Wykorzystanie i znaczenie cukrów

Z cukrami spotykamy się ciągle w życiu codziennym, czasem nawet nie zdając sobie z tego sprawy. Nie zastanawiamy się czym są, z czego są zbudowane i jaka jest ich funkcja w naszym organizmie. Słysząc słowo „cukry” myślimy tylko o białych kryształkach w cukiernicy. Nie zdajemy sobie nawet sprawy, że to wszystko jest tylko malutką częścią związków o podobnej strukturze i niezwykle istotnych właściwościach biologicznych. Oto wszystkie ważne i mniej ważne informacje o cukrach, inaczej zwanych węglowodanami.

Węglowodany są szeroko rozpowszechnione w przyrodzie i odgrywają bardzo dużą rolę w procesach życiowych organizmów żywych. Cukry powstają w przyrodzie w zielonych częściach roślin z dwutlenku węgla i wody w procesie fotosyntezy. Wytwarzane w ten sposób związki stanowią główny materiał budulcowy i zapasowy organizmów roślinnych, stanowią ok. 80% suchej masy roślin. Zawartość cukrów w organizmach zwierzęcych jest znacznie mniejsza i wynosi ok. 2% ich suchej masy. Z tego względu syntezowane przez rośliny cukry są ważnymi substancjami pokarmowymi dla organizmów zwierzęcych oraz dla człowieka. Z cukrów, które wchodzą w skład błon komórkowych roślin poprzez obróbkę sporządza się różne tkaniny, papier, włókna sztuczne, materiały i wiele innych.
Nazwa węglowodany powstała w związku z tym, że początkowo znano zaledwie te człony tej klasy substancji, które pod względem składu były jak gdyby związkami węgla i wody.

Węglowodany dzielą się na dwie duże grupy:
- węglowodany proste
- węglowodany złożone

Ogólne właściwości fizyczne

Są to substancje stałe o charakterze obojętnym, łatwo rozpuszczalnymi w wodzie, o słodkim smaku. Roztwory monosacharydów, zdolnych do przechodzenia w odmianę cykliczną, mają jedną interesującą własność: odznaczają się czynnością optyczną, która w miarę przechowywania tych roztworów zmienia się dopóty, dopóki nie osiągnie określonej wartości.

Ogólne właściwości chemiczne

Cukry proste ulegają utlenianiu w środowisku obojętnym, słabokwaśnym lub alkalicznym. Tworzą etery i estry oraz glukozydy.

Ze względu na budowę wyróżniamy: Cukry proste - monosacharydy (jednocukry: glukoza, fruktoza, galaktoza) - są proste w budowie i stanowią podstawowy składnik węglowodanów. Cukry złożone które dzielą się jeszcze na: Dwucukry - disacharydy (dwucukry) - Składają się z dwóch jednocukrów. Przykładami dwucukrów są cukier kuchenny (sacharoza), który zbudowany jest z fruktozy i glukozy cukier mleczny (laktoza), która składa się z galaktozy i glukozy, a także maltoza składająca się z dwóch cząsteczek glukozy, oraz celobioza składająca się z dwóch cząsteczek glukozy połączonych wiązaniem b-glikozydowym.. Wielocukry - polisacharydy – w ich skład wchodzi wiele jednocukrów. Przykładem może tu być skrobia (chleb, owoce, ziarno, makaron, ryż) także celuloza.

Nazwa cukry obejmuje wiele związków nie zawsze słodkich. Cukry proste to np. glukoza i fruktoza, mające wzór: C6H12O6. Cukry to alkohole wielowodorotlenowe. W strukturze związku przeważa forma pierścieniowa. Niewielka różnica w strukturze sprawia, że tworzą inne reakcje chemiczne. Dwucukier, np. sacharoza (dwa cukry połączone ze sobą wiązaniem glikozydowym, glukoza + fruktoza = sacharoza).
Na podstawie liczby atomów węgla monosacharydy dzieli się na:
- tetrozy (zawierające 4 atomy węgla)
- pentozy (zawierające 5 atomów węgla)
- heksozy (zawierające 6 atomów węgla)
- heptozy (zawierające 7 atomów węgla) itd.

W cząsteczkach monosacharydów znajdują się asymetryczne atomy węgla.

