Koolhydraten zijn de meest voorkomende klasse van organische verbindingen die in levende organismen worden aangetroffen. Het zijn producten van fotosynthese, een reductieve condensatie van kooldioxide met behulp van licht. De biochemische benaming van een koolhydraat is sacharide - van het Griekse suiker - ongeacht of het een suiker, zetmeel of vezels betreft. Koolhydraten zijn moleculen die zijn opgebouwd uit koolstof-, waterstof- en zuurstofatomen, koolstofhydraten om precies te zijn. De chemische formule wordt geschreven als C_m(H₂O)_n), waarbij m en n meestal gelijke getallen zijn, maar ook verschillende getallen kunnen zijn.

Koolhydraten zijn een belangrijke bron van metabolische energie voor planten en voor dieren die voor hun voedsel afhankelijk zijn van planten. Naast de suikers en zetmelen die deze vitale voedingsfunctie vervullen, dienen koolhydraten ook als structuurmateriaal (cellulose). Dat zijn de voor de mens niet-verteerbare voedingsvezels.

Koolhydraten bevatten altijd een dubbelgebonden zuurstofatoom. Wanneer dit zich aan het einde van de chemische keten van de koolhydraat bevindt, spreken we van een aldose, een aldehyde verbinding. Zit het atoom in het midden van de keten, noemen we deze verbinding een keton, en het koolhydraat daarnaar een ketose.

Koolhydraten worden onderverdeeld in osen (monosachariden zoals glucose, galactose of fructose) en osiden, dat zijn polymeren van osen (oligosachariden en polysachariden). De term ose, die we we al eeuwen kennen van benamingen als glucose en sucrose, zou afgeleid zijn van het Griekse γλεῦκος (gleûkos), dat wijn of most betekent.

Osen

Aan de basis van de glycoside ligt de ose of monosacharide. Deze niet-hydrolyseerbare, kleurloze monomeer wordt in het Nederlands enkelvoudige suiker genoemd. De meest gebruikelijke totaalformule luidt C₆H₁₂O₆, en betreft fructose, glucose, galactose, mannose en tagatose. Arabinose en xylose zijn voorbeelden van osen met vijf koolstofatomen.

In de sachariden-terminolgie worden sachariden onderscheiden naar het aantal monosachariden, onderscheiden in mono-, di-, tri-, tetr(a)-, pent(a)-, hex(a)-, hept(a)-, oligo- en polysachariden. In de biochemie wordt daarentegen niet het aantal osen in de verbinding geteld, maar het aantal koolstofatomen. Dat leidt tot de volgende begrippen:

1. triosen, osen met 3 koolstofatomen, C₃H₆O₃ (glyceraldehyde, dihydroxyaceton) ;
2. tetrosen, osen met 4 koolstofatomen, C₄H₈O₄ (erythrose, threose, erythrulose) ;
3. pentosen, osen met 5 koolstofatomen, C₅H₁₀O₅ (desoxyribose, ribose, arabinose, xylose, lyxose, ribulose, xylulose) ;
4. exosen, osen met 6 koolstofatomen, C₆H₁₂O₆ (allose, altrose, galactose, glucose, gulose, idose, mannose, talose, fructose, psicose, sorbose, tagatose) ;
5. desoxyhexosen, osen met 6 koolstofatomen, C₆H₁₂O₅ (fucose, rhamnose) ;
6. heptosen, osen met 7 koolstofatomen, C₇H₁₄O₇ (sedoheptulose, mannoheptulose)
7. octosen, osen met 8 koolstofatomen, C₈H₁₆O₈ (heptahydroxyoctanal) ;
8. nonosen, osen met 9 koolhydraten, C₉H₁₇N₁O₈ (neuraminezuur of siaalzuur).

Osiden

Een oside (glycoside) is een ose-polymeer. Osiden worden onderscheiden in:

1. holosiden, dat zijn polymeren die uitsluitend uit osen bestaan, en
2. heterosiden, waarvan de hydrolyse osen en niet-koolhydraatverbindingen oplevert.

Holosiden

Deze worden onderscheiden in:

1. diholosiden (disachariden), die uit slechts twee osen bestaan en waarvan de polymerisatie-index gelijk is aan 2 (zoals sacharose, lactose of trehalose);
2. oligosiden met een polymerisatie-index tussen 3 en 10 (zoals raffinose en stachyose);
3. polyosiden met een polymerisatie-index van meer dan 10 (zoals amylose, amylopectine en pectine);

Holosiden worden ook ingedeeld naar de aard van het monomeer: polyosiden van glucose worden glucanen genoemd, die van fructose fructanen, die van galactose galactanen en die van mannose mannanen.

Diholosiden (disachariden) zijn gevormd uit twee monosachariden, waarbij één molecule water is afgestoten. De gebruikelijke totaalformule is (C₁₂H₂₂O₁₁). Disachariden zijn vaak uit twee gelijke monosachariden gevormd, maar dat hoeft niet perse. Door het grote aantal combinatiemogelijkheden is de lijst met disachariden lang. De bekendste zijn moutsuiker of maltose (glucose α(1→4) glucose), kristalsuiker of sacharose (glucose α(1→2) fructose) en melksuiker of lactose (galactose β(1→4) glucose).

Oligosiden (oligosachariden) zijn gevormd uit drie tot tien monosachariden. De trisacharide melezitose (C₁₈H₃₂O₁₆.H₂O) wordt in de vorm van honingdauw door insecten zoals luizen uitgescheiden. Dennenhoning bestaat voor een groot deel uit honingdauw. Tot de oligosachariden behoren agar-agar, guar gom, xanthan gom, behorende tot de hydrocolloiden en gommen, hemicellulose en pectine, behorende tot de niet-zetmeel sachariden, en amylose en amylopectine, behorende tot de zetmeelsachariden. Ook glycogeen, energieopslag in dieren en schimmels, is een oligoside.

