Home

Nesmrtelná jablka

Ve sklizeném ovoci se dramaticky mění procesy probíhající v jeho buňkách. Ty sice žijí dále, ale procesy látkové výměny se mění. Místo pochodů anabolických, při kterých vznikají a jsou skladovány různé buněčné součásti, začnou v natrhaných plodech probíhat procesy katabolické. Při těch je to, co bylo vyrobeno předchozími anabolickými procesy, konzumováno, aby buňky mohly i nadále žít.  

Sklizené ovoce je proto po určité době pro zákazníky již zcela bezcenné. Buňky samotné totiž zkonzumují například ovocné cukry, na kterých si tolik pochutnáváme. Aby katabolické reakce probíhaly co nejpomaleji, používá se technologie „skladování v kontrolované atmosféře“. A jak to celé funguje? Například glukóza, hroznový cukr, je odbourávána enzymy až na kyselinu pyrohroznovou. Při těchto reakcích je nutný molekulární kyslík. Asi tě tedy napadne, jak se dá tomuto nežádoucímu jevu zabránit. Pokud jsi odpověděl, že snížením dávky kyslíku, máš pravdu. Toho se dosáhne snížením parciálního tlaku v okolní atmosféře. Pro uskladnění ovoce a zeleniny se tak používá plyn obsahující dusík, pouhá dvě procenta kyslíku a pět procent oxidu uhličitého. Kéž by se podobně dal prodloužit život i lidem.

Literatura:

 1. MALIJEVSKÁ, Ivona. Záhady, klíče, zajímavosti očima fyzikální chemie. 2., rozš. vyd. Praha: Vysoká škola chemicko-technologická v Praze, 2013, 297 s. ISBN 978-80-7080-824-5.

2. Scott Bauer, USDA ARS. 1280px-Fuji_apple.jpg. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fuji_apple.jpg. Tento obrázek je publikován jako volné dílo. 

Zázračný materiál 21. století

Grafen je dvourozměrný atomový krystal. Jedná se o uměle připravený alotrop uhlíku. Skládá se pouze z jedné vrstvy atomů uhlíku, které mají hexagonální uspořádání. Do značné míry připomíná včelí plástev.

Obr. 1 Struktura grafenu

Struktura grafenu se dá odvodit od známějšího materiálu grafitu neboli tuhy, kterou dobře známe z hrotu tužky. Tuto strukturu máme znázorněnou na obrázku. Vidíme, že se skládá z jednotlivých vrstev, které tvoří atomy uhlíku uspořádané do pravidelných šestiúhelníků. Tyto vrstvy jsou k sobě poutány slabými vazebnými interakcemi – van der Waalsovými silami. To, že jsou tyto vazby opravdu slabé, dokazuje fakt, že tužka píše. Když tužku otřeme o papír, porušíme tyto slabé vazby a na papír se odloupne slabá grafitová vrstva. Pokud by se nám tímto způsobem podařilo odloupnout pouze jednu vrstvu grafitu, získáme grafen. 

Obr. 2 Srovnání struktury grafitu a grafenu

Grafen je tedy rovinná síť tvořená z atomů uhlíku, které jsou uspořádány do vrcholů pravidelných šestiúhelníků. Z každého atomu uhlíku vychází tři jednoduché vazby σ, které jsou velmi pevné, a jedna vazba π. Atomy uhlíku mají hybridizaci sp2 a jsou od sebe vzdáleny 1,42 Å. 

Za objevem grafenu stojí André Geim a Konstantin Novoselov, kterým se v roce 2004 na Manchesterské univerzitě podařilo poprvé získat grafen. Jak to udělali? Pomocí metody, které se říká exfoliace. Vzali lepicí pásku a přitiskli na ní krystalek grafitu. Poté pásku opatrně oddělili a získali na ní tenkou grafitovou vrstvu. Následným opakovaným odlepováním a přilepováním pásky dostávali tenčí a tenčí vrstvy grafitu. Tuto vrstvu pak z lepicí pásky přitiskli na první podklad, který jim přišel pod ruku. Byla to křemíková destička, na které byla vrstvička oxidu křemičitého. Na ni se pak podívali pod mikroskopem a měli štěstí, protože mezi různě silnými vrstvami grafitu objevili jednoatomovou vrstvu grafenu. 

Historie grafenu však začíná dříve než jeho vlastní přípravou v roce 2004. Například v 60. letech dvacátého století se jednomu expertovi na elektronovou mikroskopii podařilo získat, pomocí mikromechanické exfoliace, grafitovou vrstvu tenkou pouze 5 nm, což by odpovídalo asi 15 vrstvám grafenu. Vědci tedy věděli, že tato jednoatomová vrstva existuje, ale mysleli si, že není termicky stálá. Používali ji pouze pro výpočty a popis složitějších uhlíkatých struktur, např. fullerenů nebo nanotrubiček. Tento historický výčet ukončíme v roce 2010, kdy André Geim a Konstantin Novoselov dostali Nobelovu cenu za fyziku „Za průkopnické experimenty týkající se dvourozměrného materiálu grafenu“. Na fotografii níže vidíte předměty, které věnovali Nobelovu muzeu ve Stockholmu (grafit, lepicí páska a grafenový kondenzátor).

Obr. 3 Grafit, lepicí páska a grafenový kondenzátor

A proč je grafen tak výjimečný? Je to díky kombinaci jeho jedinečných vlastností, díky kterým si vysloužil přezdívku „zázračný“ materiál. Ačkoli je grafen lehký a tenký (jedná se o nejtenčí známý materiál), vykazuje unikátní tuhost a extrémní mechanickou pevnost. Plátek grafenu je stokrát pevnější než stejně široký plátek té nejpevnější oceli, zároveň je však velmi pružný. Elektrony se v grafenu pohybují se téměř rychlostí světla. Díky tomu je grafen výborný tepelný i elektrický vodič, a to dokonce lepší než kovy. Teplo vede šedesátkrát lépe než železo a desetkrát lépe než měď. Další jeho mimořádnou vlastností je, že dokáže vydržet extrémně vysoké elektrické proudy, a to asi milionkrát vyšší než měď. Grafen výborně propouští světlo. Absorbuje pouze 2,3 % dopadajícího světla a jeví se nám proto téměř neviditelný. Zároveň je nepropustný pro všechny plyny. Všechny tyto vlastnosti dělají grafen unikátním materiálem. Pro přiblížení některých těchto vlastností lze uvést jeden příklad. Představte si, že máme grafenovou síť o velikosti jeden metr čtvereční. Tu bychom pověsili mezi dva stromy jako houpací síť. Nosnost sítě by byla asi 4 kg, takže by se v ní mohla pohoupat třeba kočka. Zároveň by tato síť vážila méně než jeden miligram, což je hmotnost, která odpovídá jednomu kočičímu vousku. 

Mechanická exfoliace je metoda, kterou byl grafen poprvé objeven. Je založená na mechanickém odlupování jednotlivých vrstev. Tímto způsobem můžeme vyrobit velmi kvalitní grafen a v některých výzkumných laboratořích se tato metoda používá dodnes. Její nevýhodou je, že získáme směs různě silných grafitových vrstev a musíme mezi nimi grafen najít. Druhou nevýhodou je, že můžeme vyrobit pouze malý kousek tohoto materiálu, který ještě s největší pravděpodobností bude popraskaný. Jihokorejským vědcům se podařilo vyrobit grafenovou folii o úhlopříčce 76 cm. Jedná se o světový rekord a metoda, kterou na tuto výrobu použili, se nazývá chemická depozice z plynné fáze (CVD). Principem je usazování tenké uhlíkové vrstvy na měděné podložce za vysokých teplot. Tyto dvě metody však nejsou jedinou možností, jak grafen vyrobit. V dnešní době existuje asi 200 různých způsobů přípravy, pomocí kterých můžeme vyrobit grafen různé kvality a velikosti. Liší se také náklady na tuto výrobu.

Kompozitní materiály, automobilový a letecký průmysl, výroba satelitů a kosmických zařízení, transparentní elektrody, dotykové obrazovky, solární články, vodiče a polovodiče, tranzistory, kondenzátory, citlivé senzory, fotodetektory, obalový materiál, grafenové LED diody, vodivé inkousty nebo například materiál pro uskladnění vodíku. Tady všude se dá grafen, díky svým unikátním vlastnostem, teoreticky využít. Teoreticky proto, že spousta z nich doposud nebyla realizována. Vědci sice ví, že by grafen v budoucnu mohl nahradit některé nynější materiály, ale budeme si na to muset ještě počkat. Předpokládá se, že tyto aplikace budou zavedeny do výroby po roce 2020 nebo 2025.

 Grafen by například mohl nahradit transparentní elektrody z běžně používaného ITO (oxidy india a cínu) v dotykových obrazovkách a fotovoltaických článcích. Prvním důvodem by mohly být náklady na výrobu těchto oxidů. Dalším důvodem je, že grafen je mnohem ohebnější, pevnější a mechanicky odolnější. Pokud bychom chtěli ohnout náš mobilní telefon, obrazovka by nejspíše praskla. Naproti tomu obrazovky, které by obsahovaly grafen, bychom mohli klidně ohýbat. Představte si například mobilní telefon, který má všechny funkce dnešního mobilu a navíc si ho po dotelefonování můžeme nasadit na ruku místo hodinek. Pokud byste si chtěli tento telefon koupit, tak klidně můžete, protože jedna firma v Číně minulý rok uvedla na trh 30 000 těchto mobilních telefonů, které obsahují grafen v dotykových obrazovkách. To, že firma tyto výrobky uvedla na trh, je však spíše prestižní záležitostí a marketingový tah. Sice se může pyšnit, že vyrábí obrazovky z grafenu, ale finančně se jí to vůbec nevyplatí. Náklady na výrobu těchto zařízení jsou totiž mnohem vyšší než jejich prodejní cena. 

Obr. 4 Využití grafenu - ohebné dotykové obrazovky

Využití grafenu však nespočívá pouze v elektronice. Jeho výjimečných vlastností si všimla i jedna sportovní firma, která ho začala používat při výrobě tenisových raket. Tenisové rakety, které obsahují ve svém jádru grafen, jsou díky tomu lehčí, pevnější a pružnější. Celkově se s těmito raketami lépe manévruje a mají větší energii úderu. To, že jsou tyto rakety unikátní, dokazuje fakt, že s nimi hraje i první muž světového tenisového žebříčku Novak Đoković.

 Objev grafenu vyvolal velkou vlnu zájmu vědců o tyto struktury. Dnes už víme, že grafen není jediným dvourozměrným materiálem. Rodina těchto 2D krystalů je mnohem větší a neomezuje se pouze na uhlíkaté struktury. Jako příklad těchto materiálů si můžeme uvést BN (nitrid bóru) nebo MoS2 (disulfid molybdenu nebo molybdenit). Tyto látky mají velký potenciál a někdy se zdá, že dokonce větší než samotný grafen. Zjistilo se, že kombinací těchto krystalů a grafenu se dá dosáhnout ještě výhodnějších vlastností. Zjistila to i skupina vědců, která kombinací polovodiče MoS2 a výborného vodiče grafenu vyrobila převratnou flash paměť. Její výhodou je především to, že může být opravdu miniaturní.

Největším producentem grafenu je Asie, konkrétně Čína. Čína vlastní i nejvíce patentů týkajících se grafenu, a to asi 45 %. Zajímavé je, že většinu těchto patentů má pouze v rámci své země. Pouze asi jedno procento jsou patenty mezinárodní. Na druhém místě ve výrobě grafenu je pak Amerika. Za poslední roky výroba tohoto materiálu velmi vzrostla. Tyto údaje jsou shrnuty v následujícím grafu.

Obr. 5 Světová produkce grafenu v roce 2012 a 2015

Nejmenší modrý šestiúhelník představuje zisk za prodej grafenu v roce 2013, který byl asi 300 milionů korun. Předpokládá se, že do roku 2025 se prodá grafen za více než 8,5 miliardy korun. Naproti tomu celkové náklady na výzkum tohoto materiálu činí do letošního roku 60 miliard korun. 

Obr. 6 Bude grafen zázračným materiálem 21. století?

Nabízí se proto otázka, zda se tyto obrovské náklady na výzkum vyplatí a jestli grafen opravdu je a bude „zázračným“ materiálem 21. století?

Literatura:

GEIM, Andre K. a NOVOSELOV, Konstantin S. The rise of graphene. Nature materials, 2007, 6(3): 183-191.

NOVOSELOV, K. S. Nobel lecture: Graphene: Materials in the flatland. Reviews of Modern Physics, 2011, 83(3): 837.

Převratná flash paměť kombinuje grafen s molybdenitem. MIHULKA, Stanislav. www.osel.cz. [online]. ©2013 [cit. 2015-11-12]. Dostupné z: http://www.osel.cz/6797-prevratna-flash-pamet-kombinuje-grafen-s-molybdenitem.html 

SVOBODOVÁ, Petra, 2012: Materiály blízké i vzdálenější budoucnosti – nanotechnologie a nanomateriály. Bakalářská práce, PdF MU, Brno, 118 pp.

JELÍNEK, Petr, 2014: Příprava a vlastnosti grafénu. Diplomová práce, PřF MU, Brno, 95 pp.

FRANK, Otakar a KALBÁČ, Martin. Levitující žába, křeček spoluautor, gekonovy tlatky… a grafen. Vesmír. 2011,90(4): 209-211.

HÁJKOVÁ, Zděnka a FEJFAR, Antonín. Grafen – zázračný materiál 21. století. Časopis pro výuku přírodovědných předmětů na základních a středních školách. 2014, 23(4): 171-175.

NOVOSELOV, Konstantin S., et al. A roadmap for graphene. Nature. 2012, 490(7419): 192-200.

Chemická podstata vůně potravin

K vnímání vůní (chemických látek) čichem využíváme kolem 400 různých receptorů. Samotným senzorem vůně jsou různé varianty membránového proteinu, který patří do širší skupiny proteinů, které jsou využívány k detekci hormonů, neurotransmiterů nebo světla. Receptory člověka vytváří kódy pro pachy a jediný odorant (= látka, která má určité aroma) může aktivovat několik receptorů a jediný receptor může být aktivován pouze několika specifickými odoranty. Po navázání vonné látky na receptor dojde k sérii kroků, které způsobí vznik druhého posla. Tím dochází k uvolnění neurotransmiteru glutamátu, který pomocí otevírání iontových kanálů navodí akční potenciál. Tento signál je přenesen po axonu do mozku.

Obr. 1 Česnek a jeho vůně

Hon za molekulami odorantů v potravě začal s rozšířením plynové chromatografie na počátku 60. let minulého století. Tehdy se výzkum prováděl s předpokladem, že celý set těkavých látek nejčastěji obsažených v potravinách, tělesném pachu nebo prostředí se vytváří dané specifické aroma látky.

Předpokládá se, že potraviny obsahují až 10 000 těkavých látek, avšak experimenty pokoušející se o rekonstrukci např. vůně olivového oleje nebo pomerančového džusu nebyly úspěšné. To vedlo k pochybám o vlivu navrhovaných těkavých látek na specifický pach potravin. A tak se ukázalo, že vjem není jen funkcí koncentrace, tedy že vůni netvoří jen látky nejvíce zastoupené, ale že také závisí na aktivitě látky, tedy jak citlivé jsou k dané látce čichové buňky. Některé látky jsou pro vyvolání vjemu důležité, jiné se na vůni nepodílejí. Vynechání byť jen jednoho z důležitých odorantů nebo nesprávná koncentrace jedné či více složek ze směsi způsobí výrazné odchylky ve vnímání daného aroma oproti originální potravině.

Psychosomatické studie dokázaly, že vjem směsi odorantů není součtem jednotlivých komponent. Směsi, obsahující více než čtyři odoranty vytvářejí zcela nový vjem, jednotlivé vonné látky zcela ztrácejí svou individualitu. Studie, která byla provedena na lidských dobrovolnících a novorozených králících, ukázala, že po ananasu vonící směs čtyř složek byla vyhodnocena jako zcela nový pachový objekt. Tento jev byl nedávno potvrzen také neurofyziologickými experimenty, které dokázaly, že neurony reagují na směsi odorantů, ale nikoliv na jednotlivé komponenty. Navzdory neschopnosti identifikovat jednotlivé vonné látky, lidé ale dokáží snadno rozlišit jednotlivé směsi od sebe. Díky kombinatorní povaze pachového kódu se zdá počet vjemů nekonečným. Podobně je tomu v lidském okus vnímáním barev. Pomocí čípků vnímáme dobře pouze tři barvy – zelenou, modrou a červenou a přesto je člověk schopen rozlišit miliony barev jejich kombinací.

Sérií mnoha pokusů na 227 vzorcích potravin z velmi rozdílných kategorií, jako jsou alkoholické nápoje, maso, ryby, cereálie, pečivo, mléčné výrobky, olejnatá semena, ovoce, zelenina, káva, čaj, byly definovány klíčové potravinové odoranty, které byly přiřazeny k jednotlivým potravinám. Výsledkem studií byl poznatek, že pouze 3 % látek z přítomných asi 10 000 těkavých látek přispívá k jejich specifickému pachu. Pouze 230 klíčových odorantů tak vytváří vůni většiny, ne-li všech potravin a nápojů. Seřazení celkového počtu 226 klíčových odorantů dle výskytu v jednotlivých potravinách, odhalilo 16 „generalistů“, kteří byli detekování ve více než 25 % zkoumaných potravin. Patří sem například 3-(methylthio)propanal neboli methional vonící po vařených bramborách, 3-methylbutanal vonící po sladu, 2-acetyl-1-pyrrolin obsažený v popcornu nebo butan-2,3-dion mající máslovou vůni. Jedná povětšinou o látky, které vznikají při zpracování potravin enzymatickými nebo neenzymatickými reakcemi z látek, které jsou běžně ve většině potravin přítomné, jako jsou cukry nebo aminokyseliny.

Obr.2 "Chemické vzorce" některých vůní

Obr.3 Schéma: Neenzymatické transformace cukrů a aminokyselin vedoucí ke vzniku „generalistů“.

V méně než 5 % potravin se vyskytovaly látky specifické. Ty přispívají k typickým vůním určité skupiny potravin nebo jen jediné potraviny samotné. K tvorbě těchto látek dochází přeměnou typických prekurzorů, jako jsou polyfenoly nebo izoprenoidy, které se vyskytují ve specifických skupinách potravin. Patří sem například diallyldisulfid způsobující charakteristické aroma česneku, dipropyl disulfid vyskytující se v cibuli a kokosově vonící lakton vína.

Obr.4 "Chemické vzorce" vůní typických pro některé potraviny

Existují významné rozdíly v komplexnosti pachových kódů pro jednotlivé potraviny. Například se zmiňme o pachu různých alkoholických nápojů. V případě piva se sestává z 18 klíčových odorantů a z 36 u koňaku, zatímco k vyvolání věrohodného pachového vjemu másla se používá směs obsahující butan-­2,3­-dien (máslovitá vůně), d­-dekalakton (kokosová vůně) a kyselina butanová (kyselina máselná).

Všechny alkoholické nápoje vykazují jistou podobnost ve vůni, což je dáno obsahem stejných klíčových odorantů. Zejména se jedná o ethanol (alkoholický), butan-2,3-dion (máslový), 3-methyl-1-butanol (sladový) a 2-fenylethanol (květinový), květinově vonící estery ethyl-butanoát, methyl-butanoát, ethyl-2-methylpropanoát, ethyl-hexanoát a ethyl-oktanoát, které se vyskytují nejčastěji. Navíc, po pečeném jablku vonící isoprenoid (E)-­β-­damascenon, pocházející z glykosidických prekurzorů v syrovém rostlinném materiálu (hrozny, ječmen, žito, pšenice), přispívá k typickému pachovému znaku všech alkoholických nápojů.

Obr.5 Vůně specifické pro alkoholické nápoje

Společně s touto sestavou fermentačních metabolitů je specifický pach alkoholu charakterizován 1,1­-diethoxyethanem (ovocný), fenylethyl acetátem (květinový), 2-methylbutyl acetátem (ovocný), kouřově vonícím 2­-methoxyfenolem a 4­-ethyl­-2- methoxyfenolem (hřebíčková vůně) a vanilinem.

Obr.6 Další vůně specifické pro alkoholické nápoje

Pesticidy aneb globální chemická hrozba

Pesticidy jsou přípravky určené k hubení rostlinných a živočišných škůdců, k ochraně rostlin, zvířat a člověka. V celosvětovém měřítku je registrováno okolo 800 sloučenin, účinných látek pesticidů. Uvádí se, že jejich celosvětová spotřeba je 2 500 000 tun ročně, z toho je až 85 % spotřebováno v zemědělství. Současné zemědělství by však bez těchto látek nemohlo existovat. Díky tomu, že hubí škodlivé organismy, zvyšují výnos z kulturních rostlin.

Obr. 1 Využití pesticidů

Od počátku civilizace se lidé neustále snažili zlepšovat své životní podmínky a začali proto hledat způsoby, jak ochránit své plodiny. Síra jako prostředek k potírání chorob kulturních rostlin a k odpuzování hmyzu byla známa už před rokem 1000 př. n. l. Toxické sloučeniny olova, rtuti a arsenu byly používány již kolem roku 1400. V 15. století byly izolovány sloučeniny nikotinu z tabákových listů a používány jako insekticidy.

Třicátá léta 20. století jsou skutečným počátkem moderní éry syntetických organických pesticidů. Mezi nejvíce v této době vyráběné a používané patřily organochlorové pesticidy a organofosfáty. Nejznámějším organochlorovým pesticidem je DDT (2,2-bis(4-chlorfenyl)-1,1,1-trichlorethan), jehož insekticidní vlastnosti byly objeveny v roce 1939 Dr. Paulem Müllerem. Tato látka ve své době představovala skutečný přelom v boji proti škůdcům a přenašečům nemocí, proto byl P. Müller v roce 1945 oceněn Nobelovou cenou za medicínu. Druhou velmi významnou skupinu tvořily organofosfáty, které byly připravovány před a v průběhu druhé světové války v nacistickém Německu v laboratořích koncernu IG Farben. Během vývoje těchto látek byla zjištěna jejich vysoká toxicita pro savce, a proto některé z nich byly převzaty vojáky jako nervové bojové plyny. Mezi tyto toxické látky patří např. tabun, sarin a soman. Pesticidní látka parathion byla v koncernu IG Farben vyráběna od 40. let 20. st. jako prostředek k hubení hmyzu. Poté však bylo zjištěno, že její abiotickou oxidací vzniká jedovatý paraoxon, a tak se přestala používat. Dnes je použití pesticidů obou skupin zakázané.

V 50. letech byly zavedeny do praxe selektivní herbicidy na bázi fenoxyoctových kyselin. Jednalo se o kyseliny 2,4,5-trichlorfenoxyoctovou (2,4,5-T) a kyselinu 2,4-dichlorfenoxyoctovou (2,4-D), které jako herbicidy selektivně působí na dvouděložné rostliny. V 70. létech minulého století byly tyto kyseliny Američany použity během Vietnamské války v herbicidním prostředku Agent Orange. Při výrobě herbicidu 2,4,5-T dochází k tvorbě velmi jedovatého tetrachlordibenzodioxinu. Po aplikaci herbicidu Agent Orange byla touto nebezpečnou látkou kontaminovaná rozsáhlá oblast jižního Vietnamu a zasažena byla spousta lidí. Zdravotní následky v podobě genetických poruch se objevují dodnes.

Určitým mezníkem v historii byla kniha Silent spring, vydaná v roce 1962, jejíž autorkou byla Američanka Rachel Carson. Její poselství bylo jednoznačné. Masové nasazení pesticidů, a DDT zvlášť, ohrožuje přírodu a člověka. DDT má schopnost kumulovat se v tukové tkáni a je to látka velmi stabilní. Alarmující nálezy DDT a některých dalších perzistentních organochlorových insekticidů v různých složkách ekosystému proto vedly v 60. letech k postupnému omezování až úplnému zákazu jejich používání. Všechny organochlorové pesticidy jsou dnes celosvětově zakázány Stockholmskou úmluvou, která byla přijata v roce 2004 (seznam zakázaných látek je průběžně rozšiřován). I přes tento zákaz je dnes DDT v Africe používán jako látka hubící komáry přenášející malárii.