GLUKOZA

Glukoza to cukier gronowy. Znajduje się w sokach roślinnych, miodzie, owocach, kwiatach. U zwierząt i ludzi gromadzona jest w postaci formy zapasowej (glikogenu) w mięśniach i wątrobie. We krwi człowieka stanowi ok. 0,1%. Jest związkiem szeroko rozpowszechnionym w przyrodzie. Powstaje w roślinach zielonych w procesie fotosyntezy: 6 CO2 + 6 H2O -> C6H12O6 + 6 O2
Jest podstawowym źródłem energii w organizmach zwierzęcych. Jest rozprowadzana prze krew do komórek, gdzie ulega wieloetapowym przemianom. W końcowym etapie, wskutek doprowadzania dostatecznie dużej ilości tlenu, następuje jej całkowite utlenianie i wydzielanie bardzo dużej ilości energii. Dzięki tej energii komórki wykonują pracę i organizm prawidłowo funkcjonuje. Jeśli organizm jest niedotleniony, nie następuje utlenienie glukozy, nie wydziela się energia komórki i nie wykonuje pracy- organizm odczuwa zmęczenie.
Równanie reakcji biologicznego utleniania glukozy jest następujące:
C6H12O6 + 6O2 -> CO2 + H2O + 36 ATP

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

	H     H    H     OH  H            O	Wzór strukturalny glukozy

		             H      *C   *C  *C   *C   *C    C

			OH   OH  OH  H  OH         H

Na skalę przemysłową glukozę otrzymuje się przez hydrolizę skrobi ziemniaczanej za pomocą kwasów.
Glukoza ma bardzo szerokie zastosowanie. Z powodu swojego słodkiego smaku jest stosowana w przemyśle spożywczym do wyrobu likierów, cukierków, marmolad, sztucznego miodu, kompotów, galaretek owocowych itd. W lecznictwie ma zastosowanie jako najłatwiej przyswajalny przez organizm środek spożywczy (w formie zastrzyków i innej). Poza tym służy jako surowiec do otrzymywania szeregu innych związków.

FRUKTOZA

Fruktoza jest najważniejszą z ketoheksoz. Jest szeroko rozpowszechniona w przyrodzie. Występuje w roślinach, zarówno w stanie wolnym, jak i w postaci związanej w dwucukrach (sacharozie) i w niektórych polisacharydach. W stanie wolnym występuje w słodkich owocach i w miodzie. Fruktoza jest substancją stałą o temperaturze topnienia 102-104o C. Rozpuszcza się w wodzie lepiej niż glukoza.

Właściwości redukujące fruktozy są słabe. Fruktozę można odróżnić od glukozy za pomocą reakcji zwodą bromową w obecności wodorowęglanu sodu, której glukoza nie daje. Podobnie jak glukoza, fruktoza występuje w dwóch odmianach łańcuchowej i pierścieniowej. Fruktoza pod wpływem drożdży, podobnie jak glukoza, łatwo ulega fermentacji alkoholowej.

	  CH2OH

	C=O	Wzór strukturalny fruktozy

        HO – C – H 	

         H – C – OH

	H – C – OH

	CH2OH      

Fruktozę podobnie jak glukozę organizm łatwo przyswaja i z tego względu stosowana jest ona jako składnik odżywczy w niektórych preparatach.

GALAKTOZA - składnik cukru mlekowego - laktozy, rzadko występuje w stanie wolnym.

MANNOZA - składnik cukrowców połączonych z białkami.

SACHAROZA - cukier trzcinowy lub buraczany. Jest powszechnie używany do słodzenia napojów i potraw.

LAKTOZA - cukier zawarty w mleku.

MALTOZA - cukier słodowy (słód zawarty jest w ziarnach zbóż jęczmienia)

SKROBIA - zawarta jest w ziarnach zbóż, ziemniakach, nasionach roślin strączkowych (grochu, fasoli). Jest substancją zapasową roślin, zbudowana z jednostek α - glukozy. Skrobia magazynowana jest u roślin w postaci ziaren w organellach zwanych plastydami. Hydroliza skrobii i uwalnianie glukozy zaspokaja zapotrzebowanie komórki na energię niezbędną do aktywności metabolicznej.

CELULOZA - jest elementem strukturalnym ścian komórkowych, otaczających komórkę roślinną. Nie rozpuszcza się w wodzie i zbudowana jest z cząsteczek glukozy, ale połączonych innym typem wiązań niż skrobia. Ludzie nie mają enzymów umożliwiających trawienie celulozy, jest ona jednak niezbędnym elementem pożywienia, jako tzw. składnik włókna w diecie, ułatwiającego właściwe funkcjonowanie przewodu pokarmowego. Celuloza stosuje się w papiernictwie, jedwabie sztucznym, lakierach.

Celuloza, pektyny, hemicelulozy, lignina, gumy i śluzy stanowią tzw. błonnik. Nie jest on trawiony w przewodzie pokarmowym człowieka ze względu na brak odpowiednich enzymów. Ma bardzo duże znaczenie, choć nie pełni funkcji odżywczej. Usprawnia perystaltykę jelit, dzięki czemu zapobiega zaleganiu pokarmu i jego gniciu. Ma także zdolność wiązania wody, zwiększa więc objętość kału zapobiegając nowotworom jelita grubego. Absorbuje na swojej powierzchni cholesterol, działając przeciw-miażdżycowo. Błonnik jest też pożywką dla bakterii symbiotycznych żyjących głównie w jelicie grubym. Bakterie te są źródłem cennych witamin, aminokwasów i hormonów.

