4. Yδατάνθρακες-Πρωτεΐνες-Λίπη

Η έκφραση «το αυτοκίνητό μου τρώει πολλή βενζίνη» δείχνει μια πραγματικότητα. Οι υδρογονάνθρακες είναι αποθήκες ενέργειας τις οποίες καίει το αυτοκίνητο, για να λειτουργήσει. Σε ορισμένες χώρες, όπως η Βραζιλία, ως αποθήκες ενέργειας στα αυτοκίνητα χρησιμοποιούνται και οι αλκοόλες. Όπως τα αυτοκίνητα έτσι και οι ζωντανοί οργανισμοί καίνε άλλες αποθήκες ενέργειας που τις βρίσκουν στις τροφές. Οι αποθήκες αυτές είναι οργανικές ενώσεις που «καίνε» οι οργανισμοί.

Όταν θα έχετε μελετήσει την ενότητα αυτή, θα μπορείτε:

1. Να διαπιστώνετε πειραματικά την ύπαρξη του άνθρακα σε ορισμένες οργανικές ουσίες.
2. Να αναφέρετε τους σημαντικότερους υδατάνθρακες.
3. Να αναφέρετε ποιες ουσίες ονομάζονται πρωτεΐνες.
4. Να αναφέρετε τις κυριότερες βρώσιμες λιπαρές ουσίες και τη βιολογική αξία τους.
5. Να εκτιμάτε το ρόλο των υδατανθράκων, των πρωτεϊνών και των λιπών στους οργανισμούς.
6. Να συμπεραίνετε ότι ο άνθρακας είναι ένα από τα απαραίτητα στοιχεία της ζώσας ύλης.
7. Να συνδέετε τα κύρια στάδια του κύκλου του άνθρακα με διαδικασίες ανοικοδόμησης, αποικοδόμησης και ανταλλαγής ενέργειας.

Yδατάνθρακες-Πρωτεΐνες-Λίπη

4.1 Γενικά

H ζάχαρη όταν πάνω της πέφτει θειικό οξύ απανθρακώνεται, δηλαδή γίνεται άνθρακας που έχει μαύρο χρώμα. Eπομένως, η ζάχαρη περιέχει άνθρακα και ανήκει στις οργανικές ενώσεις. Η ζάχαρη ανήκει επίσης στη μεγάλη κατηγορία των θρεπτικών συστατικών.

Θρεπτικά συστατικά ονομάζονται οι ουσίες που περιέχονται στις τροφές και είναι απαραίτητες για την ανάπτυξη και συντήρηση του οργανισμού.

Τα θρεπτικά συστατικά:

• παρέχουν στον οργανισμό την απαιτούμενη ενέργεια για τη συντήρησή του,

• παρέχουν τις πρώτες ύλες από τις οποίες σχηματίζονται τα δομικά συστατικά των ιστών του οργανισμού και

• ρυθμίζουν τη λειτουργία του μεταβολικού ρυθμού, δηλαδή των αντιδράσεων που πραγματοποιούνται στα κύτταρα.

Τα θρεπτικά συστατικά ταξινομούνται σε μακροθρεπτικά που προσφέρουν ενέργεια στον οργανισμό και σε μικροθρεπτικά που χωρίς να προσφέρουν ενέργεια βοηθούν τη λειτουργία του. Η ταξινόμηση αυτή φαίνεται στον παρακάτω πίνακα.

4.2 Yδατάνθρακες ή σάκχαρα

Η ζάχαρη (C₁₂H₂₂O₁₁) ανήκει σε μια μεγάλη κατηγορία οργανικών ενώσεων, τους υδατάνθρακες. Οι υδατάνθρακες, περιέχουν άνθρακα, υδρογόνο και οξυγόνο και είναι η πιο διαδεδομένη κατηγορία θρεπτικών συστατικών. Στο μοριακό τύπο της ζάχαρης η αναλο-

Yδατάνθρακες-Πρωτεΐνες-Λίπη

γία ατόμων υδρογόνου και ατόμων οξυγόνου είναι 2/1, δηλαδή ίδια με αυτή που συναντάμε στο μόριο του νερού (Η₂Ο).

Η ονομασία υδατάνθρακες για τις ενώσεις αυτές προέκυψε από τη σύνθεση των λέξεων ύδωρ + άνθρακας, γιατί πολλές από αυτές περιέχουν τα άτομα Η και Ο σε αναλογία 2/1 αντίστοιχα. Οι υδατάνθρακες είναι το καύσιμο των ζώντων οργανισμών.