Pesticidy aplikované v současnosti se označují jako tzv. „moderní“. Jedná se o sloučeniny, které jsou polárnější, lehce odbouratelné, nekumulují se v živých organismech a mohou působit selektivně proti jednomu organismu (jedná se například o specifické hormony). Můžeme sem zařadit například pyrethroidy a neonikotinoidy. Historie však ukazuje, že zavádění nových skupin pesticidů, u kterých se předpokládá, že nebudou mít negativní vlastnosti předchozí generace, se nakonec z nějakého důvodu ukáže jako problematické.

Rozdělení pesticidů

Pesticidy můžeme dělit do několika skupin, a to podle několika kritérií. Prvním a nejčastějším kritériem je cílový škodlivý činitel a podle tohoto kritéria dělíme pesticidy například na:

1. Herbicidy (proti plevelným rostlinám)
2. Fungicidy (proti plísním a houbovým chorobám)
3. Insekticidy (proti hmyzu)

Dalším častým kritériem je dělení pesticidů podle jejich chemické struktury například na:

1. Organochlorované pesticidy

Jedná se o látky kumulující se v tucích (lipofilní povahy). Vzhledem k jejich schopnosti kumulace jsou nejvíce ohroženi predátoři. Způsobují významný pokles reprodukční schopnosti rybožravých a vodních ptáků a šelem. V půdě jsou perzistentní (nesnadno odbouratelné), což vyplývá z povahy vazeb C-Cl, jejichž přítomnost znesnadňuje biologickou degradaci. Například DDT se v půdě rozloží na DDE a DDD za 2-15 let.

Dále sem patří pesticidy jako aldrin, chlordan, endrin, DDT, dieldrin, heptachlor, pentachlorfenol, mirex a toxafen. Dnes je jejich použití celosvětově zakázané.

Obr.2 DDT

2. Organofosfáty

Organofosfáty jsou neurotoxické organické látky odvozené od kyseliny fosforečné. Oproti organochlorovým pesticidům se liší svou vysokou akutní toxicitou pro savce (inhibitory acetylcholinesterázy) a nízkou perzistencí v půdě. Patří sem látky využívané jako nervové plyny (tabun, sarin a soman) a insekticidy (parathion, tetrachlorvinphos). Ve druhé polovině 90. let minulého století se začalo od jejich aplikace upouštět kvůli jejich vysoké toxicitě.

Obr.3 Tabun

3. Karbamáty

Jedná se o neurotoxické estery kyseliny karbamové, které jsou vysoce účinné proti širokému spektru hmyzích druhů. Společným rysem celé skupiny je podobně jako u organofosfátů schopnost inhibice acetylcholinesterázy. Mezi nejtoxičtější zástupce patří karbofuran, který se používal k ochraně před hmyzími škůdci na bramborách, kukuřici a sójových bobech. Méně toxický karbaryl je hojně využíván jako širokospektrální insekticid. Dnes je v některých státech zakázán.

Obr.4 Karbaryl

4. Pyrethroidy

Pyrethriny jsou přírodní látky obsažené např. v kopretině starčkolisté, projevující se silnými insekticidními účinky. Všechny tyto látky obsahují ve svých strukturách cyklopropanový kruh. Přesto, že je kopretina starčkolistá dodnes pěstována na plantážích v Keni, nestačí tyto rostliny jako zdroj pyrethrinů. Přírodní pyrethriny se také na slunci rychle inaktivují, proto bylo nutné najít způsob jak je stabilizovat a byly vyrobeny syntetické pyretriny tzv. pyretroidy. Jedná se o nervové jedy ovlivňující jak centrální, tak i periferní nervovou soustavu. Syntetické pyrethroidy jsou relativně více fotostabilní, termostabilní a s mimořádně rychlým omračujícím účinkem na létající hmyz, projevujícím se během několika vteřin. Syntetickým pyrethroidem je například permethrin, který se používá jako insekticid a v nízkých koncentracích má repelentní účinky.

Obr.5 Pyrethtin

5. Neonikotikoidy

Jedná se o syntetické insekticidní látky působící stejným mechanismem jako přírodní alkaloid nikotin, který spolehlivě ničí hmyz, takže ho některé rostliny produkují na svou ochranu. Překvapivé může být, že se nikotin nevyskytuje jen v tabáku, ale i v rajčatech. Mezi neonikotikoidy patří imidacloprid, clothianidin, thiamethoxam a acetamiprid. Všechny tyto látky působí na centrální nervový systém hmyzu ireverzibilní blokací postsynaptických nikotinergních receptorů acetylcholinu. Kromě acetamipridu jsou toxické i pro včelu medonosnou a jsou v EU částečně zakázány.

Obr.6 Nikotin

Neonikotinoidy jsou novým DDT

V současné době je velmi diskutovaným tématem syndrom zhroucení včelstev (CCD). Jde o dosud plně nevysvětlený jev, kdy v krátkém čase dojde k vymření celé kolonie včel. Velké množství odborníků se domnívá, že tento hromadný úbytek včely medonosné v některých částech naší planety nemá na svědomí pouze jeden činitel, ale nejspíš jde o současné působení více faktorů. Mezi hlavní faktory se řadí paraziti, patogenní organismy, globální změny klimatu a pozornost se také obrátila k chemickým sloučeninám označovaným jako neonikotinoidy.

Osivo pro zemědělce se obvykle moří neonikotinoidy. Po zasazení pronikají tyto insekticidy do celé rostliny a obsahuje je dokonce pyl i nektar.

Výrobci provedli řadu pokusů ve snaze zjistit, zda jsou tyto látky škodlivé pro včelu medonosnou a čmeláky, ale zdálo se, že jsou opravdu bezpečné. Ovšem až do chvíle než francouzští a britští badatelé uveřejnili v r. 2012 v časopise Science výsledky své studie, ukazující, že uvedené insekticidy zhoršují orientaci včel a čmeláků, kteří pak nejsou schopni vrátit se zpět do svých kolonií. Nutno podotknout, že tyto studie byly prováděné v laboratořích a použité koncentrace neonikotikoidů nebyly pro včely a čmeláky smrtelné.

Výsledky obou studií obletěly celý svět a z vědeckých kruhů se dostaly až do politiky. Brusel začaly zaplavovat tábory zastánců a odpůrců používání těchto pesticidů. Odpůrci argumentovali, že přímý důkaz o škodlivosti neonikotinoidů pro hmyzí opylovače chybí a pokud bude omezení přijato, začnou zemědělci používat pesticidy, které mohou být pro včely a čmeláky ještě nebezpečnější. Evropská komise nakonec přijala na doporučení Evropského úřadu pro bezpečnost potravin (EFSA) nařízení částečně zakazující v EU od 1. prosince 2013 po dobu dvou let zmiňované insekticidy používat. Zákaz používání platí jen pro zemědělce, zahrádkáři tyto látky mohou i nadále používat.

Nejnovější studie dává za pravdu spíše názoru, že neonikotikoidy za určitých podmínek hmyzím opylovačům škodí. Studie publikovaná v časopise Journal of Economic Entomology je zdrcující. Vědci tentokrát měřili obsah neonikotinoidů v tzv. gutační kapce (gutace je vylučování přebytečné vody rostlin v podobě kapek). Koncentrace aktivních látek, které naměřili, se pohybovaly okolo 47 mg/litr u imidaclopridu. Včely, které s takovouto jedovatou kapkou přišly do styku, přestaly během několika málo minut létat a v krátké době uhynuly. V současnosti probíhají nové výzkumy zabývající se hlavně vlivem těchto pesticidů na různé ekosystémy.

Jde o nové DDT, třidu jedů licencovaných k širokému použití předtím, než byly řádně otestovány, které nyní likvidují přírodní systém. Napsal v deníku Guardian George Monbiot. Jinými slovy, realita je úplně jiná, než tvrdí výrobci, podle nichž je použití pesticidů "precizní" a "cílené".

