Cukry

Węglowodany (sacharydy) powstają w zielonych roślinach w procesie fotosyntezy z dwutlenku węgla wody i promieni słonecznych przetwarzane są w energię chemiczną przez zielony barwnik zwany chlorofilem.

Węglowodany przede wszystkim są źródłem energii dla żywych organizmów, oraz spełniają role materiału zapasowego (skrobia u roślin, glikogen u zwierząt), budulcowego (celuloza u roślin, usztywniają łodygę liści, a w połączeniu z białkami i tłuszczami tworzą wiele struktur komórkowych np:

- w wyniku spalania powstaje energia tak jak w procesie glikolizy.

Węglowodany pod względem chemicznym to alkohole polihydroksylowe zawierające jedną grupę aldehydową lub ketonową,( aldozy i ketozy), polihydroksyaldehydy i polihydroksyketony.

Dzięki obecności grupy karbonylowej mogą tworzyć wiązania glikozydowe, które wiążą pojedyncze cząsteczki w większe zespoły cząsteczkowe.

Polisacharydy aldehydy.

Polisacharydy ketony.

Podział węglowodany:

Ze względu na wielkość cząsteczki - monosacharydy, disacharydy, polisacharydy.

- Monosacharydy - C_n(H₂o)_n (glukoza, fruktoza, arabinoza)

- Cukry są to Polihydroksyketony polihydroksyaldehydy

Grupa funkcyjna		Klasa związku
Nazwa	Wzór	Nazwa	Wzór
-	-	Węglowodór	R - H
Wodorotlenowa	- OH	Alkohol, fenol	R - OH
Oksy	- O -	eter	R - R'
Karbonylowa	O || - C -	Keton	O || R - C - R'
Aldehydowa	O || - C - H	Aldehyd	O || R - C - H
Karboksylowa	O || - C - OH	kwas karboksylowy	O || R - C - OH

- ze względu na ilość atomów węgli w cząsteczce- oza:

ketotrioza - 3 atomy węgla C₃H₆O₃ aldotrioza

ketotetroza - 4 atomy węgla C₄H₈O₄ aldotetroza

ketopentoza - 5 atomów węgla C₅H₁₀O₅ aldopentoza

ketoheksoza - 6 atomów węgla - glukoza C₆H₁₂O₆ aldohektoza - fruktoza

ketoheptoza - 7 atomów węgla C₇H₁₄O₇ aldoheptoza

Posiadają łańcuchy proste jak i pierścienie heterocykliczne.

Oligosacharydy ( dwu < 9 cukry)

Polisacharydy (makro cząsteczki, n cząsteczek monosaharydów)

Glikany ( homo glikany, hetero glikany - kwaśny)

Co to izomeria optyczna?

Dotyczy związków, które posiadają centrum chiralności (posiadają 4 różne podstawniki na węglu), skręcenie płaszczyzny światła spolaryzowanego.

Skręcenie płaszczyzny światła spolaryzowanego przez wodny roztwór cukru, jest sumą skręcalności wszystkich centrów asymetrii (atomu C ) występujących w cząsteczce.

stereoizomery, izomery lustrzane (enancjomery L, D) n C = 2ⁿ izomerów

trioza 3 atomy C aldozy

H O | H O

\ // aldehyd | \ // aldehyd

C | C CH₂OH

| | | |

HO-C - H | H - C - OH -2H H - C - OH

| | | |

CH₂OH | CH₂OH CH₂OH

D(+) glukoza L(-) glukoza GLICEROL

Cukry podstawowe

Dla związku o n atomów węgli asymetrycznych istnieje 2ⁿ izomerów, kierunek skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego określa się + odmiana prawoskrętna, - lewoskrętna.

Izomery lustrzane (enancjomery L, D), to cukry różniące się konfiguracją podstawników przy węglach asymetrycznych, w cukrach zwierzęcych i roślinnych występują tylko w formie D, np.: glukoza, mannoza

Diastereoizomery,(glukoza i galaktoza) izomery, które różnią się konfiguracją, jednego lub kilku asymetrycznych atomów węgla, ale nie we wszystkich.

