Cukry, zwane również węglowodanami, to organiczne związki chemiczne, które są wielohydroksyaldehydami lub wielohydroksyketonami. Są to po prostu ketony lub aldehydy, zawierające w swojej budowie również wiele grup hydroksylowych (-OH). Aby ułatwić zrozumienie ich budowy, skład węglowodanów można wyrazić ogólnym wzorem chemicznym:

Jak łatwo zauważyć z powyższego wzoru, cukry są zbudowane z atomów węgla, wodoru i tlenu, gdzie stosunek wodoru do tlenu jest jak 2:1 (tak jak w wodzie). Stąd też wywodzi się historyczna nazwa tej grupy związków chemicznych - węglowodany. We współczesnej nomenklaturze zaleca się jednak stosowanie poprawnej nazwy biochemicznej cukrów - sacharydy.

Cukry dzieli się ze względu na ich strukturę. Wyróżnia się:

• cukry proste, które składają się z jednej jednostki cukrowej, zwane również jedno cukrami. Nie ulegają hydrolizie.

• cukry złożone, zbudowane z kilku jednostek cukrowych, ulegają hydrolizie, a w wyniku ich rozpadu powstają cukry proste.

Złożoność budowy sacharydów przekłada się na liczne funkcje, które spełniają w przyrodzie. W naturze powstają m.in.: w procesie fotosyntezy, która zachodzi w chloroplastach komórek roślinnych. Teraz omówimy kilka z ważniejszych ról, jakie pełni ta grupa związków chemicznych w otaczającym nas świecie.

Należy do cukrów prostych, wzór chemiczny to:

RGTRInc5AjBE7

Na ilustracji wzór strukturalny glukozy. Łańcuch główny jest pionowy. Składa się z pięciu atomów węgla. Atom węgla na samym dole łączy się z grupą ${\mathrm{C}\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\mathrm{H}$. Atom węgla na samej górze łączy się wiązaniem pojedynczym z atomem wodoru, wiązaniem podwójnym z atomem tlenu. Drugi atom węgla od góry łączy się z lewej strony wiązaniem pojedynczym z atomem wodoru, a z prawej strony wiązaniem pojedynczym z grupą OH. Kolejny atom węgla łączy się z lewej strony z grupa OH, a z prawej z atomem wodoru. Dwa ostatnie atomy węgla łączą się z lewej strony z atomem wodoru, a z prawej z grupą OH.

Glukoza jest substancją białą, bezbarwną, drobnokrystaliczną, o słodkim smaku. Dobrze rozpuszcza się w wodzie, a jej odczyn jest obojętny. Powstaje w procesie fotosyntezy w chloroplastach w komórkach roślinnych.

Naturalnym źródłem glukozy są: owoce, nektar kwiatów, miód. Jest materiałem energetycznym komórek, a układ nerwowy człowieka używa jej w reakcji utleniania, która dostarcza energii. W organizmach żywych służy jako substrat do syntezy innych, potrzebnych cukrów, np. glikogenu u zwierząt czy celulozy u roślin. W trakcie oddychania komórkowego dochodzi do rozerwania wiązań chemicznych w glukozie, a powstałą w ten sposób energię, komórka użytkuje na potrzeby innych procesów życiowych.

Ten sacharyd jest również używany jako substrat w procesie syntezy aminokwasów czy związków tłuszczowych. Natomiast glikogen jest postacią glukozy, magazynowaną w wątrobie po spożyciu posiłku. Utrzymanie odpowiedniego stężenia cukru we krwi jest jednym z warunków homeostazy, co umożliwiają hormony działające przeciwstawnie - insulina i glukagon. Insulina, wytwarzana przez trzustkę, działa na zasadzie klucza - otwiera procesy, mające na celu obniżenie poziomu glukozy w organizmie. Glukagon, również produkowany w trzustce, stymuluje procesy prowadzące do zwiększenia stężenia cukru we krwi.

RKCJQi0GTMJKm1

Zdjęcie przedstawia małe, różnokolorowe kulki.

W przypadku, kiedy trzustka nie wydziela stosownych ilości insuliny, organizm wpada w cukrzycę - jedną z chorób cywilizacyjnych.