Ten slotte zijn er polyosiden (polysachariden) met tien tot vele duizenden monosachariden. Ze worden onderscheiden in:

1. homopolyosiden (homopolysachariden), ketens die uit één soort monosacharide bestaan, zoals xylaan, opgebouwd uit de monosacharide xylose, en divers samengestelde polysachariden zoals amylose.
2. heteropolyosiden (hetero-polysachariden) opgebouwd uit diverse (veelal twee) monosachariden. Zij hebben meer triviale namen, zoals pectine en arabische gom, waaruit arabinose wordt gewonnen.

Heterosiden

Heterosiden (of glycosiden) zijn moleculen die gevormd zijn uit een een suiker (in dit verband glycoon genoemd) en een niet-koolhydraatachtige stof (genine). Planten gebruiken glycosiden om potentieel gevaarlijke verbindingen veilig op te slaan, en dieren gebruiken ze om gifstoffen te verwijderen. De glycoon en de genine zijn verbonden door een glycosidebinding, waarvan het type ook het type glycoside bepaalt. De binding kan zuurstof (O- resulterend in een O-glycoside), stikstof (N-, een glycosylamine), zwavel (S-, een thioglycoside) of koolstof (C- ,een C-glycoside) zijn. Deze binding kan worden verbroken door hydrolyse, waardoor de glycoon en de genine van elkaar worden gescheiden.

Het glycoon kan uit één enkelvoudige suiker bestaan (de glycoside is dan een monosacharide) of meerdere suikers bevatten (de glycoside is dan een oligosacharide- of een polysacharide). Het aglycon kan van zeer uiteenlopende chemische aard zijn, een alcohol bijvoorbeeld, maar ook een fenol.

Hoewel heterosiden strikt genomen tot de gluciden gerekend worden, is het gebruik ervan hoofdzakelijk farmaceutisch.

Oorspronkelijk werden suikers benoemd naar hun bron, werd glucose druivensuiker genoemd, sacharose rietsuiker, fructose vruchtensuiker en xylose houtsuiker. De van origine Franse benaming 'hydrate de carbone' werd gebruikt voor enkelvoudige suikers met de chemische formule C_n(H₂O)_n, met gelijke aantallen koolstofatomen en watermoleculen.

In 1838 gaf Dumas de suiker die werd verkregen uit druiven, honing, zetmeel en cellulose 'glucose'. Dat ging niet zonder slag of stoot. Friedrich August Kekulé von Stradonitz (August Kekulé genoemd) zag er geen heil in, hij stelde de naam 'dextrose' voor, omdat 'glucose' dextro-roterend is. Het was nog lang onrustig. In 1880 startte Emil Fischer met zijn omvangrijke onderzoek naar koolhydraten. Zijn nomenclatuur was gebaseerd op de stereochemische aanduidingen D en L met een indeling gebaseerd op het aantal koolstofatomen in de suikerketen.

Ook van zijn hand is de indeling in aldosen (bevatten een aldehydegroep) en ketosen (bevatten een ketongroep), op grond waarvan koolhydraten - nog altijd - worden onderscheiden in polyhydroxyaldehyden en -ketonen. Uit iedere aldose kan een ketose worden gevormd, en omgekeerd door isomerisatie van de carbonen op de posities 1 en 2. Een natuurlijke ketose die voor het eerst uit honing werd geïsoleerd, was D-fructose. Het kan worden gevormd door isomerisatie van D-glucose of D-mannose.

De D- en L-aanduidingen (klassen) zijn afgeleid van de triosen D-glyceraldehyde en L-glyceraldehyde, die hun asymmetrische hydroxylgroepen rechts respectievelijk links hebben. De meeste in de natuur voorkomende suikers behoren tot de D-klasse.

Fischer stelde voor om suikers herkenbaar te maken door de uitgang -ose, voorafgegaan door een gelatiniseerde telling van het aantal koopstofatomen. Het kleinste koolhydraat - triose - met drie koolhydraten noemde hij triose, dat met vier koolhydraten tetrose, enzovoort. Een aldopentose is dus een koolhydraat met een analdehydegroep (aldo-) en vijf koolhydraten (pent-) en een ketohexose is een koolhydraat met een ketongroep (keto-) en zes koolhydraten (hex-).

De namen van specifieke triosen, tetrosen, pentosen enzovoort werden door negentiende- en vroeg-twintigste-eeuwse scheikundigen aan de suikers gegeven door op een of andere manier een link te leggen met de bron waaruit zij werden geïsoleerd.

In de twintigste eeuw zijn regelmatig voorstellen gedaan voor andere naamgevingen, resulterend in de conventie die in 1939 door de American Chemical Society (ACS) is vastgesteld. In 1963 publiceerden de ACS en de British Chemical Society gezamenlijk een rapport dat leidde tot de IUPAC-regels voor de nomenclatuur van koolhydraten, waarin deze werden onderscheiden in monosachariden, oligosachariden en polysachariden, alsmede stoffen die van monosachariden zijn afgeleid door reductie van de carbonylgroep (de polyolen), door oxidatie van eindgroepen tot carbonzuren, of door dehydratie van een of meer hydroxygroep(en).

De IUPAC-benaming voor D-glucose is (2R,3S,4R,5R)-6-(hydroxymethyl)tetrahydro-2H-pyran-2,3,4,5-tetrol, die van D-galactose (2R,3S,4S,5R)-6-(hydroxymethyl)tetrahydro-2H-pyraan-2,3,4,5-tetrol genoemd en D-mannose (2S,3S,4R,5R)-6-(hydroxymethyl)tetrahydro-2H-pyraan-2,3,4,5-tetrol.