Carbohydrate 1

Carbohydrate – Glucid

(Chất bột đường)

+ Khái niệm: carbohydrate là hợp chất có chứa nhiều nhóm

chức OH (polyalcol) và một nhóm CHO (aldehyde)

hoặc một nhóm CO (ketone)

+ Công thức tổng quát: (CH2O)n với n 3

+ Là sản phẩm chính của quá trình quang hợp (tv, tảo, vi khuẩn)

(NL mặt trời 1,5.1022 kJ: 1% tạo NL Sinh học; cả trái đất cố định C

do quang hợp được1011 tấn/năm, 1/3 được cố định ở các đại dương)

+ Chiếm ưu thế so với các hợp chất hữu cơ khác trong tự nhiên

+ Tính trên trọng lượng khô (DW): ở thực vật 80 – 90%

ở động vật < 2%

Chức năng

Cung cấp năng lượng: 4,1 Kcal/g; ngũ cốc, bột, đư ờng,…

Cấu tạo: thành phần tham gia tổng hợp

acid nhân, protein, lipid,…

Bảo vệ: vỏ của thực vật, côn trùng, tôm, cua,

màng tế bào,…

Điểm tựa: bộ khung thực vật, động vật,…

Điều hòa: tiêu hóa ở đv, đóng mở khí khẩu ở tv

Dự trữ: glycogen ở đv (gan, cơ), tinh bột ở tv (hạt, thân, củ)

Các chức năng khác: kháng bệnh, chất cảm nhận, …

Sự đa dạng về chức năng của carbohydrate là nhờ

vào các đặc điểm hóa học của chúng:

(1) trong phân tử có nhiều hơn một tâm bất đối

xứng

(2) có khả năng tồn tại ở cả hai dạng mạch hở hoặc

mạch vòng

(3) có khả năng tạo thành polymer nhờ vào liên kết

glycoside

(4) có khả năng tạo liên kết hydro với nước hoặc các

phân tử khác

Carbohydrate dư thừa sẽ được chuyển hóa theo hai hướng

- Oxy hóa để cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống

(ưu thế khi còn trẻ)

- Chuyển sang dự trữ ở dạng chất béo (mỡ) (ưu thế khi về già)

Vấn đề sử dụng đường và sức khỏe:

+ bệnh cao huyết áp (isomalt, 2Kcal/1g, độ ngọt ~ 50% sucrose)

+ bệnh béo phì (saccharin (đắng) ngọt gấp 300 lần

sucrose: gây ung thư

aspartam: ngọt gấp 200 lần sucrose, còn tranh cãi

có gây ung thư?

hiện nay: sucralose ngọt gấp 600 lần sucrose)

Cấu tạo của một vài loại đường nhân tạo

Ứng dụng của carbohydrate

+ bánh kẹo

+ rượu bia (lên men rượu)

+ nước giải khát (chứa đường hoặc chất tạo ngọt nhân tạo)

+ giấy

+ vải

+ gỗ

+ chất nổ [1868, Alfred Nobel, dynamite] celluloid (lược ngà, bida, răng giả)

+ nhiên liệu sinh học (biofuel)

Phân loại

Monosaccharide: là đường đơn như glucose, fructose

Oligosaccharide: có từ 2 đến 10 đường đơn

sucrose (saccharose), maltose

Polysaccharide: có từ hơn 10 đường đơn

tinh bột, cellulose

Monosaccharide

Phân loại: - aldose hoặc ketose (chứa nhóm chức aldehyde-CHO hoặc ketone-CO)

- theo số nguyên tử C có trong phân tử: triose, tetrose, pentose, hexose,…

- theo tính chất hóa học: acid (chứa nhóm carboxyl, COOH)

trung tính (chứa nhóm carbonyl R-CO-R‘ và nhóm OH

aminomonosaccharide (chứa nhóm amine, NH2)

Nhóm OH (ở C bất đối xứng cao nhất) bên phải: cấu hình D

bên trái: cấu hình L

đối với monosaccharide cấu hình D chiếm đa số trong tự nhiên

Dấu (+) : chỉ hướng quay theo chiều kim đồng hồ (dextrorotatory)

(-) : chỉ hướng quay ngược chiều kim đồng hồ (levorotatory)

Các dẫn xuất thường gọi tên theo IUPAC

Đồng phân đối quang ở monosaccharide

Gương phản chiếu

Tính chất đồng phân lập thể của monosaccharide

• Monosaccharide có carbon bất đối xứng và có đồng phân quang học khác nhau

• Đồng phân lập thể không đối quang thì khác nhau về tính chất vật lý

• Đồng phân lập thể không đối quang thì gọi là epimers

• Ngoài cấu tạo thẳng, monosaccharide còn có cấu tạo mạch vòng (hemiacetal)

• Vị trí nhóm OH ở C khép vòng tạo đồng phân , gọi là anomers

Vòng hóa

Dạng mạch vòng của monosaccharide

Nhóm OH ở C1 cùng phía với nhóm OH ở C bất đối xứng cao nhất

Ta có đồng phân dạng

Nhóm OH ở C1 khác phía với nhóm OH ở C bất đối xứng cao nhất

Ta có đồng phân dạng

Ví dụ hiện tượng optical rotation: -D-glucose + 112o

-D-glucose + 19o

Vòng hóa

Dạng mạch vòng của monosaccharide

C chứa nhóm OH bất đối xứng cao nhất ở vị trí số mấy?