Należy do cukrów prostych, jej wzór chemiczny to:

R1HpA3YIezi1l

Na ilustracji wzór strukturalny fruktozy. Łańcuch główny jest pionowy. Składa się z czterech atomów węgla. Atomy węgla na samej górze i na dole łączy się z grupą ${\mathrm{C}\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\mathrm{H}$. Drugi atom węgla od góry łańcucha łączy się z prawej strony wiązaniem podwójnym z atomem tlenu. Kolejny atom węgla łączy się z lewej strony z grupą OH, z prawej z atomem wodoru. Dwa pozostałe atomy węgla łącza się z lewej strony z atomem wodoru, a z prawej z grupą OH.

Fruktoza jest bezbarwną substancją krystaliczną o słodkim smaku. Dobrze rozpuszcza się w wodzie, a jej odczyn jest obojętny.

Fruktoza jest również nazywana cukrem owocowym, ponieważ występuje w znacznych ilościach w owocach, również nektarze kwiatowym, miodzie i warzywach. Reszta fruktozy wchodzi skład disacharydów (np. sacharoza, laktoza). Metabolizm fruktozy zachodzi bez udziału insuliny. W zależności od potrzeby energetycznej organizmu, fruktoza może ulegać przemianie wątrobowej lub mięśniowo‑tłuszczowej. W wątrobie zostaje przemieniona w glukozę, natomiast w mięśniach i tkance tłuszczowej włącza się w proces glikolizy. Fruktozę można również znaleźć w spermie ludzkiej, gdzie jest substratem w procesie oddychania beztlenowego, który dostarcza energii plemnikom.

Rxe1zgMUXuiVi

Na ilustracji wzór strukturalny rybozy. Łańcuch główny jest pionowy. Zbudowany jest z pięciu atomów węgla. Atom węgla na samej górze łańcucha łączy się wiązaniem pojedynczym z atomem wodoru, wiązaniem podwójnym z atomem tlenu. Kolejne trzy atomy węgla łączą się po lewej stronie z atomem wodoru, każdy z nich, a po prawej z grupa OH, każdy z nich. Ostatni atom węgla łączy się po lewej stronie z atomem wodoru, po prawej z grupą OH, na dole z atomem wodoru.

Jest to cukier prosty,  o wzorze strukturalnym przedstawionym na ilustracji obok. Tworzy białe kryształy, jest dobrze rozpuszczalny w wodzie i etanolu. W organizmach zwierzęcych jest składnikiem:

• RNARNARNA- kwasu rybonukleinowego,

• ATPATPATP (adenozynotrifosforanu) i innych rybonukleotydów będących nośnikami energii,

• witamin z rodziny B.

Podobny do rybozy cukier - deoksyryboza, jest budulcem łańcucha DNA każdego żywego organizmu.

Sacharoza jest to cukier należący do disacharydów; zbudowany z jednej reszty glukozy i jednej reszty fruktozy, co zostało pokazane na ilustracji obok. Jest to biała, krystaliczna substancja o słodkim smaku i dobrze rozpuszczalna w wodzie.

R41eCovOXDTwM1

Ilustracja przedstawia wzór strukturalny sacharozy. Zbudowany jest z jednego sześcioczłonowego i jednego pięcioczłonowego pierścienia. We wzorze występują między innymi: pięć grup OH, trzy atomy tlenu. Sześcioczłonowy pierścień łączy się z jedną grupą ${\mathrm{C}\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\mathrm{H}$. Pięcioczłonowy pierścień łączy się z dwiema grupami ${\mathrm{C}\mathrm{H}}_2\mathrm{O}\mathrm{H}$. Pierścienie są połączone wiązaniami pojedynczymi, pomiędzy którymi jest atom tlenu.

Sacharoza jest używana jako cukier spożywczy, na skalę przemysłową wytwarzana z buraków cukrowych lub trzciny cukrowej. Jest ona główną formą transportową cukrów u roślin. Służy jako materiał zapasowy oraz pełni funkcję cząstki sygnalizującej w komórkach roślinnych, która wpływa na regulację ekspresji genów, czy kolejnych faz rozwoju rośliny.

RuM6Oz8seW5BZ1

Zdjęcie przedstawia różne produkty nabiałowe ustawione na lnianym materiale. To miedzy innymi: mleko, jaja, sery.

