Kémia | Középiskola » Vizkievicz András - Szénhidrátok

Szerkesztette Vizkievicz András 1 Vizsgakövetelmények         Tudja összehasonlítani a következő szénhidrátokat íz, vízoldhatóság és emészthetőség szempontjából: szőlőcukor, keményítő, glikogén, cellulóz. Értse a szénhidrátok természetes előfordulásai és az élő szervezetben betöltött szerepük közötti összefüggést. Ismerje fel a glükóz, ribóz, dezoxiribóz molekulájának vázát. Tudja a glükóz összegképletét és a poliszaharidok általános képletét. Ismerje a laktóz és a szacharóz előfordulását és táplálkozás élettani jelentőségét. Ismerje az α- és β glükóz szerkezetét, a ribóz, dezoxiribóz, amilóz és cellulóz molekulájának felépítését. Tudja elvégezni és értelmezni a keményítő jóddal történő kimutatását (Lugol-próba), és ismerje fel a keményítőszemcséket mikroszkópban és mikroszkópos képen. Magyarázza, miért édes a sokáig rágott kenyérhéj. 2

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, kitin, pektin, murein),  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,  diszacharidok: két monoszacharidból,  oligoszacharidok: néhány monoszacharidból,  poliszacharidok: sok száz, ill. ezer 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. 3 Az élő sejtekben fontos anyagcsere köztes termékek - intermedierek. 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 vérben a szénhidrátok szállítása ebben a formában történik,  makromolekulák - keményítő, cellulóz, stb. -monomerje,  a sejtek elsődleges, közvetlen energiaforrása, a vérben literenként kb. 1g glükóz van  Édes ízű, vízben kitűnően oldódó, összetett szénhidrátok

emésztésének a végterméke, tovább nem emészthető. Vizes oldatban a molekulák kb. 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. 4 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. 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 aldehid-csoporton keresztül lehet kimutatni. A reakció

lényege, hogy az aldehidcsoport megfelelő körülmények között karboxil-csoporttá 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. https://drive.googlecom/file/d/0B1BZOTldajAjbWxjUGttVGhnNnc/view?usp=sharing 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 nátrium-hidroxid. 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 keto-csoportot tartalmaznak. https://drive.googlecom/file/d/0B1BZOTldajAja1FwRHpXUGE1a0U/view?usp=sharing 5 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.  Cellobióz  Maltóz  Laktóz Nem redukáló diszacharidok csoportjában mindkét monoszacharid a glikozidos -OHval vesz részt az éterkötésben, nem adják az ezüsttükör-próbát.  Szacharóz Cellobióz OH Vízben jól oldódó, fehér színű, kissé édes por. Két béta-Dglükózból épül fel A cellulóz felépítő egységének tekinthető, mivel szabad állapotban nem fordul elő, csak ott, ahol előzőleg cellulóz bontása folyt. Az egyik gyűrű az 1. C-atomon lévő -OH csoporttal (glikozidos OH), a másik a 4

C-atomon levő -OH csoporttal kapcsolódik össze. 6 Maltóz, malátacukor Fehér színű, vízben jól oldódó, édes ízű por. Két alfa-Dglükózból 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. Amennyiben a tejcukor a vékonybélben nem tud egyszerű cukrokká bomlani - a laktózt bontó enzim, a laktáz hiánya miatt -, ún. tejcukorérzékenység alakul ki, mely jellemző tünetei a különféle hasi panaszok, puffadtság, hasmenés, émelygés. A panaszok hátterében egyrészt az áll, hogy  a bélben maradó laktóz erősen növeli a béltartalom ozmotikus szívóerejét, rontva a

