Szénhidrátok Szerkesztette: Vizkievicz András
A szénhidrátok az élet szempontjából rendkívül fontos, nélkülözhetetlen vegyületek. A bioszféra szerves anyagainak fő tömegét adó vegyületek. A szénhidrátok biológiai jelentősége: • a sejtek elsődleges energiaforrásai (glükóz), • tartaléktápanyagok (keményítő, glikogén), • vázanyagok (cellulóz, murein, kitin), • más vegyületekkel összekapcsolódva fontos makromolekulák – nukleinsavak - építőkövei. Általános képletük Cn(H2O)m. A képletből megérthető elnevezésük, mivel régen a szén vízzel alkotott vegyületeinek gondolták. Kémiailag polihidroxi-aldehidek, ill. -ketonok. Funkciós csoport alapján: • aldózok (a) aldehidcsoportot, • ketózok (b) ketocsoportot tartalmaznak. Méret alapján: • egyszerű szénhidrátok, ill. monoszacharidok, amelyek savas hidrolízissel tovább nem bonthatók, • összetett szénhidrátok savas hidrolízissel monoszacharidokra bonthatók, o diszacharidok: két monoszacharidból, o oligoszacharidok: néhány monoszacharidból, o poliszacharidok: sok száz egyszerű szénhidrátból épülnek fel.
Monoszacharidok A monoszacharidok képletében n és m megegyezik, leggyakrabban 3-6, ritkán 7 vagy 8. Általában • édes ízű, • fehér, kristályos, • nem hidrolizálható, • vízben jól oldódó anyagok. További csoportosításuk szénatomszám szerint történik. Triózok (C3) A legegyszerűbb monoszacharidok. • •
D-Glicerin-aldehid, dihidroxi-aceton.
Az élő sejtekben fontos anyagcsere köztes termékek - intermedierek. 1
A sejtekben elsősorban foszforsavval létesített észterek formájában fordulnak elő, ami akadályozza a sejthártyán való átjutásukat, ill. ilyen formában nagyobb energiát képesek tárolni. Pentózok (C5) • •
D-ribóz (a) D-dezoxiribóz
A kétféle pentóz között csupán egyetlen oxigénatom a különbség. Mint az elnevezés mutatja, a dezoxiribóz 2. szénatomjához nem kapcsolódik oxigén, csupán hidrogén. A szénhidrátok molekulái lehetnek nyíltláncúak, ill. gyűrűsek. Vizes oldatban - így sejtes körülmények között is - a zárt láncú forma a stabilabb, így a gyakoribb. A két izomer egyensúlyt tart fenn egymással. A pentózok jelentősége: • DNS, RNS építőkövei, • az anyagcserében fontos intermedierek. A sejtekben szintén foszforsavas észterek formájában fordulnak elő. Hexózok (C6) • • •
D-glükóz D-fruktóz D-galaktóz
D-glükóz, szőlőcukor C6H12O6 A legfontosabb monoszacharid: • a legelterjedtebb, legnagyobb mennyiségben fordul elő, • a szénhidrátok szállítása ebben a formában történik, • makromolekulák - keményítő, cellulóz, stb. -monomerje, • a sejtek elsődleges, közvetlen energia forrása, a vérben literenként kb. 1g glükóz van. Vizes oldatban a molekulák 1%-a nyílt láncú, 99%-a gyűrűs. Gyűrűs állapotban a glükóznak a lehetséges 32 konfigurációs izomerből csupán kettő létezik. • Béta-D-glükóz, • alfa-D glükóz. A béta-D-glükóz kb. 63%-ban fordul elő vizes oldatban. A gyűrűs állapotú szék konformációban a C-atomokhoz kapcsolódó összes -OH csoport ekvatoriális állású. Ez a konformáció a lehető legstabilabb glükóz izomer.
2
Az alfa-D-glükóz kb. 37%-ban fordul elő vizes oldatban. A gyűrűs állapotú szék konformációban az első szénatomon a glikozidos -OH csoport axiális állású, a többi C- atomon ekvatoriális. A kétféle izomer vizes oldatban a nyitott formán keresztül átalakul egymásba, egyensúlyt fenntartva. A szénhidrátok kimutatása. • •
Ezüsttükör-próba Fehling-reakció
A szénhidrátokat a reakcióképes aldehidcsoporton keresztül lehet kimutatni. A reakció lényege, hogy az aldehidcsoport megfelelő körülmények között karboxilcsoporttá oxidálódik, miközben a reagens anyagok színváltozás kíséretében redukálódnak. Ezüsttükör-próba (Tollens próba) Az ezüst ionokat lúgos közegben az aldehidcsoport fém ezüstté redukálja, amely kiválva az oldatból bevonatot képez az edény falán.
5 cm3 1%-os AgNO3 oldathoz annyi NH4OH oldatot csepegtetünk, hogy a képződő csapadék feloldódjon. Majd kevés glükóz oldat hozzáadása után óvatosan melegítjük.
Pozitív próba esetén a kémcső falán ezüsttükör jelenik meg. Fehling-reakció A Fehling reagens kétkomponensű: • Fehling I réz(II)szulfát oldat, • Fehling II kálium-nátrium-tartarát (borkősav K, Na sója) és nátriumhidroxid. Kémcsőbe kb. egy ujjnyi Fehling I oldathoz annyi Fehling II oldatot csepegtetünk, hogy a keletkező csapadék kék színnel feloldódjon. Majd kevés glükózt adva a reagenshez a barna színű csapadék megjelenéséig forraljuk. Az aldehid csoport a Cu II ionokat Cu I ionokká redukálja, amelyek a jelenlevő hidroxi-ionokkal barnásvöröses csapadékot képez.
• •
A fenti reakciókat azok a szénhidrátok adják, amelyek tartalmaznak aldehidcsoportot. Ezeket redukáló szénhidrátoknak nevezzük. A másik csoportot a nem redukáló szénhidrátok alkotják, amelyek aldehid helyet ketocsoportot tartalmaznak.
3
D-Fruktóz, gyümölcscukor Főleg gyümölcsökben (elnevezés), mézben előforduló, legédesebb ízű monoszacharid. Összegképlete C6H12O6 megegyezik a glükózéval, konstitúciós izomerek, aldehid csoport helyet keto-csoportot tartalmaz nyílt láncú formában. A második szénatomhoz kapcsolódó, a gyűrűzáródáskor kialakuló -OH csoport térállásától függően kétféle fruktózt különböztetünk meg: • béta-D-fruktóz: ha a glikozidos -OH, és a 6-os szénatom a gyűrű azonos térfelén vannak, • alfa-D-fruktóz: ha az említett csoportok ellenkező térfélen helyezkednek el.
A fruktóz - a glükózhoz hasonlóan - foszforsavval alkotott észterei formájában található meg a sejtekben. A fruktóz az ezüsttükör-próbát kis mértékben adja, mivel lúgos közegben átizomerizálódik glükózzá. Az élő sejtekben e folyamat enzimek hatására játszódik le, mivel a glükóz fruktózzá alakulva bomlik le. Fruktóz kimutatása: Seliwanoff-próba. Reagens: sósavas rezorcin (1,3-dihidroxi-benzol) oldata. Erős savak hatására a szénhidrátok molekuláiból víz kilépés mellett heterociklusos vegyületek keletkeznek, amelyek egyszerű aldehidekké alakulnak. A keletkezet aldehidek a rezorcinnal színes vegyületekké kapcsolódnak össze.
D-galaktóz, D-mannóz a glükóz konfigurációs izomerjei.
Diszacharidok Két monoszacharid kondenzációja révén jönnek létre. Olyan glükozidok, amelyekben a glikozidos -OH csoport H-atomját egy másik monoszacharid helyettesíti. A két monoszacharid közötti éterkötést glikozidos kötésnek nevezzük. A diszacharidokat redukáló sajátságaik alapján csoportosíthatjuk. •
Redukáló diszacharidok csoportjában van szabad glikozidos -OH csoport, vizes oldatban a gyűrű fel tud nyílni, kialakulhat az aldehid csoport, adják az Ag-tükör próbát. o Cellobióz o Maltóz o Laktóz
•
Nem redukáló diszacharidok csoportjában mindkét monoszacharid a glikozidos OH-val vesz részt az éterkötésben, nem adják az ezüsttükör-próbát. o Szacharóz Cellobióz OH
Vízben jól oldódó, fehér színű, kissé édes por. Két béta-D-glükózból épül fel. A cellulóz felépítő egységének tekinthető, mivel szabad állapotban nem fordul elő, csak ott, ahol előzőleg cellulóz bontása folyt. 4
Az egyik gyűrű az 1. C-atomon lévő -OH csoporttal (glikozidos OH), a másik a 4. C-atomon levő -OH csoporttal kapcsolódik össze.
Maltóz, malátacukor Fehér színű, vízben jól oldódó, édes ízű por. Két alfa-D-glükózból épül fel, 1-4 kötéssel. A természetben szabad állapotban is előfordul, elsősorban olyan növényi részekben ahol előzőleg keményítő bontása folyt, így pl. csírázó magvakban (maláta = csírázó árpa), zöld levelekben. A glikogén bontásakor szintén felszabadul. A maltóz a keményítő építő egysége. Laktóz, tejcukor Béta-D-galaktózból és alfa-D-glükózból 1-4 kötéssel jön létre. Szacharóz, répacukor, nádcukor Fehér színű, vízben jól oldódó, édes ízű por. Nem redukáló. A szacharóz egy alfa-D-glükózból és egy béta-Dfruktózból 1-2 kötéssel jön létre. Az egyik legelterjedtebb, szabadon előforduló diszacharid. A közönséges cukor alapanyaga. Neve mutatja, hogy cukorrépából, ill. nádcukorból - amelyek akár14-22 %-ban is tartalmazhatják -, állítják elő, lényegében fizikai eljárásokkal. Híg savas főzés hatására hidrolizál, s így redukálóvá válik.