Szczególnym rodzajem diastereoizomery - Anomery - empiry cukry różniące się konfiguracją podstawników przy węglach asymetrycznych, sąsiadujących z grupą

karbonylowa - C = O np: glukoza i mannoza

Cukry w postaci łańcuchowej to wzory łańcuchowe Fiszera

Cukry w postaci pierścieniowej to wzory pierścieniowe Howarda

Układ pięcioczłonowy to furan - furanozy

Układ sześcio członowy to piran - piranozy

W wyniku zamknięcia pierścienia, węgiel pierwszy w glukozie a drugi we fruktozie stają się węglami asymetrycznymi, w związku z tym powstają dwie izomeryczne odmiany D-glukozy i D -fruktozy oznaczone greckimi literami α i β, takie stereoizomery różnią się konfiguracją przy „C - 1” asymetrycznym atomie węgla.

Mutarotacja - zjawisko zmiany kąta skręcenia płaszczyzny światła spolaryzowanego.

pH<7

Cukry redukcyjne Forma aldehydowa (otwarta) ↔ forma cykliczna.

pH >7

Do pochodnych monosacharydów należą:

- estry fosforanowe

- aminocukry oraz ich N - acetylowe pochodne.

- witamina C

- kwasy urynowe ( np. kwas D - glikuronowy)

- deoksycukry

- alkohole pochodne od cukrów.

- cykitole

- glikozy, roślinne produkty, często o znaczeniu leczniczym.

Disacharydy ( dwu < 9 cukry)

Polisacharydy (makro cząsteczki)

Glikany ( homo glikany, hetero glikany - kwaśny)

Aldozy				Ketozy
Pentozy	H O \ // C | H - C - OH | H - C - OH | H - C - OH | CH2OH D- ryboza	CHO | H - C - OH | H O-C - H | H - C - OH | CH2OH D - ksyloza		CH2OH | C = O | HO-C - H | H - C - OH | CH2OH D - ksyluloza
Heksozy	CHO | H - C - OH | HO - C - H | H - C - OH | H - C - OH | CH2OH D - glukoza		CHO | H O - C - H | H O - C - H | H - C - OH | H - C - OH | CH2OH D - mannoza	CH2OH | C = O 2 | HO - C - H | H - C - OH | H - C - OH 5 | CH2OH D - fruktoza

Cząsteczka sacharozy

DISACHARYDY

cukry złożone z dwóch cząsteczek monosacharydów

• powstają w wyniku reakcji kondensacji między monosacharydami. Połączenie dwóch monoz polega na wytworzeniu mostka tlenowego powstałego z grupy hydroksylowej przy węglu anomerycznym jednej cząsteczki cukru i z grupy wodorotlenowej drugiej cząsteczki z wydzieleniem wody.

       w zależności od sposobu połączenia ze sobą cząsteczek monosacharydów rozróżnia się dwucukry redukujące i dwucukry nieredukujące.

• z dwucukrów najważniejsze to sacharoza, maltoza, laktoza i celobioza. Cukry te, mogą ulegać hydrolizie (redukcji) na cukry proste pod wpływem rozcieńczonych kwasów mineralnych lub enzymów. Nie ulegają fermentacji. Mogą ulegać estryfikacji.

SACHAROZA       cukier trzcinowy; buraczany

      cząsteczka zbudowana z dwóch połączonych wiązaniem 1,2-glikozydowym pierścieni -D-glukopiranozy i -D-fruktofuranozy.

       ciało stałe, dobrze rozp. w wodzie; sacharoza jest prawoskrętna

       nie ma właściwości redukujących; nie ulega mutarotacji, nie tworzy glikozydów

       wodny roztwór sacharozy ogrzewany z kwasem solnym ma właściwości redukujące (zachodzi hydroliza do glukozy i fruktozy)

       hydrolizuje w środowisku kwasowym do cukrów prostych:

MALTOZA

      Maltoza (cukier słodowy) w stanie wolnym występuje rzadko, np. w kiełkujących nasionach, a częściej - w budowie polisacharydów (skrobia, glikogen, celuloza).        W organizmie człowieka powstają podczas hydrolizy skrobi, którą katalizuje amylaza ślinowa. Jest przejściowym produktem trawienia w jamie ustnej i w jelitach.

