WŁAŚCIWOŚCI SACHARYDÓW
Budowa
Cukry (węglowodany, sacharydy) stanowią jeden z najważniejszych, obok białek i tłuszczów, składników pokarmowych organizmów żywych. Są one pochodnymi aldehydów bądź ketonów, które poza grupami charakterystycznymi zawierają grupy wodorotlenkowe OH. Tak więc zbudowane są z atomów: węgla, wodoru oraz tlenu.
Ich wzór ogólny przedstawia się następująco:
CnH2mOm
Przy czym m < n
Cukry są inaczej nazywane sacharydami lub dawniej cukrowcami, węglowodanami. Nazwa węglowodany jest dzisiaj nazwą jedynie historyczną, pochodzi z czasów, kiedy uważano, że cząsteczki cukrów są złożone z węgla i wody. Wzór ogólny przedstawiano: Cx(H2O)y, dziś wiadomo, że istnieją związki chemiczne będące cukrami, których nie można zapisać według powyższego wzoru. Cukry są substancjami naturalnie występującymi w organizmach żywych, spełniając w nich wielorakie funkcje: odżywcze, zapasowe, budulcowe i inne.
Można je podzielić na trzy zasadnicze grupy:
- monosacharydy - cukry proste
- oligosacharydy - cukry, których cząsteczki złożone są z 2 do 10 jednostek cukrów prostych
- polisacharydy - cukry, których cząsteczki złożone są setek jednostek cukrów prostych
MONOSACHARYDY
Monosacharydy z chemicznego punktu widzenia to polihydroksyaldehydy lub polihydroksyketony. Do polihydroksyaldehydów, czyli cukrów prostych zawierających grupę aldehydową tzw. aldoz należą m.in.: glukoza, galaktoza, mannoza, ryboza.
Do polihydroksyketonów, czyli cukrów prostych zawierających grupę ketonową tzw. ketoz należą m.in.: fruktoza, rybuloza.
Ich cząsteczki zbudowane są z od trzech do ośmiu atomów węgla, z tego względu nazywa się je: - triozami - monosacharydy o 3 atomach węgla w cząsteczce; np. aldehyd glicerynowy
- tetrozy - monosacharydy o 4 atomach węgla w cząsteczce; np. erytroza
- pentozy - monosacharydy o 5 atomach węgla w cząsteczce; np. rybuloza, arabinoza, ryboza
- heksozy - monosacharydy o 6 atomach węgla w cząsteczce; np. fruktoza, sorboza, mannoza, glukoza, galaktoza
- heptozy- monosacharydy o 7 atomach węgla w cząsteczce
- oktody - monosacharydy o 8 atomach węgla w cząsteczce
Monosacharydy mogą występować w postaci pierścieniowej, w której cząsteczki cukrów o przynajmniej 4 atomach węgla łączą się same ze sobą za pomocą wiązania glikozydowego (pomiędzy grupą ketonową/aldehydową, a grupą hydroksylową). Mogą one tworzyć pierścienie 5- członowe, czyli furanozy (np. fruktoza) lub pierścienie 6- członowe, czyli piranozy (np. glukoza). Atomy węgla w cząsteczkach monosacharydów są asymetryczne, z tego względu cukry proste posiadają wiele izomerów przestrzennych oraz optycznych.
Wszystkie cukry występujące w przyrodzie naturalnie należą do szeregu D.
