Węglowodany, sacharydy – w ścisłym znaczeniu są to organiczne związki chemiczne składające się z atomów węgla oraz wodoru i tlenu, w takiej proporcji, że na każdy atom węgla przypadają dwa atomy wodoru i jeden tlenu, o ogólnym wzorze sumarycznym: Cn(H2O)n. W szerszym znaczeniu zalicza się do nich ich pochodne otrzymywane w wyniku redukcji lub utleniania ich grup hydroksylowych lub karbonylowych, a także wymianę jednej lub więcej grup hydroksylowych na atom wodoru lub inne grupy organiczne.
Węglowodany w ścisłym znaczeniu są aldehydami i/lub ketonami, zawierającymi grupy hydroksylowe przy większości atomów węgla, dzięki czemu są one zdolne do tworzenia wewnątrz- i międzycząsteczkowych wiązań półacetalowych i acetalowych. W organizmach żywych pełnią rolę głównego źródła energii w procesach metabolizmu, a także materiału budulcowego roślin i zwierząt. Ich pierwotnym źródłem w naturze są procesy fotosyntezy.
Klasyfikacja chemiczna
Ze względu na złożoność budowy chemicznej węglowodany w ścisłym znaczeniu dzieli się na:
- monosacharydy - związki, które nie ulegają hydrolizie na prostsze węglowodany
- sacharydy złożone, które ulegają hydrolizie na prostsze węglowodany i które dalej dzieli się na:
- oligosacharydy - zbudowane przez połączenia wiązaniami półacetalowymi od dwóch do dziesięciu monosacharydów.
- polisacharydy - zbudowane z połączenia ponad dziesięciu monosacharydów.
Nazewnictwo w dietetyce i przemyśle spożywczym
Określenie „cukry” jest powszechnie używane w celu opisania monosacharydów i disacharydów w żywności, z wyjątkiem alkoholi wielowodorotlenowych. Występuje więc na amerykańskich i europejskich etykietach i w bazach danych (np. USDA National Nutrient Database) produktów spożywczych. Słowo „węglowodany” (w terminologii ang. „available carbohydrate”) oznacza zaś wszelkie węglowodany podlegające procesom metabolizmu w organizmie człowieka, łącznie z alkoholami wielowodorotlenowymi. Nie zalicza się więc do nich nieprzyswajalny błonnik. Pojęcie „suma węglowodanów” (ang. total carbohydrates) uwzględnia wszystkie rodzaje węglowodanów niezależnie od ich właściwości fizjologicznych i odżywczych oraz od zmiennej zawartości w żywności substancji niewęglowodanowych. Zawartość takiej sumy węglowodanów wyznaczana jest jako różnica sumy wszystkich pozostałych składników (wody, białka, tłuszczu, popiołu oraz alkoholu) (stąd też ang. carbohydrate by difference).
Monosacharydy
Cukry proste ze względu na liczbę atomów węgla w pojedynczej cząsteczce dzieli się na:
- triozy o 3 atomach węgla, np. aldehyd glicerynowy,
- tetrozy o 4 atomach węgla, np. treoza,
- pentozy o 5 atomach węgla, np. ryboza, rybuloza,
- heksozy o 6 atomach węgla, np. glukoza, galaktoza i fruktoza,
- heptozy o 7 atomach węgla, np. sedoheptuloza.
Większość biologicznie ważnych monosacharydów ma 5 lub 6 atomów węgla, choć w fizjologii komórek (fotosynteza, cykl Krebsa) znaczenie mają też monosacharydy 3- i 4-węglowe, a spotyka się też monosacharydy i ich pochodne o większej niż 6 liczbie atomów węgla.
Monosacharydy można także podzielić na:
- aldozy, w których występuje grupa aldehydowa (-CHO), np. deoksyryboza, ryboza, glukoza, galaktoza,
- ketozy, w których występuje grupa ketonowa (=C=O), np. rybuloza, fruktoza.
Wszystkie monosacharydy posiadają właściwości redukcyjne, czyli dają pozytywny wynik prób zarówno Tollensa, jak i Trommera. Grupa aldehydowa w aldozach redukuje odczynniki Tollensa i Trommera, ulegając jednocześnie utlenieniu do grupy karboksylowej. W środowisku zasadowym podczas ww. prób ketozy ulegają reakcji enolizacji, tworząc epimery – dwie aldozy i jedną ketozę; powstające aldozy dają wynik pozytywny prób.
Prawie wszystkie monosacharydy występujące naturalnie są optycznie czynne. Zwykle tylko jeden z dwóch stereoizomerów jest biologicznie aktywny.
