cukry proste
Cukry proste, jednocukry, monosacharydy – organiczne związki chemiczne o ogólnym wzorze sumarycznym CnH2nOn, zaliczane do grupy cukrowców (sacharydów, węglowodanów), które nie ulegają hydrolizie do prostszych cząsteczek pod wpływem rozcieńczonych kwasów.
Cukry proste, w zależności od budowy, zróżnicowane są na aldehydy polihydroksylowe (tzw. aldozy) i ketony polihydroksylowe (tzw. ketozy); ze względu na liczbę atomów węgla w cząsteczce (n) wyróżnia się triozy, tetrozy, pentozy, heksozy i heptozy. Cukry proste są białymi substancjami krystalicznymi o słodkim smaku, dobrze rozpuszczają się w wodzie. Dają reakcje właściwe dla alkoholi, aldehydów i ketonów (utlenianie do kwasów aldonowych, uronowych i aldarowych; redukcja do alkoholi; tworzenie estrów z kwasami). Reagują z alkoholami i fenolami tworząc glikozydy; kondensują z innymi cukrami tworząc disacharydy (np. sacharozę, maltozę, laktozę) i polisacharydy (np. skrobię, glikogen, celulozę). Cukry proste są podstawowym substratem energetycznym organizmów żywych; uczestniczą w wielu ważnych szlakach metabolicznych. Są składnikami polisacharydów zapasowych (skrobi, glikogenu) i strukturalnych (celulozy, chityny), kwasów nukleinowych (DNA, RNA), glikoprotein, glikozydów oraz glikolipidów.
Występowanie cukrów prostych w przyrodzie
Cukry proste są substancjami występującymi powszechnie w świecie roślinnym i zwierzęcym. Syntetyzowane są głównie przez organizmy autotroficzne (samożywne) z wykorzystaniem energii świetlnej w procesie fotosyntezy (tzw. fotoautotrofy, np. rośliny wyższe, bakterie zielone, bakterie purpurowe, sinice, glony) lub energii chemicznej pochodzącej z utleniania prostych związków nieorganicznych lub metanu (tzw. chemoautotrofy, np. bakterie siarkowe, bakterie nitryfikacyjne, bakterie żelaziste, bakterie metanowe). Cukry proste (np. glukoza) mogą również powstawać w wyniku rozkładu materiałów zapasowych roślin (degradacja skrobi) lub zwierząt (glikogenoliza) bądź na drodze enzymatycznej syntezy z prekursorów niewęglowodanowych (np. aminokwasów, glicerolu lub mleczanów) (tzw. glukoneogeneza).
Cukry proste w postaci wolnej (niezwiązanej) występują:
- w owocach (np. winogronach, figach, bananach, jabłkach, gruszkach, śliwkach, czereśniach, jarzębinie, awokado
- warzywach (np. cebuli, dyni, papryce, burakach, marchwi),
- roślinach zbożowych (np. kukurydzy, soi),
- nasionach (np. siemieniu lnianym, nasionach drzewa świętojańskiego),
- miodzie i nektarze kwiatowym.
Cukry proste w postaci związanej są głównymi składnikami:
- disacharydów (dwucukrów), np. sacharozy (glukoza + fruktoza), maltozy (glukoza), laktozy (glukoza + galaktoza),
- oligosacharydów (cukrów złożonych), np. rafinozy (glukoza + fruktoza + galaktoza)
- polisacharydów (wielocukrów), np. skrobi, glikogenu i celulozy (glukoza), hemicelulozy (arabinoza + ksyloza; glukoza + galaktoza + mannoza), inuliny (fruktoza);
- kwasów nukleinowych, np. kwasu deoksyrybonukleinowego (DNA) (deoksyryboza), kwasu rybonukleinowego (RNA) (ryboza);
- glikoprotein, glikozydów, glikolipidów (np. galaktoza, arabinoza, mannoza).
Głównymi cukrami prostymi występującymi w przyrodzie są cukry pięciowęglowe (pentozy) oraz cukry sześciowęglowe (heksozy) z nierozgałęzionymi łańcuchami węglowymi. Pentozy występują wyłącznie w postaci związanej w kwasach nukleinowych (ryboza, deoksyryboza), oligo- i polisacharydach wchodzących w skład drewna i gum roślinnych (arabinoza, ksyloza). Heksozy (np. glukoza, fruktoza) występują zarówno w postaci niezwiązanej (np. w owocach), jak i związanej w polisacharydach zapasowych i strukturalnych (np. skrobi, celulozie, inulinie).
Właściwości fizyczne cukrów prostych
Cukry proste (monosacharydy) są z reguły białymi, krystalicznymi ciałami stałymi; nieliczne są bezbarwnymi cieczami (np. erytroza) bądź mają konsystencję gęstego syropu (np. ksyluloza, sedoheptuloza). Są pozbawione zapachu; większość z nich posiada słodki smak. Najsłodszym cukrem prostym jest fruktoza; znacznie mniejszą słodkość wykazuje słodko-gorzka mannoza. Monosacharydy charakteryzują się dobrą rozpuszczalnością w wodzie; słabo rozpuszczają się w alkoholu etylowym (etanolu). Większość z nich jest nierozpuszczalna w eterze dietylowym, benzenie, acetonie i metanolu. Niektóre cukry proste (np. fruktoza) posiadają właściwości higroskopijne, dzięki którym wiążą wodę zawartą w powietrzu. Ogrzewanie cukrów prostych w wysokich temperaturach (>100°C) powoduje ich topienie się i brunatnienie (karmelizację).
Monosacharydy posiadają asymetryczne atomy węgla (C*) połączone z czterema różnymi podstawnikami, stanowiące centrum stereogeniczne ich cząsteczki; dzięki ich obecności są związkami optycznie czynnymi. W zależności od położenia grupy hydroksylowej (OH) przy ostatnim asymetrycznym atomie węgła (najbardziej oddalonym od grupy karbonylowej) są stereoizomerami szeregu konfiguracyjnego D lub L. Większość cukrów prostych w przyrodzie stanowią formy prawoskrętne (D) z grupą OH leżącą po prawej stronie łańcucha węglowego. Glukoza, jako związek optycznie czynny, występuje w roztworze w postaci dwóch izomerów optycznych (α-D-glukozy i β-D-glukozy), skręcających płaszczyznę polaryzacji światła w prawo odpowiednio o kąt 113° i kąt 19°. W wyniku mutarotacji pomiędzy dwoma izomerami ustala się stan równowagi, w związku z czym wykazują tę samą wartość kąta skręcenia równą 52°.
Budowa i właściwości chemiczne cukrów prostych
Cukry proste (jednocukry, monocukry, monosacharydy, monozy) są organicznymi związkami chemicznymi o ogólnym wzorze sumarycznym CnH2nOn, zaliczanymi do grupy cukrowców (sacharydów, węglowodanów), które nie ulegają rozkładowi hydrolitycznemu do prostszych cząsteczek pod wpływem rozcieńczonych kwasów. Cukry proste pod względem chemicznym są wieloalkoholami z grupami hydroksylowymi (–OH) przyłączonymi do łańcucha węglowego zbudowanego z 3-7 atomów węgla, które dodatkowo zawierają grupę karbonylową w postaci grupy aldehydowej (–CHO) bądź grupy ketonowej (C=O). Atomy węgla łańcucha węglowego monosacharydu numerowane są od tego końca, przy którym występuje grupa karbonylowa.
Monosacharydy zbudowane z łańcuchów 5-węglowych i 6-węglowych tworzą w roztworach wodnych formy pierścieniowe złożone z pięciu członów (tzw. furanozy) lub sześciu członów (tzw. piranozy). Struktury te powstają, gdy grupa aldehydowa (–CHO) lub grupa ketonowa (C=O) reaguje z grupą hydroksylową (–OH) przyłączoną do 4 lub 5 atomu węgla tej samej cząsteczki. Powstały w ten sposób półacetal (hemiacetal) posiada nowy ośrodek asymetrii, co skutkuje pojawieniem się dodatkowych izomerów (tzw. anomerów). Izomery te różnią się położeniem grupy hydroksylowej (–OH) przy anomerycznym atomie węgla (np. C1 w glukozie, C2 w fruktozie). Grupa –OH w formie α (np. α-D-glukopiranozie, α-D-fruktofuranozie) leży pod płaszczyzną pierścienia, zaś w formie β (np. β-D-glukopiranozie, β-D-fruktofuranozie) leży nad płaszczyzną pierścienia. Pierścienie 5-członowe są płaskie, pierścienie 6-członowe przyjmują postać pofałdowaną (konformację) – formę krzesełkową lub formę łódeczkową.