vízvízfelszívódás hatékonyságát, ami a széklet hígulását eredményezi, másrészt  a vastagbélben működő baktériumok működésének köszönhetően különféle szerves savak és gázok keletkeznek, melyek jelentősen fokozzák a bélperisztaltikát. Szacharóz, répacukor, nádcukor Fehér színű, vízben jól oldódó, édes ízű por. Nem redukáló A szacharóz egy alfa-D-glükózból és egy béta-D-fruktózból 1-2 kötéssel jön létre. Híg savas főzés hatására hidrolizál, s így redukálóvá válik A növényvilágban az egyik legelterjedtebb, szabadon előforduló diszacharid. Az emberi táplálkozás és az élelmiszer előállítás szempontjából a legjelentősebb szénhidrát, emberi étrendben a legfontosabb természetes édesítőszer, a közönséges cukor alapanyaga. Neve mutatja, hogy cukorrépából, ill nádcukorból amelyek akár14-22 %-ban is tartalmazhatják -, állítják elő, lényegében fizikai eljárásokkal. a szacharóz.

https://drive.googlecom/file/d/0B1BZOTldajAjU0VkWnZuRGhCcEk/view?usp=sharing 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 Általános képletük: Feladatuk szerint csoportosítjuk:  tartalék tápanyagok: keményítő, glikogén,  szilárdító vázanyagok: cellulóz, kitin, murein, pektin. 7 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 alfaD-glükóz molekulából épül fel, melyek 1-4 kötéssel kapcsolódnak össze Emészthető, emésztése már a szájüregben megkezdődik, majd a vékonybélben fejeződik be, a nyál-,

ill. a hasnyálamiláz enzim hatására, amely maltózra hidrolizálja. Ha a kenyeret sokat rágjuk, előbb-utóbb édes ízt fogunk érezni, mivel liszt keményítő tartalma ugyan nem édes, de a belőle keletkezett maltóz már igen. Növényi magvakban a keményítő hidrolízisét szintén az amiláz enzim végzi. A hidrolízis során – állatokban és növényekben egyaránt - a maltóz kialakulását megelőzően, ún. dextrinek jönnek létre, melyek bizonytalan nagyságú, polimerizáció fokú polimer termékek. A növényekben a raktározó alapszövet sejtjeiben fajra jellemző módon szemcsékben jelenik meg. A szemcsék réteges felépítésűek, és kétféle szerkezetű keményítőből állnak 1. Amilóz 20% A szemcsék belsejében helyezkedik 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 káliumjodidos jód oldatot – Lugol-oldatot. + próba esetén az oldat megkékül. Melegítés hatására elszíntelenedik, visszahűtéskor újra kék lesz. https://drive.googlecom/file/d/0B1BZOTldajAjLWlMcmFzV3djOEk/view?usp=sharing 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. https://drive.googlecom/file/d/0B1BZOTldajAjSUNTRThPTnlSR28/view?usp=sharing 8 A keményítő savas hidrolízis hatására glükózra esik szét. Glikogén A heterotróf szervezetek - állatok, gombák- tartalék szénhidrátja. Állati szervezetekben elsősorban a májban és az izomban raktározódik. Szerkezete, így tulajdonságai az amilopektinéhez hasonló, azonban gyakrabban - minden 6 glükóz molekulánként - ágazik el. Emészthető, szintén amiláz hatására hidrolizál maltózzá, szemcsékben raktározódik (májban), nem édes ízű, vízben rosszul oldódik. 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, így nem emészthető. A cellulózt bontó enzim a celluláz, amely csak baktériumokban, gombákban, ill. egyes egysejtűekben fordul elő Bontásakor előbb cellobióz, majd glükóz keletkezik Kitin N-tartalmú poliszacharid. Ízeltlábúak kutikulájának, gombák sejtfalának szilárdító vázanyaga. Rendkívül ellenálló, vízben nem

oldódik, nem emészthető Szerkezete a cellulózhoz hasonló, azonban a béta-D-glükóz molekulák 2. C-atomjához egy N tartalmú ecetsavamid rész kapcsolódik. 9 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. Pektin Vázanyag, megtalálható a sejtfalban és a sejtnedvben. Galaktóz származékokból felépülő poliszacharid. Kondroitin-szulfát A porcszövet megfelelő mechanikai tulajdonságait alakítja ki. Heparin A máj által termelt, véralvadást gátló anyag. 10