Węglowodany złożone
Węglowodany złożone powstają w wyniku połączenia wiązaniami glikozydowymi dwóch lub więcej cząsteczek cukrów prostych. Hydroliza cukrów złożonych prowadzi do rozerwania wiązań glikozydowych. Przebiega ona jednak tym trudniej, im dłuższy jest łańcuch cukrowy i im bardziej jest on rozgałęziony.
Cząsteczki cukrów mogą się łączyć wiązaniami glikozydowymi na dwa sposoby:
- typ α – cząsteczki są zwrócone tą samą stroną do góry, np. w cząsteczkach maltozy i skrobi; ten typ wiązania warunkuje charakterystyczne wygięcie łańcucha polisacharydów
- typ β – cząsteczki są zwrócone raz jedną, raz drugą stroną do góry.
Polisacharydy w których dominują wiązania β (np. celuloza i celobioza) tworzą liniowe łańcuchy, które blisko do siebie przylegają i są powiązane licznymi wiązaniami wodorowymi, co powoduje, że stają się one nierozpuszczalne w wodzie i odporne mechanicznie. Natomiast skrobia, w której dominują wiązania α jest o wiele łatwiej rozpuszczalna i jej całkowita hydroliza jest możliwa dzięki kwasom i enzymom.
Disacharydy
Disacharydy (dwucukry) zbudowane są z reszt 2 cukrów prostych. Zalicza się do nich np. sacharozę, laktozę, maltozę, celobiozę, rutynozę. Większość disacharydów (z wyjątkiem sacharozy) wykazuje właściwości redukcyjne.
Polisacharydy
Do polisacharydów zalicza się: skrobię, glikogen, celulozę, pektynę, chitynę, a także wiele pochodnych cukrów.
Polisacharydy nie wykazują właściwości redukcyjnych. Wiąże się to z bardzo małą liczbą wolnych grup funkcyjnych w długich łańcuchach cukrowych.
Funkcje węglowodanów
Węglowodany spełniają w organizmach następujące funkcje:
- energetyczne – np. całkowite utlenienie 1 mola glukozy do CO
2 w komórce pozwala uzyskać 36 moli ATP, a zysk energetyczny tej reakcji wynosi 2872 kJ. - zapasowe – u roślin magazynem energii jest głównie skrobia i inulina, a u zwierząt (w tym ludzi) glikogen
- transportowa – u roślin transportową formą cukru jest sacharoza, a u zwierząt oraz ludzi glukoza
- budulcowa (celuloza, hemiceluloza, chityna (pochodna węglowodanów))
- wchodzą w skład DNA i RNA, stanowią modyfikację niektórych białek.
- hamują krzepnięcie krwi – heparyna
- są materiałem energetycznym (fruktoza) i odżywczym (maltoza, laktoza, rafinoza).
Cukry i alkohole cukrowe są podstawową postacią (60%-95%), w jakiej transportowany jest węgiel u roślin. U większości roślin funkcję tę pełni sacharoza, czasem będąc praktycznie jedynym węglowodanem transportowym. W mniejszym stopniu funkcję tę pełnią rafinoza, stachyioza, gencjanoza, umbelliferoza i fruktan, niejasny jest zaś status fruktozy. Z alkoholi cukrowych istotne w transporcie węgla wewnątrz roślin są sorbitol i mannitol.
Trawienie i wchłanianie
Monosacharydy są wchłaniane bez wcześniejszej obróbki chemicznej. Disacharydy ulegają trawieniu pod wpływem enzymów rąbka szczoteczkowego. Skrobia jest trawiona za pomocą α-amylazy. Niektóre węglowodany mogą być trawione w wyniku fermentacji prowadzonej przez mikroorganizmy żyjące w przewodzie pokarmowym.
Przyswajalność węglowodanów przez człowieka
Z żywieniowego punktu widzenia węglowodany można podzielić na przyswajalne przez człowieka (np. skrobia, fruktoza) i nieprzyswajalne, tj. błonnik zwany włóknem pokarmowym. W skład błonnika wchodzą celuloza, pektyny oraz inne nietrawione przez człowieka związki mające korzystny wpływ na układ pokarmowy.
Pochodne węglowodanów
Pochodnymi węglowodanów nazywane są cukry, których grupy hydroksylowe monomerów zostały zastąpione przez inne grupy funkcyjne, np. chityna (grupy acetyloaminowe), pektyny (zawiera jednostki kwasu galakturonowego, częściowo zmetylowanego) i heparyna (grupy aminowe i siarczanowe).
Przykładowe wzory chemiczne
Tetroza:
β-D-treofuranoza
