C U K R Y _sacharydy_.pdf

S A C H A R Y D Y (CUKRY)

Aleksander Kołodziejczyk styczeń 2007

Cukrami ( sacharydami ) nazywane są polihydroksyaldehydy i polihydroksyketony oraz niektóre

ich pochodne. Związkami o najmniejszej masie cząsteczkowej, które spełniają tę definicję to

aldehyd glicerynowy i dihydroksyaceton .

CH 2 OH

aldehyd

D -glicerynowy

dihydroksy-

aceton

CH 2 OH

W literaturze cukry znane są teŜ pod nazwą w ę glowodanów , jako Ŝe skład atomowy wielu z nich

odpowiada sumarycznemu wzorowi [C(HOH)] n . Nie jest ona jednak zalecana, poniewaŜ wzór

sumarycznych nie wszystkich cukrów jest adekwatny do wielokrotności ugrupowania C(HOH) .

RozróŜniane są dwie główne grupy cukrów :

- aldozy – homologi aldehydu glicerynowego i

- ketozy – homologi dihydroksyacetonu .

W zaleŜności od liczby atomów węgla w cząsteczce cukru , dzielą się one na: tri ozy , tetr ozy ,

pent ozy , heks ozy i heptozy . Warto zwrócić uwagę na to, Ŝe nazwa składa się z liczebnika

podającego liczbę atomów węgla i charakterystycznej dla cukrów końcówki – oza .

Inny podział cukrów oparty jest na ich zdolności do kondensacji (polimeryzacji). Sacharydami

prostymi nazywane są cukry , które ulegają hydrolizie . Do cukrów prostych naleŜy aldehyd

glicerynowy ( gliceroza ), ryboza , glukoza , fruktoza i wiele innych. JeŜeli cząsteczka cukru składa

się z dwóch lub więcej reszt cukrów prostych to naleŜy on do sacharydów zło Ŝ onych . Jego

hydroliza prowadzi do cukrów prostych . Najbardziej znanymi cukrami zło Ŝ onymi są celuloza i

skrobia . Cukier złoŜony z dwóch reszt cukrów prostych nazywany jest dicukrem

( disacharydem ). Dicukrem jest laktoza , maltoza , cukroza i wiele innych.

Cukry mogą naleŜeć do szeregu D lub L . PrzynaleŜność do odpowiedniego szeregu determinuje

konfiguracja ostatniego chiralnego atomu węgla. Do szeregu D naleŜą te homologi aldehydu D -

glicerynowego lub dihydroksyacetonu , które zawierają fragmenty HO-C-H pomiędzy grupą

karbonylową i kolejnym atomem węgla.

CH 2 OH

aldehyd

D -glicerynowy

dihydroksy-

aceton

CH 2 OH

(CHOH) n

D -aldozy

D -ketozy

CH 2 OH

Analogicznie wyglądają szeregi L - aldoz i L - ketoz . Cukry szeregu D są bardziej

rozpowszechnione w przyrodzie niŜ szeregu L .

Wyst ę powanie

Do popularnych cukrów zaliczają się D -ryboza , D -galaktoza , D -mannoza i D -fruktoza . Miód jest

mieszaną D -glukozy i D -fruktozy . Pośród nielicznych naturalnych cukrów prostych szeregu L

znajduje się L -arabinoza i L -galaktoza . Wolne triozy nie zostały wykryte w przyrodzie, występują

jednak w Ŝywych komórkach w postaci fosforanów. RównieŜ nie znaleziono wolnych tetroz .

Fosforylozowana erytroza bierze udział w procesach biochemicznych.

D -Glukoza i D -fruktoza są produkowane przez rośliny zielone w procesie fotosyntezy z CO 2 i

wody. Inne cukry powstają w wyniku transformacji głównie D -glukozy . D -Glukoza występuje w

wielu owocach, we krwi, stanowi teŜ wyłączne źródło energii dla mózgu.