Wytwarzanie włókien sztucznych jest najważniejszą gałęzią przemysłu opartego na przeróbce celulozy. Do najbardziej uszlachetnionych produktów przerobu celulozy zalicza się tzw. jedwab sztuczny, podobny pod wieloma względami do jedwabiu naturalnego (substancji białkowej wytwarzanej przez gąsienice jedwabników). Zasada otrzymywania włókna jedwabiu sztucznego (celulozowego) polega na przeprowadzeniu celulozy w roztwór, a następnie na przetłaczaniu tego roztworu przez cieniutkie otworki, tzw. filiery, do kąpieli, w której otrzymuje się cieniutką nić włókna celulozowego.

W zależności od metody otrzymywania włókna celulozowego rozróżnia się kilka jego gatunków, między innymi jedwab wiskozowy i octanowy. Większość jedwabiu sztucznego otrzymywano do niedawna metodą wiskozową.

Jedwab wiskozowy jest jednym z najstarszych włókien sztucznych. Działając na celulozę drzewną wodorotlenkiem sodowym, otrzymuje się tzw. alkalicelulozę, która oddziela się od innych rozpuszczalnych składników drewna. Następnie działając na alkalicelulozę dwusiarczkiem węgla, otrzymuje się rozpuszczalną formę celulozy, tzw. ksantogenian celulozy. Po rozpuszczeniu ksantogenianu celulozy w rozcieńczonym wodorotlenku sodowym powstaje gęsta żółtawa masa o dużej lepkości, tzw. wiskoza. Stąd nazwa otrzymywanego jedwabiu. Wiskozę przetłacza się przez małe otworki do kąpieli kwasu siarkowego.

Przez działanie kwasu siarkowego na wiskozę wytrąca się celuloza w postaci cieniutkich nitek. Otrzymane włókno zostaje przerobione na przędze i na tkaniny. Włókna wiskozowe zastępują jedwab naturalny i bawełnę.

Jedwab octanowy. Poddając szlachetne gatunki celulozy działaniu bezwodnika octowego otrzymuje się w wyniku reakcji estryfikacji trójoctan celulozy. On poddaje się częściowej hydrolizie w celu otrzymania łatwo rozpuszczalnego octanu celulozy, czyli acetylocelulozy. Ją rozpuszcza się w acetonie, następnie przeciska przez filierki do komór, przez które przepływa ciepłe powietrze. Aceton wyparowuje i pozostają cienkie nitki jedwabiu octanowego.

Jedwab octanowy ma estetyczny wygląd, jest błyszczący, przyjemniejszy w dotyku i bardziej trwały niż jedwab wiskozowy. Obok przędzy wiskozowej i octanowej produkuje się znaczne ilości włókien ciętych, które przerabia się podobnie jak bawełnę i wełnę. Materiały otrzymane w ten sposób są podobne do wyrobów z wełny lub bawełny. Jedwab celulozowy ma tę przewagę nad jedwabiem wiskozowym, będącym czystą celulozą, e jest mniej higroskopijny i posiada większą trwałość.

Węglowodany powinny stanowić w przybliżeniu 60% zapotrzebowania kalorycznego. Dlatego, przeliczając to na 3000 kalorii dziennego zapotrzebowania równa się to 1800 kaloriom otrzymanym z węglowodanów.

Jeśli ilość dostarczanych węglowodanów jest niewystarczająca, organizm zaczyna zużywać białko jako substrat energetyczny, nawet do tego stopnia, że spalane są tkanki mięśni w tym celu.

Cukier jest wchłaniany do krwiobiegu w przeciągu minut. Spożycie dużej ilości cukru zaraz przed wysiłkiem może nawet uniemożliwić jego wykonanie. Dochodzi wtedy do ogromnego wzrost stężenia cukru we krwi. To z kolei zmusza trzustkę do wydzielenia dużych ilości insuliny, która jest potrzebna do metabolizmu cukru. Cała ta insulina hamuje metabolizm tłuszczu w mięśniach. Dlatego mięśnie zaczynają wykorzystywać glikogen, który jest w ograniczonym zapasie. Insulina prowadzi do zmniejszenia poziomu cukru we krwi, który i tak został już obniżony poprzez mięśnie wykorzystujące glikogen do produkcji energii. W końcu dochodzi do sytuacji, kiedy stężenie cukru we krwi jest na tyle niskie, że powoduje nie tylko zmęczenie, ale nawet zawroty głowy.

Cukrzyca, przewlekła choroba przemiany materii dotycząca pierwotnie metabolizmu węglowodanów, a wtórnie tłuszczów i białek. Zaburzenie przemiany węglowodanowej wskutek upośledzenia czynności wydzielniczej wysp trzustkowych wytwarzających insulinę; leczenie gł. przez odpowiednią dietę i podawanie insuliny lub doustnych środków przeciwcukrzycowych.

Zawartość węglowodanów w pożywieniu jest konieczna do prawidłowego przetwarzania tłuszczów, lecz ich nadmiar prowadzi do otyłości. 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.