CHARKTERYSTYKA WĘGLOWODANÓW

Węglowodany, inaczej zwane cukrami, są związkami organicznymi wywodzącymi są od aldehydów lub ketonów, które posiadają dodatkowo grupy hydroksylowe (wodorotlenowe). Można zapisać ich wzór ogólny jako:

C_m(H₂O)_n

Podział ze względu na komplikacje budowy:

• monosacharydy
• oligosacharydy (dwucukty - disacharydy, trójcukry - trisacharydy itd.)
• polisacharydy

Cukry proste (monosacharydy)

Budowa

Związki te posiadają w swej budowie węgiel, wodór oraz tlen . Jak wspomniano wcześniej mogą posiadać grupę aldehydową, położoną w części terminalnej albo aldehydową, znajdującą się we wnętrzu cząsteczki.

Cukry proste posiadają od 3 do 7 atomów węgla, z tego względu dzielimy je na (Tabela 1):

Ilość atomów węgla	Ogólna nazwa grupy	Przykłady
3	triozy	aldehyd glicerynowy, dihydroksyaceton
4	tetrozy	treoza, erytroza
5	pentozy	ryboza, rybuloza
6	heksozy	fruktoza, glukoza, galaktoza, mannoza
7	heptozy	mannoheptuloza, sedoheptuloza

Tabela 1. Podział monosachorydów

Aldehyd glicerynowy (aldotrioza) tworzy 2 izomery optyczne (enancjomery):

Najbardziej znanymi i posiadającymi największe znaczenie w organizmie są heksozy glukoza i fruktoza:

Oprócz formy łańcuchowej przedstawienia sacharydów można używać wzorów Hawortha (postać pierścieniowa).

Przykłady wzorów tego typu dla pentoz i heksoz:

Podsumowując cukry mogą posiadać dwa rodzaje struktury:

Jeśli w cząsteczce jest n atomów węgla asymetrycznych, wówczas związek ten ma 2ⁿ/2 par enancjomerów, czyli 2ⁿ stereoizomerów.

Wszystkie cukry występujące w organizmie posiadają konfigurację D.

Własności fizyczne glukozy i fruktozy(Tabela 2)

	Glukoza cukier gronowy	Fruktoza cukier owocowy
Postać	Stała, krystaliczna
Smak	Słodki	Bardziej słodka niż glukoza
Rozpuszczalność w wodzie	Bardzo dobra

Tabela 2. Własności fizyczne glukozy i fruktozy

Właściwości chemiczne

• Mają właściwość przechodzenia formy łańcuchowej w pierścieniową. Dla D-glukozy proces ten przebiega następująco:

Postać pierścieniowa może zostać utworzona prze monocukry zawierające więcej niż 3 atomy węgla

w cząsteczce. Zamknięcie formy łańcuchowej łączy się z utworzeniem wiązania półacetalowego (hemiacetalowego) pomiędzy grupą wodorotlenkową przedostatniego atomu węgla a grupą aldehydową

lub ketonową. Cząsteczki pierścieniowe również tworzą izomery. W przypadku heksoz wyróżniamy dwa anomery (rodzaje cząsteczek różniące się położeniem grupy OH przy atomie węgla C1 glukozy lub C2 fruktozy) dla rodziny D: α, w którym grupa hydroksylowa leży pod płaszczyzną pierścienia i β, w którym grupa hydroksylowa leży ponad płaszczyzną pierścienia.

Obydwa anomery wstępują równocześnie w różnych ilościach. Ich obecność wpływa na własność fizyczną jaką wykazują cukry, a mianowicie: skręcalność właściwą. Przechodzenie jednej formy w drugą w celu ustalenia stanu równowagi nosi nazwę mutarotacji.

• Fruktoza w organizmach żywych może przekształcić się w glukozę

• Glukoza pod wpływem enzymów ulega fermentacji alkoholowej:

• Aldozy łańcuchowe w obecności utleniaczy takich jak Br₂aq utleniają się do kwasów aldonowych. Poniżej przedstawiono taki proces dla glukozy:

• Silniejsze utleniacze takie jak HNO₃ powodują utlenianie dwóch skrajnych grup funkcyjnych: aldehydowej i wodorotlenowej aldoz i tworzą się kwasy alwarowe (posiadające dwie skrajne grupy -COOH).

D-glukoza w takim środowisku tworzy w środowisku kwas glukarowy.