Poliszacharidok A poliszacharidok monoszacharidokból kondenzációval felépülő óriásmolekulák, polimerek. Sok száz vagy akár több ezer egység kapcsolódhat egymáshoz glikozidos 1-4 éterkötéssel. Savas hidrolízissel általában előbb diszacharidokká, majd monoszacharidokká bonthatók. A legelterjedtebb szénhidrátok. Feladatuk szerint csoportosítjuk: • tartalék tápanyagok: keményítő, glikogén, • szilárdító vázanyagok: cellulóz, kitin, murein, pektin. Keményítő Hideg vízben nem, meleg vízben kolloidálisan oldódó, nem édes ízű fehér por. A növényekben keletkezik a fotoszintézis eredményeképpen, tartalék tápanyag. A keményítő több száz alfa-D-glükóz molekulából épül fel, melyek 1-4 kötéssel kapcsolódnak össze. 5
A sejtekben fajra jellemző módon szemcsékben jelenik meg. A szemcsék réteges felépítésűek, és kétféle szerkezetű keményítőből állnak. 1. Amilóz 20% A szemcsék belsejében helyezkednek el. Az amilóz egy elágazásmentes, spirálisan feltekeredett lánc. A spirált H-kötések stabilizálják. 1 menet kb. 6 glükóz molekulából áll. 2. Amilopektin 80% Az amilopektin a szemcsék felületén található. Ágas-bogas szerkezetű, átlagban 12 glükóz egységenként 1-6 kötéssel elágazik. Hideg vízben a keményítő nem oldódik. Melegítés hatására a szemcsék megduzzadnak, az amilopektin hártyák megrepednek. Az amilopektin meleg vízben sem oldódik, ezért csapadék formájában leülepedik, az amilóz pedig kolloid állapotban oldódik. A keményítő kimutatása • • • •
Por keményítőből melegítéssel készítsünk keményítő oldatot. Híg oldatba cseppentsünk 1-2 csepp kálium-jodidos jód oldatot – Lugol-oldatot. + próba esetén az oldat megkékül. Melegítés hatására elszíntelenedik, visszahűtéskor újra kék lesz.
Magyarázat: az apoláris jódmolekulák a poláris vízben barnaszínűek. A jód molekulák mérete olyan, hogy pont beleférnek az amilóz spiráljába, onnan kiszorítva a vízmolekulákat, apoláris közeget hozva létre. Az apoláris közegben a jód színe kékre változik. Melegítés hatására a hőmozgás miatt a jód molekulák kibújnak a spirálból a kék szín elhalványodása kíséretében. Hűtéskor a folyamat ellenkező irányú. A keményítő nem adja az Ag-tükör próbát, de savas hidrolízis hatására glükózra esik szét, amely már redukáló. Az élő szervezetekben - állatokban és növényekben - a keményítő az amiláz enzim hatására bomlik kezdetben maltózzá, majd glükózzá.
Glikogén A heterotróf szervezetek - állatok, gombáktartalék szénhidrátja. Állati szervezetekben elsősorban a májban és az izomban raktározódik. Szerkezete az amilopektinéhez hasonló, azonban gyakrabban - minden 6 glükóz molekulánként ágazik el. Szintén amiláz hatására hidrolizál. 6
Cellulóz A biomassza tömegének kb. a felét a cellulóz adja! A növényi sejtfal szilárdító anyaga. Óriás molekula, sok ezer béta-D-glükóz molekulából áll. A cellulózban a glükóz molekulák 1-4 kötéssel kapcsolódnak össze és egy elágazásmentes polimert hoznak létre. A glükóz gyűrűk egymáshoz képest felváltva 180 fokot elfordulnak. A cellulóz molekula egyenes, szálas szerkezetű.
Rendkívül stabil, vízben nem oldódik, ami lehetővé teszi biológiai feladatának - szilárdítás - ellátására. Rostos szerkezetű, a láncok egymással párhuzamosan rendeződnek, a glükóz molekulák OH-csoportjai között H kötések vannak, a láncon belül és a láncok között egyaránt. Nem redukáló poliszacharid, híg ásványi savval főzve glükózra hidrolizál. A cellulózt a legtöbb élőlény nem képes bontani. A cellulózt bontó enzim a celluláz, amely csak baktériumokban és gombákban fordul elő. Bontásakor előbb cellobióz, majd glükóz keletkezik.
Murein (peptidoglycan) A murein a baktériumok sejtfalának anyaga. A murein kémiailag ún. peptidoglükán, azaz olyan N-tartalmú poliszacharid, ahol az egyes szénhidrát láncokat néhány aminosavból álló egységek kapcsolják össze.
7
Pektin Vázanyag, megtalálható a sejtfalban és a sejtnedvben. Galaktóz származékokból felépülő poliszacharid.
Kitin N-tartalmú poliszacharid. Ízeltlábúak, gombák szilárdító vázanyaga. Szerkezete a cellulózhoz hasonló, azonban a béta-D-glükóz molekulák 2. C-atomjához egy N tartalmú ecetsavamid rész kapcsolódik.
Kondroitin-szulfát A porcszövet megfelelő mechanikai tulajdonságait alakítja ki. Heparin A máj által termelt, véralvadást gátló anyag.
8
