Sacharidy

Sacharidy (cukry, glycidy) sú dôležité prírodné zlúčeniny, ktoré sa skladajú z atómov uhlíka, vodíka a kyslíka. Sú tvorené v autotrofných rastlinách fotosyntetickou asimiláciou oxidu uhličitého a vody (enzymatickým štiepením cukrov vzniká spätne CO2 a H2O). Sumárnu rovnicu fotosyntézy môžeme znázorniť takto:

6CO2 + 12H2O = C6H12O6 + 6O2 + 6H2O

V živých organizmoch predstavujú sacharidy hlavný zdroj energie pre metabolické pochody. Okrem toho sú aj stavebnou jednotkou nukleových kyselín. Niektoré sacharidy majú významnú štruktúrnu funkciu, lebo vytvárajú podporu pre rastlinné pletivá (celulóza) a tkanivá niektorých živočíchov (chitín). Dôležitá je aj ich zásobná funkcia (škrob u rastlín, glykogén u húb a živočíchov). Sacharidy tvoria rezervné látky v organizme, ktoré sa môžu metabolizovať na iné látky (prekurzory lipidov, bielkovín a pod.) potrebné v organizme. V neposlednom rade medzi sacharidy patria aj niektoré biokatalyzátory (napr. vitamín C).

Rozdelenie sacharidov

Sacharidy môžeme deliť podľa viacerých hľadísk. Na základe funkčnej skupiny, ktorú obsahujú, ich delíme na:

  • aldózy - obsahujú vo svojej molekule aldehydickú skupinu (-C(=O)-H),
  • ketózy - obsahujú v molekule ketoskupinu (>C=O).

Na základe počtu atómov uhlíka možno sacharidy deliť na:

  • triózy - s 3 uhlíkami v molekule (napr. glyceraldehyd alebo dihydroxyacetón - najjednoduchšie cukry)
  • tetrózy - so 4 atómami uhlíka
  • pentózy - s 5 uhlíkmi (napr. ribóza)
  • hexózy - so 6 uhlíkmi (väčšina tu spomínaných sacharidov)
  • ...

Na základe počtu monosacharidových jednotiek, delíme cukry na:

  • monosacharidy - sú tvorené len jednou molekulou aldózy alebo ketózy,
  • polysacharidy (v širšom zmysle slova) - sú tvorené min. 2 jednotkami monosacharidu, podľa počtu jednotiek poznáme potom:
    • disacharidy - tvoria ich 2 molekuly monosacharidu,
    • oligosacharidy - tvorí ich max. 10 molekúl monosacharidu,
    • polysacharidy (v užšom zmysle slova) - sú zložené z viac ako 10 jednotiek.
Iné triedenie rozdeľuje sacharidy na: 1. jednoduché - monosacharidy, 2. zložené sacharidy - glycidy. Glycidy potom delíme na 1. hologlykozidy (kam patria oligosacharidy /2-10 uhlíkov/ a polysacharidy) zložené len z jednotiek monosacharidov a 2. heteroglykozidy (napr. glykolipidy, nukleozidy), ktoré vo svojej molekule majú okrem cukornej zložky (jednotiek monosacharidu) aj necukorné zložky.

Monosacharidy

Monosacharidy sú kryštalické látky dobre rozpustné vo vode, čiastočne rozpustné v organických rozpúšťadlách. Po chemickej stránke sú to polyhydroxyaldehydy (aldózy) alebo polyhydroxyketóny (ketózy). Majú viac alebo menej sladkú chuť.

Najjednoduchšími monosacharidmi sú triózy (molekuly obsahujú 3 atómy uhlíka): glyceraldehyd (aldotrióza) a dihydroxyacetón (ketotrióza). Všetky monosacharidy s výnimkou dihydroxyacetónu obsahujú vo svojej molekule jeden alebo viac asymetrických - chirálnych uhlíkov (označenie *C), čo tieto látky robí opticky aktívnymi, teda otáčajú rovinu polarizovaného svetla doľava (označujeme znamienkom -) alebo doprava (označujeme znamienkom +). Ekvimolárna zmes ľavotočivého a pravotočivého antipódu (1:1) je opticky inaktívna a nazýva sa racemát (racemická zmes).

Na asymetrickom uhlíku je z jednej strany viazaný atóm vodíka H-*C, z druhej strany hydroxylová skupina *C-OH, pričom môžu existovať dva stereoizoméry: ak je -OH skupina na poslednom chirálnom uhlíku vpravo, označujeme tento stereoizomér ako D-rad (lat. dexter = pravý), -OH skupina na ľavej strane určuje L-rad (lat. leavus = ľavý).

Sacharidy zatrieďujeme do dvoch radov D alebo L bez ohľadu na to, či otáčajú rovinu polarizovaného svetla doľava (-) alebo doprava (+).

Spôsob zápisu vzorcov, tak ako je uvedený na obrázku hore v prípade trióz, nazýva sa Fischerov vzorec. Monosacharidy sa však v takejto lineárnej forme, kedy majú voľnú funkčnú aldo- alebo ketoskupinu, v prírode málo vyskytujú. Vnútromolekulovou reakciou medzi OH skupinou na poslednom chirálnom uhlíku a funkčnou skupinou vznikajú cyklické štruktúry - poloacetálové (z aldóz) alebo poloketálové (z ketóz) formy sacharidov, ktoré vytvárajú päť alebo šesťčlánkové heterocyklické zlúčeniny, svojou štruktúrou pripomínajúce furán alebo pyrán. Podľa toho ich potom nazývame furanózy alebo pyranózy. Tento prechod môžeme znázorniť pomocou Tollensových alebo Haworthových vzorcov.

Na obrázku si môžete všimnúť, že presunom protónu z OH skupiny na kyslíkový atóm karbonylovej skupiny vznikne nový asymetrický uhlík *C. Podľa polohy OH skupiny na tomto uhlíku rozoznávame dve diastereoizomérne formy α- a β-anoméry. α-anomér má túto skupinu v opačnej polrovine ako CH2OH skupinu, β-anomér má túto skupinu v rovnakej polrovine ako CH2OH skupinu.

Pentózy

Pentózy sú monosacharidy, ktoré majú v molekule 5 atómov uhlíka. V organizmoch sa pentózy vyskytujú v nukleotidoch (spolu s kyselinou trihydrogénfosforečnou a dusíkatou bázou) i v osobitných koenzýmoch.

Z pentóz je významná najmä ribóza a deoxyribóza, ktoré obe patria medzi aldopentózy. Ribóza sa vyskytuje v ribonukleotidoch, v ribonukleovej kyseline, v koenzýmoch (napr. ATP, NAD) a niektorých vitamínoch. Deoxyribóza sa nachádza v deoxyribonukleotidoch a v deoxyribonukleovej kyseline. DNA v bunkovom jadre tvorí základ genetickej informácie.

Hexózy

Glukóza

D-glukóza (hroznový cukor, dextróza, krvný cukor) patrí medzi aldohexózy. Je to najvýznamnejší a najrozšírenejší monosacharid, ktorý sa nachádza v ovocí a v krvi cicavcov. V bunkách sa na ňu mení väčšina ostatných sacharidov, a v tejto forme sa uskutočňuje aj ich prenos v rastlinnom a živočíšnom organizme. Pri metabolickom štiepení poskytuje glukóza značné množstvo energie. Glukóza je tiež súčasťou väčšiny dôležitých zložených sacharidov, z ktorých sa získava hydrolýzou (napr. škrob, glykogén).

Koncentrácia glukózy v ľudskej krvi je 3,3 - 5,6.10-3 mol.l-1. Reguláciu hladiny glukózy v krvi zabezpečuje hormón inzulín, ktorý ju znižuje, naopak glukagón ju zvyšuje. Obidva hormóny sú produktom buniek Langerhansových ostrovčekov v podžalúdkovej žľaze. U diabetikov je hladina glukózy v krvi vyššia (nedostatok tvorby inzulínu) a časť sa potom vylučuje močom. Pokles koncentrácie glukózy v krvi na polovicu môže spôsobiť mozgovú disfunkciu a pri ešte podstatnejšom znížení (napr. pri predávkovaní inzulínom) má za následok kómu, nezvratné poškodenie a nakoniec smrť.

Galaktóza

D-galaktóza (cerebróza) patrí tiež medzi aldohexózy. Je epimérom glukózy, čo znamená, že sa od molekuly glukózy odlišuje polohou OH skupiny na jednom atóme uhlíka (v tomto prípade na štvrtom uhlíku). Spolu s glukózou tvorí disacharid - mliečny cukor laktózu. Galaktóza sa vo zvýšenej miere nachádza aj mozgu a nervovom tkanive.

Manóza

Aj D-manóza patrí medzi aldohexózy. Je epimérom glukózy na druhom uhlíku. Pôvodne sa tento sacharid zistil iba v rastlinách (svätojánsky chlieb), neskoršie ho izolovali aj z krvnej plazmy (koní, psov). Tvorí prevažne súčasť zložitejších makromolekúl.