Cukry proste, jako związki zawierające w swej cząsteczce liczne grupy hydroksylowe (–OH), grupę aldehydową (–CHO) lub grupę ketonową (C=O), wykazują reakcje charakterystyczne dla alkoholi, aldehydów i ketonów:
- dają pozytywny wynik próby Tollensa (próby lustra srebrnego) w wyniku redukcji kompleksowych jonów diaminosrebra (I), [Ag(NH₃)₂]⁺;
- dają pozytywny wynik próby Fehlinga w wyniku redukcji kationów miedzi (II) kompleksowanych anionami winianowymi:
- utleniają się do kwasów aldonowych w wyniku utleniania grupy aldehydowej (–CHO) (np. utlenianie glukozy do kwasu glukonowego);
- utleniają się do kwasów aldarowych w wyniku utleniania grupy aldehydowej (–CHO) oraz grupy hydroksylowej (–OH) leżącej przy atomie węgla C6 pod wpływem kwasu azotowego (HNO₃) (np. utlenianie glukozy do kwasu glukarowego);
- utleniają się do kwasów uronowych w wyniku utleniania grupy hydroksylowej (–OH) przy atomie węgla C6 (np. utlenianie glukozy do kwasu glukuronowego);
- ulegają redukcji do alkoholi cukrowych (alditoli) (np. redukcja glukozy do alkoholu heksahydroksylowego, czyli sorbitolu; redukcja fruktozy do sorbitolu i mannitolu);
- reagują z kwasami tworząc połączenia o charakterze estrów (np. fosforylacja glukozy z utworzeniem glukozo-6-fosforanu);
- tworzą glikozydy w wyniku reakcji grupy hydroksylowej (–OH) położonej przy atomie węgla C1 lub atomie węgla C2 z alkoholem lub fenolem w środowisku kwaśnym;
- tworzą oksymy w wyniku kondensacji grupy aldehydowej (–CHO) (tzw. aldoksymy) lub grupy ketonowej (C=O) (tzw. ketoksymy) z hydroksyloaminą;
- tworzą dihydrazony (osazony) w wyniku kondensacji grupy aldehydowej (–CHO) lub grupy ketonowej (C=O) z fenylohydrazyną.
- ulegają reakcji Maillarda (ciemnienia enzymatycznego) w wyniku reakcji grupy aldehydowej (–CHO) lub ketonowej (C=O) z aminokwasami pod wpływem ciepła.
Cukry proste ulegają kondensacji z innymi cząsteczkami sacharydów tworząc disacharydy (np. maltozę, laktozę, sacharozę), oligosacharydy (np. rafinozę) i polisacharydy (np. skrobię, glikogen, celulozę). Powstałe cukrowce składają się z dwóch lub większej ilości jednostek monosacharydowych, połączonych wiązaniami O-glikozydowymi pomiędzy anomerycznym atomem węgla z grupy karbonylowej jednej i grupą hydroksylową drugiej cząsteczki cukru. Niektóre z monosacharydów (np. glukoza, fruktoza, mannoza) ulegają również procesowi fermentacji alkoholowej przy udziale drożdży z wytworzeniem etanolu i dwutlenku węgla.
Rodzaje cukrów prostych
Klasyfikacja cukrów prostych (monosacharydów) oparta jest głównie na rodzaju grupy karbonylowej występującej w ich cząsteczkach, długości budujących je szkieletów węglowych (ilości atomów węgla wchodzących w skład ich cząsteczki) i przestrzennym rozmieszczeniu atomów wokół asymetrycznego atomu węgla, czyli położeniu grupy hydroksylowej (–OH) przy hemiacetalowym (anomerycznym) atomie węgla w formach pierścieniowych cukrów.