       zbudowana jest z 2 cząsteczek Dglukozy, połączonych glikozydowym atomem węgla jednej cząsteczki, a grupą hydroksylową drugiej za pomocą wiązania 1,4glikozydowego.        jest cukrem redukującym; daje pozytywny wynik próby Tollensa i próby Trommera; ulega mutarotacji, podczas której tworzy się mieszanina anomerów , .        jest dobrze przyswajana przez organizm człowieka (stosowana do wyrobu odżywek dla dzieci i osób niedożywionych)

POLISACHARYDY chemia organiczna

• związki łańcuchowe złożone z połączonych ze sobą wiązaniami glikozydowymi reszt glukopiranozowych.

• do najważniejszych należą: skrobia, glikogen, celuloza, pektyny i chityna.

• biała bezpostaciowa substancja, bez smaku i zapachu

• w gorącej wodzie tworzy roztwór koloidalny zwany kleikiem skrobiowym ulegający zżelowaniu po ochłodzeniu (zjawisko wykorzystywane do wyrobu kisieli i budyniów).

• pod wpływem rozcieńczonych kwasów lub enzymów ulegają hydrolizie.
  Końcowym produktem jest D - glukoza.

SKROBIA (C6H10O5)n  Jest materiałem zapasowym roślin odkładanym w bulwach (ziemniaki), w nasionach (zboża) w postaci ziaren skrobiowych, oraz w komórkach niektórych pierwotniaków. W zależności od pochodzenia rozróżniamy skrobię pszenną, ziemniaczaną, kukurydzianą itd. Stosowana do produkcji klejów, krochmalu, glukozy, alkoholu etylowego, w kosmetyce. Skrobia składa się z 2 polisacharydów: z rozpuszczalnej w wodzie amylozy (10 - 30%) i nierozpuszczalnej amylopektyny (70 - 90%). amyloza - zbudowana jest z długich nierozgałęzionych łańcuchów -D-glukozy połączonych wiązaniem -1,4-glikozydowym. Łańcuchy te mają kształt prawoskrętnej spirali. Na jeden skręt przypada 6 reszt glikozydowych. Jej masa cząsteczkowa wynosi 50 000 - 160 000u, można ją zestryfikować, reaguje z jodem dając intensywne niebieskie zabarwienie. amylopektyna - tworzy łańcuchy glikozydowe z rozgałęzieniami. Oprócz wiązań -1,4-glikozydowych występują w niej wiązania -1,6-glikozydowe, przypadające co 24-30 cząsteczek glukozy w łańcuchu. Boczne łańcuchy mają zdolność do tworzenia czerwonofioletowych kompleksów z jodem. Obecność skrobi wykrywa się w reakcji z płynem Lugola (roztwór jodu w wodnym roztworze jodku potasowego), który zabarwia skrobię na fioletowo. (reakcja wykrywająca zafałszowanie śmietany mąką) Skrobia ogrzewana do wyższych temp (180 - 200 C) ulega dekstrynizacji. Powstaje oligosacharyd zawierający 6-8 cząsteczek glukozy. Dekstryny różnią się tym od skrobi, że redukują odczynnik Fehlinga. Mogą one powstawać podczas ogrzewania skrobi z roztworami mocnych kwasów lub pod wpływem enzymów (ptialiny). W wyniku hydrolizy skrobia rozpada się na dekstryny; maltozę, a następnie D-glukozę. Mimo, że skrobia ma ugrupowanie hemiacetalowe na jednym z końców łańcucha to jednak nie posiada własności redukcyjnych.

Amyloza:

Amylopektyna

GLIKOGEN Glikogen, czyli skrobia zwierzęca, zbudowany jest z wielu bardzo rozgałęzionych łańcuchów. Wiązania przy C-6 występują co 8 - 16 jednostek glukozy. Jego ciężar cząsteczkowy waha się od 10^5- 10^7. Polisacharyd ten jest gromadzony głównie w wątrobie ( do 150 g) i w mięśniach (do 300 g). Stanowi materiał zapasowy, w którym organizm zwierzęcy magazynuje glukozę. Glikogen występuje także w drożdżach, bakteriach i grzybach, zaś zupełnie wyjątkowo w roślinach wyższych, np. w kukurydzy cukrowej. Biały proszek bez smaku i zapachu, pęczniejący w zimnej wodzie. Glikogen jest cukrem nieredukującym. Z jodem daje czerwono-brunatne zabarwienie. Wpływa na poziom glukozy we krwi.