Οι υδατάνθρακες ταξινομούνται σε δύο κατηγορίες:

• Τα απλά σάκχαρα ή μονοσακχαρίτες, όπως για παράδειγμα η γλυκόζη και η φρουκτόζη με ίδιο μοριακό τύπο C₆H₁₂O₆. Η γλυκόζη, που ονομάζεται και σταφυλοσάκχαρο, είναι το πιο διαδεδομένο σάκχαρο. Βρίσκεται στα σταφύλια, στο μέλι και σε άλλους ώριμους καρπούς. Συντίθεται στα πράσινα μέρη των φυτών και κυρίως στα φύλλα κατά τη λειτουργία της φωτοσύνθεσης.

Η φωτοσύνθεση είναι ένα εξαιρετικά πολύπλοκο φαινόμενο που αποδίδεται συνοπτικά από τη χημική εξίσωση:

Κατά τη φωτοσύνθεση, η ηλιακή ενέργεια αποθηκεύεται με τη μορφή χημικής ενέργειας στα μόρια της γλυκόζης και χρησιμοποιείται από τους ζωικούς οργανισμούς, όταν οι υδατάνθρακες καταναλωθούν ως τροφή. Η γλυκόζη είναι πολύ σημαντική για τους οργανισμούς, γιατί ρυθμίζει το μεταβολισμό, είναι πηγή ενέργειας για τον εγκέφαλο και ρυθμιστικός παράγοντας για την αρτηριακή πίεση. Αποτελεί συστατικό του αίματος σε περιεκτικότητα 75-110 mg/100mL, που αυξάνεται σε παθολογικές καταστάσεις (σακχαρώδης διαβήτης).

• Τους σύνθετους υδατάνθρακες, οι οποίοι διακρίνονται σε:

1. ολιγοσακχαρίτες ή σακχαροειδείς, που προκύπτουν από συνένωση μικρού αριθμού μορίων απλών σακχάρων με ταυτόχρονη αποβολή μορίων νερού και έχουν γλυκιά γεύση, όπως το καλαμοσάκχαρο ή σακχαρόζη που είναι η κοινή ζάχαρη, η μαλτόζη και η λακτόζη, με ίδιο μοριακό τύπο C₁₂H₂₂O₁₁.

C₆H₁₂O₆ + C₆H₁₂O₆→C₁₂H₂₂O₁₁ + Η₂Ο

γλυκόζη + φρουκτόζη → σακχαρόζη + νερό

Yδατάνθρακες-Πρωτεΐνες-Λίπη

Σακχαροκάλαμα και σακχαρότευτλο

Το καλαμοσάκχαρο είναι ο πιο γνωστός δισακχαρίτης, γνωστός και ως σακχαρόζη ή ζάχαρη. Σχηματίζεται στους χλωροπλάστες και από εκεί μεταφέρεται στα διάφορα όργανα και τους ιστούς, όπου μεταβολίζεται. Ως αποταμιευτική ουσία βρίσκεται στο βλαστό του σακχαροκάλαμου που καλλιεργείται στην τροπική και υποτροπική ζώνη και στη ρίζα των σακχαρότευτλων που καλλιεργούνται στην εύκρατη ζώνη. Η ζάχαρη αποτελεί πηγή ενέργειας για τον άνθρωπο, στον οργανισμό του οποίου διασπάται αρχικά σε γλυκόζη και φρουκτόζη. H μεγάλη όμως κατανάλωση ζάχαρης οδηγεί στην παχυσαρκία.

2. πολυσακχαρίτες ή μη σακχαροειδείς, που προκύπτουν από συνένωση μεγάλου αριθμού μορίων απλών σακχάρων, συνήθως γλυκόζης, με ταυτόχρονη αποβολή μορίων νερού και δεν έχουν γλυκιά γεύση. Οι σημαντικότεροι πολυσακχαρίτες είναι το άμυλο, η κυτταρίνη και το γλυκογόνο με κοινό μοριακό τύπο (C₆H₁₀O₅)v. Οι ενώσεις αυτές είναι αποτέλεσμα πολυμερισμού που γίνεται από την ίδια τη φύση και χαρακτηρίζονται ως φυσικά πολυμερή.