• Identyfikacja cukrów prostych:

• • Węglowodany zawierające grupę aldehydową ulegają reakcji z odczynnikiem Tollensa według poniższego równania reakcji:

• ulegają reakcji z odczynnikiem Fehlinga, w wyniku czego katon Cu²⁺ zostaje skompleksowany z jonem winianowym

• ulegają reakcji z odczynnikiem Benedicta, w której jonem cytrynianowy komleksuje jony Cu²⁺

Otrzymywanie

Monosacharydy otrzymuje się przez hydrolizę związków bardziej złożonych.

Glukoza wytwarzana jest w organizmach roślinnych w procesie fotosyntezy (z udziałem chlorofilu, światła, dwutlenku węgla i wody):

Cukier ten jest substratem do produkcji pozostałych substancji odżywczych.

Występowanie:

• Fruktoza - w miodzie, cukrze
• Glukoza - w owocach, miodzie, cukrze

Zastosowanie glukozy:

• W przemyśle spożywczym
• Do produkcji witaminy C (farmacja)
• Do otrzymywania alkoholu etylowego

Dwucukry (disacharydy)

Budowa

Zbudowane są one z dwóch cukrów prostych połączonych wiązaniem glikozydowym. Ich wzór ogólny przedstawia się następująco:

C₁₂H₂₂O₁₁

Przykłady disacharydów:

Otrzymywanie

Dwucukry powstają w wyniku kondensacji dwóch cukrów prostych. Poniżej przedstawiono otrzymywanie sacharozy:

Charakterystyka poszczególnych disacharydów (Tabela 3)

Nazwa dwucukru	Sacharoza β-D-fruktofuranozylo- α-D-glukopiranozyd	Laktoza	Maltoza	Celobioza
Nazwy monocukrów wchodzących w skład cząsteczki	β-D-fruktofuranoza α-D-glukopiranoza	β-D-galaktopiranoza α-D-glukopiranoza	α-D-glukopiranoza β -D-glukopiranoza	2 cząsteczki β-D-glukopiranozy
Rodzaj wiązania	α ,β-1,2-glikozydowe	β-1,4-glikozydowe	α-1,4-glikozydowe	wiązanie β-1,4
Właściwości	Nie redukujące	Redukujące	Redukujące
Występowanie	W burakach i trzcinie cukrowej	W mleku	w ziarnach zbóż
Inne informacje	Ulega hydrolizie pod wpływem inwertazy	Rozpada się na monocukry w wyniku hydrolizy kwasowej		Otrzymuje się ja z celulozy przez hydrolizę

Tabela 3. Charakterystyka wybranych bisacharydów

Polisacharydy

Budowa

Wielocukry składają się z przynajmniej 11 cukrów prostych pomiędzy którymi występują wiązania glikozydowe. Ich wzór ogólny to:

(C₆H₁₀O₅)_n

Budowę poszczególnych polisacharydów zestawiono w Tabeli 4:

Wielocukier	Skrobia	Glikogen	Celuloza
Skład	Amylaza, rozpuszczalna w wodzie - 20% Amylopektyna, nierozpuszczalna w wodzie - 80%	α-D-glukopiranoza	β-D-glukoza
Rodzaj wiązania	Wiązanie α-1,4 w amylazie Wiązanie α-1,6 w amylopektynie pomiędzy cząsteczkami glukozy	Wiązania α-1,4	Wiązanie β-1,4
Inne	Celuloza występuje w postaci helisy pojedynczej lub podwójnej	Cząsteczki występują w postaci rozgałęzień

Tabela 4. Budowa wybranych wielocukrów

Porównanie właściwości chemicznych węglowodanów (Tabela 5):

Wielocukier	Skrobia	Glikogen	Celuloza
Hydroliza	W wyniku działania kwasu lub ptialiny	Ulega	Nie ulega
Inne	Pod wpływem temperatury powstaje kleik skrobiowy (roztwór koloidalny) Jodyna powoduje powstanie zabarwienia niebieskiego		Tworzy estry, np. z kwasem azotowym (V) tworzy nitrocelulozę, a z bezwodnikiem kwasu octowego octan celulozy

Tabela 5. Porównanie właściwości polisacharydów

Występowanie i zastosowanie (Tabela 6):

Polisacharyd	Glikogen	Celuloza (błonnik)	Skrobia
Występowanie	Występuje u człowieka i zwierząt jako substancja zapasowa	Wchodzi w skład w: Drewna Włókien roślinnych Tkanek roślinnych	Jest substancja zapasową roślin
Zastosowanie		Używana w produkcji: bawełny strzelniczej jedwabiu octowego papieru

Tabela 6. Występowanie i zastosowanie polisacharydów