Cukry proste, dwucukry i wielocukry.

Cukry, skrobia i celuloza należą do grupy związków chemicznych zwanych węglowodanami.
Ich cząsteczki zbudowane są z atomów węgla, wodoru i tlenu występujących w przybliżonym stosunku ilościowym: jeden atom węgla : dwa atomy wodoru : jeden atom tlenu. Można to schematycznie przedstawić jako ( CH2O)n.
Nazwa węglowodany nawiązuje do ilościowego stosunku wodoru i tlenu - jest on taki sam, jak w wodzie i wynosi 2:1. Kiedyś nazywano te związki wodzianami węgla.
Węglowodany, ze względu na budowę, możemy podzielić na:
- monosacharydy ( cukry proste) zbudowane z jednej jednostki cukrowej;
- disacharydy ( dwucukry) zbudowane z dwóch jednostek cukrowych
- polisacharydy ( wielocukry) zbudowane z wielu jednostek cukrowych.

Monosacharydy są prostymi cukrami, których cząsteczki zawierają od 3 do 7 atomów węgla.
Najprostszymi cukrami są triozy, w cząsteczkach których występują 3 atomy węgla. Przykładem takiego cukru występującego w organizmach żywych jest aldehyd glicerynowy, którego pochodna fosforanowa jest jednym z pierwszych metabolitów glukozy w procesie oddychania komórkowego.
Najczęściej występującymi cukrami zbudowanymi z 5 atomów węgla, zwanych pentozami, są rybozy i dezoksyrybozy - składniki kwasów RNA i DNA oraz ich pochodnych.
Heksozy, czyli cukry 6-węglowe, to głównie glukoza, fruktoza i galaktoza.

Glukoza.
Jest to najczęściej występujący monosacharyd o wzorze sumarycznym C6H12O6, kluczowy cukier w metabolizmie istot żywych. Glony i rośliny wytwarzają go z dwutlenku węgla i wody wykorzystując jako źródło energii światło słoneczne, w procesie fotosyntezy, zgodnie ze wzorem 6 CO2 + 6 H2O C6H12O6 + 6 O2 .
Z kolei w procesach oddychania komórkowego dochodzi do rozerwania wiązań chemicznych w cząsteczce glukozy i uwolnienia zmagazynowanej w nich energii, która zostaje wykorzystana w innych, energochłonnych procesach życiowych.
Glukoza służy także jako substart w procesach syntezy innych typów związków, takich jak aminokwasy czy kwasy tłuszczowe.
W cząsteczce glukozy do każdego atomu węgla, z wyjątkiem jednego, dołączona jest grupa wodorotlenowa. Atom ten łączy się podwójnym wiązaniem z tlenem, tworząc grupę karbonylową. Znajduje się ona na końcu sześciowęglowego łańcucha, glukoza jest więc aldehydem. Jeżeli grupa karbonylowa występuje wewnątrz łańcucha, monosacharyd jest ketonem. Umownie przyjęto, że atomy węgla cukrów w formie łańcuchowej numeruje wię od końca, przy którym występuje grupa karbonylowa.
Glukoza i fruktoza są izomerami strukturalnymi. Oznacza to, że mają takie same wzory cząsteczkowe, lecz inny układ atomów w cząsteczce. W cząsteczce fruktozy tlen łączy się podwójnym wiązaniem z węglem występującym wewnątrz łańcucha, a nie z węglem końcowym, jak to ma miejsce w glukozie.
Odmienne ułożenie atomów w cząsteczce glukozy i fruktozy powoduje, że oba cukry mają różne właściwości chemiczne. Fruktoza jest np. znacznie słodsza.
Glukoza i galaktoza różnią się między sobą w inny sposób. Oba są heksozami i aldehydami, jednak mają odmienne podstawniki wokół atomu węgla 4. Ponieważ węgiel ten jest asymetryczny, oba cukry są enancjomerami ( są to stereoizomery, których cząsteczki wyglądają jak odbicie lustrzane)
Cząsteczki opisywanych heksoz nie są płaskie, lecz mają strukturę trójwymiarową, co w dużym stopniu generuje ich właściwości. Cząsteczki glukozy i innych monosacharydów nie występują w roztworze w postaci prostych łańcuchów węglowych, lecz tworzą formy pierścieniowe w wyniku połączenia wiązaniem kowalencyjnym atomu węgla 1 z atomem tlenu przy węglu 4 lub 5. W pierścieniu glukozy węgiel 1 jest asymetryczny, możliwe jest więc powstanie 2 izomerów różniących się jedynie położeniem grupy wodorotlenowej (-OH).
Forma, w której grupa wodorotlenowa leży pod płaszczyzna pierścienia nazwana została jako a-glukoza, natomiast forma z tą grupa pod płaszczyzną pierścienia jako b-glukoza.

Reakcje charakterystyczne dla glukozy, pozwalające wykryć ją w roztworze, to próba Trommera : nie znam tego
oraz próba Tollensa : utlenienie grupy aldehydowej węglowodanu do odpowiedniego kwasu przy pomocy amoniakalnego roztwory wodorotlenku srebra (odczynnik Tollensa)

RCHO + 2 Ag(NH3)2OH → RCOONH4 + 2 Ag↓ + H2O + 3 NH3




Rola glukozy w metabolizmie jest tak istotna, że jej stężenie we krwi ludzi i zwierząt wyższych utrzymywane jest na względnie stałym poziomie dzięki mechanizmom homeostatycznym.
U zdrowego człowieka poziom glukozy we krwi wynosi 80-100mg%. Znaczny spadek tego poziomu określany jest jako hipoglikemia (niedocukrzenie). Może ona być spowodowana przedawkowaniem insuliny lub nadmierną jej produkcją przez komórki trzustki. Jeśli poziom glukozy we krwi spadnie drastycznie to komórki mózgowe odcięte zostaną od dostawy energii. Może wówczas dojść do tzw. szoku insulinowego, który obejmuje ogólne osłabienie, przyspieszone tętno, poty, spadek ciśnienia tętniczego, drżenie rąk a niekiedy nawet drgawki całego ciała. W skrajnych przypadkach może dojść do utraty przytomności a nawet do śmierci.
Proces przeciwstawny, czyli wysokie stężenie glukozy we krwi ( od 300 do 1000mg%) określane jest jako hiperglikemia. Jest ona na ogół spowodowana poważnym zaburzeniem w metabolizmie węglowodanów, prowadzącym do choroby zwanej cukrzycą. W stanie zaawansowanym może ona doprowadzić do utraty wzroku, zaburzeń czynności nerek, zamian naczyniowych i neurologicznych i wielu innych.
Na cukrzycę choruje około 10 milionów ludzi, z których 40 tysięcy umiera tylko w Stanach Zjednoczonych.
Widać z tego bardzo wyraźnie, jak ważną rolę pełni w organizmie glukoza
Najmodniejsza ostatnio dieta odchudzająca, zwana dietą Atkinsa lub Kwaśniewskiego, którzy obaj opracowali ją niezależnie od siebie, opiera się właśnie na stężeniu glukozy we krwi.
Poziom glukozy stymuluje ośrodek głodu znajdujący się w mózgu. Dlatego, jeżeli jemy dużo białek i tłuszczy, dostarczamy organizmowi energii i budulca. Eliminując z diety węglowodany, czyli w efekcie końcowym glukozę, nie odczuwamy uczucia głodu i praktycznie jemy mniej. Według obu autorów taki sposób odżywiania nie powoduje skutków ubocznych w postaci spadku stężenia glukozy we krwi, ponieważ pewne jej ilości znajdują się w pochodnych tłuszczów i białek. Te dwa typy związków można jeść do woli. Dieta ta ma na świecie bardzo wielu zwolenników.


Disacharydy zbudowane są z dwóch połączonych kowalencyjnie monosacharydów. Wiązanie pomiędzy jednostkami cukrowymi nosi nazwę wiązania glikozydowego. Powstaje ono pomiędzy atomem węgla 1 cząsteczki cukru a atomem węgla 4 drugiej cząsteczki.
Disacharyd maltoza składa się z dwóch połączonych kowalencyjnie jednostek a-glukozy.




