Ugljikohidrati

Žitna polja, voćnjaci, vinogradi i šume izvor su ugljikohidrata za svakodnevne namirnice u prehrani i za mnogobrojne industrijske proizvode. Ugljikohidrati (šećeri i škrob) u prehrani se nalaze u krumpiru, riži, kruhu, tjestenini, a od industrijskih proizvoda ugljikohidrati su, primjerice, papir i vata koji sadrže celulozu, glavni sastojak drvenih dijelova biljaka.

Ugljikohidrati su dobili ime početkom 19. stoljeća kada im još nije bila poznata struktura i kada se smatralo da su to hidrati ugljika, jer je uočeno da imaju jednak omjer broja atoma vodika i kisika kao voda (2 : 1). Opća im je formula:

Ime im se zadržalo, iako je njihova struktura danas poznata. Jednostavni članovi ove skupine spojeva, monosaharidi i disaharidi, često se zovu šećerima (saharidima) pa se tako po njima naziva i cijela skupina ugljikohidrata.

Ugljikohidrati su najraširenija skupina organskih spojeva u živom svijetu. Nastaju u zelenim dijelovima biljaka složenim procesom fotosinteze.

Pozorno pogledajte videozapis Fotosinteza i odgovorite na pitanja.

Monosaharidi se imenuju trivijalnim imenima koja završavaju nastavkom -oza. Mogu imati od tri do sedam atoma ugljika, stoga se prema broju dijele na trioze, tetroze, pentoze, heksoze i heptoze. Pentoze i heksoze najčešći su monosaharidi u prirodi. U molekuli monosaharida uvijek je jedna karbonilna skupina i dvije ili više hidroksilnih skupina. Karbonilna skupina može biti na početku ugljikovodičnoga lanca kao kod aldehida, stoga se takvi monosaharidi nazivaju aldozama. Ketoze su monosaharidi s karbonilnom skupinom najčešće na drugome atomu ugljika.

Svi monosaharidi osim ketotrioze (dihidroksiacetona) kiralni su spojevi jer imaju jedan ili više asimetrično supstituiranih atoma ugljika. Aldoheksoza ima čak četiri kiralna (asimetrična) atoma ugljika (na slici označeni su zvjezdicom, *C) pa je moguće 16 stereoizomernih aldoheksoza, koje čine 8 parova enantiomera.

Monosaharidi se uobičajeno prikazuju Fischerovim projekcijskim formulama. Takav način prikazivanja pogodan je za molekule s više stereogenih središta. Fischerovim projekcijskim formulama prikazujemo trodimenzijske molekule u dvodimenzijskoj projekciji prema određenim pravilima. U Fischerovoj projekcijskoj formuli šećera najdulji se lanac crta uzdužno, a na poprečnim se veznim crticama prikazuju atomi vodika i hidroksilne skupine. Na sjecištima su smješteni asimetrično supstituirani atomi ugljika. Aldehidna skupina uvijek se prikazuje gore.

U kemiji ugljikohidrata i aminokiselina još uvijek se upotrebljava stariji način obilježavanja konfiguracije znakovima D i L. To su oznake relativne konfiguracije koja se dobije uspoređivanjem s dogovorno odabranom kiralnom molekulom gliceraldehida. 

U Fischerovoj projekcijskoj formuli molekula D-gliceraldehida ima hidroksilnu skupinu na kiralnome središtu smještenom s desne strane, a u molekuli L-gliceraldehida s lijeve strane.

Molekula gliceraldehida ima jedno stereogeno središte, stoga ima dva stereoizomera. Jedan od njih ima apsolutnu konfiguraciju R, a drugi S.

Monosaharidi u prirodi Najrasprostranjeniji monosaharidi u prirodi su glukoza i fruktoza. Glukoza je aldoheksoza, a u prirodi se pojavljuje samo D-(+)-glukoza. Ima je u voćnim sokovima, medu i krvi, a također je sastavni dio nekih složenijih ugljikohidrata kao što su saharoza te škrob, glikogen i celuloza.

Prsten s pet ugljikovih atoma i jednim atomom kisika naziva se piranski prsten. Zato se ciklički oblik D-glukoze naziva glukopiranoza, a svi monosaharidi koji sadržavaju šesteročlani prsten zovu se piranoze.

Fehlingov reagens može se koristiti i za dokazivanje glukoze u urinu. Urin zdrava čovjeka ne sadrži glukozu, ali ukoliko dođe do poremećaja metabolizma glukoze (šećerne bolesti ili dijabetesa), ona se može javiti u urinu. Kod pozitivnog testa na glukozu boja taloga mijenja se od svijetlozelene preko žutonarančaste pa do tamnocrvene boje, što zavisi o masenom udjelu glukoze u urinu. Glukoza je fiziološki veoma važna. Njenom oksidacijom oslobađa se energija za rad mišića i žlijezda te za zagrijavanje tijela. Zato je športaši koriste kao brz izvor energije. U medicini se otopina glukoze upotrebljava za parenteralnu prehranu bolesnika. U krvi se koncentracija glukoze održava u uskom koncentracijskom rasponu (oko 0,1 %, odnosno 5,55 mmol L^–1). Ključnu ulogu u regulaciji razine glukoze u krvi ima inzulin – hormon iz gušterače.

U ljudi s debljinom trbušnoga tipa česta je pojava metaboličkoga sindroma kod kojega se javlja inzulinska rezistencija ili neosjetljivost stanica na inzulin, koja dovodi do pojave dijabetesa 2. tipa. Unošenje šećera u organizam zavisi o osobnim prehrambenim navikama. Biokemijski je važna i reakcija prevođenja viška glukoze u masne kiseline i masti za trajniju pričuvu u masnom tkivu, što može uzrokovati prekomjernu tjelesnu masu.

Fruktoza je ketoheksoza koje ima u voću (voćni šećer) i medu. Ciklizacijom lančaste strukture fruktoze nastaje peteročlani heterociklički prsten.

Iako je fruktoza jedan od najslađih šećera, rabi se, za razliku od drugih šećera, u dijetalnoj prehrani jer se u organizmu iskorištava brzo i bez djelovanja inzulina pa to omogućuje i dijabetičarima uzimanje slatke hrane. Zbog brze razgradnje i oslobađanja energije, fruktoza se također preporučuje športašima, kao i ljudima izloženim velikim naporima. Također se upotrebljava u infuzijama. Fruktoza u bolesnoj jetri omogućuje stvaranje znatnih količina glikogena koji osigurava normalnu funkciju jetrenih stanica i stalnu koncentraciju šećera u krvi.

Priredio: Antun Kučak

Većina ugljikohidrata u prirodi sastoji se od više monosaharidnih jedinica koje se međusobno vežu glikozidnom (eterskom) vezom.

Disaharidi su glikozidi koji se sastoje od dviju monosaharidnih jedinica povezanih glikozidnom vezom. Njihovom hidrolizom, pomoću kiselina ili djelovanjem enzima, cijepa se glikozidna veza i nastaju monosaharidi od kojih se sastoje.

Saharoza je običan stolni šećer koji se sastoji od glukoze i fruktoze. Glikozidnom je vezom povezan C-1 atom α-D-glukoze s C-2 atomom β-D-fruktoze pa saharoza nema slobodnih poluacetalnih hidroksilnih skupina i nije reducirajući šećer.

Napišite jednadžbu hidrolize saharoze s kiselinama i objasnite zašto voćni kolač, ako ga posipamo šećerom (saharozom), ostaje dulje svjež.

Saharoza se iz šećerne repe dobiva usitnjavanjem korijena repe. Usitnjena se repa ispire (ekstrahira) vrućom vodom. Tamna se otopina, u kojoj je maseni udio saharoze oko 12%, pročišćava, a zatim se djelomičnim isparivanjem vode koncentrira. Iz dobivene koncentrirane otopine saharoza se izlučuje kristalizacijom. Saharoza je visokokalorična hrana i rabi se u prehrani za zaslađivanje.

Laktoza (mliječni šećer) jest disaharid koji je sastojak mlijeka sisavaca. Nastaje u mliječnim žlijezdama iz glukoze u krvi. Koncentracije su laktoze u mlijeku različite. Primjerice, maseni je udio laktoze u majčinom mlijeku 5 − 8 %, a u kravljem mlijeku 4 − 6 %. U laktozi je C-1 atom galaktoze povezan β(1,4)-glikozidnom vezom s C-4 atomom glukoze.