CELULOZA (C6H10O5)n gdzie n=2000   Celuloza (błonnik) to podstawowy składnik ścian komórek roślinnych; u zwierząt spotykany tylko u osłonic. Bez smaku i zapachu, nie rozpuszcza się w wodzie; tylko w odczynniku Schweitzera - amoniakalnym roztworze wodorotlenku miedzi I Posiada nierozgałęzioną budowę łańcuchową. Cząsteczki -D-glukozy połączone są wiązaniami -1,4-glikozydowymi. Fakt ten sprawia, że celuloza nie jest trawiona przez większość organizmów zwierzęcych, ponieważ rozkład celulozy umożliwiają enzymy celulolityczne (celulazy) nieobecne w tkankach zwierząt, natomiast obecne u drobnoustrojów. Zwierzęta roślinożerne mogą przyswajać monocucukry uwalniane z celulozy przez drobnoustroje bytujące w ich przewodach pokarmowych. Między łańcuchami celulozy powstają wiązania wodorowe, które utrwalają jej strukturę i wpływają na wytrzymałość. Masa cząsteczkowa waha się w granicach 200 000 - 2 000 000 u. Jako polisacharyd ulega hydrolizie w środowisku kwaśnym lub pod wpływem enzymów. Proces ten nazywamy scukrzeniem. Produktem pośrednim jest celobioza, a końcowym  -D-glukoza . Nie posiada właściwości redukujących. Celuloza ulega estryfikacji z kwasem azotowym (V); Azotany celulozy służą do wyrobu prochu bezdymnego, niektórych tworzyw sztucznych. Reaguje również z bezwodnikiem octowym tworząc estry - acetylocelulozę (stosowaną do produkcji niepalnych filmów kinematograficznych, sztucznego jedwabiu). Reaguje z zasadami tworząc alkalicelulozę, wykorzystywaną przy produkcji wiskozy. Celuloza nie jest trawiona przez człowieka, ale wraz z niestrawionymi resztkami pokarmu, pęczniejąc wzmaga perystaltykę jelit dlatego jej prowadzi do chronicznych zaparć. Stosowana do wyrobu papieru, ligniny, lakierów, tworzyw sztucznych, bezdymnego prochu.

Jakie cukry mają właściwości redukcyjne:

Sacharoza, złożony z fruktozy i glukozy, będący zasadniczym składnikiem cukru trzcinowego i cukru buraczanego. W kwaśnych warunkach hydrolizuje do fruktozy i glukozy wg schematu:




Laktoza zwana cukrem mlecznym jest dwucukrem, zbudowanym z D-galaktozy i D-glukozy, występującym w mleku ssaków. Chemicznie jest to bezbarwna substancja stała o temperaturze topnienia 225°C, rozpuszczalna w wodzie, słabo rozpuszczalna w alkoholu i nierozpuszczalna w eterze. W jelicie cienkim ssaków enzym laktaza rozkłada laktozę na cukry proste, które ulegają wchłanianiu (absorpcji jelitowej).

Maltoza zwana inaczej cukier słodowy. Jest to dwucukier zbudowany z dwóch cząsteczek glukozy, połączonych wiązaniem α-1,4 glikozydowym. Fermentuje. Otrzymywany przez hydrolizę skrobi, stosowany jako środek słodzący,

Celobioza (C12H22O11) - dwucukier, zbudowany z dwóch cząsteczek D-glukozy, połączonych wiązaniem β-1,4-glikozydowym. Jest to jednostka strukturalna celulozy i produkt jej hydrolizy. Jest to dwucukier redukujący, nie występujący powszechnie w stanie wolnym w roślinach, lecz jest przejściowym produktem degradacji celulozy. Jest sacharydem nieprzyswajalnym przez człowieka.

Trehaloza - disacharyd, złożony z dwóch cząsteczek glukozy, główny składnik hemolimfy owadów.

