2013-03-07|Umieszczone w: Chemia, |przez: ZetKa

Z cukrem mamy do czynienia codziennie, ilekroć sięgamy po białe kryształy z cukiernicy. Większość z nas nie uświadamia sobie, że cukier do słodzenia, o chemicznej nazwie "sacharoza", jest tylko jednym z wielkiej liczby związków o podobnej strukturze i niezwykle istotnych właściwościach biologicznych.
            Cukry stanowią ogromną grupę związków chemicznych. Biochemicy nazywają je sacharydami, a potocznie określamy je węglowodanami. Obecnie nazwa ta nie jest używaqna, lecz ma znaczenie historyczne. Powstała w XIX wieku, gdy chemicy przywiązywali duża wagę do wzorów sumarycznych. Stwierdzono, że wszystkie poznane cukry charakteryzowały się wzorem sumarycznym Cm(H2O)n. Traktowano je jako "wodziany węgla", czyli węglowodany. Jest to jednak określenie mylące ponieważ w toku dalszych badań poznano wiele związków należących do cukrów, a mających inne wzory sumaryczne (deoksycukry, aminocukry ). Lepiej więc pozostać przy nazwie "cukry" lub "sacharydy".
            Z punktu widzenia budowy chemicznej cukry proste są wielowodorotlenowymi aldehydami  lub ketonami , zatem w ich cząsteczkach znajduje się więcej niż jedna grupa hydroksylowa oraz (odpowiednio) grupa aldehydowa lub ketonowa. Cukry proste z grupą aldehydową są nazywane aldozami, z grupą ketonową - ketozami. Cukry złożone składają się z dwóch (disacharydy), kilku (oligosacharydy) lub wielu (polisacharydy) cząsteczek cukrów prostych. W zależności od liczby atomów węgla w cząsteczce cukry proste dzielimy na triozy (3 atomy), tetrozy (4 atomy), pentozy (5 atomów), heksozy (6 atomów) i heptozy (7 atomów). Cukrami prostymi o największym znaczeniu są heksozy (a wśród nich glukoza).
         Wśród wielocukrów (polisacharydów) warto wyróżnić celulozę, skrobię i glikogen. Wymienione wielocukry składają się wyłącznie z wielu cząsteczek glukozy. Jednak różny sposób połączenia jednostek glukozowych powoduje, że celuloza, skrobia i glikogen mają różną budowę cząsteczki, a co za tym idzie - inne właściwości. W organizmach żywych pełnią także różne funkcje.
            Glukoza, zwana także cukrem gronowym o wzorze sumarycznym C6H12O6, jest cukrem prostym, występującym we wszystkich organizmach żywych zarówno w postaci wolnej, jak i jako składnik wielu bardziej złożonych środków. W roślinach glukoza powstaje w procesach fotosyntezy. Zwierzęta i człowiek zaspokajają swoje zapotrzebowanie na glukozę, pobierając ją w postaci wolnej, a także jako składnik cukrów złożonych, wraz z pokarmem. Glukoza dostarcza głównej części energii do procesów życiowych. Jest także substratem w wielu reakcjach przemiany materii. Glukoza w organizmie człowieka to jedyny cukier prosty występujący w większej ilości, ponieważ wszystkie inne cukry, które zjadamy, są przekształcone w glukozę przez wątrobę. W organizmie człowieka jest jedyną formą transportową cukrów i jej stężenie we krwi musi być utrzymywane na stałym poziomie (około 0,1 w stosunku do masy ciała). Spadek stężenia tego cukru powoduje zwiększenie pobudliwości pewnych komórek mózgu, mogące objawiać się skurczami, drgawkami, utratą świadomości a nawet śmiercią. Z kolei w pewnych zaburzeniach przemiany cukrowej w organizmie, nazywanych cukrzycą, glukoza we krwi utrzymuje się na podwyższonym poziomie. Stałe stężenie glukozy we krwi jest zachowane dzięki wielce skomplikowanemu mechanizmowi biochemicznemu.
            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 jest zatem izomerem  glukozy. W stanie wolnym występuje w wielu owocach i miodzie. Fruktoza stanowi łatwo przyswajalny składnik pożywienia. Stosuje się je jako środek słodzący w cukrzycy oraz w leczeniu mięśnia sercowego. Fruktoza jest najsłodsza z cukrów. W rzeczywistości jest tak, że nie wszystkie cukry są jednakowo słodkie. Aby osłodzić określoną porcję pożywienia fruktozą, wystarczy wziąć jej prawie dwukrotnie mniej niż sacharozy. Mówiąc o zdolności do słodzenia, warto uświadomić sobie, że istnieją związki chemiczne - nie mające nic wspólnego z cukrami - charakteryzujące się ogromną słodkością. Popularna sacharyna, syntetyczny środek słodzący, stosowany przez ludzi chorych na cukrzycę, jest słodsza od zwykłego cukru 550 razy. Inaczej mówiąc, trzeba by wysypać ponad pół tony naszego cukru używanego w gospodarstwie domowym, aby uzyskać efekt słodzący 1 kilograma sacharyny.
