Cukry
Cukry są bardzo rozpowszechnionymi związkami organicznymi w przyrodzie. Należą do nich, między innymi, powszechnie znane substancje jak cukier gronowy, cukier trzcinowy, skrobia, błonnik i inne.
Ogólną nazwą cukry albo sacharydy (od słowa saccharum - cukier), obejmuje się związki węgla, wodoru i tlenu, których skład chemiczny w większości przypadków można ująć ogólnym wzorem CnH2nOm. Wielkości m i n oznacza w tym przypadku liczby całkowite poczynając od 3, przy czym n>=m Na przykład wzór glukozy C6H12O6 można by zapisać w postaci C6(H2O)6, a wzór sacharozyC12H22O11 jako C12(H2O)11. Stąd pochodzi używana dawniej, a w niektórych przypadkach jeszcze dziś, nazwa "węglowodany", która miała wyrażać, że związki te są "wodzianami" węgla. Później poznano wiele cukrów nie odpowiadających ogólnemu wzorowi węglowodanów, np. cukier prosty ramnoza ma wzór ogólny C6H12O5, a więc nie odpowiada wzorowi wodzianu węgla. Poznano również wiele związków, które mają wzór ogólny odpowiadający węglowodanom, a które nie są cukrami. Toteż nazwa węglowodany jest nazwą już tylko historyczną, a obecnie powszechnie stosuje się bardziej odpowiednią nazwę cukry albo sacharydy.
Cukry powstają w przyrodzie w zielonych częściach roślin z dwutlenku węgla i wody w procesie fotosyntezy. Wytwarzane w ten sposób związki stanowią główny materiał budulcowy i zapasowy organizmów roślinnych, stanowią ok. 80% suchej masy roślin. Zawartość cukrów w organizmach zwierzęcych jest znacznie mniejsza i wynosi ok. 2% ich suchek masy. Z tego względu syntezowane przez rośliny cukry są ważnymi substancjami pokarmowymi dla organizmów zwierzęcych.
Z szacunkowych obliczeń wynika, że dzięki odbywającej się nieustannie, od chwili powstania życia na ziemi, fotosyntezie, rośliny asymilują każdego roku takie ilości dwutlenku węgla, które odpowiadają prawie 175 miliardów ton pierwiastka węgla. Właśnie głównie z wielocukrów powstały eksploatowane dzisiaj pokłady węgla kamiennego i brunatnego
Cukrzy dzielą się na trzy podstawowe grupy, a mianowicie:
- cukry proste, jednocukry czyli monosacharydy ( od słowa monos - pojedynczy),
- polisacharydy niższe zwane oligosacharydami (od oligos - nieliczny), należą tu głównie różne di-, tri- i tetrasacharydy,
- cukry złożone, wielocukry czyli polisacharydy wyższe (od słowa polys - liczny) zawierające w cząsteczkach w postaci związanej nawet do kilku tysięcy cukrów prostych. W obrębie przedstawionych powyżej podstawionych grup cukrów istnieją dalsze podgrupy, które będą wyszczególniane przy omawianiu poszczególnych grup cukrów.
Cukry złożone.
Jeżeli cząsteczki cukrów prostych łączą się ze sobą, tak że jedna cząsteczka cukru prostego łączy się z grupą alkoholową drugiej cząsteczki cukru, wówczas związki te nazywamy disacharydami (dwucukrami). Gdy więcej cząsteczek cukru łączy się ze sobą, powstają odpowiednio trójcukrowce, czterocukrowce itd.
Cukry zawierające do ośmiu prostych reszt cukrowych przyjęto nazywać olisacharydami, jeżeli łączy się więcej reszt wówczas nazywamy je polisacharydami.
Olisacharydy - małocząsteczkowe polisacharydy sa rozpuszczalne w wodzie i zdolne do krystalizacji. Olisacharydy z reguły mają smak słodki. Podczas hydrolizy rozpadają się na cząsteczki cukrów prostych. Najważniejszymi olisacharydami są disacharydy (dwucukrowce), do których zaliczamy;
· maltozę
· celobiozę
· laktozę
· sacharozę
Polisacharydy - są to wielocukrowce, które nie mają smaku słodkiego, podczas hydrolizy rozpadają się na kilka cząsteczek olisacharydów, a te z kolei rozpadają się na cząsteczki cukrów prostych. Do polisacharydów zaliczamy:
· skrobię
· glikogen
· celulozę (błonnik)
Przykłady cukrów złożonych
a) Maltoza ( C12H22O12 )
- Maltozę można otrzymać jako jeden z produktów częściowej hydrolizy skrobi w wodnym roztworze kwasu. Hydroliza ta jest katalizowana przez diastazę, enzym znajdujący się w słodzie (kiełkujący jęczmień).
- Maltoza ma wzór sumaryczny C12H22O12 i składa się z dwóch połączonych cząsteczek D-glukozy. Połączeniem dwóch cząsteczek glukozy jest wiązanie (alfa)-glukozytowe. Wzór strukturalny
- Redukuje ona odczynniki Tollensa i Fehlina i w związku z tym zalicza się do cukrów redukujących.