Skrobia - węglowodan, polisacharyd roślinny, składający się wyłącznie z merów glukozy, pełniący w roślinach rolę magazynu energii.

(C₆H₁₀O₅)_n n=300-360

Czysta skrobia jest białą, bezpostaciową (nie jest krystaliczna), amorficzną substancją bez smaku i zapachu, nierozpuszczalną w zimnej wodzie. Skrobia hydrolizuje wyłącznie na alfa-D-glukozę, lecz nie jest jednorodnym chemicznie związkiem - składa się w rzeczywistości z dwóch różnych polisacharydów:

nierozgałęzionej amylozy łatwiej rozpuszczalnej w wodzie (ok. 20% naturalnej skrobi)Jest ona wielocukrem - jej cząsteczki składają się z wielu reszt glukozowych połączonych ze sobą atomami tlenu.

rozgałęzionej amylopektyny, z reguły w stosunku ilościowym (ok. 80% naturalnej skrobi); rozgałęzienia powstają dzięki wiązaniom α-1,6-glikozydowym.

Skrobia tworzy roztwory koloidowe. Jednoprocentowy roztwór wodny skrobi jest używany do wykrywania jodu cząsteczkowego, z którym tworzy zabarwienie niebieskie w wyniku wiązania jodu przez amylozę.

W trakcie hydrolizy kwasowej skrobia rozpada się na coraz krótsze łańcuchy polisacharydowe tworząc kolejno:

amylodekstryny (barwiące się z I₂ na niebiesko),

erytrodekstryny (barwiące się z I₂ na czerwono),

achrodekstryny (niebarwiące się z I₂) i maltozę i glukozę.

Wykryć skrobię można za pomocą płynu Lugola, który selektywnie zabarwia ją na niebiesko.

Skrobia jest najważniejszym polisacharydem zapasowym u roślin, które magazynują go w owocach, nasionach, korzeniach w formie ziaren w liściach, bulwach, rdzeniu łodygi i kłączach. Szczególnie bogate w skrobię są ziarna zbóż i bulwy ziemniaka.

Odkłada się w komórkach roślin w postaci ziaren lub granulek, których wielkość i kształt są charakterystyczne dla poszczególnych gatunków roślin. Ziarna skrobi mają średnicę 2-120 µm, zależnie od pochodzenia mają różne właściwości i wygląd. Rozróżnia się skrobię ziemniaczaną, pszenną, kukurydzianą itp.

Skrobia i niektóre jej pochodne np. estry, produkty degradacji, utlenienia i częściowej hydrolizy) mają zastosowanie w przemyśle włókienniczym, farmaceutycznym, kosmetycznym, papierniczym, tekstylnym oraz do produkcji klejów. Jej wskaźnikiem jest jod zawarty w jodynie.

Glikogen główna postać transportowa u zwierząt - czyli skrobia zwierzęca, zbudowany jest z wielu bardzo rozgałęzionych łańcuchów.(C₆H₁₀O₅)n - biopolimer - polisacharyd (wielocukier) zbudowany z glukozy i gromadzony w wątrobie i (w mniejszym stopniu) w tkance mięśniowej. Jest głównym wielocukrowcem stanowiącym materiał zapasowy w komórkach zwierzęcych. Ma strukturę rozgałęzioną, łańcuchy są krótsze. Rozgałęzienie następuje co 8-12 reszt glukozy. W narządach glikogen w miarę potrzeby może być szybko rozkładany do glukozy. Do najbogatszych w ten materiał zapasowy tkanek należą granulocyty, mięśnie szkieletowe wątroby, mięśnie gładkie, mięsień sercowy i mózg. Rozkład glikogenu przebiega dwoma torami: fosforolitycznym i hydrolitycznym.

Glikogen występuje także w drożdżach, bakteriach i grzybach, zaś zupełnie wyjątkowo w roślinach wyższych, np. w kukurydzy cukrowej.

 Biały proszek bez smaku i zapachu, pęczniejący w zimnej wodzie.

 Glikogen jest cukrem nieredukującym.

 Z jodem daje czerwono-brunatne zabarwienie.

 Wpływa na poziom glukozy we krwi.

9

---