Cukry to inaczej węglowodany a sama nazwa węglowodany oznacza, że są to związki węgla i wody i dlatego można cukry można przedstawić wzorem empirycznym Cn(H2O)n, w którym węgiel przedstawia się jako uwodniony. gdzie: n - ilość atomów węgla i ilość cząsteczek wody Węglowodany dzielimy na: węglowodany, które nie ulegą hydrolizie do prostszych związków, nazywamy monosacharydami (cukrami prostymi). węglowodany, których cząsteczka hydrolizuje do dwóch cząsteczek monosacharydu, nazywamy disacharyduami (dwucukrami). węglowodany, których cząsteczka hydrolizuje do wielu cząsteczek monosacharydów, nazywa się polisacharydami (wielocukry, cukry złożone). Według liczby atomów węgla w cząsteczce cukry dzielimy na: triozy (3 atomy wegla) tetrozy (4 atomy węgla) pentozy (5 atomów węgla) heksozy (6 atomów węgla) Monosacharydy, obok licznych grup wodorotlenowych, posiadają grupę aldehydową -CHO albo ketonową =C=O. Zgodnie z obecnością tych grup cukry proste dzielimy na aldozy (posiadają grupę aldehydową) ketozy (posiadają grupę ketonową) -------------------------------------------------------------------------------- Nazewnictwo W nazewnictwie cukrów przyjęta jest zasada stosowania : nazw zwyczajowych nazw systematycznych W nazwach systematycznych cukrów prostych przyjęto zasadę uwidaczniania ilości atomów węgla albo atomów tlenu w cząsteczce. Zgodnie z tą zasadą aldozy będą nazywane; najprostsza aldoza posiada dwa atomy węgla stąd nazwa aldodioza aldotrioza (trzy atomy węgla w cząsteczce) aldotetroza (cztery atomy węgla w cząsteczce) aldopentoza (pięć atomów węgla w cząsteczce) aldohektoza (sześć atomów węgla w cząsteczce) Szereg ketoz, zaczyna się od cukrowca posiadającego trzy atomy węgla: ketotrioza (trzy atomy węgla w cząsteczce) ketotetroza (cztery atomy węgla w cząsteczce) ketopentoza (pięć atomów węgla w cząsteczce) ketoheksoza (sześć atomów węgla w cząsteczce) My nasze dalsze rozważania ograniczymy tylko do heksoz, których najbardziej znanymi przedstawicielami są glukoza i fruktoza, powszechnie występująca w świecie materii ożywionej. -------------------------------------------------------------------------------- Monosacharydy (glukoza i fruktoza) Glukoza i fruktora są przedstawicielami cukrów prostych. Glukoza i fruktoza mają ten sam wzór sumaryczny - C6H12O6 - ale różny wzór strukturalny. Glukoza i fruktoza występują w przyrodzie w dwóch formach, tj. łańcuchowej i pierścieniowej. Forma łańcuchowa przedstawiona jest na rysunku wyżej. Poniżej przedstawiona jest forma pierścieniowa. Forma łańcuchowa dominuje w środowisku silnie zasadowym i kwaśnym, natomiast w środowisku zbliżonym do obojętnego występują formy pierścieniowe. Glukoza jest cukrem znanym pod nazwą cukier gronowy. Występuje w winogronach, miodzie, nektarze kwiatów. Jest substancją koloru białego, dobrze rozpuszczalną w wodzie i o słodkim smaku. Dla człowieka spełnia rolę substancji odżywczej, wykorzystywanej jako zródło energii podczas wykonywanej pracy przez człowieka. Powstaje w czasie procesu fotosyntezy w roślinach. Fotosynteza to wieloetapowy proces zachodzący w komórkach słońca pod wpływem energii promieniowania słonecznego. Proces ten opisuje równanie chemiczne. 6CO2 + 6H2O ---> C6H12O6 + 6O2 Glukoza jest podstawowym zródłem energii organizmów zwierzęcych. Rozprowadzana przez krew do komórek ulega tam przemianie z wyzwoleniem energii, w wyniku czego komórki są zdolne do wykonania pracy. W czasie przemiany mamy proces odwrotny do fotosyntezy a efektem jest powstanie CO2 + H2O. C6H12O6 + 6O2 ----> 6CO2 + 6H2O + energia CO2 uwolniony w komórkach transportowany jest do płuc i wydychany na zewnątrz. Właściwości chemiczne Właściwości chemiczne glukozy wynikają z obecności w cząsteczce grupy aldehydowej i grup hydroksylowych. Z Cu(OH)2 w środowisku zasadowym tworzą