Charakterystyka najważniejszych monosacharydów:
GLUKOZA:
Forma pierścieniowa glukozy - piranoza
Cząsteczki glukozy są sześcio- węglowe (heksozy); chemicznie to aldehydy (aldozy). Glukoza jest inaczej nazywana cukrem gronowym lub dekstrozą. Jest najważniejszym cukrem w przyrodzie, stanowi podstawowe źródło energii organizmów żywych, niezbędna do zachowania wszystkich procesów życiowych. Przez rośliny jest wytwarzana w procesie fotosyntezy, natomiast u zwierząt w wyniku glukoneogenezy. Glukoza tworzy bezbarwne kryształy, łatwo rozpuszczalne w wodzie, o słodkim smaku. Wykazuje czynność optyczną. Odczyn chemiczny glukozy jest obojętny. Ulega reakcjom charakterystycznym dla aldehydów: próbie Trommera oraz próbie Tollensa, w wyniku których się utlenia do kwasu glukonowego. Odbarwia roztwór bromu w środowisku wodorowęglanu sodu. Jest to reakcja charakterystyczna, pozwalając na odróżnienie aldoz od ketoz. Z glukozy otrzymuje się alkohol etylowy w procesie fermentacji alkoholowej:
C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2↑
FRUKTOZA
Forma pierścieniowa fruktozy - furanoza
Cząsteczki fruktozy są sześcio- węglowe (heksozy); chemicznie to ketony (ketozy). Fruktoza jest inaczej nazywana cukrem owocowym lub lewulozą. Występuje we wszystkich słodkich sokach owocowych oraz miodzie. Fruktoza tworzy białe igiełki, łatwo rozpuszczalne w wodzie, o bardzo słodkim smaku. Wykazuje czynność optyczną. Odczyn chemiczny fruktozy jest obojętny. Fruktoza podobnie jak glukoza ulega próbom Trommera oraz Tollensa, dzięki możliwości przechodzenia w formę enolową w środowisku zasadowym. Jest stosowana m.in. jako środek słodzący dla chorych na cukrzycę.
OLIGOSACHARYDY
Oligosacharydy z chemicznego punktu widzenia to związki chemiczne, których cząsteczki zbudowane są z kilku jednostek monosacharydowych (różnych lub takich samych) połączonych za pomocą wiązania O-glikozydowego. Ze względu na ilość tych jednostek monosacharydowych wchodzących w skład jednej cząsteczki możemy podzielić oligosacharydy na:
- disacharydy - dwie cząsteczki monosacharydów połączone wiązaniem O-glikozydowym
- trisacharydy - trzy cząsteczki monosacharydów połączone wiązaniem O-glikozydowym
- tetrasacharydy - …
Charakterystyka ważniejszego disacharydu:
SACHAROZA
Sacharoza zbudowana jest z dwóch cząsteczek monosacharydów : glukozy (dokładnie: α-D-glukopiranoza) i fruktozy (dokładnie: β-D-fruktofuranozy) połączonych wiązaniem 1,2- O-glikozydowym. Sacharoza jest inaczej nazywana cukrem trzcinowym lub buraczanym, ze względu na rośliny, z których się ją pozyskuje na skalę przemysłową. To najbardziej rozpowszechniony cukier na świecie. Sacharoza tworzy białe kryształy o słodkim smaku., łatwo rozpuszcza się w wodzie. Wykazuje czynność optyczną. Nie ma właściwości redukujących, gdyż grupy funkcyjne monosacharydów składowych są zablokowane przez wiązanie glikozydowe. Nie ulega próbie Trommera ani Tollensa. Ulega hydrolizie chemicznej oraz enzymatycznej, w wyniku której powstaje fruktoza oraz glukoza.
POLISACHARYDY
Polisacharydy to wielocukry, których każda cząsteczka zbudowana jest z wielu setek, a nawet tysięcy jednostek monosacharydowych, połączonych ze sobą za pomocą wiązań O-glikozydowych. Jeżeli monosacharydy budujące taki cukier złożony są takie same, to polisacharyd nazywany jest homopolisacharydom (np. glikogen, celuloza, chityna, skrobia), jeżeli natomiast są różne, to polisacharyd nazywany jest heteropolisacharydem (np. heparyna). W przeciwieństwie do monosacharydów oraz oligosacharydów są nie rozpuszczalne w wodzie oraz nie mają słodkiego smaku. Jednostki monosacharydów budujących cukier złożony nie zachowują właściwości aldoz i ketoz. Podobnie jak oligosacharydy można je rozłożyć na cukry proste pod wpływem hydrolizy chemicznej lub enzymatycznej. Są bardzo rozpowszechnione w przyrodzie,; stanowią materiał zapasowy zwierząt oraz roślin (np. glikogen, skrobia); stanowią materiał budulcowy (mogą wysycać ściany komórkowe).
