohydrates  and  Glucose  in  the  Body  

•  Regula]ng  blood  glucose  – Hyperglycemia  vs.  Hypoglycemia  

– Controlled  by  hormones:  •  Insulin  • Glucagon  • Epinephrine  (Adrenaline)  – “Fight-­‐or-­‐flight”  hormone  

Regula]ng  Blood  Glucose  

•  Glycemic  Index  measures  effect  of  food  on  blood  glucose  levels  – Different  foods  vary  in  their  effect  on  blood  glucose  levels  – Foods  with  High  Glycemic  Index  cause  faster  and  higher  rise  in  blood  glucose  

2/16/16  

10  

Glycemic  Index   High  Blood  Glucose:  Diabetes  Mellitus  

•  What  is  diabetes?    

•  Normally:    • Eat  food  with  glucose  à  blood  and  cells  •  If  too  much  blood  glucose  à  pancreas  releases  insulin  à  blood  glucose  decreases  

– If  you  have  diabetes:  • Pancreas:  liqle  or  no  insulin  OR  cells  do  not  respond  appropriately  to  insulin  à  hyperglycemia  

High  Blood  Glucose:  Diabetes  

•  Forms  of  diabetes  mellitus:  – Diabetes  Type  I:    – Diabetes  Type  II:    – Gesta:onal  diabetes:  

The  Role  of  Carbohydrates  in  Our  Diet  

•  Cons:  excess  simple  sugar  à  weight  gain,  poor  nutrient  intake,  tooth  decay  

•  Pros:  high  intake  of  foods  rich  in  dietary  fiber  offers  many  health  benefits,  including  reduced  risk  of:  – Obesity  – Type  2  diabetes  – Cardiovascular  disease  – Gastrointes]nal  disorders  

•  Increase  fiber  intake  gradually  while  drinking  plenty  of  fluids  

2/16/16  

11  

Carbohydrates  and  Health  

•  Fiber  and  obesity  – Possible  role  in  weight  control  

•  Fiber  and  type  2  diabetes  – Beqer  control  of  blood  glucose  

•  Fiber  and  cardiovascular  disease  – Can  lower  blood  cholesterol  levels  

•  Fiber  and  gastrointes:nal  disorders  – Healthier  gastrointes]nal  func]oning    

Carbohydrates  and  Health  

•  Nega]ve  effects  of  excess  fiber:  – If  add  supplemental  fiber  too  quickly,  may  have  side  effects:  abdominal  bloa]ng,  gas  – Can  bind  small  amounts  of  minerals  à  prevent  some  mineral  absorp]on  • Examples:  Zinc,  Calcium,  Iron  

•  Fiber  does  not  have  UL:  because  ea]ng  a  lot  of  fiber  (found  naturally  in  foods)  doesn’t  really  affect  overall  health  of  healthy  people.  

 

Carbohydrates  and  Health  

•  Modera]ng  sugar  intake  – Use  less  added  sugar  – Limit  so`  drinks,  sugary  cereals,  candy,  ice  cream,  and  sweet  desserts  – Choose  fresh  fruits  or  those  canned  in  water    

The  Role  of  Carbohydrates  in  Our  Diet  

•  Choosing  Carbohydrates  Wisely  – Increase  fruit,  vegetables,  whole  grains,  low-­‐fat  milk  

•  Strategies  – Eat  peel  fruit/vegetables  – Eat  legumes  – Choose  brown  rice  – Choose  high-­‐fiber  cereal  – Drink  plenty  of  water!  

2/16/16  

12  

Carbohydrates  and  Health  

•  Nutri:ve  sweeteners:  – Monosaccharides,  disaccharides,  and  sugar  alcohols  – Natural  vs.  refined  

•  Non-­‐nutri:ve  sweeteners:  – Saccharin  – Aspartame  – Acesulfame  K  – Sucralose  

Nutri]ve  Sweeteners  

•  Nutri:ve  Sweeteners:  substances  that  sweeten  food  and  can  absorbed  and  yield  energy  in  the  body.  

•  Types:    1.   Natural:  mono  +  di-­‐saccharides  •  e.g.  honey,  maple  syrup  

2.   Refined:  mono  +  di-­‐saccharides  extracted  from  plant  food  •  e.g.  white  sugar,  fructose  

3.   Sugar  Alcohol/Polyols:  may  be  sugar/sucrose  free,  but  not  always  calorie  free  •  e.g.  xylitol  

 

Non-­‐Nutri]ve  Sweeteners  

•  Non-­‐nutri:ve  sweeteners:  “ar]ficial  sweeteners”;  yields  almost  no  energy  

•  Types:  1.   Saccharin  (1970s;  bladder  cancer)  2.   Aspartame  (phenylalanine  +  aspar]c  acid;  

PKU)  3.   Acesulfame  K  (stable  under  heat)  4.   Sucralose  (used  in  baked  goods,  beverages,  

gela]n,  etc.)