szafirowy kompleks. Jest to reakcja charakterystyczna dla alkoholi polihydroksylowych. Również z Cu(OH)2 na gorąco wytrącają ceglasty osad tlenku miedzi(I) Cu2O 2Cu(OH)2 + C6H12O6 ---> Cu2O + 2H2O + C6H12O7 W reakcji grupa aldehydowa utlenia się do grupy karboksylowej (- CHO ---> -COOH) Najbardziej charakterystyczną reakcją i najbardziej efektowną jest reakcja lustra srebrnego. W reakcji wykorzystujemy roztwór tlenku srebra(I) Ag2O w wodzie amoniakalnej. Podobnie jak w reakcji z Cu(OH)2 grupa aldehydowa (-CHO) utlenia się do grupy karboksylowej (-COOH) Ag2O + C6H12O6 ---> 2 Ag + C6H12O7 Na ściankach naczynia wytrąca się metaliczne srebro, tworząc lustro. Reakcja ta może być wykorzystana do produkcji luster. Fruktoza Fruktoza jest cukrem występującym w soku wielu słodkich owoców oraz w miodzie pszczelim Ma ona właściwości podobne do glukozy, jest jednak od niej znacznie słodsza. Jest używana przez chorych na cukrzycę jako środek słodzący. -------------------------------------------------------------------------------- Disacharydy (sacharoza) Największe znaczenie gospodarcze z disacharydów ma sacharoza (czyli zwykły cukier). Występuje w korzeniu buraka cukrowego i łodygach trzciny cukrowej. Cząsteczka sacharozy zbudowana jest z dwóch cząsteczek monosacharydu, tj. glukozy i fruktozy i ma wzór sumaryczny C12H22O11 Model cząsteczki sacharozy przedstawia poniższy rysunek. Cząsteczka sacharozy w obecności kwasu lub enzymu inwertazy hydrolizuje w wyniku czego powstają równe ilości glukozy i fruktozy. Jest proces, który zachodzi w żołądku w czasie trawienia. C12H22O11 + H2O ---> C6H12O6(glukoza) + C6H12O6(fruktoza) -------------------------------------------------------------------------------- Polisacharydy Polisacharydy (wielocukry) są związkami, których każda cząsteczka jest zbudowana z wielu setek lub nawet tysięcy jednostek monosacharydowych. Są występującymi w przyrodzie polimerami a najważniejszymi polisacharydami są celuloza, skrobia i glikogen. Podobnie jak glukoza powstają one w procesie fotosyntezy. Celuloza jest głównym składnikiem strukturalnym roślin, nadającym im sztywność i kształt. Skrobia stanowi materiał zapasowy rośliny i występuje głównie w nasionach. Lepiej rozpuszcza się ona w wodzie niż celuloza, łatwiej ulega hydrolizie i dlatego jest znacznie łatwiej przyswajalna. Oba te związki - celuloza i skrobia, mają ogromne znaczenie dla człowieka. Celulozy używamy wykorzystując jej właściwości strukturalne: w postaci drewna - do budowy domów, w postaci bawełny lub sztucznego jedwabiu - do ubierania się, w postaci papieru - do komunikowania się. Skrobia jest zawarta w naszym pożywieniu: ziemniakach, kukurydzy, pszenicy, ryżu itp. -------------------------------------------------------------------------------- Celuloza Celuloza jest naturalnym polimerem zbudowanym z 1000 - 4000 reszt glikozy. Tworzy szereg włókien naturalnych takich jak; bawełna, len, konopie, sizal, itp.). Również jest podstawowym surowcem do produkcji papieru. Celuloza nie rozpuszcza się w wodzie i nie ma smaku. Celuloza ma wzór - (C6H10O5)n Wzór chemiczny celulozy jest dokładnie taki sam jak skrobi ale celuloza różni się od skrobi konfiguracją wiązania glikozydowego. Dlatego celuloza nie jest przyswajana przez człowieka i zdecydowaną większośc zwierząt. Układ trawienny nie jest dostosowany do hydrolizy celulozy. Reakcje celulozy - celulozę podobnie jak inne alkohole, można przekształcić w odpowiedni ester. I tak w reakcji z mieszaniną kwasów azotowego i siarkowego prowadzi do utworzenia azotanu celulozy. Produkty znane są pod nazwą bawełny strzelniczej i piroksyliny. Z innych produktów estryfikacji celulozy należy wymienić octan celulozy - trioctan, który ma zastosowanie w produkcji błon