Charakterystyka ważniejszych polisacharydów:
SKROBIA
Skrobia występuje w postaci granulek charakterystycznych dla roślin, z których się ją otrzymuje. Powstaje w czasie procesu fotosyntezy. Szczególnie dużo jest jej w bulwach ziemniaków oraz nasionach zbóż. Zbudowana jest z jednostek glukozowych połączonych wiązaniem O-glikozydowym. Skrobie budują dwa różne łańcuchy polisacharydowe:
- amyloza - prosty, nie rozgałęziony łańcuch glukozowy (składa się z ok. 1000 cząsteczek glukozy połączonych wiązaniem α-1,4 -O-glikozydowym) zwinięty helikoidalnie; stanowi 20-30 % masy skrobi.
- amylopektyna - rozgałęziony łańcuch glukozowy (składa się z ok. 250 - 300 cząsteczek glukozy połączonych wiązaniami α-1,4 -O-glikozydowym i α-1,6-O-glikozydowym); 70 - 80 % masy skrobi.
Jest białą substancja stałą bez smaku i zapachu, nie rozpuszczalną w zimnej wodzie, w ciepłej tworzy kleik skrobiowy (roztwór koloidalny).
Skrobie można zidentyfikować za pomocą reakcji charakterystyczne, jakiej ulega. Reaguje z roztworem jodu w jodku potasu, czego wynikiem jest fioletowe zabarwienie skrobi.
CELULOZA
Celuloza jest inaczej nazywana błonnikiem. Stanowi cukier strukturalny roślin, nadający im wytrzymałość i elastyczność. Cząsteczki celulozy zbudowane są jednostek glukozowych (β-D-glukopiranoz) połączonych wiązaniem β-1,4-O-glikozydowym, tworzących nie rozgałęziony łańcuch o długości ponad 1000 cząsteczek monosacharydowych. Celuloza to biała włóknista masa, nierozpuszczalna w wodzie i odporna na działanie czynników chemicznych. Występujące tu wiązania β trudniej ulegają hydrolizie. Celuloza znajduje zastosowanie w przemyśle papierniczym, włókienniczym (przy wyrobie sztucznego jedwabiu) oraz wyrobie tworzyw sztucznych
Sposoby przedstawiania wzorów sacharydów
Aldehyd glicerynowy (aldotrioza) tworzy 2 izomery optyczne (enancjomery):
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.
Tabela 1. Podział cukrów
|
Wzór ogólny |
Przykłady |
Monosacharydy (cukry proste) |
C6H12O6 |
glukoza |
|
|
fruktoza |
Disacharydy (dwucukry) |
C12H22O11 |
laktoza |
|
|
maltoza |
|
|
sacharoza |
Polisacharydy (wielocukry) |
(C6H12O5)n |
skrobia |
|
|
celuloza |
|
|
glikogen |
Do najważniejszych biologicznie cukrów prostych należą pentozy (5 atomów węgla) i heksozy (6 atomów węgla). Najważniejszymi pentozami są:
arabinoza,
ksyloza,
deoksyryboza,
ryboza,
rybuloza.
Tabela 2. Własności fizyczne heksoz: glukozy i fruktozy
Cukier |
Glukoza |
Fruktoza, lewuloza, cukier owocowy |
Postać |
krystaliczna |
Krystaliczna, temperatura topnienia 102-104°C |
Kolor |
biały |
|
Smak |
Słodki |
Najsłodszy cukier |
Rozpuszczalność w wodzie |
Bardzo dobra |
Właściwości chemiczne
Glukozy:
Posiada właściwości redukcyjne względem Cu(OH)2 oraz związków zawierających srebro (zawartość gr. CHO)
W procesie fermentacji, zachodzącym przy udziale enzymów, tworzy się etanol:
C6H12O6 = 2C2H5OH + 2CO2
Może ulegać reakcji izomeryzacji (np. w organizmie) przekształcając się we fruktozę
Przechodzi z formy łańcuchowej w pierścieniową:
Postać pierścieniowa może zostać utworzona przez 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.