Chemická podstata hormonální antikoncepce

Jedním z nejpopulárnějších lékařských preparátů moderní doby je hormonální antikoncepce (HA). Ta obsahuje steroidní hormony podobné těm, které jsou produkovány během menstruačního cyklu ženy. Přirozeně je produkován hormon estradiol (zástupce estrogenů) a progesteron (zástupce gestagenů). V první polovině menstruačního cyklu je výrazně produkován estradiol, který vyvolává změny v děložní sliznici, růst a zrání vaječné buňky. Jeho produkce je nejvyšší před ovulací. V druhé polovině cyklu je žlutým tělískem tvořen také progesteron. Pod vlivem tohoto hormonu je děložními žlázami produkován hlen a děloha postupně přechází do sekreční fáze. Pokud nedošlo k oplození vajíčka, dochází k menstruačnímu krvácení a zániku žlutého tělíska.

Podle těchto znalostí mohla být vyvinuta hormonální antikoncepce. Ta má mnoho podob, nejčastěji se však setkáváme s HA ve formě tablet k orálnímu užití. Tablety HA obsahují steroidní hormony vstupující do hormonální osy hypotalamus – hypofýza (podvěsek mozkový) – ovarium (vaječník) a jejich hlavním posláním je buďto zabránit ovulaci nebo znehodnotit následky ovulace. Princip jejich působení spočívá ve zmatení ženského těla, respektive mozku, který reaguje jakoby žena byla těhotná, a proto zastaví produkci hormonů potřebných k ovulaci. Ke zmatení těla ženy jsou tak uměle dodávány látky obsahující deriváty estrogenů a progestinů (neboli gestagenů).

Obr. 1 Hormonální antikoncepce

Nejčastěji užívaným typem HA je kombinovaná antikoncepce obsahující estrogen a progestin (určená k zábraně ovulace). Jednotlivé přípravky se od sebe liší denní dávkou estrogenu (15 do 50 mg), kterou je v současné době tendence snižovat z důvodu omezení rizika spojeného s navýšením kardiovaskulárních chorob a vytvořením tedy absolutně bezpečného preparátu. Obsah estrogenu a progestinu v jednotlivých HA se volí tak, aby hladiny hormonů odpovídaly množství přirozených hormonů během menstruačního cyklu. Alternativou kombinované antikoncepce je podávání tablet s obsahem pouze progestinu (obsahující pouze gestagenní složku znehodnocující následky ovulace). Toho se využívá hlavně v případech, kdy je estrogenová složka kontraindikována (u kojících žen, či kuřaček). Progestin ovlivňuje hybnost vejcovodů, narušuje uhnízdění a oplodnění vajíčka.

Nyní se blíže podíváme na jednotlivé složky HA. Základní snahou vědců na poli medicíny je nalézt tzv. přirozený estrogen, tedy látku, která by se v lidském těle chovala prakticky stejně jako estradiol. Chemicky se jedná o látky s podobnou strukturou estrogenu. Z počátku se široce využíval ethynylestradio, který však nebyl ideální volbou z důvodu zatěžování organismu při jeho metabolickém rozkladu. Později byl nahrazen estradiol-valerátem, který se v lidském těle metabolizuje na kyselinu valerovou a estradiol – ten má stejné účinky na tělo ženy jako přirozený hormon.

Druhou a v současné době mnohem zajímavější složkou jsou gestageny – steroidní hormony odvozené od progesteronu. Těch existuje velmi široká škála. Jedná se o složku HA, která je nositelem neantikoncepčních účinků. Může být využita například pro léčbu akné, poruch menstruačního cyklu atd. V posledních letech jsou favorizovány tzv. nové progestiny neboli progestiny čtvrté generace, kam patří například drospirenon, nomegestrolacetát, nestoron a trimegeston. Tyto steroidní složky HA mají mnohem lepší uživatelské vlastnosti, než jejich předchůdci. Jejich výrazným plusem jsou neantikoncepční vlastnosti, které jsou natolik silné, že mohou být využity i pro léčbu různých onemocnění. Například nomegestrolacetát působí preventivně proti růstu nádorových buněk v prsních žlázách a drospirenon snižuje možnost přírůstku váhy, které je u uživatelek HA častým negativním dopadem.

V současné době je hlavním cílem vědců a lékařů uvést na trh takový produkt, který by byl dostatečně bezpečný s minimálními vedlejšími účinky. Výzkum HA tak probíhá hlavně v oblasti gestagenní složky, kde by nové objevy mohly výrazně pomoci s léčbou závažných onemocnění.

Luminiscence

Co je to luminiscence a jak k ní dochází? Luminiscence je jev, při kterém atomy či molekuly nacházející se v excitovaném stavu vyzařují světlo. Jak se ale atomy do excitovaného stavu dostanou a co to znamená?

Obr. 1 Luminiscence v přírodě

Představ si třeba nějakého člověka, který sedí hezky v klidu doma na pohovce. Jeho „energie“ je minimální, protože jen sedí a kouká na televizi. Najednou jej něco vyruší – třeba se polije kávou. Vyskočí z pohovky (čímž mu rychle stoupne „energie“) a snaží se odstranit následky nehody a vrátit se do svého původního stavu – pohodlného sezení na pohovce (s minimální „energií“).

Podobné je to s atomem. I atom řekněme „rád odpočívá“, odborně říkáme, že se nachází v základním stavu, v němž je jeho energie minimální. Pokud se v blízkosti atomu objeví záření ve formě fotonu, atom energii tohoto záření absorbuje. Energie atomu se tedy zvýší (podobně jako se zvýšila „energie“ člověka, který vyskočil z pohovky). Elektrony atomu přeskočí na vyšší energetickou hladinu. Proto říkáme, že se atom nachází v excitovaném (neboli vybuzeném) stavu. Tento vyšší energetický stav je ale nestabilní, atom se po určité době vrací zpět do základního stavu (tak jako se člověk vrací zpět na pohovku). Aby k tomuto návratu mohlo dojít, je třeba vyzářit nadbytečnou energii a to ve formě fotonu, tedy světla (i člověk musí vydat energii na to, aby si vyčistil oblečení). Tento vyzářený foton má menší energii, tedy větší vlnovou délku než foton absorbovaný a proto dochází ke změně barvy světla.

Jistě si z dětství vzpomeneš na nejrůznější předměty či hračky, které po nasvícení (excitaci) v noci sami svítily (například svítící hvězdičky, náramky nebo ručičky hodinek). Tyto předměty září právě díky luminiscenci - jevu, který je popsán výše.

Různé druhy luminiscence:

V tomto konkrétním případě šlo o tzv. fotoluminiscenci, protože k excitaci atomu došlo po jeho ozáření jiným zdrojem záření. Kromě fotoluminiscence existuje také chemiluminiscence a bioluminiscence. Jde o případy luminiscence, kdy probíhající chemická či biochemická reakce uvolní energii, která opět dostane atom do excitovaného stavu.Luminiscenci obecně dělíme na fluorescenci a fosforescenci. Rozdíl mezi nimi spočívá v mechanismu, jakým se atom vrací do svého základního stavu (podrobněji viz např. 3. publikace). Nám postačí vědět, že u fluorescence návrat z excitovaného stavu do základního stavu netrvá příliš dlouho (řádově 10^-9 s až 10^-6 s). V případě fosforescence návrat trvá déle (řádově 10^-4 s až 2 dny), protože při ní se elektrony dostanou do takových energetických hladin, ze kterých je návrat do základního stavu velmi obtížný. 

Bioluminiscence neboli světélkování živých organismů

Jak je možné, že některé organismy světélkují? V tělech bioluminiscenčních organismů se vyskytují dvě důležité látky, díky nimž je světélkování umožněno. Jde o luciferin a enzym luciferázu. Luciferin se v přítomnosti kyslíku oxiduje na oxyluciferin, čímž se molekula luciferinu dostává do excitovaného stavu a vydává světlo. Enzym luciferáza celou reakci katalyzuje. Bioluminiscenční organismy si luciferin buď sami vyrábí, nebo jej přijímají ve formě potravy (například některé druhy hlubokomořských ryb). Nejvíce bioluminiscenčních organismů se nachází v hlubinách oceánu, nalézt je ale můžeme i na souši. Nejhojnějšími zástupci jsou bioluminiscenční bakterie, které velmi často žijí v symbióze s jinými organismy, například rybami. Právě tyto bakterie způsobují světélkování mrtvých ryb vyvržených oceánem na pobřeží, ale existují i druhy ryb, které jsou schopné bioluminiscence nezávisle na bakteriích. Některé volně žijící druhy bioluminiscenčních bakterií zase mohou za modrozelené světélkování moří. Bioluminiscenční bakterie jsou díky své schopnosti využívány vědci z různých oborů. Mohou sloužit například k detekci toxických látek v životním prostředí, upozorňují na kontaminaci potravin, vody nebo krve. Národní úřad pro letectví a kosmonautiku (NASA) dokonce využil poznatků o bioluminiscenčních bakteriích při zkoumání povrchu planety Mars.