γλυκόζη + γλυκόζη + … + γλυκόζη → άμυλο (ή κυτταρίνη ή γλυκογόνο) + νερό

Το άμυλο αποτελεί τη μορφή με την οποία αποθηκεύεται η γλυκόζη στους φυτικούς οργανισμούς. Χρησιμοποιείται για την ανάπτυξη του φυτού και αποθηκεύεται στα φυτικά κύτταρα με τη μορφή των αμυλόκοκκων. Τροφές πλούσιες σε άμυλο είναι οι πατάτες, τα δημητριακά, το ρύζι και τα όσπρια. Στον ανθρώπινο οργανισμό, η διάσπαση του αμύλου αρχίζει στη στοματική κοιλότητα, όπου με τη βοήθεια του ενζύμου πτυελίνη, που υπάρχει στο σάλιο, διασπάται και μετατρέπεται σε μαλτόζη, η οποία στη συνέχεια μετατρέπεται σε γλυκόζη με τη βοήθεια του ενζύμου μαλτάση που υπάρχει στο έντερο. Οι άνθρωποι καλύπτουν το 50 – 80% των ενεργειακών τους αναγκών με αμυλούχες τροφές.

Το γλυκογόνο είναι υδατάνθρακας ζωικής προέλευσης και αποτελεί τη μορφή με την οποία αποθηκεύεται η γλυκόζη στους ζωικούς οργανισμούς. Το γλυκογόνο είναι για τους ζωικούς οργανισμούς το αντίστοιχο του αμύλου των φυτικών οργανισμών, γι' αυτό και χαρακτηρίζεται ως «ζωικό άμυλο». Βρίσκεται στο συκώτι και στους μυς.

Η κυτταρίνη αποτελεί το κύριο συστατικό των κυτταρικών τοιχωμάτων των φυτικών κυττάρων και είναι η πιο διαδεδομένη οργανική ένωση στη φύση. Πολλά από τα παράγωγα της κυτταρίνης, όπως το χαρτί, το τεχνητό μετάξι (ρεγιόν), το σελοφάν που χρησιμοποιείται στη συσκευασία τροφίμων, η νιτροκυτταρίνη που χρησιμοποιείται ως εκρηκτικό, έχουν τεράστια βιομηχανική αξία. Η κυτταρίνη δεν έχει θρεπτική αξία για τον άνθρωπο και για πολλά ζώα, εκτός από τα μηρυκαστικά, γιατί ο οργανισμός τους δε διαθέτει τα κατάλληλα ένζυμα για τη διάσπασή της. Είναι όμως απαραίτητη ουσία για την καλή λειτουργία του εντέρου.

Yδατάνθρακες-Πρωτεΐνες-Λίπη

4.3 Πρωτεΐνες

Ο όρος πρωτεΐνη προέρχεται από τη λέξη πρώτος, για να τονιστεί ο πρωτεύων ρόλος της ως συστατικό του πρωτοπλάσματος των ζωικών και φυτικών κυττάρων. Οι πρωτεΐνες είναι μεγαλομοριακές ενώσεις που αποτελούν απαραίτητο συστατικό όλων των έμβιων οργανισμών.

Σύσταση και σύνθεση των πρωτεϊνών

Οι πρωτεΐνες περιέχουν απαραίτητα τα στοιχεία άνθρακα (C), οξυγόνο (O), υδρογόνο (H), άζωτο (N) και σπανιότερα θείο (S), φωσφόρο (P), σίδηρο (Fe), χαλκό (Cu), μαγνήσιο (Mg), ψευδάργυρο (Zn) και ιώδιο (I). Δομική μονάδα όλων των πρωτεϊνών είναι τα αμινοξέα. Η κάθε πρωτεΐνη προκύπτει από τη συνένωση πολλών μορίων αμινοξέων τα οποία συνδέονται με έναν ειδικό δεσμό, τον πεπτιδικό.

Σε κάθε πρωτεΐνη η σύνδεση αυτή γίνεται με μια καθορισμένη και μοναδική αλληλουχία. Στο σχηματισμό των πρωτεϊνών συνήθως μετέχουν 20 αμινοξέα, εκ των οποίων τα 10 δεν μπορεί να συνθέσει ο οργανισμός και ονομάζονται απαραίτητα αμινοξέα. Ορισμένες τροφές που περιέχουν πρωτεΐνες, όπως το γάλα και τα προϊόντα του, το κρέας, τα αυγά, τα ψάρια, έχουν υψηλή βιολογική αξία, γιατί παρέχουν στον οργανισμό τα απαραίτητα αμινοξέα.

Η επαρκής πρόσληψη πρωτεϊνών από τον οργανισμό σε καθημερινή βάση είναι αναγκαία για:

• την ανάπτυξή του

• τη συντήρησή του και την αντικατάσταση των πρωτεϊνών που χάνονται από τους ιστούς με τα βιολογικά υγρά,

• την παραγωγή ενέργειας έμμεσα, όταν η πρωτεΐνη χρησιμοποιείται για την παραγωγή γλυκόζης, σε περιπτώσεις έντονης μυϊκής άσκησης,

• τη σύνθεση ενζύμων, δηλαδή βιοκαταλυτών, ορμονών, όπως η αδρεναλίνη, καθώς και μορίων που μεταφέρουν άλλες ουσίες,

• την παραγωγή αντισωμάτων, δηλαδή ειδικών πρωτεϊνών, που αντιστέκονται σε ουσίες-εισβολείς στον οργανισμό που τον κάνουν να νοσεί.

Yδατάνθρακες-Πρωτεΐνες-Λίπη

4.4 Λίπη και έλαια

Τα λίπη και τα έλαια είναι βασική κατηγορία θρεπτικών υλών και αποτελούν σημαντική πηγή ενέργειας. Ανήκουν στην ομάδα των φυσικών υλών που ονομάζονται λιπίδια. Από χημική άποψη, τόσο τα λίπη όσο και τα έλαια είναι μείγματα ενώσεων (εστέρων) που προκύπτουν από την αντίδραση οργανικών οξέων με γλυκερίνη. Οι ενώσεις αυτές ονομάζονται γλυκερίδια.

Λίπη ονομάζονται τα μείγματα γλυκεριδίων που είναι στερεά σε συνήθεις θερμοκρασίες και έλαια αυτά που είναι υγρά.

Σε ό,τι αφορά την προέλευσή τους διακρίνονται σε:

• ζωικά λίπη και έλαια

• φυτικά λίπη και έλαια

Τα λίπη και τα έλαια έχουν μεγάλη βιολογική αξία, γιατί:

α. εξασφαλίζουν σημαντικό μέρος της απαιτούμενης ενέργειας. Κατά το μεταβολισμό, 1 g λίπους αποδίδει 9 kcal, ενώ 1 g υδατάνθρακα ή πρωτεΐνης αποδίδει 4 kcal,

β. εξασφαλίζουν τα απαραίτητα λιπαρά οξέα, που δεν μπορεί να συνθέσει ο οργανισμός,

γ. μεταφέρουν τις απαραίτητες λιποδιαλυτές βιταμίνες A, D, E, K,

δ. εμποδίζουν την απώλεια θερμότητας από το σώμα και έτσι συμβάλλουν στη διατήρηση της θερμοκρασίας του σε φυσιολογικά επίπεδα.

4.5 Ο κύκλος του άνθρακα στη φύση

Τα άτομα άνθρακα στη φύση έχουν ήδη ηλικία πάνω από ένα δισεκατομμύριο χρόνια και «προσβλέπουν» σε ένα μέλλον που εμείς οι άνθρωποι δεν μπορούμε να φανταστούμε ότι θα υπάρχει. Αυτή η συνέχεια της ύλης διασφαλίζεται με τη συνεχή μετατροπή σε διαφορετικές μορφές και περιγράφεται στο σκίτσο της επόμενης σελίδας, το οποίο απεικονίζει τον κύκλο του άνθρακα στη φύση.

Yδατάνθρακες-Πρωτεΐνες-Λίπη

Συμβολίζονται: με κόκκινα βέλη → οι καύσεις • με πράσινα βέλη → η φωτοσύνθεση • με γκρι βέλη → τα προϊόντα οργανικής αποσύνθεσης • με μπλε βέλη → άλλες ανταλλαγές (διάλυση, πυρόλυση)

Ο άνθρακας μεταφέρεται συνεχώς από την ατμόσφαιρα στο έδαφος και τους ωκεανούς της Γης και αντίστροφα. Ορισμένα φυτά πεθαίνουν και αποσυντίθενται ελευθερώνοντας διοξείδιο του άνθρακα, την ίδια στιγμή που ορισμένα άλλα μπαίνοντας στην τροφική αλυσίδα μετατρέπονται σε διοξείδιο του άνθρακα, νερό και άλλα απλά μόρια. Το διοξείδιο του άνθρακα εκλύεται από τους κρατήρες ηφαιστείων, τη διάσπαση ασβεστολιθικών πετρωμάτων, τους ωκεανούς και την αναπνοή ζώων και ανθρώπων. Μεγάλες ποσότητές του παράγονται από τη χρήση ορυκτών καυσίμων για κίνηση, θέρμανση και παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας και από τις πυρκαγιές σε δασικές εκτάσεις.