Fruktóza

Fruktóza (ovocný cukor) patrí medzi aldoketózy. D-fruktóza je ľavotočivá, a preto jej starší názov bol levulóza. Je to rastlinný cukor, no vyskytuje sa aj v telových tekutinách živočíchov, a to v sperme a plodovej vode. Fruktóza sa metabolizuje v krvi rýchlejšie, preto ju môžu užívať diabetici.

Disacharidy

Disacharidy sú cukry, ktorých molekuly obsahujú dve rovnaké alebo rôzne monosacharidové jednotky spojené glykozidovou väzbou ...C-O-C... Ide o reakciu poloacetálového hydroxylu s ďalšou molekulou monosacharidu. Reagujúce molekuly sa spoja prostredníctvom kyslíka a uvoľní sa molekula vody. Glykozidová väzba sa môže vytvoriť dvoma spôsobmi, pričom spôsob vzniku určuje redukčné vlastnosti disacharidu:

  1. ak sa vytvorí väzba medzi poloacetálovými -OH skupinami obidvoch monosacharidov, výsledný disacharid nemá voľnú poloacetálovú hydroxylovú skupinu a nemá redukčné vlastnosti (typ trehalózy),
  2. ak sa vytvorí väzba medzi poloacetálovou -OH skupinou jedného monosacharidu a -OH skupinou (2,4,6) druhého monosacharidu, disacharid má voľnú poloacetálovú hydroxylovú skupinu a má redukčné vlastnosti (typ maltózy).

Maltóza

Maltóza (sladový cukor) sa skladá z dvoch molekúl α-D-glukopyranózy, ktoré sú spojené α(1-4) glykozidovou väzbou. Disacharid má redukčné vlastnosti. Maltóza je rastlinného pôvodu, u živočíchov a človeka však vzniká aj štiepením škrobu a glykogénu amylázami (enzýmami štiepiacimi zložené sacharidy).

Laktóza

Laktóza (mliečny cukor) sa skladá z β-D-galaktopyranózy a β-D-glukopyranózy, ktoré sú spojené β(1-4) glykozidovou väzbou. Disacharid má redukčné vlastnosti. Laktóza je špecifický cukor živočíšneho pôvodu, ktorý sa syntetizuje v bunkách mliečnych žliaz cicavcov a je nevyhnutný vo výžive mladých jedincov. V závislosti od živočíšneho druhu je koncentrácia laktózy v mlieku 0-7%. Laktóza sa zistila aj v mnohých jedlých hubách, nie je však jasné, aký má v nich význam.

Sacharóza

Sacharóza (trstinový cukor, repný cukor) sa skladá z α-D-glukopyranózy a β-D-fruktofuranózy, ktoré sú spojené α(1-2) glykozidovou väzbou. Disacharid nemá redukčné vlastnosti. Sacharóza je rastlinného pôvodu, nachádza sa vo všetkých rastlinných plodoch a v šťavách, najmä v cukrovej repe a cukrovej trstine. Má mimoriadne dôležitý význam vo výžive živočíchov a človeka. Sacharóza sa využíva v technikách molekulárnej biológie, kde tvorí zložku niektorých nanášacích tlmivých roztokov pre elektroforetickú separáciu nukleových kyselín.

Polysacharidy

Väčšina sacharidov nájdených v prírode sa vyskytuje vo forme polysacharidov. Polysacharidy sa skladajú z viac ako 10 monosacharidových jednotiek, ktoré sú podobne ako disacharidy viazané glykozidovými väzbami. Kyslou enzymatickou hydrolýzou sa štiepia až na monosacharidy. Polysacharidy sú na rozdiel od jednoduchých mono- a disacharidov vo vode veľmi málo rozpustné a nemajú sladkú chuť.

Škrob

Škrob (amylum) je súčasťou rastlín a tvorí ich zásobné látky. Nachádza sa v hľuzách a plodoch rastlín. Škrob sa skladá z dvoch zložiek: 1. amylóza, ktorá tvorí 20% škrobu je rozpustná v horúcej vode, a 2. amylopektín, tvoriaci 80% škrobu, nie je rozpustný ani v horúcej vode. Základnou stavebnou jednotkou obidvoch zložiek je α-D-glukopyranóza. Amylózu tvoria molekuly glukózy viazané α(1-4) glykozidovou väzbou. Amylopektín má rozvetvenú štruktúru, kde sú molekuly viazané nielen glykozidovou väzbou α(1-4), ale aj α(1,6), ktorá sa opakuje na každých 20-24 jednotiek glukózy. Hydrolytickým štiepením (amylázami) škrobu vznikajú 4-12 glukózové molekuly - dextríny, tie sa štiepia na maltózu (2 molekuly glukózy), ktorá sa účinkom enzýmu maltázy štiepi až na glukózu.