Cukry proste, w zależności od rodzaju i położenia grupy karbonylowej, zróżnicowane są na:
- cukry aldehydowe (aldehydy polihydroksylowe, aldozy) – cukry proste zawierające grupę aldehydową (–CHO) znajdującą się na końcu szkieletu węglowego; np. aldehyd glicerynowy, erytroza, ryboza, deoksyryboza, arabinoza, glukoza, galaktoza;
- cukry ketonowe (ketony polihydroksylowe, ketozy) – cukry proste zawierające grupę ketonową (C=O) znajdującą się w środku szkieletu węglowego, np. dihydroksyaceton, erytruloza, rybuloza, ksyluloza, fruktoza, sorboza, mannoheptuloza, sedoheptuloza.
Cukry proste, w zależności od długości szkieletu węglowego, zróżnicowane są na:
- triozy (cukry trójwęglowe, C₃H₆O₃) – cukry proste zawierające trzy atomy węgla w cząsteczce, np. aldehyd glicerynowy, dihydroksyaceton;
- tetrozy (cukry czterowęglowe, C₄H₈O₄) – cukry proste zawierające cztery atomy węgla w cząsteczce, np. erytroza, treoza, erytruloza;
- pentozy (cukry pięciowęglowe, C₅H₁₀O₅) – cukry proste zawierające pięć atomów węgla w cząsteczce, np. ryboza, deoksyryboza, arabinoza, ksyloza, liksoza, rybuloza, ksyluloza;
- heksozy (cukry sześciowęglowe, C₆H₁₂O₆) – cukry proste zawierające sześć atomów węgla w cząsteczce, np. glukoza, galaktoza, mannoza, taloza, altroza, fruktoza, sorboza;
- heptozy (cukry siedmiowęglowe, C₇H₁₄O₇) – cukry proste zawierające siedem atomów węgla w cząsteczce, np. mannoheptuloza, sedoheptuloza;
Monosacharydy można również klasyfikować z uwzględnieniem obydwu metod klasyfikacji; w tym wypadku cukier trójwęglowy z grupą aldehydową jest zwany aldotriozą (np. aldehyd glicerynowy) zaś cukier sześciowęglowy z grupą aldehydową jest aldoheksozą (np. glukoza, galaktoza). Analogicznie, jak w przypadku aldoz, cukier czterowęglowy z grupą ketonową jest ketotetrozą (np. erytruloza), natomiast cukier pięciowęglowy z grupą ketonową jest zwany ketopentozą (np. rybuloza, ksyluloza). Pentozy i heksozy tworzące pierścienie w roztworach wodnych (furanozy, piranozy) są dodatkowo zróżnicowane na formy anomeryczne – α i β.
Znaczenie biologiczne cukrów prostych
Cukry proste (monosacharydy) są podstawowymi substratami energetycznymi organizmów roślinnych i zwierzęcych; dostarczają im energii niezbędnej dla wielu procesów życiowych zachodzących w ich organizmach, np. oddychania komórkowego (np. glukoza, galaktoza, fruktoza). Monosacharydy uczestniczą w wielu szlakach metabolicznych, m.in. cyklu Calvina, szlaku pentozofosforanowego, glikolizy, cyklu kwasu cytrynowego (cyklu Krebsa) oraz szlaku kwasu uronowego (np. estry fosforanowe glukozy, fruktozy, rybulozy i ksylulozy). Szkielety węglowe niektórych cukrów prostych (np. glukozy) stanowią substraty w procesie syntezy innych związków organicznych (np. aminokwasów, kwasów tłuszczowych, nukleozydów).
Cukry proste są składnikami disacharydów pełniących formę transportową tych substancji w komórkach roślinnych (np. sacharozy) oraz oligosacharydów i polisacharydów stanowiących materiał zapasowy gromadzony w liściach, łodygach, nasionach lub organach spichrzowych roślin (np. rafinozy, inuliny, skrobi) bądź wątrobie i mięśniach zwierząt (glikogenu). Tworzą polisacharydy strukturalne – celulozę i hemicelulozę będące materiałem budulcowym ścian komórek roślinnych i chitynę budującą ściany komórkowe grzybów lub szkielety zewnętrzne stawonogów. Wchodzą w skład kwasów nukleinowych pełniących funkcję magazynu, nośnika i przekaźnika informacji genetycznej; połączenia monosacharydów z białkami i lipidami (tzw. glikoproteiny i glikolipidy) stanowią ważne składniki błon komórkowych roślin i zwierząt.