Fruktozy:
Ulega reakcji z roztworem Fehlinga
Redukuje odczynnik Tollensa
Otrzymywanie
Glukozy:
Glukoza jest powszechnie syntetyzowana przez rośliny zielone (zawierające chlorofil) przy udziale światła, wody oraz dwutlenku węgla:
6 CO2 +6H2O = C6H12O6+6O2
Fruktozy:
Przez hydrolizę wielocukrów
Występowanie w przyrodzie
Glukoza:
W sokach pochodzenia roślinnego, np. winogron, brzoskwiń
W miodzie
We krwi
Fruktoza:
W miodzie
W owocach
Zastosowanie fruktozy:
Jako substytut cukru dla diabetyków
Wspomagająco w chorobach serca, profilaktycznie - ma działanie przeciwnowotworowe
Jako substrat w przemyśle farmaceutycznym
W przemyśle spożywczym
Dwucukry
Tabela 3. Budowa, własności fizyczne i chemiczne wybranych disacharydów
Cukier |
Sacharoza C12H22O11 Cukier buraczany |
Laktoza C12H22O11 Cukier mleczny |
Maltoza C12H22O11 Cukier słodowy |
Budowa |
Glukoza i fruktoza |
D-galaktoza i D-glukoza |
Glukoza |
Kolor, smak i zapach |
Biała (postać krystaliczna), słodki smak, Temperatura topnienia 184°C (postać α) lub 169°C (postać β) |
Biała albo bezbarwna, słodkawy smak, bezzapachowa, temperatura topnienia 225°C |
|
Rozpuszczalność |
Dobrze rozpuszczalna w wodzie Praktycznie nierozpuszczalna w alkoholu |
|
|
Czynność optyczna |
Wykazuje prawoskrętność |
Wykazuje |
|
Właściwości |
Nie redukujące |
Fermentuje do kwasu mlekowego |
|
Inne |
Łatwo hydrolizuje |
Ulega hydrolizie |
|
Disacharydy ulegają hydrolizie zgodnie z równaniem:
C12H22O11 + H2O = C6H12O6+ C6H12O6
Otrzymywanie
Sacharozę uzyskuje się z trzciny lub buraków cukrowych. Laktozę, natomiast, z serwatki.
Zazwyczaj laktoza jest podstawowym pożywieniem ssaków (w mleku matki), wyjątek stanowią chorzy na galaktozemię.
Tabela 4. Występowanie i zastosowanie dwucukrów
Cukier |
Sacharoza (cukier trzcinowy, cukier buraczany) |
Laktoza |
Maltoza |
Występowanie |
- W trzcinie cukrowej (łodyga) - W burakach cukrowych (korzeń) |
W kiełkach zbożowych, mleku |
W mleku |
Zastosowanie |
- Przy wytwarzaniu artykułów spożywczych - Jako substrat przemysłu farmaceutycznego |
- W przemyśle pirotech. - W farmaceutyce - W produkcji artykułów spoż. |
|
Wielocukry
Podobnie jak disacharydy składają się z monosacharydów połączonych wiązaniem glikozydowym.
Skrobia
Ten wielocukier o wzorze ogólnym (C6H12O5)n (gdzie n wynosi od paruset do paru dziesięciu tysięcy) składa się z cząsteczek glukozy tworzącej proste lub rozgałęzione łańcuchy.
Hydrolizuje zgodnie z równaniem reakcji:
(C6H10O5)n +nH2O = n C6H12O6
Skrobia nie ulega rozpuszczeniu w wodzie. Po ogrzaniu tworzy z nią koloid, potocznie zwany krochmalem. Cukier ten wchodzi w skład roślin, jako substancja zapasowa, i jest przechowywany w bulwach, nasionach oraz łodygach.
Celuloza
Ten cukier nierozpuszczalny w wodzie, hydrolizuje według równania:
(C6H10O5))x + xH2O = x C6H12O6
Ważną rolę biologiczną odgrywa także wielocukier glikogen.