fotograficznych. -------------------------------------------------------------------------------- Skrobia Wzór chemiczny skrobi ma postać - (C6H10O5)n gdzie: n może przyjmowac wartości - od kilkuset do kilkudziesięciu tysięcy.. Składniki skrobi poddane dzialaniu kwasu lub pod wpływem enzymów stopniowo ulegają hydrolizie, gdzie końcowym produktem jest glukoza. Cząsteczka skrobi ma strukturę rozgałęzioną. Skrobia jest podstawowym składnikiem pożywienia ludzi (mąka, kasze, ziemniaki). W Polsce skrobię wytwarza się głównie z bulw ziemniaków przez wyszlamowanie zmiażdżonej masy ziemniaczanej wodą, dekantację i powolne suszenie. Otrzymany produkt to tzw. mąka ziemniaczana. W wyniku kwasowej hydrolizy skrobi otrzymuje się tzw. syrop ziemniaczany. -------------------------------------------------------------------------------- Glikogen Jest zapasowym wielocukrem. Występuje w wiekszych ilościach w wątrobie (do 10% jej masy), w mięśniach (0,5 - 1%) oraz innych narządach ustroju zwierzęcego (0,1 - 0,3%). Jego spalanie stanowi główne zródło energii dla wielu procesów fizjologicznych jak skurcz mięśni, praca tkanki nerwowej, itp. -------------------------------------------------------------------------------- Trawienie węglowodanów Podstawowe węglowodany, które są przyswajane przez organizm to; skrobia znajdująca się w ziarnach zbóż glikogen znany jako skrobia zwierzęca dwucukrowce (sacharoza) cukry proste znajdujące się w większości owoców. Trawienie węglowodanów rozpoczyna się w jamie ustnej. W ślinie występuje enzym amylaza, który rozszczepia łańcuchy skrobi do maltozy. Następnie pokarm wymieszany ze śliną przechodzi do żołądka gdzie w środowisku kwaśnym pod wpływem jonów H+, rozkładane są dwucukrowce (sacharoza, laktoza). W wyniku tego oddziaływania powstaje glukoza, fruktoza i inne cukry proste. Cukry proste nastepnie przenikają do krwi i z krwią dostają się do wątroby. W wątrobie w wyniku różnych procesów przekształcają się w glikogen. Glikogen gromadzi się w wątrobie i różnych innych narządach, stanowiąc rezerwę cukrową dla całego organizmu. Gdy nastąpi niedobór glukozy we krwi, wątroba natychmiast oddaje potrzebną ilość glikogenu przerobionego na glukozę.
Węglowodany są trawione przez enzymy amylolityczne, które hydrolizują wiązania glikozydowe. W wyniku trawienia przez amylazę ślinowa i amylazę jelitową powstają oligosacharydy. W jamie gębowej skrobia i glikogen, są rozkładane na dekstryny i dwucukry. Podobnie działa amylaza trzustkowa i jelitowa. Dekstryny rozpuszczają się w wodzie i dlatego łatwiej ulegają trawieniu niż polisacharydy. Na dekstryny działają amylaza trzustkowa i jelitowa, które odłączają od nich dwucukry, np. maltoza. Powstałe dwucukry są rozkładane przez enzymy disacharydazy. Już w jamie gębowej znajduje się maltoza, która razem z sacharozą wchodzi w skład soku trzustkowego. W soku jelitowym znajduje się także enzym laktoza. W wyniku działania disacharydaz powstają cukry proste: glukoza, fruktoza, galaktoza. Glukoza wchłaniana jest w jelicie cienkim, które jest zaopatrzone w liczne mikrokosmki jelitowe. Przedostaje się ona na drodze aktywnego transportu do krwi żyły wrotnej, która przenosi je do komórek wątroby-narządu rozdzielającego różne składniki. Nadmiar glukozy w komórkach wątroby zostaje zamieniony (przy udziale insuliny) na glikogen-wielocukier zwierzęcy nierozpuszczalny w wodzie. Krew roznosi glukozę do wszystkich komórek ciała, gdzie w mitochondriach ulega spaleniu. Nadmiar węglowodanów zostaje zmieniony na tłuszcz, który odkłada się w tkance tłuszczowej podskórnej oraz wokół narządów wewnętrznych. Człowiek nie trawi celulozy, lecz ułatwia ona trawienie i pobudza perystaltykę jelit. Trawienie białek odbywa się przez enzymy proteolityczne. Rozpoczyna się ono w żołądku z udziałem pepsyny. i jest kontynuowane w dwunastnicy, do której przedostają