- Maltoza istnieje w dwóch odmianach alfa i beta, które w roztworze ulegają mutarotacji. Rozkłada się pod wpływem kwasów do D-glukozy, wg reakcji
C12H22O12 + H2O --> 2C6H12O6
b) Laktoza ( C12H22O12 )
- Laktoza stanowi około 5% mleka krowiego, a także mleka ludziego. Do celów handlowych otrzymuje się (+)-laktozę jako produkt uboczny przy produkcji sera, gdyż jej obecność stwierdzono w serwatce - wodnym roztworze pozostałym po koagulacji białek zawartych w mleku.
Jest to biały krystaliczny proszek, mało słodki, dobrze rozpuszczalny w wodzie i nierozpuszczalny w etanolu.
- Laktoza ma wzór sumaryczny C12H22O12 a wzór strukturalny następujący
- Jest ona cukrem redukującym i występuje w odmianach alfa i beta. W wyniku hydrolizy kwasowej i obecności emulsyny (+)-laktoza przekształca się w równe ilości D-(+)-glukozy i D-(+)-galaktozy.
C12H22O12 + H2O --> C6H12O6 (D-glukoza) + C6H12O6 (D-galaktoza)
-Laktoza jest (beta)-glikozydem
c) Sacharoza ( C12H22O11 )
- Jest cukrem stołowym otrzymywanym z trzciny cukrowej lub buraków cukrowych. Bardzo słodka, dobrze rozpuszczalna w wodzie i słabo w etanolu.
- Ma wzór sumaryczny C12H22O11 a strukturalny następujący
- Nie redukuje ona odczynnika Tollensa ani Fehlinga, co wskazuje, że nie posiada własności redukujących (nie zawiera "wolnej" grupy aldehydowej ani ketonowej).
- W wyniku hydrolizy (+)-sacharozy pod wpływem rozcieńczonego, wodnego roztworu kwasu lub enzymu inwertazy powstają równe ilości D-(+)-glukozy i D-(-)-fruktozy.
C12H22O12 + H2O --> C6H12O6 (D-glukoza) + C6H12O6 (D-fruktoza)
- Hydrolizie towarzyszy zmiana znaku skręcalności z dodatniego na ujemny i dlatego proces ten nazywa się często inwersją (+)-sacharozy a otrzymana lewoskretna mieszanina cukrów nosi nazwę cukru inwertowanego. Z cukrem inwertowanym możemy spotkac się w miodzie, gdzie inwertazy dostarczają pszczoły.
d) Skrobia (C6H10O5)n
- Skrobia nie jest jednorodna z punktu widzenia chemicznego. Składa się ona z substancji wielkocząsteczkowych amylozy (20%) i amylopektyny (80%).
- Zarówno amyloza jak i amylopektyna składają się z jednostek D-(+)-glukozowych, lecz oba różnią się wielkością i kształtem cząsteczek.
W amylazie jednostki D-(+)-glukozowe połączone są ze sobą w pozycji 1,4 w kształcie spirali (alfa)-glikozydowo. Cząsteczki amylazy składają się z długich łańcuchów, z których każdy zawiera 1000 lub więcej jednostek D-glukozowych. Rozgałęzienie łańcucha jest albo niewielkie, albo w ogóle nie występuje.
W amylopektynie w odróżnieniu od amylazy występują struktury silnie rozgałęzione. Jej cząsteczka składa się z kilkuset krótkich łańcuchów, z których każdy zawiera 20-25 jednostek D-(+)-glukozowych
Niżej fragment wiązania glikozydowego w amylazie:
Właściwości chemiczne i fizyczne
Laktoza nazywana również cukrem mlekowym to disacharyd, który składa się z jednej cząsteczki glukozy i jednej cząsteczki galaktozy. Wchodzi on w skład mleka ssaków. Laktoza jest cukrem przyjmowanym przez niemowlęta, który całkowicie pokrywa ich zapotrzebowanie na cukry. Laktoza na skutek działania enzymu - laktazy, ulega w przewodzie pokarmowym rozkładowi tworząc glukozę i galaktozę, które są wchłaniane do krwi.
Sacharoza, czyli cukier trzcinowy lub cukier buraczany, jest dwucukrem, w skład którego wchodzi fruktoza i glukoza. Jego źródłem otrzymywania na skalę przemysłową są buraki cukrowe i trzcina cukrowa, stad wynikają dwie pozostałe nazwy sacharozy. Cukier ten rozkłada się w przewodzie pokarmowym do glukozy i fruktozy, które są wchłaniane do krwi. Jest ona bezbarwnym ciałem stałym, które ma sodki smak. Sacharoza nie ma właściwości redukujących.