Krótki opis niektórych cukrów
Glukoza, zwana inaczej cukrem gronowym jest podstawowym węglowodanem znajdującym się we krwi. Zaliczana jest do cukrów prostych. Glukoza dobrze rozpuszcza się w wodzie, ma słodki smak i występuje na przykład w miodzie oraz owocach. Wykazuje ona właściwości redukujące, które znalazły zastosowanie w oznaczaniu tego cukru w badaniach klinicznych. Tworzy się ona w organizmach zwierząt na skutek rozkładu cukrów złożonych, takich jak glikogen zawarty w wątrobie oraz skrobia i sacharoza. Cukier ten może powstawać także z aminokwasów w wyniku procesu zwanego glukoneogenezą. Zawartość glukozy we krwi jest utrzymywana przez hormony na stałym poziomie, a jej stężenie waha się w granicach 80-120 mg/100 ml. Stały poziom glukozy we krwi utrzymują hormony, takie jak glukagon, kortyzol, adrenalina, insulina. W wyniku spalania glukozy w procesie glikolizy powstają duże ilości energii, która jest zmagazynowana w postaci kwasu adenozynotrójfosforowego. Roztwory glukozy charakteryzuje czynność optyczna, czyli powodują one skręcenie płaszczyzny światła spolaryzowanego w prawo.
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.
Fruktoza, zwana także cukrem owocowym, to inny bardzo rozpowszechniony cukier prosty. Fruktoza jest ketozą. Ma taki sam wzór sumaryczny jak glukoza, ale inne wzajemne ułożenie atomów w cząsteczce. Fruktoza ma bardzo słodki smak. Stosuje się je jako środek słodzący w cukrzycy oraz w leczeniu niedomogów mięśnia sercowego. Fruktoza, podobnie jak glukoza, występuje w dwóch formach: łańcuchowej i pierścieniowej. Wodne roztwory fruktozy skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego w lewo.
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.
Glikogen to wielocukier, który stanowi materiał zapasowy u zwierząt. Składa się on z cząsteczek glukozy połączonych ze sobą w silnie rozgałęzione łańcuchy. Masa cząsteczkowa glikogenu wynosi około 105-107. Jest on spotykany przede wszystkim w wątrobie oraz mięśniach. Glikogeny pochodzące od różnych zwierząt i z różnych narządów tego samego zwierzęcia wykazują pewne różnice. Jeśli zaistnieje taka potrzeba (wynikająca na przykład z niedożywienia lub wzmożonego wysiłku) glikogen w organizmie człowieka pod wpływem enzymów, które pełnią rolę katalityczną, przechodzi w glukozę, która jest wchłaniana do krwioobiegu i spalana. Organizm człowieka zawiera przeciętnie około 300 gramów glikogenu. Występuje on również w drożdżach, grzybach, bakteriach, a także niektórych roślinach wyższych. Glikogen zawarty w wątrobie umożliwia utrzymanie stałego poziomu glukozy we krwi, a zawarty w mięśniach odgrywa istotną rolę w ich pracy (rozkłada się do glukozo-6-fosforanu, zużywanego w glikolizie, czyli procesie dostarczającym energii). Glikogen jest białym proszkiem, tworzącym koloid w wodzie, nierozpuszczalnym w alkoholu. Zaliczany jest do cukrów hydrolizujących. Może on być otrzymany z mięśni lub wątroby poprzez destrukcję tkanek za pomocą wodorotlenku sodu i wytraceniu alkoholem etylowym.
Celuloza to pospolity polisacharyd składający się z długich łańcuchów reszt glukozowych połączonych mostkami tlenowymi. Jest to wielocukier stanowiący substancję szkieletową w świecie roślin. Celuloza ma włóknistą strukturę. Włókna roślinne zawierają ponad 90% czystek celulozy, drewno, które jest głównym źródłem przemysłowego pozyskiwania tego związku - około 50%. Żaden z ssaków nie produkuje enzymu celulazy, który jest niezbędny do trawienia celulozy. Zatem w przewodzie pokarmowym człowieka i zwierząt mięsożernych celuloza nie ulega rozkładowi. Natomiast zwierzęta roślinożerne mogą ją trawić, ponieważ w ich przewodzie pokarmowym znajdują się bakterie i pierwotniaki wytwarzające potrzebny enzym. W reakcji z mocnymi zasadami celuloza daje sole. Pochodne celulozy znalazły wiele zastosowań, na przykład jako włókna, folie, lakiery, materiały miotające. Największe ilości celulozy czystej zużywa przemysł papierniczy.
5