się enzymy trzustki. Pod wpływem endopeptydaz rozrywane są wiązania peptydowe wewnątrz cząsteczek białka, w wyniku czego powstają krótsze łańcuchy zwane peptydami. Dalsze procesy trawienia peptydów odbywają się w dwunastnicy za pomocą egzopeptydaz, które rozrywają końcowe wiązania peptydowe i odszczepiają wolne aminokwasy. Należą do nich karboksy peptydaz i aminopeptydaz odszczepiają aminokwasy z tej strony peptydu, gdzie są wolne grupy karboksylowe lub aminowe. Dzięki temu z trójpeptydów i dwupeptydów powstają aminokwasy. Enzymy powstają w żołądku i trzustce są syntetyzowane i uwalniane w postaci nieczynnych proenzymów, które uaktywniają się dopiero w przewodzie pokarmowym. Pepsyna uwalniana jest w postaci nieczynnego pepsynogenu,a trypsyna-trysynogenu. Aminokwasy przechodzą do jelita cienkiego i drogą aktywnego transportu dostają się do krwi żyły wrotnej, a następnie do wątroby. Nadmiar aminokwasu w wątrobie ulega dezaminacji, czyli odłączeniu grupy aminowej. Trujący dla organizmu amoniak zostaje w komórkach wątroby przerobiony na mocznik w tzw. cyklu mocznikowym. Następnie aminokwasy transportowane są z wątroby do wszystkich komórek ciała gdzie na rybosomach dokona się synteza białek swoistych dla danego organizmu. Tłuszcze są trawione w dwunastnicy. Lipidy nie są rozpuszczalne w wodzie natomiast enzymy lipolityczne rozpuszczają się w tłuszczach przez co działają tylko na ich powierzchni. W związku z tym przez woreczek żółciowy wydzielana jest żółć, która powoduje emulgację tłuszczu, czyli rozbicie na emulsję, przez co zwiększa powierzchnię oddziaływania enzymów trzustki-lipaz. Lipazy rozbijają cząsteczki tłuszczu na kwasy tłuszczowe i glicerol oraz produkty pośrednie: monoglicerydy i diglicerydy. Produkty hydrolizy tłuszczów przenikają na drodze aktywnego transportu z jelita cienkiego do krwi żyły wrotnej, a następnie do komórek wątroby. Nadmiar kwasów ulega w wątrobie b-oksydacji. Polega ona na enzymatycznym rozbiciu kwasu tłuszczowego na jednostki dwuwęglowe. Jednostki dwuwęglowe zostają przeniesione do cyklu Krebsa i spalone z wydzieleniem energii i wody oraz CO2. Część zemulgowanego tłuszczu przenika z dwunastnicy do limfy w formie nieshydrolizowanej przez co limfa przybiera białą barwę. Nadmiar tłuszczu odkłada się w postaci zapasowej.
Weglowodany są to organiczne związki chemiczne składające się z atomów węgla, wodoru i tlenu. Ogólnym wzorem sumarycznym węglowodanów jest CxH2yOy lub Cx(H2O)y (jednak nie bezwzględnie wszystkie węglowodany spełniają ten wzór) Ze względu na liczbę jednostek cukrowych w cząsteczce, węglowodany chemicznie dzielą się na: • cukry proste, inaczej monosacharydy (jednocukry) • dwucukry, inaczej disacharydy • trójcukry, inaczej trisacharydy • penta-, heksa-, hepta- itd. sacharydy: oligosacharydy • wielocukry czyli polisacharydy. Podział dietetyczny węglowodanów: 1) Węglowodany przyswajalne - stanowią one realne źródło energii i; należą do nich: glukoza, fruktoza, sacharoza, maltoza, laktoza, skrobia, glikogen. 2) Węglowodany nieprzyswajalne (błonnik pokarmowy, włókno pokarmowe) – nie są wykorzystywane w organizmie i zostają w całości wydalone; należą do nich: celuloza, hemiceluloza, pektyny. Węglowodany są podstawowym źródłem energii dla ludzkiego organizmu. Pokrywają one około 50-60% dziennego zapotrzebowania energetycznego człowieka. Są one łatwo przyswajalne i spalają się całkowicie na wodę oraz dwutlenek węgla. Węglowodany są niezbędne do prawidłowego spalania tłuszczów. Bez odpowiedniej ilości węglowodanów nie jest możliwe całkowite spalenie tłuszczów. Węglowodany są łatwo dostępne, gdyż występują w praktycznie każdym produkcie. Niedobór węglowodanów jest rzadkością. Jeżeli jednak już wystąpi może wywoływać nadwagę a następnie otyłość. Najwięcej cukrów znajdziemy w roślinach