            Dwucukrem o największym zastosowaniu praktycznym jest sacharoza, czyli znany z życia codziennego cukier konsumpcyjny. Ponieważ sacharoza jest dwucukrem, łatwo się domyślić, że jej cząsteczka składa się z dwóch cząsteczek cukrów prostych: cząsteczki glukozy i cząsteczki fruktozy. Jednak wzór sumaryczny sacharozy nie jest prostym podwojeniem wzoru glukozy lub fruktozy. Przy łączeniu się dwóch cząsteczek cukrów w dwucukier wydziela się cząsteczka wody. Zatem wzór sumaryczny sacharozy przyjmuje postać C12H22O11. Sacharoza, biała, krystaliczna substancja, doskonale rozpuszczalna w wodzie, była znana w Indiach i Chinach już kilka tysięcy lat temu. W 1494 roku przeniesiono uprawę trzciny cukrowej na Santo Domingo, a następnie na Kubę, do Brazylii i Meksyku. W XVI cukier sprowadzono do Europy, jednak jego wysoka cena zmuszała do poszukiwań surowca roślinnego bogatego w ten związek i dobrze znoszącego chłodny klimat. W 1747 roku A. Marggraf otrzymał krystaliczną sacharozę z buraków cukrowych.
            W Polsce sacharozy zaczęto używać dość późno, bo dopiero w początkach XIX wieku. Wcześniej środkiem słodzącym był miód pszczeli. Obecnie światowa produkcja cukru przekracza 100 milionów ton rocznie. Polska zalicza się do dużych producentów sacharozy.
            Celuloza jest roślinnym polisacharydem zbudowanym z kilku tysięcy cząsteczek glukozy połączonych w nierozgałęziony łańcuch. Czysta celuloza jest białą, nierozpuszczalną w wodzie substancją. Stanowi podstawowy element roślinnej ściany komórkowej, nadaje tkankom wytrzymałość mechaniczną i elastyczność. Niektóre włókna roślinne (len, bawełna) są prawie czystą celulozą; w drewnie zawartość celulozy sięga 50 procent. Z tego względu celuloza jest związkiem organicznym występującym na Ziemi w największej ilości. Warto wiedzieć, że żaden ssak nie wytwarza enzymu potrzebnego do trawienia celulozy. Zatem w przewodzie pokarmowym człowieka i zwierząt mięsożernych celuloza nie ulega degradacji. Natomiast zwierzęta roślinożerne mogą ją trawić, ponieważ w ich przewodzie pokarmowym znajdują się bakterie i pierwotniaki wytwarzające potrzebny enzym.
            Skrobia jest również polisacharydem roślinnym. Podobnie do celulozy jest złożona wyłącznie z cząsteczek glukozy, jednak łączą się one w inny sposób. Poza tym skrobia stanowi mieszaninę dwóch polisacharydów: nie rozgałęzionej amylazy i rozgałęzionej amylopektyny. Skrobia jest najważniejszym polisacharydem zapasowym u roślin, które magazynują go w owocach, nasionach, korzeniach i kłączach. Szczególnie bogate w skrobie są ziarna zbóż i bulwy ziemniaka. Skrobia występuje w postaci ziaren o charakterystycznym wyglądzie, różnym dla poszczególnych gatunków roślin. Jest białą substancją stałą, pozbawioną smaku i zapachu. 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. Cechą charakterystyczną dla skrobi jest jej zdolność do tworzenia fioletowo granatowego zabarwienia z jodem. Pod wpływem ogrzewania jej zabarwienie znika, by po oziębieniu kleiku ponownie się pojawić.
            Trzecim ważnym wielocukrem, składającym się wyłącznie z cząsteczek glukozy, jest glikogen, zwany także skrobią zwierzęcą. Porównanie do skrobi wynika, po pierwsze, ze strukturalnego podobieństwa glikogenu do amylopektyny, a po drugie, z jego funkcji. Glikogen jest główną formą magazynowania cukrów u zwierząt i pod tym względem stanowi odpowiednik skrobi u roślin. Występuj głównie w wątrobie (do 6 procent jej masy) i w mięśniach (około 1 procentu). Z powodu znacznie większej masy mięśni glikogen mięśniowy stanowi pulę 3 - 4 razy większą niż glikogen wątrobowy. Glikogen mięśniowy jest źródłem glukozy przetwarzanej w samych mięśniach. Proces ten ma zaspokajać potrzeby energetyczne mięśni podczas ich pracy. Glikogen wątrobowy magazynuje glukozę niezbędną do utrzymania stałego, fizjologicznego stężenia tego związku we krwi między posiłkami. Nie jest to zapas duży. Wystarczy przez kilkanaście godzin nie dostarczać cukru organizmowi w posiłkach, a wątroba stanie się niemal całkiem pozbawiona glikogenu. I wtedy organizm włącza inne mechanizmy metaboliczne.  

Urszula Gryglicka