Pochodzenie i nazewnictwo

Węglowodany, zwane cukrowcami, czy też prościej cukrami albo sacharydami, są to aldehydowe lub ketonowe pochodne alkoholi wielowodorotlenowych. Jako związki organiczne zbudowane są z atomu węgla, wodoru i tlenu a w zaokrągleniu stosunek ilościowy wynosi: 1:2:1

Nazwa węglowodany opiera się na starym twierdzeniu, że sacharydy mają wzór Cm(H2O)n, a więc mają węgiel i wodę. Dawniej znane był także pod nazwą wodziany węgla. Jednak wiele związków zaliczanych obecnie do cukrowców nie ma takiego wzoru sumarycznego i zawiera oprócz wyżej podanych, inne, dodatkowe pierwiastki.

Podział węglowodanów

Podstawowym kryterium podziału węglowodanów jest podział na:

1. cukry proste- monosacharydy, jednocukry

2. cukry złożone, dzielące się na:

i. disacharydy - dwucukry złożone z dwóch reszt cukrów prostych;

ii. oligosacharydy - kilkocukrowce złożone z kilku (3-6) reszt jednocukrów;

iii. polisacharydy - wielocukry, których cząsteczki zbudowane są z kilkuset do kilku tysięcy reszt monosacharydów;

Uwaga

W związku z faktem, iż monosacharydy i oligosacharydy różnią się istotnie od polisacharydów i dlatego nazwa cukry jest używana przy dwóch pierwszych grupach.

Monosacharydy

Są to związki proste, w których cząsteczka posiada 3-7 atomów węgla. Ze względu na ilość atomów węgla w pojedynczej cząsteczce wyróżniamy:
  1. triozy (3 atomy węgla) naturalnie występującym przykładem jest aldehyd glicerynowy, jego pochodna fosforowa znana jest jako początkowy produkt rozkładu glukozy podczas oddychania komórkowego;
  2. tetrozy (4 atomy węgla) np. treoza;
  3. pentozy (5 atomy węgla) występujące w największej ilości w środowisku naturalnym i jest to np. wchodząca w skład kwasu dezoksyrybonukleinowego (DNA) dezoksyryboza oraz kwasu rybonukleinowego (RNA) ryboza
  4. heksozy (6 atomów węgla) najbardziej znane i posiadające duże znaczenie biologiczne to między innymi glukoza, fruktoza, galaktoza;

Proste cukry można także podzielić na:

1. aldozy charakteryzujące się grupą aldehydową i jest to np.: dezoksyryboza, ryboza, glukoza

2. ketozy charakteryzujące się grupą ketonową i jest to np.: fruktoza

Glukoza jako przedstawiciel cukrów prostych

Glukoza C6H12O6 jest najbardziej znanym i wszechobecnym cukrem prostym. Pełni ważną rolę w metabolizmie w żywych organizmach. Powstaje ona w wyniku fotosyntezy z dwutlenku węgla i wody pod wpływem promieniowania słonecznego według reakcji:

6 CO2 + 6 H2O → C6H12O6 + 6 O2

Fotosynteza zachodzi w roślinach i glonach.

Zmagazynowana w ten sposób energia jest wyzwalana w procesie oddychania komórkowego i wykorzystywana do wielu procesów życiowych w organizmach zwierzęcych. Ten prosty cukier jest podstawowym substratem powstawania między innymi aminokwasów i kwasów tłuszczowych.

Budowa heksoz na podstawie glukozy

Glukoza posiada sześcio-węglowy łańcuch, zakończonym grupą aldehydową (-CHO), a wiec jest aldozą, pochodną aldehydów. Przy pozostałych węglach jest związana grupa wodorotlenowa. Jeśli grupa karbonylowa (atom węgla połączony z atomem tlenu wiązaniem podwójnym) występuje nie na końcu, lecz w środku łańcucha, monosacharyd jest pochodną ketonów, tzw. ketozą. Przyjęto, iż numeracja węgli w łańcuchu poszczególnych cukrów prostych zaczyna się od grupy karbonylowej w przypadku ketoz od końca łańcucha, najbliżej, którego znajduje się ta grupa.

Glukoza i fruktoza posiadają ten sam wzór sumaryczny, lecz ich wzory strukturalne, a więc ułożenia atomów w cząsteczce, są inne. To zjawisko nazywamy izomerią strukturalną a glukoza i fruktoza to są dwa izomery strukturalne. Fruktoza jest ketozą i posiada grupę karbonylową związaną z drugim atomem węgla, pozostały układ atomów jest identyczny w obu przypadkach. Ze względu na te różnicę, oba izomery posiadają inne właściwości chemiczne. Fruktoza występująca głównie w owocach i miodzie, jest o wiele słodsza i lepiej rozpuszczalna w wodzie w porównaniu z glukozą.