Η συνεισφορά της ανθρώπινης δραστηριότητας στην παραγωγή διοξειδίου του άνθρακα φαίνεται στο ακόλουθο διάγραμμα.

Κάθε χρόνο απομακρύνονται από την ατμόσφαιρα περίπου 200 δισεκατομμύρια τόνοι άνθρακα ως διοξείδιο του άνθρακα. Από αυτούς 110 δισεκατομμύρια τόνοι διοξειδίου του άνθρακα αποθηκεύονται στον ιστό των φυτών με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης και 93 δισεκατομμύρια τόνοι διαλύονται στους ωκεανούς και χρησιμοποιούνται σε χημικές και βιολογικές διεργασίες από το πλαγκτόν. Στους ωκεανούς συσσωρεύεται κυρίως στα όστρακα και τα κοράλλια και από κει με αργές διαδικασίες βρίσκει το δρόμο του πάλι για τη στεριά με τη μορφή ασβεστολιθικών και άλλων πετρωμάτων. Οι κυκλικές διαδικασίες που λαμβάνουν χώρα έχουν ως αποτέλεσμα να αποκαθίσταται μια αξιοθαύμαστη δυναμική ισορροπία, κατά την οποία καταναλώνεται σχεδόν όσο διοξείδιο του άνθρακα παράγεται.

Ο κύκλος του άνθρακα είναι η κυκλική διαδικασία με την οποία ο άνθρακας

Yδατάνθρακες-Πρωτεΐνες-Λίπη

και οι ενώσεις του ανακυκλώνονται μεταξύ του φυτικού, ζωικού βασιλείου και ανόργανου κόσμου.

Τα τελευταία χρόνια η ανθρώπινη δραστηριότητα αυξάνει την ποσότητα του CO₂ κατά 3 δισεκατομμύρια τόνους κάθε χρόνο, με αποτέλεσμα τη διατάραξη της περιβαλλοντικής ισορροπίας και την εμφάνιση προβλημάτων, όπως το λιώσιμο των πάγων στους πόλους και την ερημοποίηση, εξαιτίας του φαινομένου του θερμοκηπίου.

http://www.cotf.edu/ete/modules/carbon/efcarbon.html

http://earthobservatory.nasa.gov/Library/CarbonCycle/

O άνθρακας, είναι αλήθεια, είναι ένα στοιχείο μοναδικό. Eίναι το μοναδικό που ξέρει να δένεται με τον εαυτό του σε μακριές στέρεες αλυσίδες χωρίς μεγάλη σπατάλη ενέργειας και στη ζωή επί της Γης (τη μόνη που γνωρίζουμε μέχρι τώρα) τέτοιες αλυσίδες είναι απαραίτητες. Γι’ αυτό ο άνθρακας είναι το στοιχείο-κλειδί των ζώντων όντων.
Όμως η προαγωγή του, η είσοδός του στον οργανικό κόσμο, δεν είναι εύκολη και πρέπει να ακολουθήσει μια υποχρεωτική και μπερδεμένη πορεία που διαλευκάνθηκε μόνο τα τελευταία χρόνια (και πάλι όχι τελείως). Aν η οργανικοποίηση του άνθρακα δε λάμβανε χώρα καθημερινά γύρω μας (σε ποσότητες δισεκατομμυρίων τόνων κάθε εβδομάδα), οπουδήποτε υπάρχει το πράσινο χρώμα ενός φύλλου, τότε θα της δίναμε τελείως δικαιωματικά το όνομα του θαύματος.

ΠPIMO ΛEBI, «Tο περιοδικό σύστημα», EIKOΣTOΣ AIΩNAΣ, EKΔOΣEIΣ KAΣTANIΩTHΣ

Με λίγα λόγια