Wolne cukry spotyka się w owocach lub innych częściach roślin, np. w łodygach (trzcina

cukrowa), korzeniu (buraki) czy w kwiatach (nektar). W mleku znajduje się laktoza ( cukier

mleczny ), który jest dimerem D -glukozy i D -galaktozy . W słodzie (w kiełkujących zboŜach)

pojawia się inny dimer, złoŜony tylko D -glukozy – maltoza ( cukier słodowy ). Powstaje on w

wyniku hydrolizy skrobi . Skrobia , podobnie jak i celuloza oraz glikogen są polimerami D -

glukozy . Celuloza stanowi około 80% suchej masy roślin wyŜszych. Wiele innych produktów

roślinnych naleŜy do cukrów zło Ŝ onych , czyli polimerów cukrów prostych , w tym łupiny

orzechów, gumy roślinne, wyciągi typu agaru, dekstrany, pektyny i inne.

D -Ryboza i D -dezoksyryboza w postaci nukleotydów są składnikami kwasów nukleinowych :

RNA i DNA . Znajdują się więc we wszystkich komórkach organizmów Ŝyjących i martwych.

Znane są takŜe naturalne analogi cukrów , np. dezoksycukry ( D -dezoksyryboza ), aminocukry ( D -

glukozoamina czy D -galaktozoamina ). Pośród pochodnych cukrów do najpopularniejszych

naleŜą glikozydy (np. amigdalina czy salicyna ), alditole ( D -glucitol , zwany teŜ sorbitolem , D -

mannitol ) oraz kwasy ( D -glukonowy , D -glukuronowy , D -galakturonowy ).

Cukry razem z innymi grupami związków tworzą substancje czynne, bardzo waŜne dla Ŝycia, np.

glikoproteiny i glikolipidy . Na powierzchniach komórek, w tym erytrocytów, występują

oligocukry , pełniące rolę determinantów antygenowych . Skład tych oligocukrów decyduje o

grupach krwi.

Funkcja jaką pełnią cukry w procesach biochemicznych polega na tym, Ŝe stanowią one materiał

budulcowy, substancje zapasowe, przenośniki informacji, substancje znakujące (determinanty,

kwas sjalowy ), a takŜe podstawowy, obok białek i tłuszczów składnik poŜywienia.

Nomenklatura

Cukry są znane pod nazwami zwyczajowymi, poniewaŜ ich nazwy systematyczne są zbyt

skomplikowane. Często do nazwy cukru dodaje się końcówkę -furanoza lub -piranoza , które

informują o wielkości pierścienia hemiacetalowego cząsteczki cukru , np. D- glukopiranoza .

Przykłady cukrów prostych

szereg D -aldoz

aldehyd D -glicerynowy

CHO

CH 2 OH

jedna D -aldotrioza

CHO

CH 2 OH

dwie D -aldotetrozy

(+)-erytroza (-)-treoza

CH 2 OH

CHO

cztery D -al-

dopentozy

CH 2 OH

(-)-ryboza (-)-arabinoza (+)-ksyloza (-)-liksoza

CHO

CH 2 OH

osiem

D -aldoheksoz

CH 2 OH

(+)-alloza (+)-altroza (+)-glukoza (+)-mannoza (+)-guloza (+)-idoza

(+)-galaktoza (+)-taloza

Szereg D -ketoz

CH 2 OH

1 ketotrioza

jedna D -ketotetroza

CH 2 OH

dihydroksyaceton

D -erytruloza (tetruloza)

CH 2 OH

dwie D -ketopentozy

CH 2 OH

D -rybuloza D -ksyluloza

CH 2 OH

cztery D -keto-

heksozy

CH 2 OH

D -piskoza D -fruktoza D -sorboza D -tagatoza

Podobne szeregi moŜna utworzyć dla L - aldoz i L - ketoz . Najpopularniejszym cukrem prostym jest

D -glukoza .