Disacharyd zbudowany z reszt glukozowych i galaktozowych. Jest to bezbarwna substancja stała, która dobrze rozpuszcza się w wodzie. Laktoza jest podstawowym składnikiem mleka ssaków. Występuje głównie w mleku i  produktach mlecznych, takich jak: sery, jogurty, kefiry. Jest źródłem energii, stymuluje rozwój zmysłu smaku i wpływa na gospodarkę hormonalną. Do prawidłowego trawienia tego cukru potrzebny jest enzym - laktaza. Nietolerancja laktozy wynika z braku tego enzymu.

Jest to wielocukier, powstały w wyniku kondensacji glukozy. Jest białą, krystaliczną substancją bez smaku i zapachu, nierozpuszczalną w zimnej wodzie, tworzącą kleik skrobiowy w gorącej wodzie.

Cząsteczki skrobi tworzą dwa różne odłamy - nierozgałęzioną amylozę i rozgałęzioną amylopektynę, co zostało przedstawione na ilustracji obok. Skrobia u roślin pełni funkcje zapasowe - jest magazynowana w postaci drobnych ziaren, np: w bulwach, nasionach czy łodygach. Enzymy trawienne u zwierząt, które potrafią rozkładać skrobię na cząsteczki glukozy to amylazy. Są obecne w jamie ustnej i jelicie cienkim człowieka.

R19Dp7tXD47jJ1

Zdjęcie przedstawia sukulent - roślinę o sztywnych, grubych liściach. Liście mają ostro zakończone końcówki. Układają się od największych do najmniejszych na czubku rośliny. .

Celuloza jest wielocukrem, zbudowana z cząsteczek glukozy, tworzących nierozgałęzione łańcuchy. Ma postać białych kryształków, bez smaku i zapachu, nierozpuszczalnych w wodzie. Jest głównym składnikiem ścian komórkowych roślin, mimo to wiele ssaków nie jest w stanie trawić tego polisacharydu. Dzieje się tak, dlatego że brak im celulaz - enzymów odpowiedzialnych za rozkład celulozy na cząsteczki glukozy.

Jednak niektóre gatunki zwierząt, głównie przeżuwacze, są wyposażone w mikroorganizmy, mające zdolność do trawienia celulozy. Zamieszkują one drogi pokarmowe i rozkładają wielocukier na części przyswajalne przez zwierzęta. Mimo, że człowiek nie może wykorzystywać celulozy jako źródła energii, jest ona ważnym składnikiem każdej diety. Ułatwia właściwe funkcjonowanie przewodu pokarmowego, usprawnia perystaltykę jelit i ułatwia przesuwanie treści pokarmowej.

R1B3yHACoShCQ1

Ilustracja przedstawia kolorowe zdjęcie rentgenowskie. Na czerwono zaznaczono wątrobę. Znajduje się pod przeponą.

Jest to wielocukier zbudowany z licznych cząsteczek glukozy, połączonych ze sobą w rozgałęzione łańcuchy. Stanowi materiał zapasowy u zwierząt i jest odpowiednikiem celulozy w świecie roślin. Znajduje się głównie w mięśniach i wątrobie. Jest magazynowany w wątrobie w przypadku dużego stężenia glukozy we krwi i uwalniany z niej, gdy dochodzi do obniżenia poziomu cukru w organizmie. Glikogen zawarty w mięśniach, pełni istotną rolę w ich pracy. Zużywany jest w procesie glikolizy, gdy potrzeba energetyczna organizmu się zwiększa.

Przedstawione powyżej przykłady cukrów i ich funkcji w przyrodzie, to jedynie część ogromu pracy wszystkich sacharydów. Często mówi się, że życie nie mogłoby istnieć bez aminokwasów i DNA, a czy mogłoby się obejść bez naszych węglowodanów?

Słownik

Bibliografia

Ban‑Oganowska H. i in., Ćwiczenia laboratoryjne z biochemii i chemii żywności, Wrocław 2006.

Cioborowska H., Rudnicka A., Dietetyka. Żywienie zdrowego i chorego człowieka, Warszawa 2010.

Śmiechowska M i Przybyłowski P., Chemia żywności z elementami biochemii, Gdynia 2004.