Bioluminiscenční organismy se vyskytují napříč celým klasifikačním systémem, jsou známy bioluminiscenční druhy hub, obrněnek, medúz, měkkýšů, členovců (například světlušky), ostnokožců i obratlovců (ryby). Jedině říše rostlin nezahrnuje ani jeden světélkující organismus. Luminiscence má u různých organismů i různou funkci. Nejčastěji luminiscence slouží jako obranný mechanismus proti predátorům. Světelný záblesk buď predátora na krátkou chvíli oslepí a napadený živočich má čas uniknout, nebo přiláká většího predátora, který je hrozbou pro původního predátora. Další funkcí bioluminiscence je komunikace. Světlušky využívají luminiscenci při námluvách. Samečci poletují a světélkují, zatímco samičky sedí na větvích keřů a samečky pozorují.

Ve střední Evropě, a tedy i v České republice, můžeme kromě světlušek narazit na další bioluminiscenční organismy. Například na žížalu svítivou, kterou můžeme nalézt v horských listnatých či smíšených lesích v trouchnivějícím dřevě a hrabance. Nebo na dřevokaznou houbu václavku obecnou, rostoucí v listnatých i jehličnatých lesích, často v trsech u kmene stromu či pařezu.

Praktické příklady a pokusy

Luminiscence má velmi široké použití. Fluorescence se například využívá v úsporných zářivkách nebo elektroluminiscenčních diodách (LED), dále jsou velmi známá a používaná tzv. fluorescenční barviva, která se využívají například pro ochranu bankovek před paděláním a pro kontrolu kolků, jízdenek, stravenek a jiných důležitých dokumentů. Fluorescenční barviva můžeme také nalézt ve zvýrazňovačích textu. Používají se i k průzkumu toku podzemních vod. V roce 1877 byl pomocí sodné soli fluoresceinu, která se ve velkém množství vstříkla do země, odhalen tok pramene Dunaje. V neposlední řadě se můžeme s fluorescenčními barvivy setkat i při barvení biologických preparátů určených pro zkoumání pod fluorescenčním mikroskopem.

Fluorescenční látky se vyskytují i v tzv. opticky zjasňujících prostředcích, které jsou součástí pracích prášků a jiných bělidel. Používají se k vybělení jak textilu, tak i kancelářského papíru, což můžeme dokázat, pokud se na papír či bílé oblečení podíváme pod UV lampou, papír i textil budou vydávat modré světlo. S fluorescencí se můžeme setkat i u potravin a nápojů, pokud se podíváme na Tonic proti světlu, uvidíme modré světélkování. Fluorescenci vykazuje i náplň banánků v čokoládě, energetické nápoje obsahující vitamín B₂, mléko, nebo podhoubí plísně hermelínu.

Chceš-li zjistit, které další potraviny nebo biologické materiály vykazují luminiscenci a jak to ověřit, klikni na následující odkazy. Najdeš tam mimo jiné obrázky nejrůznějších objektů pod UV lampou a další velmi zajímavé experimenty (jako například Svítící pupeny, Svítící cukr, Červený trpaslík a další) a k nim jednoduché návody.

http://www.academia.edu/5665148/Luminiscence_v_b%C4%9B%C5%BEn%C3%A9m_%C5%BEivot%C4%9B_i_v_laborato%C5%99i

http://vnuf.cz/sbornik/prispevky/13-14-Konecny.html

https://socv2.nidv.cz/archiv36/getWork/hash/d534a678-a3b7-11e3-98b3-faa932cbcfda

Polysacharidy

Polysacharidy jsou nejsložitější skupinou sacharidů. Jsou tvořeny deseti a více monosacharidy, které jsou spojeny glykosidickou vazbou. Takže se jedná o veliké a různě zkroucené molekuly. Podíváme-li se ale na jejich strukturu podrobněji, zjistíme, že je možné je nějak klasifikovat. Pokud se polysacharid skládá z jednoho typu monosacharidu, nazýváme ho homopolysacharid. Jestliže polysacharid obsahuje různé monosacharidy, jedná se o heteropolysacharid.

Obr. 1 Bramborový škrob

Polysacharidy už se neoznačují jako cukry, protože nejsou sladké. Často se ve vodě rozpouštějí málo nebo vůbec. Polysacharidy, které umí lidské tělo strávit, hydrolyzují působením enzymů na oligosacharidy a dále pak až na monosacharidy, ze kterých se skládají. V přírodě jsou polysacharidy velice rozšířené. Obecně mají polysacharidy dvě hlavní funkce – stavební a zásobní.

Nejznámější zásobní polysacharidy:

• Škrob je velice důležitý polysacharid, který je rostlinného původu. Pro rostliny slouží jako velice důležitá zásobárna energie. Škrob se ukládá v zásobních orgánech rostlin – semena, hlízy. Mezi rostliny bohaté na obsah škrobu patří například v kukuřice, brambory, rýže, banány, obiloviny. Škrob tvoří pouze molekuly glukózy. Je to vlastně směs dvou různých polysacharidů – amylózy (nerozpustná ve vodě, lineární) a amylopektinu (bobtnající ve vodě, rozvětvený). Škrob není rozpustný ve studené vodě. Pokud bychom chtěli dokázat přítomnost škrobu například v bramboře, postačí nám obyčejná jodová tinktura, kterou můžeme koupit v lékárně. Stačí kápnout trochu tinktury na bramboru, a pokud se objeví temně fialovo modré zbarvení, je přítomnost škrobu jasná. Škrobu často využívají také potravinářské podniky například při výrobě salámů. Škrobem se salámy zahušťují, ale také nahrazují přítomnost masa. Pokud si chceme ověřit, zda salám obsahuje škrob, stačí opět kápnout jodovou tinkturu na kolečko salámu a výsledek uvidíme téměř okamžitě.

Obr. 2 Důkaz škrobu – křemešník a šunkový salám

Oligosacharidy

Oligosacharidy jsou spolu s monosacharidy další skupinou sacharidů, kterou můžeme označit obecně jako cukry. Jedná se o látky, které se skládají ze dvou až deseti monosacharidů spojených glykosidickou vazbou. Často podléhají procesu, který nazýváme hydrolýza. Za účasti vody se rozštěpí na jednotlivé monosacharidy, ze kterých se skládají. Hydrolýza může proběhnout díky kyselinám nebo zásadám, ale také díky enzymům. Právě enzymy rozkládají oligosacharidy na monosacharidy v našem těle při trávení. Oligosacharidy zobrazujeme vždy pomocí Haworthových vzorců, kde je vidět také glykosidická vazba.

Nejznámější skupinou oligosacharidů jsou disacharidy. Jak už jejich název napovídá, skládají se ze dvou monosacharidů spojených glykosidickou vazbou.

Nejznámější disacharidy:

Maltóza je disacharid skládající se ze dvou molekul glukózy. Vzniká hydrolýzou škrobu. Můžeme ji najít ve sladu, což je usušený naklíčený ječmen používaný na výrobu piva. Této látce se proto říká sladový cukr. Díky přítomnosti maltózy, kterou enzymy hydrolyzují na molekuly glukózy, se může tento lahodný nápoj vytvořit. Glukóza je totiž kvasinkami přeměněna na ethanol za uvolnění oxidu uhličitého. Tomuto procesu se říká alkoholové kvašení.

Obr. 1 Vzorec maltózy

Laktóza je mléčný cukr, který je obsažen v mateřském mléce savců. Je složen z molekul glukózy a galaktózy. Lidské mateřské mléko obsahuje až 7% laktózy, což je téměř dvakrát více než mléko kravské. Laktóza se v těle štěpí na monosacharidy pomocí enzymu laktáza. Pokud někomu tento enzym chybí nebo ho má nedostatek, nedokáže laktózu zpracovat a trpí po požití mléka nevolnostmi a průjmy.

Obr. 2 Vzorec laktózy

Sacharóza je známá pod názvem třtinový nebo řepný cukr. Tento název vychází ze surovin, ze kterých se sacharóza vyrábí. Je to cukr, který je nejběžnější v domácnosti. Obsahuje molekulu glukózy a fruktózy. Právě díky obsahu fruktózy způsobuje sacharóza obezitu a další zdravotní problémy, například zátěž pro játra.

Obr. 3 Vzorec sacharózy

Výroba sacharózy

Přemýšleli jste už někdy nad tím, jak získáme cukr, kterým doma sladíme, tedy sacharózu? Právě na to se teď podrobněji podíváme. Sacharóza se v Evropě vyrábí nejčastěji z cukrové řepy, v Americe nejčastěji z cukrové třtiny. Výroba probíhá v cukrovarech. Největším cukrovarem v České republice je cukrovar Dobrovice, který dokáže zpracovat až 7200 tun řepy na den.

Obr. 4 Cukrová řepa

A co se v takovém cukrovaru vlastně děje? Od konce září do listopadu je nutné zralou cukrovou řepu sklidit z pole a dopravit do cukrovaru. Prvním krokem je řepu oprat a očistit od kamínků a hlíny z pole. Tento proces probíhá v obrovských pračkách. Čistá řepa se naseká na tzv. řízky, což jsou úzké proužky, které připomínají bramborové hranolky. Takto upravená řepa se luhuje pomocí teplé vody. Sacharóza přechází z řízků do vody, takže výsledkem je sladká voda nazývaná difuzní šťáva. Je v ní asi 16% sacharózy. Co se děje s řízky? Vysuší se a používají se jako krmivo pro hospodářská zvířata.

V difuzní šťávě jsou kromě sacharózy ještě další látky, které je potřeba dostat pryč. Proto probíhá čištění. Difuzní šťáva se čistí přidáním roztoku hydroxidu vápenatého, se kterým se nečistoty sráží. Protože tato sraženina je špatně filtrovatelná, vhání se do směsi ještě oxid uhličitý a vzniká sraženina uhličitan vápenatý. Ta se již lehko odstraní filtrací. Vzniká tzv. lehká šťáva.

Lehká šťáva se odpařuje na odparce, kde se odpařuje voda a vzniká tzv. těžká šťáva, která již obsahuje mnohem větší procento sacharózy. Těžká šťáva poté krystalizuje na bílou sacharózu. Zbytek, který nevykrystalizuje, má hnědou barvu a nazývá se melasa. Ta je stále ještě dost sladká a prodává se jako surovina pro lihovary nebo jako součást krmiv pro hospodářská zvířata.

Obr. 5 Hotový kostkový cukr

Literatura:

1. Hans Hillewaert. Beta vulgaris subsp. vulgaris (beets).jpg https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Beta_vulgaris_subsp._vulgaris_(beets).jpg. Tento obrázek je publikován pod licencí Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 Unported license.
2. Eduardo. Azucarillos.jpg. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Azucarillos.jpg. Tento obrázek je publikován pod licencí Creative Commons Attribution 2.0 Generic license.
3. http://www.hps.cz/vyroba-cukru/
4. VACÍK, Jiří. Přehled středoškolské chemie. 4. vyd., v SPN 2. Praha: SPN - pedagogické nakladatelství, 1999, 365 s. ISBN 8072351087.

Monosacharidy

Sacharidy jsou důležitou skupinou přírodních látek. Můžeme je rozdělit do tří velkých skupin. V tomto článku si představíme první skupinu sacharidů, kterou nazýváme monosacharidy. Ty se spolu s druhou skupinou (oligosacharidy) označují cukry. Takže už víme, že sacharidy a cukry není úplně to stejné.

Monosacharidy

Tato velká skupina přírodních látek je pro živočichy velice důležitá. Jedná se o látky obsahující tři až sedm atomů uhlíku, atomy vodíku a atomy kyslíku. Také proto se jim dříve říkalo uhlovodany. Abychom se v nich trochu vyznali, rozdělujeme je do skupin podle dvou kritérií. První dělení je podle počtu atomů uhlíku – triózy, tetrózy, pentózy, hexózy, heptózy. Druhé dělení je podle obsažené karbonylové skupiny – aldózy (obsahují aldehydickou skupinu) a ketózy (obsahují ketonovou skupinu).

Obr. 1 Karbonylové skupiny – obecné vzorce

Monosacharidy můžeme zobrazovat pomocí tří typů vzorců. Aby byly vzorce jednodušší a přehlednější, nezakreslují se v nich atomy uhlíku, ale v každém překřížení více vazeb se atom uhlíku skrývá. Na obrázku 2 si můžeš prohlédnout Fischerův, Tollensův i Haworthův vzorec glukózy. 

• Fischerovy vzorce jsou nejjednodušší, ale velice zjednodušené, protože nezahrnují prostorové uspořádání molekuly.
• Tollensovy vzorce popisují cyklickou formu molekuly monosacharidu.
• Haworthovy vzorce přesněji zobrazují prostorové uspořádání molekuly. Pětičetný cyklus nazýváme furanóza, šestičetný pyranóza. Pomocí těchto vzorců také zobrazujeme oligosacharidy i polysacharidy. 

 

Obr. 2 Vzorec glukózy a) Fischerův, b) Tollensův, c) Haworthův

 

Monosacharidy jsou bílé práškovité až krystalické látky rozpustné ve vodě. Mají sladkou chuť. Všechny monosacharidy kromě dihydroxyacetonu obsahují ve své struktuře alespoň jeden uhlík, který má čtyři různé substituenty. To znamená, že má okolo sebe čtyři vazby a na každé vazbě je navázáno něco jiného. Takovému uhlíku říkáme chirální (asymetrický) uhlík.

Díky přítomnosti tohoto chirálního uhlíku rozlišujeme dvě formy každého takového monosacharidu, tzv. L- a D- konfiguraci. Monosacharid v D-konfiguraci poznáme tak, že v jeho Fischerově vzorci je hydroxylová skupina -OH na posledním chirálním atomu uhlíku (druhým zdola) orientována vpravo. V Haworthově vzorci je CH₂OH orientováno nahoru. U monosacharidu v L-konfiguraci platí tato pravidla také, ale vždy na druhou stranu (vlevo nebo dolů).

U Haworthova vzorce rozlišujeme ještě další dvě formy. Zacyklením monosacharidu se stává jeho první atom uhlíku (nejvíc nahoře) chirálním, a tak můžeme od daného monosacharidu odvodit dva enantiomery: α (-OH skupina na prvním atomu uhlíku je vpravo) a β (-OH skupina na prvním atomu uhlíku je vlevo).

A právě přítomnost chirálního uhlíku má na svědomí fyzikální vlastnost, která se nazývá optická otáčivost. Pokud posvítíme do roztoku nějakého monosacharidu polarizovaným světlem, stočí se rovina tohoto světla doprava nebo doleva. 

Nejznámější monosacharidy:

Glyceraldehyd

Glyceraldehyd má tři uhlíky, proto ho řadíme do skupiny trióz. Protože obsahuje aldehydickou skupinu, můžeme ho také označit jako aldózu, a to tu nejjednodušší. V lidském těle se vyskytuje jako důležitý meziprodukt mnoha biochemických pochodů.

Dihydroxyaceton

Tento monosacharid lze zařadit také mezi triózy, jedná se však o nejjednodušší ketózu. Využívá se jako sladidlo a také vzniká v lidském těle především při trávení sacharidů a tryacylglycerolů.

Ribóza

Právě tento monosacharid je velice důležitý pro existenci života na zemi. Naše RNA (ribonukleová kyselina) je tvořena mimo jiné také tímto monosacharidem. DNA (deoxyribonukleová kyselina) je tvořena mimo jiné deoxyribózou, což je látka od ribózy odvozená.

Galaktóza

Tento monosacharid je součástí mateřského mléka savců, pro které je důležitým zdrojem energie. Galaktóza se totiž přeměňuje v těle na glukózu. Existuje však dědičná porucha, která zabraňuje této přeměně a dítě pak nemá potřebnou energii. Tato porucha se nazývá galaktosemie.

Glukóza

Tento monosacharid je snad nejběžnější a nejdůležitější. Jiným názvem ho nazýváme hroznový cukr, protože se v hojnosti nachází v hroznovém víně. Najdeme ji ale také v každé zelené rostlině, protože vzniká při fotosyntéze, ale také v medu, ve sladkém ovoci, ve škrobu, v krvi. V lékařství se podává jako umělá výživa. A proč? Protože pro lidské tělo je to nejrychlejší zdroj energie a pro některé orgány, jako třeba mozek, jediný zdroj energie. Bez ní bychom tedy nemohli existovat. Glukóza se tedy z potravy dostává do krve, odkud je transportována tam, kde je zrovna potřeba. Ze své zkušenosti jistě víte, že v případě nedostatku energie třeba při nějakém náročném sportovním výkonu si nedáte kus špeku, ale právě hroznový cukr. A energie se dostaví téměř okamžitě.

Obr. 3 Hroznový cukr, jak ho známe

A jak je možné, že se hladina glukózy v krvi udržuje na stále stejné hladině? Mohou za to dva hormony – glukagon (zvyšuje hladinu glukózy v krvi) a inzulin (snižuje hladinu glukózy v krvi). Lidé trpící nemocí lidově zvanou cukrovka mají moc glukózy v krvi. Buď se jim v těle nevytváří dostatek inzulinu, nebo z nějakého důvodu přestaly pracovat receptory na inzulin, které ho detekují.

Fruktóza

Fruktóza je nazýván ovocný cukr. Je nejsladší ze všech monosacharidů a najdeme ji třeba ve zralém ovoci, ale také v medu. Kromě toho je také součástí běžného cukru z cukrové řepy, který doma používáme ke slazení. Bylo zjištěno, že pokud se fruktóza užívá v nadměrném množství, vede k obezitě a s tím spojeným zdravotním problémům. Proto bychom neměli tolik sladit.

Literatura:

1. VACÍK, Jiří. Přehled středoškolské chemie. 4. vyd., v SPN 2. Praha: SPN - pedagogické nakladatelství, 1999, 365 s. ISBN 8072351087.
2. MAREČEK, Aleš. HONZA, Jaroslav. Chemie pro čtyřletá gymnázia 3. díl. 2. vyd., Proton Brno, 2014, 255 s. ISBN 9788090240261.
3. https://cs.wikipedia.org/wiki/Diabetes_mellitus

Proteiny

Bílkoviny, odborně proteiny, jsou pro život nezbytné látky. Jedná se o obrovské molekuly složené ze sta a více aminokyselin. Tyto aminokyseliny jsou spojeny do řetězce pomocí tzv. peptidické vazby, což je vazba mezi uhlíkem karboxylové skupiny jedné aminokyseliny a dusíkem aminoskupiny druhé aminokyseliny. Tuto vazbu si můžeš prohlédnout na obrázku.

Obr. 1 Peptidická vazba

Pokud bychom se lépe podívali na strukturu proteinů, zjistili bychom, že musíme rozlišit čtyři struktury. Jako primární struktura je označováno pořadí spojených aminokyselin. Sekundární struktura popisuje uspořádání jednotlivých řetězců aminokyselin, a to buď jako alfa-helix šroubovice nebo beta-skládaný list. Tato uspořádání mohou vznikat především díky vodíkovým můstkům. Terciární struktura popisuje uspořádání jednotlivých sekundárních struktur buď do vláken (fibrilární struktura) nebo do klubíčka (globulární struktura). Poslední strukturou, kterou proteiny nabývají, je kvartérní struktura, která popisuje shluky více terciárních struktur.

Denaturace bílkovin je pojem, který každý z praxe zná. Jedná se o nevratné porušení terciární struktury proteinů. Znamená to tedy, že aminokyseliny zůstanou seřazeny v řetězci tak, jako u původního proteinu, pouze se rozruší jeho prostorová struktura. Znamená to nenávratnou ztrátu funkce bílkovin.

Obr. 2 Denaturace proteinu

Jaké jsou příčiny tohoto procesu? Nejznámější je asi vysoká teplota. Jako příklad si můžeme uvést vaření masa nebo přípravu míchaných vajíček. Všem je asi jasné, že z uvařených vajíček se kuřátko už nikdy nevyklube, protože bílkoviny ztratily své vlastnosti. Toto nebezpečí ztráty vlastností bílkovin je velkou hrozbou také při velmi vysokých horečkách. Další možností denaturace bílkovin je mechanický pohyb – ušlehání vaječného bílku nebo šlehačky. V neposlední řadě může dojít k denaturaci bílkovin působením různých chemikálií, tedy kyselin, zásad a jejich solí.

Pro lidské tělo je příjem denaturovaných bílkovin stejně důležitý jako příjem těch nedenaturovaných. Obě tyto formy totiž obsahují stejné aminokyseliny, které naše tělo potřebuje ke stavbě bílkovin potřebných pro fungování lidského těla. Nemusíme tedy žvýkat syrové maso, ale můžeme si ho uvařit či jinak tepelně upravit.

Obr. 3 Vařená vajíčka – denaturace vysokou teplotou

Ještě jsme se nezmínili o funkcích bílkovin. Abychom mohli posoudit jejich důležitost, musíme vědět, k čemu bílkoviny jsou. A zaměříme se na lidské tělo. První funkce, kterou zmíníme, je funkce stavební. Bílkoviny tvoří naše vlasy, svaly, nehty, kůži... Nejznámější stavební bílkoviny jsou keratin (zajišťuje pevnost) a kolagen (zajišťuje pružnost). Projevem nedostatku kolagenu v kůži jsou vrásky, nedostatek keratinu ve vlasech prozradí například ulámané konečky. Další funkcí je funkce zajišťující pohyb. Naše svalová vlákna jsou tvořena bílkovinami aktin a myozin, díky kterým se svaly natahují a smršťují a my se můžeme pohybovat. Transportní funkce je také velice důležitá, protože některé bílkoviny zajišťují transport důležitých látek po těle. Například bílkovina hemoglobin (= červené krevní barvivo) je součástí červených krvinek a má za úkol přenášet kyslík z plic až do konečků prstů a do plic přináší zase oxid uhličitý, který následně vydechujeme. Bílkoviny také zajišťují ochrannou funkci – protilátky, které nás chrání před různými nemocemi a vytváří naši imunitu, jsou také bílkoviny. Do této skupiny patří například imunoglobuliny. Mezi další z mnoha funkcí bílkovin řadíme regulační funkci, protože také některé hormony jsou bílkovinného původu a regulují životní procesy uvnitř těla. Jako příklad si můžeme uvést inzulin, který snižuje hladinu glukózy v krvi. Dále je zde katalytická funkce, kterou zajišťují enzymy. Díky nim můžeme například trávit potravu - pepsin (v žaludku) a trypsin (ve střevech). Bílkoviny jsou také zdrojem energie, dusíku a aminokyselin.

A jak zajistit tělu dostatek bílkovin? Především stravou bohatou na aminokyseliny, a to zvláště ty, které se nacházejí pouze v rostlinách. Ty si lidské tělo ani ostatní živočišné organismy nedokáží vytvořit sami a nazýváme je esenciální aminokyseliny. Při trávení bílkovin dochází díky enzymům k rozštěpení bílkovin na jednotlivé aminokyseliny. Z těch staví naše tělo nové bílkoviny, které jsou zrovna potřeba.

Literatura:

1. Scurran15. Process of Denaturation.svg. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Process_of_Denaturation.svg?uselang=cs. Tento obrázek je publikován pod licencí Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International licence.
2. Nithyasrm. Perfectly Boiled eggs picture.jpg. https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Perfectly_Boiled_eggs_picture.JPG. Tento obrázek je publikován pod licencí Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 International licence.
3. http://ibiochemie.upol.cz/WebGraphics/biochemie/download/Modul-01A.pdf
4. http://www.studiumbiochemie.cz/prirodni_latky_bilkoviny.html#3
5. VACÍK, Jiří. Přehled středoškolské chemie. 4. vyd., v SPN 2. Praha: SPN - pedagogické nakladatelství, 1999, 365 s. ISBN 8072351087.