Laktoza je reducirajući šećer jer sadrži poluacetalnu hidroksilnu skupinu u glukoznoj jedinici na C-1 atomu.

Škrob, celuloza i glikogen prirodne su polimerne molekule građene od velikog broja molekula glukoze koje su međusobno povezane glikozidnom vezom. Njihova je opća formula:

Relativna im je molekulska masa od nekoliko tisuća do nekoliko milijuna. Osim po masi, razlikuju se i po strukturi, tj. načinu povezivanja molekula glukoze i zato imaju različita svojstva.

Škrob je polisaharid biljnog podrijetla. Spada u rezervne polisaharide jer se uskladištava u obliku zrnaca u sjemenkama žitarica, graha, graška, u gomoljima (krumpir) ili korijenju (mrkva). Izgled škrobnih zrnaca, relativna molekulska masa te struktura škroba, ovise o biljci iz koje je škrob izoliran.

Škrob koji koristimo u prehrani iz različitih prirodnih izvora (pšenica, raž, ječam, riža, grah, soja, krumpir) smjesa je dvaju različitih polimera – amiloze i amilopektina, koji se razlikuju po strukturi i svojstvima.

Amiloza čini jednu petinu škrobne mase i topljiva je u vodi. Njezine linearne polimerne molekule sastavljene su od 200 – 2000 glukoznih jedinica povezanih α(1,4)-glikozidnom vezom u nerazgranate lance. Ti se lanci spiralno uvijaju u uzvojnice sa šest ostataka glukoze u jednom uzvoju.

Amilopektin čini četiri petine prirodnog škroba i netopljiv je u vodi. To je polimer razgranate strukture, čija relativna molekulska masa može iznositi do jedan milijun. Molekule glukoze su, kao i u amilozi, povezane α(1,4)-glikozidnim vezama, a na mjestu grananja α(1,6)-glikozidnim vezama. Lanac se grana nakon prosječno 25 jedinica glukoze.

Glikogen je pričuvni polisaharid koji se nalazi u mišićima i jetri i ima istu namjenu kao škrob u biljkama. Po strukturi je sličan amilopektinu, jedino mu je struktura razgranatija. Količina je glikogena u organizmu odrasle osobe oko 350 g. Enzimskom se razgradnjom cijepa do glukoze, glavnog izvora energije u organizmu.

Celuloza je, kao i škrob, biljnoga podrijetla. Za razliku od škroba koji služi biljkama kao pričuvna hrana, celuloza je strukturni polisaharid jer izgrađuje stijenke biljnih stanica i daje im čvrstoću. Celuloze ima najviše u pamučnim vlaknima (w > 90 %) i drvu (w = 40 – 50 %) iz kojeg se i dobiva.

Celuloza je, kao i amiloza, linearni polimer glukoze. Razlika je u vrsti glikozidne veze kojom se molekule glukoze vežu u nerazgranate lance. U celulozi se molekule glukoze vežu β(1,4)-glikozidnom vezom. 

Molekule celuloze različite su duljine, a mogu se, ovisno o prirodnom izvoru, sastojati od nekoliko stotina do nekoliko tisuća jedinica glukoze.

Celulozna vlakna koja nalazimo u prirodi sastoje se od velikog broja celuloznih lanaca međusobno povezanih vodikovim vezama. Takva fibrilna struktura daje celulozi veliku čvrstoću i posebnu uporabnu vrijednost u tekstilnoj industriji i građevinarstvu. U našem organizmu ne postoje enzimi koji razgrađuju celulozu pa je celuloza iz hrane za ljude, kao i za većinu sisavaca, neprobavljiva i nije izvor energije. Međutim, celuloza potiče peristaltiku crijeva i zato ju je potrebno unositi u organizam.

No ipak, trava, lišće i drugi biljni materijali bogati celulozom, služe kao hrana nekim životinjama (goveda, ovce, koze) jer u njihovom probavnom sustavu žive mikroorganizmi koji sadrže enzim β-glukozidazu koji razgrađuje celulozu.

Iz celuloze se proizvode tkanina, papir, vata i mnogi drugi proizvodi. Osim prirodnih pamučnih vlakana, kemijskom preradom celuloze dobivaju se i polusintetska vlakna za proizvodnju tkanina. To su viskozna i acetatna svila, koje su po kemijskom sastavu čista celuloza i acetilirana celuloza (ester).