Wła ś ciwo ś ci fizyczne i fizjologiczne

Triozy są syropami, ale tworzą krystaliczne dimery. Dimer aldehydu glicerynowego jest trudno

rozpuszczalny w wodzie. Erytroza jest takŜe syropem dobrze rozpuszczalnym w wodzie i w

etanolu. Wy Ŝ sze c ukry proste są substancjami krystalicznymi, chociaŜ krystalizacja niektórych z

nich moŜe nastręczać trudności z uwagi na tendencję cukrów do tworzenia syropów. W

roztworze łatwo izomeryzuj ą (tworzą anomery i epimery), co utrudnia ich krystalizację. Wy Ŝ sze

c ukry proste dobrze rozpuszczają się w wodzie, trudno w rozpuszczalnikach organicznych, w

tym w etanolu. Wiele cukrów ma właściwości hygroskopijne, tzn. chłoną wilgoć z powietrza, w

skutek czego zlepiają się, zbrylają, a nawet rozpływają się w postaci syropu.

Większość cukrów prostych ma słodki smak. Najbardziej słodka jest D-fruktoza , potem D-

glukoza , a następnie cukroza ( sacharoza ) – dicukier otrzymywany z trzciny cukrowej lub

buraków cukrowych, stosowany w codziennym uŜytku do słodzenia potraw. D-Fruktoza jest

ponad 5 razy słodsza od cukrozy . Stosując ją do słodzenia potraw moŜna znacznie obniŜyć ich

kaloryczność. Jeszcze większa redukcja kaloryczności, głównie napojów, jest moŜliwe poprzez

uŜycia do słodzenia tzw. słodzików . Najpopularniejszymi słodzikami są sacharoza ( zwi ą zek

aromatyczny ) i aspartam ( dipeptyd ). Aspartam jest 200 razy słodszy od cukrozy . Znane są białka

tysiące razy słodsze niŜ cukroza , jednak słodki smak tej ostatniej jest dla większości ludzi

najprzyjemniejszy. Słodziki nie mogą zastąpić cukrów w wypiekach, poniewaŜ podczas

pieczenia dochodzi do reakcji cukrów z aminokwasami i powstają cenne związki aromatyczne i

smakowe, co jest niemoŜliwe przy udziale słodzików.

Pytanie : dlaczego miód jest znacznie słodszy od cukrozy?

Chiralno ść

Dihydroksyaceton jest związkiem achiralnym. Aldehyd glicerynowy i ketotetroza zawierają po

jednym centrum chiralnym, wy Ŝ sze cukry mają ich odpowiednio więcej.

aldehyd D-glicerynowy ( gliceroza )

CHO

HOH 2 C

CH 2 OH

w projekcji Fischera w projekcji Newmana

+ H

H OH

CH 2 OH

hemiacetal

D -glukoza

forma otwartoła ń cuchowa

anomer

Wy Ŝ sze cukry mają tendencje do tworzenia cyklicznych układów hemiacetalowych , w wyniku

czego powstają nowe centrum chiralne. W trakcie zamykania pierścienia hemiacetalowego

pojawiają dwa nowe stereoizomery nazywane anomerami . Anomery są trwałe w stanie

krystalicznym, w roztworze zaś dochodzi do przemiany jednego w drugi i wytwarza się stan

równowagi. Przejście jednego anomeru w drugi, zwane mutarotacj ą jest katalizowane zarówno

kwasami, jak i zasadami i biegnie poprzez form ę otwart ą (karbonylową). W obojętnym wodnym

roztworze glukozy stęŜenie formy aldehydowej jest tak małe ( 0,02% ), Ŝe pasmo adsorpcji grupy

aldehydowej w widmie UV jest niewidoczne. Po zakwaszeniu pojawia się pasmo adsorpcji w

zakresie 184 nm , typowe dla niesprzęŜonego karbonylu. Tak więc katalityczne działanie kwasów

w procesie anomeryzacji polega na ułatwieniu otwierania się pierścienia hemiacetalowego.

Reakcja tworzenia się hemiacetali jest katalizowane wyłącznie przez kwasy.

Przekształcanie wzorów otwartej formy cukrów w hemiacetalowe pier ś cienie

Na rysunku pokazane jest procedura przekształcania wzoru cukru z formy łańcuchowej w

pierścień hemiacetalowy. Postępujemy wg następującej kolejności. Zaczynamy od zagięcia końca

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: