VILNIAUS KOLEGIJA
AGROTECHNOLOGIJŲ FAKULTETAS
Chemijos savarankiškas darbas
Angliavandeniai
Darbą tikrino:
dėst.
Vilnius
2005
TURINYS
Angliavandeniai 1.
Monosacharidai 2.
Disacharidai 3.
Maltozė 3.
Celobiozė 3.
Laktozė 4.
Sacharozė 4.
Krakmolas 5.
Glikogenas 6.
Celiuliozė 6.
Chitinas 7.
Literatūra 8.
Angliavandeniai – svarbūs gyvojo organizmo cheminiai junginiai. Jie sudaro pagrindinę organinių junginių masės dalį žemėje. Terminą “angliavandeniai (karbohidratai)” pirmą kartą pavartojo K. G. Šmitas 1844
m. Tuo metu buvo manoma, kad visi angliavandeniai yra anglies ir vandens junginiai, turintys bendrą formulę Cm(H2O)n. Anglies, vandenilio ir deguonies atomų santykis angliavandenių molekulėje yra 1:2:1.
Gamtoje angliavandeniai egzistuoja monomerų ir polimerų pavidalu, todėl visi angliavandeniai skirstomi į dvi grupes: monosacharidus ir polisacharidus. Polisacharidų grupė sudaryta iš 2-10 monosacharidų molekulių, vadinama oligosacharidais (gr. oligo – nedaug). Monosacharidais vadinami paprasčiausi angliavandeniai, jie hidrolizės reakcijos metu nesuskyla į paprastesnius angliavandenius. Polisacharidai hidrolizės metu skyla į mažiau sudėtingus arba paprasčiausius angliavandenius.
Monosacharidai klasifikuojami, remiantis dviem požymiais:
1. Anglies atomų skaičiumi anglies atomų grandinėje
2. Oksogrupės padėtimi anglies atomų grandinėje
Remiantis anglies atomų skaičiumi monosacharidai skirstomi į triozes, turinčias 3C, tetrozes, turinčias 4C, pentozes, turinčias 5C, heksozes, turinčias 6C. Labiausiai gamtoje paplitusios pentozės ir heksozės.
Monosacharidų cheminės savybės rodo, kad monosacharidų molekulės egzistuoja ne tik atvirų, bet ir ciklinių struktūrų pavidalu. Monosacharidai ciklinėse struktūrose vaizduojami perspektyvinėmis W. Haworth‘o formulėmis.
Šešianariai ciklai vadinami piranoziniais, o penkianariai – furanoziniais, atsižvelgiant į jų panašumą į heterociklinius junginius – piraną ir furaną.
Ciklų susidarymo metu karbonilo C atomas tampa asimetriniu, todėl susidaro du izomerai, kurie skiriasi H ir OH padėtimis prie C-1 atomo. Šie izomerai žymimi α ir β. Kadangi beveik visų monosacharidų molekulėse yra asimetrinių anglies atomų, angliavandeniai yra skirstomi į D ir L stereochemines eiles.
Monosacharidų priklausymas D arba L stereocheminei eilei nustatomas, lyginant toliausiai nuo karbonilo grupės nutolosio asimetrinio anglies atomo konfigūraciją su glicerolio aldehido asimetrinio anglies atomo konfigūracija:
Priklausymas D arba L stereocheminei eilei nulemia angliavandenių biologinę svarbą, nes dauguma gamtinių monosacharidų priklauso D eilei. Į
gyvųjų organizmų, tarp jų ir žmogaus, sudėtį įeinantys monosacharidai beveik išimtinai yra D-stereocheminės eilės (D-gliukozė, D-galaktozė, D-
ribozė, D-fruktozė ir kt.). Gyvieji organizmai sugeba įsisavinti tik D-
eilės monosacharidus, o L-eolės neįsisavina. Pvz. mielių ląstelės sugeba iš
D-gliukozės gaminti alkoholį, o iš L-gliukozės alkoholis negaminamas, tačiau yra atvejų kai L-izomeras yra labiau paplitęs negu D. Pvz. L-
arabinozė augaluose labiau paplitusi negu D-arabinozė, kurios turi tik tam tikros bakterijų rūšys.
Tirpinant monosacharidus, tirpale susidaro įvairios ciklinės ir aciklinės struktūros. Tarp monosacharidų molekulių struktūrų nusistovi dinaminė pusiausvyra, vadinama tautomerija, o šią pusiausvyrą sudarančios molekulės vadinamos tautomerais. Gliukozė vandeniniame tirpale egzistuoja penkių tautomerų pavidalu:
[pic]
Monosacharidai – kietos, lengvai tirpstančios vandenyje, dažniausiai saldžios medžiagos. Jų fizikines savybes lemia didekis polinių hidroksigrupių kiekis molekulėse. Monosacharidai sunkiai kristalizuojasi, o koncentruojant jų vandeninius tirpalus, susidaro sirupai.
|Kai kurių cukrų ir |
|sacharino saldumas |
|Cukrus |Santykin|
| |is |
| |saldumas|
|Sacharozė |100 |
|Gliukozė |50 (70) |
|Fruktozė |170 |
|Laktozė |20 |
|Maltozė |30 |
|Laktozė |16 |
|Natrio |30 |
|ciklamatas | |
|Aspartamas |180 |
|Sacharinas |40 000 |
Disacharidai:
Paprasčiausi sudėtingi angliavandeniai yra disacharidai. Jie sudaryti iš dviejų vienodų arba skirtingų monosacharidų molekulių. Gamtoje savarankiškai egzistuojančių disacharidų nėra daug. Dažniausiai pasitaikantys disacharidai yra šie: maltozė, celobiozė, laktozė, sacharozė, trehalozė. Hidrolizinant praskiestomis mineralinėmis rūgštimis arba fermentais, disacharidai skyla į dvi monosacharido molekules:
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
[pic]
Maltozė – salyklo cukrus (lot. maltum – salyklas). Ji susidaro kaip tarpinis produktas, hidrolizuojant fermentui α-amilazei krakmolą arba glikogeną. Maltozė sudaryta iš dviejų α-D-gliukozės molekulių, susijungusių α-1,4-glikozidiniu ryšiu:
[pic]
Celobiozė gaunama, vykstant dalinei celiuliozės hidrolizei. Celiuliozę skaido fermentas β-gliukozidazė, kurio žmogaus organizme nėra, todėl žmogaus organizmas celiuliozės nevirškina. Žolėdžių gyvulių virškinamajame kanale esančios bakterijos gamina β-gliukozidazę, todėl žolėdžiams celiuliozė yra maisto medžiaga. Celobiozė, kaip ir maltozė, sudaryta iš dviejų gliukozės likučių ir skiriasi nuo jos tuo, kad turi ne α-1,4, o β-
1,4-glikozidinį ryšį:
[pic]
Laktozė (pieno cukrus) – disacharidas, esantis tik piene (4-5%).
Laktozę sudaro β-D-galaktopiranozės ir D-gliukopiranozės molekulės, sujungtos β-1,4-glikozidiniu ryšiu:
[pic]
Laktozė – mažai higroskopiška medžiaga, todėl vartojama miltelių ir tablečių gamybai. Laktozė yra 4-5 kartus mažiau saldi, negu sacharozė. Tai svarbi medžiaga kūdikiams. Motinos piene yra iki 8% laktozės, kurioje gliukozės liekana yra α-konfigūracijos. Motinos piene laktozė gali būti sujungta su sialo rūgštimi. Kai kuriems oligosacharidams būdingas gydomasis poveikis, nes stabdo ligas sukeliančių žarnyno bakterijų augimą. Kai kurie žmonės neįsisavina laktozės, kadangi jų organizme trūksta fermento laktazės.
Sacharozė – tai cukrinių runkelių, cukranendrių cukrus. Daug sacharozės yra įvairių augalų sultyse ir vaisiuose. Sacharozės molekulę sudaro α-D-
gliukopiranozė ir β-D-fruktofuranozė, sujungtos 1,2-glikozidiniu ryšiu:
[pic]
Sacharozės 1,2-glikozidinį ryšį skaido tiek α-gliukozidazė (α-
gliukozidus skaidantis fermentas), tiek β-invertazė (β-glikozidus skaidantis fermentas). Ekvimolekulinis gliukozės ir fruktozės mišinys vadinamas invertuotu cukrumi.
Trehalozė (mikozė) sudaryta iš dviejų α-gliukozės molekulių, sujungtų
1,1-glikozidiniu ryšiu. Trehalozės randama grybuose, mielėse, vabzdžių hemolimfoje. Trehalozė labiau inertiška negu sacharozė ir gana atspari rūgštinei hidrolizei.
Į gamtoje randamų glikozidų sudėtį dažnai įeina disacharidai:
Genciobiozė randama daugelyje gamtinių glikozidų pvz. karčiuosiuose migdoluose randama glikozido amigdalino:
Fermento β-glikozidazės veikiamas amigdalinas skyla į benzaldehidą ir vandenilio cianidą, kuris yra stiprus nuodas.
Daugelis gamtoje randamų angliavandenių yra polisacharidai. Jie dar vadinami glikanais. Atsižvelgiant į sudėtį polisacharidai dar skirstomi į dvi grupes: homopolisacharidus (sudaryti iš to paties monosacharido) ir heteropolisacharidus (sudarytus iš skirtingų monosacharidų).
Homopolisacharidams priklauso krakmolas ir glikogenas, nes jie yra sudaryti vien tik iš D-gliukozės. Heteropolisacharidams priskiriama jungiamajame audinyje randama hialurono rūgštis sudaryta iš D-gliukurono rūgšties ir N-
acetilgliukozamino. Heteropolisachariduose beveik visada yra gliukozamino, galaktozamino, todėl jie dar vadinami glikozaminglikanais.
Krakmolas (C6H10O5)n yra augalų rezervinis polisacharidas. Sintetinti krakmolą gali beveik visos augalų ląstelės, tačiau skirtingais kiekiais ir nevienodu intensyvumu. Daugiausia krakmolo yra bulvių gumbuose, grūduose ir kt. Krakmolo molekulėje yra daug hidroksilo grupių, kurios yra hidratuotos.
Ekstrahuojant krakmolą šiltu vandeniu, susidari drumzlini koloidiniai tirpalai arba nepastoviosios suspensijos (tirpsta α-amilazė). Krakmolą kaitinant arba hidrolizinant (rūgštinė arba fermentinė hidrolizė), jis skyla į paprastuosius sacharidus – dekstrinus, maltozę, pagaliau –
gliukozę:
[pic]
Krakmolas yra dviejų gliukozės homopolisacharidų mišinys: α-amilozės ir amilopektino. α-amilozė yra linijinis gliukozės polimeras, kur gliukozės molekulės sujungtos tarpusavyje 1→4 gliukozidiniais ryšiais:
[pic]
Amilozė sudaro 15-20% krakmolo masės. Tokių grandinių molekulinė masė svyruoja nuo kelių tūkstančių iki 500000. Amilopektinas turi šakotą grandinę. Nešakotose vietose gliukozės molekulės sujungtos tarpusavyje 1→4
gliukozidiniais ryšiais, o šakojimosi vietose gliukozės molekulės sujungtos tarpusavyje 1→6 gliukozidiniais ryšiais. Amilopektino molekulinė masė yra artima amilozės molekulinei masei. Jis sudaro 80-85% krakmolo molekulės.
Verdant bulves, karštas vanduo tirpina α-amilozę ir susidaro panašus į pieną opalescuojantis tirpalas. Virtose bulvėse pagrindinę krakmolo dalį sudaro amilopektinas.
Glikogenas – pagrindinis žmogaus ir aukštesniųjų gyvūnų rezervinis polisacharidas, sudarytas iš α-D-gliukozės. Jo empirinė formulė tokia pat kaip ir krakmolo (C6H10O5)n. Nors glikogeno randama beveik visuose organuose ir audiniuose, bet daugiausia jo yra kepenyse (iki 5% bendro svorio) ir raumenyse (1-2%). Glikogenas panašus į amilopektiną, tik dar labiau šakotas (daugiau 1→6 gliukozidinių ryšių) ir labiau kompaktiškas.
Kepenų ląstelėse glikogenas susijungęs į stambias granules, kurios sudarytos iš mažesnių granulių. Su glikogeno granulėmis sujungti glikogeno sintezės ir skilimo fermentai.
Celiuliozė – pagrindinis augalinio pasaulio struktūrinis polisacharidas. Ji netirpi vandens tirpaluose. Sudaryta iš 1→4 glikozidinių ryšių:
[pic]
Ilgos celiuliozės grandinės stabilizuojamos vandeniliniais ryšiais, kurie suteikia molekulėms mechaninį stabilumą. Celiuliozės molekulinė struktūra pritaikyta atlikti augalų atraminę funkciją. Medvilnė praktiškai sudaryta iš celiuliozės. Daugiausia celiuliozės randama augalinių ląstelių sienelėse, ji sudaro augalų kamieną, šakų pagrindinę masę. Ji yra labiausiai paplitęs gamtinis biopolimeras. Celiuliozė yra linijinis nešakotas homopolisacharidas. Tuo ji panaši į α-amilozę ir į linijines glikogeno molekulės dalis, tačiau tarp jų yra principinis skirtumas:
celiuliozės 1→4 gliukozidiniai ryšiai turi β-konfigūraciją, o α-amilozės, amilopektino ir glikogeno – α-konfigūraciją. Celiuliozės polimerinės grandinės yra ištęstos ir tarpusavyje sujungtos šonais, todėl sudaro ilgas netirpias fibriles. Stuburinių virškinamajame trakte nėra fermentų, gebančių hidrolizuoti celiuliozę. Celiuliozę virškina termitai, nes jų virškinamajame trakte yra mikroorganizmų Trychonympha, išskiriančių fermentą celiulazę, kuri hidrolizuoja celiuliozę. Celiuliozės hidrolizė vyksta pakopomis:
[pic]
Iš stuburinių tik atrajojantieji gyvuliai (stambieji raguočiai, avys ožkos, kupranugariai, žirafos) gali kaip maistą vartoti celiuliozę. Šių gyvulių skrandis yra daugiaskyris. Priešskrandžiuose esantys mikroorganizmai išskiria celiulazę, kuri suskaido celiuliozę iki D-
gliukozės. Po to ji rauginama, ir susidaro trumpagrandės riebalų rūgštys,
CO2, metanas ir kt. Riebalų rūgštys įsiurbiamos į kraują, iš kurio patenka į audinius. CO2 ir metanas šalinami atrajojimo metu ir kt. būdais.
Chitinas yra bestuburių struktūrinis polisacharidas. Iš jo sudaryti šarvai, sparnai ir kt. dangalai. Chitinas yra linijinis polimeras, sudarytas iš N-acetil-D-gliukozamino, sujungto β (1→4) glikozidiniais ryšiais:
[pic]
Chitino randama ir žemesniuosiuose augaluose, pvz. grybuose.
Literatūra
1. http://www.chemieonline.de/
2. http://chemija.mums.lt/
3. http://www.chemija.by.ru/
4. http://www.init.lt/chemija/index.php