Sacharidy

1. Obecná charakteristika sacharidů

Sacharidy jsou nejrozšířenější přírodní látky, které živočichové a lidé přijímají potravou. Alternativně je může organismus získat látkovou přeměnou aminokyselin (z proteinů) či glycerolu (z lipidů). Z chemického hlediska jsou sacharidy hydroxyaldehydy (aldosy) či hydroxyketony (ketosy). To znamená, že vždy obsahují skupinu hydroxylovou -OH a karbonylovou >C=O, která může mít k sobě navázané dva různé řetězce (ketosy) nebo jeden řetězec a jeden atom vodíku (aldosy).

"Připravíme si 2 zkumavky, přičemž do jedné nalijeme 3 ml vodného roztoku glukosy a do druhé stejný objem glycerolu. Do obou zkumavek následně přidáme 2 ml 1% roztoku síranu měďnatého a 3 ml 2% roztoku hydroxidu sodného. Obsahy obou zkumavek důkladně protřepeme a pozorujeme vzniklé zbarvení."

"Do zkumavky nalijeme 3 ml 1% roztoku glukosy a přidáme k němu 3 ml Fehlingova činidla. Zkumavku uchopíme do držáku a nad plamenem ji mírně zahřejeme. Pozorujeme červené zbarvení způsobené vznikem oxidu měďného."

(nahoru)

2. Vlastnosti sacharidů

Sacharidy mají funkci stavební (celulosa tvoří stěny rostlinných buněk), zásobní (škrob, glykogen) a slouží jako zdroj energie (glukosa je nejrychlejší zdroj energie). Všechny sacharidy kromě dihydroxyacetonu obsahují alespoň jeden chirální atom uhlíku C*, a tak je možné od těchto sloučenin odvodit jejich optické antipoidy (enantiomery), které stáčí rovinu lineárně polarizovaného světla. V přírodě se vyskytují sacharidy výhradně v D-konfiguraci. Žádný vztah mezi D- konfigurací a směrem stáčení lineárně polarizovaného světla však neexistuje.

Sacharid v D-konfiguraci poznáme tak, že je v jeho Fischerově vzorci (viz dále) orientována hydroxylová skupina -OH na posledním chirálním atomu uhlíku (druhým zdola) orientována vpravo. U druhého enantiomeru (L-) je tato skupina orientována vlevo.

Dehydratací sacharidů (např. koncentrovanou kyselinou sírovou) vzniká uhlík a vodní pára. Dehydrataci sacharosy vyjadřuje následující chemická rovnice:

C12H22O11 → 12 C + 11 H2O

"Do vysoké kádinky nasypeme 5 g sacharosy C12H22O11 a přilijeme k ní 5 ml koncentrované kyseliny sírové H2SO4. Můžeme pozorovat, že sacharosa nejprve hnědne (karamelizuje) a posléze uhelnatí (mění se na černý uhlík). Koncentrovaná kyselina sírová je silné dehydratační činidlo, čili odnímá vodu sacharose. Tato reakce je exotermní."



(nahoru)

3. Rozdělení sacharidů

Sacharidy můžeme rozdělit na jednoduché (monosacharidy) a složité (oligosacharidy, polysacharidy). Oligosacharidy jsou tvořené 2 – 10 monosacharidy, polysacharidy obsahují více jak 10 monosacharidů. Podle počtu monosacharidových jednotek můžeme rozdělit oligosacharidy dále na disacharidy (2), trisacharidy (3), tetrasacharidy (4) atd. Kromě toho se rozdělují sacharidy na aldosy a ketosy (viz výše).

(nahoru)

3.1 Monosacharidy

Monosacharidy jsou základní stavební jednotky všech sacharidů. Každý monosacharid se skládá z 3 - 7 uhlíkatých řetězců, a proto je lze dle počtu atomů uhlíku označit jako –triosy (3), -tetrosy (4), -pentosy (5), -hexosy (6) či -heptosy (7). Chemickou strukturu sacharidů lze zapsat pomocí různých vzorců. Fischerovy vzorce jsou vhodné pro jejich zápis, chceme-li názorně vidět orientaci jednotlivých funkčních skupin, glukosa se poté zapisuje následovně:

D-glukosa (Fischerův vzorec)

Z tohoto vzorce by bylo patrné, že molekula glukosy má volnou karbonylovou skupinu. Prováděné důkazové zkoušky však prokázaly, že tomu tak ve skutečnosti není, protože karbonyl (>C=O) přijímá atom vodíku vázaný v hydroxylové skupině na 5. atomu uhlíku (v případě glukosy) a molekula sacharidu se zacyklí prostřednictvím atomu kyslíku hydroxylové skupiny právě zmíněného 5. atomu uhlíku a 1. atomu uhlíku. Tuto vnitřní interakci znázorňují Tollensovy vzorce:

α-D-glukopyranosa a β-D-glukopyranosa (Tollensovy vzorce)

Zacyklením sacharidu se stává jeho první atom uhlíku (nejvíc nahoře) chirálním, a tak můžeme od daného sacharidu odvodit 2 enantiomery - α (-OH skupina na prvním atomu uhlíku je vpravo) a β (-OH skupina na prvním atomu uhlíku je vlevo).

Haworthovy vzorce znázorňují již skutečnou (cyklickou) strukturu sacharidů:

α-D-glukopyranosa a β-D-glukopyranosa (Haworthovy vzorce)

Orientace hydroxylových skupin a atomů uhlíku v Haworthově vzorci se určuje tak, že je-li daná částice zapsaná ve Fischerově vzorci vpravo, nachází se v Haworthově dole. Pokud je částice ve Fischerově vzorci zapsána vlevo, píše se v Haworthově nahoru.

Nejjednoduššími sacharidy jsou glyceraldehyd (aldosa) a dihydroxyaceton (ketosa). Od nich lze odvodit další sacharidy:

 D-glyceraldehyd Dihydroxyaceton

MONOSACHARIDY ŘADY ALDOS

MONOSACHARIDY ŘADY KETOS

Díky přítomnosti aldehydické skupiny (v aldosách) se mohou sacharidy snadno oxidovat (karbonyl se oxiduje na karboxyl) či redukovat (redukce karbonylu na hydroxyl):

Hydroxylové skupiny monosacharidů mohou reagovat s kyselinami za vzniku esterů. Například v molekule D-glukosy se přednostně esterifikuje poloacetalová (ta na 1. atomu uhlíku, nejvíce vpravo) a primární hydroxylová skupina na posledním uhlíkovém atomu:

Produktem této reakce je α-D-glukosa-1-fosfát. Poloacetalová skupina cyklických sacharidů může reagovat s alkoholy. Při reakci dochází k eliminaci vody a vzniku glykosidu. Zbytky reagujících molekul se spojují glykosidickou vazbou:

Produktem této reakce je methyl-α-D-glukopyranosid.

D-glyceraldehyd a dihydroxyaceton se v přírodě nevyskytují, jejich fosfáty jsou meziprodukty metabolických přeměn sacharidů.

D-ribosa a 2-deoxy-D-ribosa jsou součástí nukleových kyselin (RNA, DNA).

D-glukosa (hroznový cukr) je obsažena ve sladkých plodech, medu a vinných hroznech. Tato sloučenina je primárním produktem fotosyntézy a je základním sacharidem živočišného organismu. V lékařství se využívá jako umělá výživa. Zahřáním karamelizuje.

D-mannosa se nachází v semenech palem, skořápkách ořechů či volná v pomerančové kůře. Využívá se při léčbě infekcí močových cest, jedná se o přírodní alternativu antibiotik.

D-fruktosa (ovocný cukr) je nejsladším cukrem.

(nahoru)

3.2 Oligosacharidy

Disacharidy vznikají kondenzací dvou monosacharidových jednotek:

C6H12O6 + C6H12O6 C12H22O11 + H2O

Hydrolýzou disacharidů lze získat jednotlivé monosacharidy:

C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6

Sacharosa (řepný cukr) vzniká kondenzací glukosy a fruktosy, je neredukujícím cukrem (nemá volnou žádnou poloacetalovou hydroxylovou skupinu). Sacharosa se získává z cukrové řepy a třtiny. Zahříváním karamelizuje.

Laktosa (mléčný cukr) je tvořena monosacharidy galaktosou a glukosou, má redukční účinky. Tento cukt nalezneme v mléce savců, mateřském i kravském.

Maltosa (sladový cukr) vzniká kondenzací dvou glukos, připravuje se enzymatickou hydrolýzou škrobu.

(nahoru)

3.3 Polysacharidy

Spojením monosacharidových jednotek do dlouhých řetězců vznikají polysacharidy. Hydrolytickým štěpením polysacharidů vznikají monosacharidy.

Škrob je tvořen amylosou a amylopektinem, jeho monosacharidem je glukosa. Pro důkaz škrobu se využívá jeho reakce s jodem (vzniká modré zbarvení – částice jodu se naváží do šroubovice amylosy). Částečnou hydrolýzou se škrob štěpí na jednodušší polysacharidy (dextriny). Vyskytuje se v bramborové hlíze či obilných zrnách.

Glykogen (živočišný škrob) je zásobní polysacharid u hub, živočichů a člověka.

Celulosa je součástí bavlny, dřeva (posléze papíru) a dalších běžně užívaných látek. Její nitrací vznikají suroviny pro výrobu kolódia, celuloidu či střelné bavlny. Tato sloučenina je nejrozšířenější organickou látkou na Zemi.

(nahoru)