Galaktoza, tak jak glukoza jest zaliczana do heksoz oraz do aldoz. Różnią się między sobą położeniem podstawników przy asymetrycznym atomie węgla C4. Ich cząsteczki są odbiciami lustrzanymi i dlatego nazywane są enancjomerami. Galaktoza najczęściej występuje w postaci związanej w dwucukrze - laktoza mleka, a wątrobie jest metabolizowana do glukozy.

Heksozy i inne cukry proste w roztworze występują w postaci struktur cyklicznych powstałych poprzez reakcję hemiacetalową grupy aldehydowej z alkoholową, tej samej cząsteczki. W przypadku glukozy tworzy się hemiacetal między węglem grupy aldehydowej a atomem tlenu przy węglu C5, co powoduje powstanie nowego centrum chiralności - atom węgla C1 staje się asymetryczny, tworząc dwie formy izometryczne tzw. anomery  i . Oba izomery różnią się tylko położeniem grupy wodorotlenowej, co przedstawia poniższy rysunek. Forma - glukozy, zwana -glukopiranozą, posiada przy atomie węgla C1 grupę wodorotlenową pod płaszczyzną pierścienia, zaś -glukoza, zwana -glukopiranozą grupa ta znajduje się nad płaszczyzną pierścienia.

Wykrywanie glukozy w roztworze

1. reakcja Trommera - grupa aldehydowa cukru pod wpływem wodorotlenku miedzi (II) jest utleniana do grupy karboksylowej, zaś wodorotlenek redukuje się do ceglastoczerwonego osadu tlenku miedzi(I)

HCHO + 2Cu(OH)2 →HCOOH + Cu2O↓ + 2H2O

2. reakcja Tollensa, zwana inaczej próbą lustra srebrnego, grupa aldehydowa utlenia się pod wpływem amoniakalnego roztworu wodorotlenku srebra zaś wodorotlenek redukuje się do metalicznego srebra osadzającego się na ściankach naczynia.

RCHO + 2 Ag(NH3)2OH → RCOONH4 + 2 Ag↓ + H2O + 3 NH3

Znaczenie glukozy

Ze względu na ważną funkcję glukozy - podstawowe źródło energii wszystkich organów, a prawie jedyne dla mózgu i mięsni; ważne jest utrzymanie odpowiedniego jej stężenia we krwi organizmów żywych.

Prawidłowo stężenie glukozy we krwi waha się 80-100 mg/100ml. Stałość tego stężenia zapewniają hormony: adrenalina, glukagon, kortyzol, somatotropina i insulina. Obniżenie tego stężenia, spowodowane, np. nadmierną produkcją przez trzustkę insuliny lub też podaniem zbyt dużej dawki jej może doprowadzić do niedocukrzenia, tzw. hipoglikemii a jeśli jest to bardzo duży spadek następuje niedożywienie mózgu, tzw. szok insulinowy cechujący się: osłabieniem, przyśpieszonym tempem, silnym spadkiem ciśnienia tętniczego, drżenie ciała a w poważnych przypadkach do utraty przytomności i drgań całego ciała, a krańcowo do śmierci mózgu.

Natomiast zbyt wysoki poziom glukozy, sięgający powyżej 300-1000 mg/100ml, zwany hiperglikemią jest spowodowany niesprawnością metabolizmu węglowodanów, co doprowadza do cukrzycy. Choroba ta nie leczona może spowodować między innymi utratę wzroku, uszkodzenie nerek, naczyń krwionośnych i zmiany w mózgu.

Cukrzyca jest chorobą bardzo rozpowszechnioną - na całym świecie na cukrzycę choruje ponad 120 milionów ludzi, w tym 400 tys. dzieci. Będąc diabetykiem, a więc chorym na cukrzycę należy stosować odpowiednie diety. Obecnie najbardziej znanymi dietami są:

1. dieta Kwaśniewskiego - polegająca na tym, iż produkty pochodzenia zwierzęcego (wieprzowina, podroby, smalec, masło, tłuste sosy i sery) można jeść bez ograniczeń, zaś uzupełnieniem mogą być niskocukrowe warzywa (pomidory, ogórki i kapusta), jednak należy się wystrzegać cukru, słodyczy i owoców;

2. dieta Atkinsa - także jest oparta na minimalnej ilości węglowodanów, ale w tej diecie tłuszcze w większości są nienasycone, np.: oliwa z oliwek, oleje czy tłuszcz pochodzące z orzechów;

Obie diety opierają się na fakcie, iż główną przyczyną przybierania na wadze są cukry a nie tłuszcze. Pozbywając się cukrów z diet, zastępując je białkami, powoduje lekkie zakwaszenie krwi, co znacznie zmniejsza uczucie głodu. Organizm z tłuszczów i z białek czerpie odpowiednią ilość energii. Przeciwnicy diety wysokotłuszczowych uważają, że długotrwałe stosowanie takich diet może prowadzić do zaburzeń metabolizmu oraz artretyzmu. Wzrost poziomu białka w pożywieniu może wpłynąć na zwiększoną częstość poronień i zaburzenia w rozwijającym się już płodzie.

Ogólnie o dwucukrach

Disacharydy powstają w wyniku połączenia się wiązaniem glikozydowym dwóch cukrów prostych. Wiązanie to jest wiązaniem kowalencyjnym między grupą hydroksylową znajdującą się przy atomie węgla C1 jednej cząsteczki monosacharydu a grupą -OH przy atomie węgla, najczęściej C4 drugiej, z wydzieleniem cząsteczki wody. W zależności od połączenia obu cząsteczek wyróżniamy disacharydy redukujące i nieredukujące.

Najważniejszymi dwucukrami są:

1.

maltoza (cukier słodowy) - zbudowana z dwóch cząsteczek glukozy połączonych wiązaniem 1,4-glikozydowym, jest cukrem redukującym (dodatnie próby Tollensa i Trommera), występuje w kiełkujących nasionach, ale głównie jest składnikiem polisacharydów (skrobia, glikogen, celuloza)

2. sacharoza (cukier trzcinowy, buraczany) - złożona jest z glukopiranozy i fruktofuranozy związanych ze sobą wiązaniem 1,2-glikozydowym, nie ma właściwości redukujących; występuje w wielu roślinach i w owocach, jest to najbardziej znana substancja słodząca, znajdująca szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym i farmaceutycznym;

3.

laktoza (cukier mlekowy) - to połączenie cząsteczki glukozy i galaktozy za pomocą wiązania 1,4-glikozydowego, występuje w znacznych ilościach w mleku matki, stosowana w przemysłu farmaceutycznym jako wypełniacz, w lecznictwie, przemyśle spożywczym i w pirotechnice;

Cukry te mogą ulegać hydrolizie na cukry proste, pod wpływem enzymów lub rozcieńczonych kwasów, według reakcji, np.:

maltoza + woda  glukoza + glukoza

sacharoza + woda  glukoza + futktoza

Charakterystyka polisacharydów

Polisacharydy są cukrami złożonymi z dużej liczby (setki do kilka tysięcy) cząsteczek cukrów prostych, najczęściej glukopiranoz, skondensowane ze sobą na wiele sposobów.

Najbardziej znanymi wielocukrami są:

  1. skrobia złożona z glukopiranozy, istnieje w dwóch postaciach:
    • rozpuszczalnej w wodzie amylozy (10 - 30%) zbudowana jest z długich nierozgałęzionych łańcuchów glukopiranozy połączonych wiązaniem ‑1,4 ‑gikozydowym, z jodem dają charakterystyczne niebieskie zabarwienie;
    • oraz nierozpuszczalnej amylopektyny (70-90 %) mającą formę rozgałęzionych łańcuchów, w której oprócz wiązań -1,4 - glikozydowych występują, co 20 - 30 reszt glukozy, wiązania 1,6 - glikozydowe, z jodem tworzy kompleks czerwono fioletowe;

Skrobia jest materiałem zapasowym u roślin a jej hydroliza uwalnia cząsteczki glukozy, stosowana do produkcji klejów, krochmalu, alkoholu etylowego, w kosmetyce;

  1. glikogen (skrobia zwierzęca) zbudowana z wielu rozgałęzionych łańcuchów glukozy, jest on jako materiał zapasowy magazynowany w wątrobie i mięśniach, w porównaniu ze skrobią jest łatwiej rozpuszczalny w wodzie;
  2. celuloza złożona z glukopiranoz, połączonych wiązaniem  - 1,4- glikozydowym; najczęściej występujący polisacharyd na świecie, jest podstawowym budulcem ścian komórkowych u roślin, z około 50% celulozy jest zbudowane drewno, zaś 90% bawełna; człowiek nie jest zdolny do trawienia celulozy, ponieważ nie umie produkować enzymów trawiących jej, mimo wszystko celuloza jest potrzebnym składnikiem w pożywieniu wspomagające perystaltykę jelit; niektóre zwierzęta takie jak krowy i owce posiadają w swoim układzie pokarmowym drobnoustroje rozkładające celulozę;

Ciekawostki

Pochodne sacharydów pełnią także ważne funkcje biologiczne:

  1. heparyna - przeciwdziała krzepnięciu krwi ssaków;
  2. antygeny - substancje grupowe krwi;
  3. chityna - składnik pancerzy stawonogów;
  4. glikoproteiny - białka związane z węglowodanami;
  5. glikolipidy - tłuszcze powiązane z sacharydami.

6. witamina C - wzmaga odporność organizmu;

Węglowodany stanowią najbardziej rozpowszechnioną grupę związków organicznych. Głównie jako polisacharydy zawierają się w około 80% suchej masy roślin i 2% suchej masy zwierząt.