Skrobia jest substancją niejednorodną. Składa się z amylozy (stanowi około 20%) oraz amylopektyny (80%). Amyloza jest lepiej rozpuszczalna w wodzie. Jej cząsteczki składają się z łańcuchów prostych. Amylopektyna słabiej rozpuszcza się w wodzie. Jej cząsteczki zbudowane są z łańcuchów rozgałęzionych. Pomimo wyraźnych różnic w masie cząsteczkowej, wyższej w przypadku amylopektyny, oba sacharydy opisuje się tym samym wzorem sumarycznym (C6H10O5)n. Skrobia ulega reakcji hydrolizy, rozpadając się kolejno na dekstryny, maltozę i ostatecznie na D-glukozę.
Skrobia powstaje w roślinach w wyniku fotosyntezy i jest ona gromadzona w tkankach jako materiał zapasowy, na przykład w bulwach ziemniakach i w nasionach zbóż. Jest to jeden z najbardziej rozpowszechnionych polisacharydów w roślinach i najważniejszą substancją zapasową wśród roślin. Cukier ten odkłada się w komórkach roślinnych w postaci granulek albo ziaren. Kształt oraz rozmiary tych ziaren są charakterystyczne dla poszczególnych gatunków roślin. Ziarna skrobi pod wpływem kontaktu z wodą ulegają pęcznieniu, a pewna część skrobi ulega peptyzacji i przechodzi ona do roztworu.Ten polisacharyd w stanie czystym jest białym proszkiem bez zapachu i smaku, który nie ulega rozpuszczeniu w zimnej wodzie. Nierozpuszczalna w zimnej wodzie, w gorącej tworzy roztwór koloidalny zwany kleikiem skrobiowym, który po ochłodzeniu ulega zgęstnieniu. Zjawisko to wykorzystuje się w przygotowaniu kisieli i budyniów. Cecha charakterystyczną dla skrobi jest jej zdolność do tworzenia fioletowo granatowego zabarwienia z jodem. Tworzy ona roztwory koloidalne. Skrobia jest podstawowym składnikiem pożywienia człowieka. Cukier ten oraz jego pochodne znalazły zastosowanie w przemyśle farmaceutycznym, kosmetycznym, włókienniczym, papierniczym, tekstylnym. Stosuje się ją również do produkowania klejów, syropów i glukozy.
Maltoza to cukier słodowy, jej cząsteczka składa się z dwóch cząsteczek glukozy połączonych wiązaniem O-glikozydowym. Po dołączeniu wody rozpadają się na cukry proste: glikozę i jej izomery. Maltoza występuje głównie w kiełkujących ziarnach zbóż.
Znaczenie cukrów
Najważniejszą funkcją węglowodanów w organizmie człowieka jest dostarczanie energii. Po strawieniu i wchłonięciu, węglowodany w postaci glukozy są rozprowadzane przy udziale krwi do tkanek. Tam zachodzi oddychanie, czyli utlenienie glukozy do CO2 i H2O z wytworzeniem energii, którą organizm wykorzystuje zgodnie z aktualnymi potrzebami energetycznymi.
Niezmiernie ważne jest utrzymywanie stałego poziomu glukozy we krwi, gdyż istnieje ciągła potrzeba zaopatrywania w glukozę wszystkich komórek ciała, zwłaszcza czerwonych krwinek i mózgu, które nie mogą korzystać z innych źródeł energii. Poziom glukozy we krwi ma także ścisły związek z metabolizmem tłuszczów i białek, gdyż glukoza wykorzystywana jest również do syntezy struktur komórkowych (np. podczas ciąży i w okresie wzrostu) oraz do syntezy laktozy w czasie laktacji.
Energia pochodząca z węglowodanów jest także w niewielkim stopniu magazynowana w postaci glikogenu w wątrobie i mięśniach. W sytuacji niewystarczającego poziomu glukozy we krwi, w wątrobie uruchamiany zostaje proces glikogenolizy i glikogen rozkładany jest do glukozy. W przeciwieństwie do glikogenu wątroby glikogen zmagazynowany w mięśniach jest zużywany jedynie dla ich własnych potrzeb energetycznych.
Przy przeciętnym i niezbyt wysokim spożyciu węglowodanów zasadniczą drogą ich metabolizowania jest utlenianie. Ze wzrostem spożycia węglowodanów rośnie tempo ich utleniania, a także intensywność odkładania glikogenu. Gdy potrzeby energetyczne organizmu zostaną zaspokojone, nadmiar węglowodanów wykorzystywany jest do syntezy triglicerydów odkładanych w tkance tłuszczowej.
Występowanie cukrów złożonych w organizmach:
Zastosowanie cukrów w gospodarce
Cukry stanowią surowiec do produkcji:
- żywności (m.in. glukoza, sacharoza, skrobia)
- leków (m.in. glukoza, sacharoza)
- tkanin (m.in. glukoza, celuloza)
- papieru (celuloza)
- włókien sztucznych (m.in. celuloza)
- materiałów wybuchowych
- lustra i bańki choinkowe (glukoza)
- klej (skrobia)
- krochmal (skrobia)
- proch bezdymny (celuloza)
- lakiery (celuloza)