Sacharoza, cukier używany do słodzenia, zbudowany jest z jednej cząsteczki glukozy i cząsteczki fruktozy.


Laktoza, cukier obecny w mleku, to połączenie cząsteczki glukozy i galaktozy.
Disacharydy mogą ulegać hydrolizie, czyli rozszczepieniu na dwie cząsteczki cukrów prostych z przyłączeniem cząsteczki wody. Dzieje się tak np. w procesie trawienia, w którym maltoza ulega hydrolizie do dwóch cząsteczek glukozy :
maltoza + woda glukoza + glukoza
a sacharoza :
sacharoza + woda glukoza + fruktoza

Polisacharydy czyli wielocukry to przede wszystkim skrobia, glikogen i celuloza.
Makrocząsteczki polisacharydów utworzone są z wielu jednostek monosacharydów, najczęściej glukozy. Liczba tych jednostek jest zmienna, najczęściej jest ich kilka tysięcy.
Łańcuchy polisacharydowe mogą być utworzone przez różne izomery glukozy, których cząsteczki mogą być połączone w różny sposób, ponadto łańcuchy te mogą być rozgałęzione lub proste. Różnice w budowie łańcucha decydują o właściwościach wielocukru.
Skrobia - główna substancja zapasowa roślin zbudowana jest z jednostek a-glukozy. Występuje ona w dwóch formach : amylozy i amylopektyny. Cząsteczki amylozy są nierozgałęzione, natomiast bardziej rozpowszechniona w przyrodzie amylopektyna zbudowana jest z około tysiąca jednostek glukozy tworzących łańcuchy rozgałęzione.
Hydroliza skrobi i uwolnienie glukozy dostarcza komórkom istot żywych energię niezbędna do aktywności metabolicznej.
Glikogen - jest to materiał zapasowy tkanek zwierzęcych. Czasami nazywany jest skrobią zwierzęcą. Jego cząsteczki są silnie rozgałęzione i łatwiej rozpuszczalne w wodzie niż cząsteczki skrobi. Glikogen gromadzony jest głownie w komórkach wątroby i mięśni.
Węglowodany są najbardziej rozpowszechnionymi związkami organicznymi na Ziemi. Wśród nich najpospolitsza jest celuloza. Ponad 50% węgla występującego w roślinach zawarte jest w celulozie. Na przykład drewno jest w połowie zbudowane z celulozy, a bawełna zawiera jej prawie 90%. Głównym składnikiem ścian komórkowych, charakterystycznych dla komórek roślinnych, jest właśnie celuloza.
Celuloza jest polisacharydem nierozpuszczalnym w wodzie, zbudowanym, podobnie jak skrobia, z cząsteczek glukozy, połączonych jednak innym typem wiązania.
Ludzie, podobnie jak większość zwierząt, nie mają enzymu umożliwiającego trawienie celulozy, nie mogą więc wykorzystywać jej jako substancji odżywczej. Celuloza jest jednak niezbędnym składnikiem diety, jako tzw. włókna ułatwiające właściwe funkcjonowanie przewodu pokarmowego.
Niektóre mikroorganizmy, posiadające zdolność rozkładania celulozy do cząsteczek b-glukozy żyją w przewodzie pokarmowym krów i owiec, umożliwiając tym zwierzętom wykorzystanie celulozy jako pokarmu.
Wiele pochodnych węglowodanów pełni bardzo istotną rolę biologiczną.
Np. chityna stanowi główny budulec pancerzy stawonogów.
Heparyna, związek przeciwdziałający krzepnięciu krwi u ssaków, oraz substancje grupowe krwi to też polisacharydy.
W połączeniu z białkami węglowodany tworzą glikoproteiny, a w połączeniu z tłuszczami - glikolipidy. Obie grupy związków są bardzo ważnym składnikiem komórek.
Podsumowując zebrane wiadomości należy jeszcze zaznaczyć, że węglowodany stanowią około 80 % suchej masy roślin i około 2% suchej masy zwierząt, z czego większość stanowią polisacharydy.