Glykogén

Glykogén (živočíšny škrob) je veľmi významným zásobným polysacharidom živočíšnych organizmov. Po chemickej stránke sa jedná o polymér α-D-glukopyranóz spojených α(1-4) glykozidovými väzbami, pričom sa molekula glykogénu podobne ako v prípade amylopektínu u rastlinného škrobu rozvetvuje (po každých 3 glukózových jednotkách) α(1-6) glykozidovými väzbami.

V čistej forme je glykogén biely prášok dobre rozpustný vo vode (výnimka medzi polysacharidmi). Živočíchy si ho syntetizujú v pečeni z glukózových jednotiek do charakteristického priestorového útvaru. Okrem pečeni sa ukladá aj v kostrových svaloch a v prípade potreby sa príslušnými enzýmami štiepi za vzniku molekúl glukózy.

Celulóza

Celulóza (buničina) je stavebnou látkou rastlinných pletív. Je zložená tak isto ako škrob z glukopyranózy, ale má iný typ glykozidovej väzby. Molekuly β-D-glukopyranózy sú pospájané do makromolekuly glykozidovou väzbou β(1-4).

Celulóza je úplne nerozpustná vo vode. Pre väčšinu živočíchov je ako zdroj živín takmer bezvýznamná, iba niektoré druhy živočíchov (prežúvavce, parazitujúce druhy hmyzu na rastlinách, termity) ju dokážu štiepiť a využiť (pomocou symbiotických organizmov, enzýmami celulázami). Človek využíva celulózu na výrobu papiera (v dreve sa nachádza až 50% celulózy). Trinitrát celulózy, získaný jej nitráciou je základom pre výrobu strelného prachu.

Chitín

Chitín je oporný polysacharid v organizme mnohých bezstavovcov. Nachádza sa aj v niektorých hubách. Jeho molekula a štruktúra je veľmi podobná celulóze, pretože chitín obsahuje N-acetyl-glukozamínové zbytky navzájom pospájané β(1-4) glykozidovými väzbami. Táto látka sa od celulózy odlišuje tým, že každá hydroxylová skupina na druhom uhlíku glukózy je nahradená acetamidovou skupinou.

Chitín sa nerozpúšťa v alkohole, slabých kyselinách ani zásadách. Tráviace enzýmy živočíchov ho nedokážu rozštiepiť. Pri niektorých potravinárskych technológiách (spracovanie morských krabov) sa získava veľa odpadového chitínu, ktorý sa môže využiť ako substrát na čistenie odpadových vôd, pri liečení spálenín i hojení rán.

Dôkaz sacharidov

V praxi sa stretávame s potrebou stanoviť obsah sacharidov vo vzorke (napr. stanovenie cukrov v krvi alebo v moči pacienta). Dôkazy prítomnosti sacharidov sú založené zväčša na redoxných vlastnostiach.

Pozitívna reakcia skúmanej vzorky s Molischovým činidlom (10% roztok 1-naftolu v etanole) je dôkazom toho, že či sa vo vzorke sacharid vôbec nachádza. Podobne môžeme použiť antrónovo činidlo (koncentrovaná kyselina sírová), ktoré vytvorí modrozelený prstenec.

Prítomnosť redukujúcich sacharidov dokážame Fehlingovým (1. roztok síran meďnatý CuSO4 + 2. roztok 9% hydroxid sodný NaOH, 26% vínan draselný) alebo Tollensovým činidlom (5% dusičnan strieborný AgNO3, 10% NaOH, 2% hydroxid amónny NH4OH). Pri reakcii s Fehlingovým činidlom sa v roztoku redukuje katión Cu2+, ktorý má akvakomplexne modrú farbu, na katión Cu+, ktorý sa v roztoku objaví ako tehlovočervená zrazenina oxidu meďného (Cu2O). V prípade Tollensovho činidla ide o redukciu strieborného katiónu Ag+ na striebro (Ag0), ktoré pokryje steny reakčnej nádobky ako strieborné zrkadielko.

Pozitívna nitrochrómová reakcia (zmes kyseliny dusičnej HNO3 a chromanu draselného K2CrO4) - modré sfarbenie dokazuje prítomnosť glukózy a sacharózy. Prítomnosť ketóz môžeme dokázať Selivanovou reakciou (36% HCl, rezorcinol) - hnedé sfarbenie. Rôzne frakcie hydrolýzy škrobu môžeme dokázať farebnými reakciami s Lugolovým činidlom (roztok jodidu draselného KI + jód I) (tmavofialové - modré - červené - oranžové - žlté sfarbenie).