okopowych: ziemniakach, burakach cukrowych, ziarnach: zboża, ryżu, kukurydzy, nasionach roślin strączkowych: grochu, fasoli, bobie, soczewicy, soi oraz w owocach. Porównując; węglowodany proste znacznie szybciej dostają się do krwi niż węglowodany złożone, które wpierw muszą być rozłożone na cukry proste (glukozę). Wszystkie węglowodany, w układzie pokarmowym ulegają rozkładowi do cukrów prostych (glukozy). Dlatego z biochemicznego punktu widzenia nie ma różnicy co spożywamy, by dostarczyć do organizmu cukry. Trawienie węglowodanów umożliwiają enzymy zawarte w ślinie, sokach trzustkowych oraz w nabłonku ścian jelita cienkiego. Nadmiar węglowodanów jest przetwarzany na tłuszcz i odkładany w tkance tłuszczowej. Powoduje on także utrzymywanie się wysokich poziomów glukozy we krwi, co z kolei powoduje utrzymywanie się podwyższonych poziomów insuliny produkowanej w trzustce. Insulina jest hormonem, który ma niekorzystne działanie na organizm m.in. powoduje przyspieszony rozrost tkanki tłuszczowej, znacznie przyśpieszone procesy miażdżycowe, wypłukiwanie magnezu itp. Szczególnie groźna dla zdrowia jest tzw. efekt „huśtawki” glukozowej. Charakteryzuje go spożywanie posiłków węglowodanowych w krótkim odstępie czasu. W ten sposób podrzucamy organizmowi dużo więcej węglowodanów niż normalnie byłoby potrzeba, a także powodujemy, że nagle pojawia się sporo glukozy we krwi i w konsekwencji następuje wyrzut insuliny po to, żeby ten poziom glukozy obniżyć. Po godzinie czy dwóch wszystko wraca do normy, ale jeśli znowu zjemy jakiś węglowodan to cały proces regulacji poziomu glukozy zaczyna się od nowa. Takie ciągłe obciążanie trzustki powoduje, że możliwości produkowania insuliny są stopniowo ograniczane, co jest przyczyną cukrzycy. Funkcje węglowodanów przyswajalnych: - funkcja energetyczna – cukry są podstawowym źródłem energii bez którego nie mogą funkcjonować tkanki; są jedynym i niezbędnym źródłem energii dla erytrocytów i komórek układu nerwowego; z 1 g węglowodanów otrzymuje się 4 kcal, energia produkowana w przebiegu spalania glukozy wykorzystywana jest przede wszystkim do utrzymania termoregulacji i stałocieplności, ciągłej pracy narządów wewnętrznych oraz do pokrycia energii potrzebnej do wykonywania pracy fizycznej, - funkcja budulcowa - węglowodany stanowią substrat do wytwarzania elementów strukturalnych komórek (głównie błon komórkowych) lub substancji biologicznie czynnych (m. in.: galaktoza, celuloza), - regulacyjna – węglowodany wchodzą w skład DNA i RNA, przez co uczestniczą w ekspresji genów, modyfikacji białek i regulacji metabolizmu komórkowego, - regulacja gospodarki wodno-elektrolitowej - węglowodany nieoczyszczone wpływają na gospodarkę wodno-elektrolitową poprzez zmniejszanie wydalania wielu jonów; w nerce glukoza stanowi podstawowy element wielu pomp jonowych, - funkcja zapasowa – w organizmie ludzkim energia magazynowana jest w postaci glikogenu, - funkcja transportowa - w organizmie ludzkim funkcję transportową stanowi glukoza. Funkcje błonnika pokarmowego: - poprawa gospodarki węglowodanowej (czytaj dalej), - zwalczanie otyłości, - poprawa profilu lipidowego: obniżenie cholesterolu całkowitego i frakcji LDL oraz podwyższenie cholesterolu HDL, - wspomaganie pracy przewodu pokarmowego: przyspieszanie pasażu jelitowego i zapobieganie zaleganiu treści pokarmowej, - naturalna detoksykacja organizmu z związków szkodliwych i zbędnych metabolitów Niedobór przyswajalnych węglowodanów: - rozpad białek, - utrata jonów, w szczególności kationów sodu, - odwodnienie organizmu. Niedobór błonnika pokarmowego: - zaparcia, - miażdżyca, - otyłość, - zwiększone ryzyko kamicy żółciowej, - powstawanie uchyłkowatości jelita, - prawdopodobnie polipy i nowotwory jelita grubego, - zwiększona predyspozycja do wystąpienia raka sutka.