C bất đối xứng đầu tiên ở vị trí số mấy?

Fischer projection

Haworth projection

Sự hình thành vòng pyran và furan của monosaccharide

Tính chất hóa lý của monosaccharide

• Dạng tinh thể có độ cứng, không màu, vị ngọt, tan tốt trong nước nhưng tan kém hoặc không tan trong dung môi hữu cơ

• Độ ngọt (%): sucrose 100

fructose 173

glucose 74

maltose 33

xylose 40

lactose 16

• Có khả năng quay cực

• Tác dụng với acid và base

• Phản ứng với dung dịch Fehling cho kết tủa màu đỏ gạch (thực hành)

Hồ tinh bột thủy phân

(đã trung hòa vơi NaOH)

Glucose 1%

Hồ tinh bột khoai lang

Bản chất của sự khác biệt là gì?

Ý nghĩa của phản ứng?

Trong môi trường kiềm loãng còn có hiện tượng chuyển nhóm

[Ca(OH)2, Ba(OH)2]

• Phản ứng với -Napthol trong acid đđ cho phức màu tím (thực hành)

Phức màu tím

Tốc độ phản ứng của 3 ống nghiệm? - hồ tinh bột thủy phân (HCl)

- glucose

- hồ tinh bột khoai lang

Ý nghĩa của phản ứng Molish: định tính và định lượng monosaccharide

Phản ứng với thuốc thử Molish trong H2SO4 đđ cho phức màu tím

Monosaccharide có thể bị oxy hóa ở các vị trí carbon khác nhau

Monosaccharide có thể bị oxy hóa ở các vị trí carbon khác nhau

Glucose có thể bị oxy hóa thành:

+ Aldonic acid (gluconic acid): vị trí C1 bị oxy hóa

+ Alduronic acid (glucuronic acid): vị trí C6 bị oxy hóa

+ Aldaric acid (glucaric acid): cả C1 và C6 bị oxy hóa

Một vài monosaccharide tiêu biểu

Triose (C3H6O3): glyceraldehyde và dihydroxyacetone (không có đồng

phân quang học) là những triose chủ yếu, trong tự nhiên hiếm gặp ở dạng

tự do

Là các dạng trung gian trong quá trình biến dưỡng carbohydrate


Tetrose (C4H8O4): Erythrose được quan tâm nhất: là sản

phẩm trung gian trong quang hợp và trong chu trình

pentose phosphate


Pentose (C5H10O5): Ít gặp dạng tự do, có trong nước tiểu, lá của một vài

loài thực vật, là sản phẩm trung gian trong quá trình trao đổi

carbohydrate.

+ L- arabinose: là thành phần của hemicellulose, pectin, chất nhầy, gum. + D - xylose (đường gỗ): (i) chiếm lượng nhỏ trong thành phần

hemicellulose, chất nhầy thực vật, rơm rạ, bông

(ii) sử dụng thay cho những người

bệnh đái tháo đường hay beo phi

(iii) tham gia vào thành phần

glucoprotein của người, động vật và vi sinh vật.


Các pentose tiêu biểu khác là D-Ribose và D-Deoxyribose

Có trong nucleic acid, nucleotide tự do, là thành phần của vài vitamin và

cung là nhóm prosthetic của một vài enzyme


D-ribulose và D-xylulose: cung là đường pentose

Có nhiều ở thực vât, vi sinh vât và trong mô của động vât

Ester phosphate của chung đóng vai trò quan trọng như

là sản phẩm trung gian của chi trình Calvin, con đường

pentosephosphate, oxy hóa carbohydrate


Hexose (C6H12O6): có trong tự nhiên ở dạng tự do và

đóng vai trò quan trọng trong sự sống

D(+)-glucose (đường nho): là dạng tự do trong các phần xanh của

thực vât, trong hạt, trái, mât, máu của người và động vât

Máu người có từ 0,07 – 0,11% glucose

Glucose còn có trong thành phần của polysaccharide (tinh bột,

cellulose, glycogen, đường, sữa [lactose], mạch nha [maltose])


D(+)-fructose (đường trái cây): có trong phần xanh của thực vât,

mât, hoa, quả, mât ong

Là đường ngọt nhất trong nhóm monosaccharide (173%), dạng

ngọt gấp 3 lần dạng


D(+)-galactose:

+ là thành phần của đường sữa (lactose), melibiose

+ cấu tạo nên trisaccharide (refinose) hay oligosaccharide (stachyose)

+ có trong cấu tạo của polysaccharide của động vât và thực vât,

agarose, hột của thực vât dây leo

+ không bi lên men bởi nấm men


D(+)-mannose:

- có trong thành phần polysaccharide cao phân tử ở thực vât,

dich nhầy, hemicellulose

- tồn tại dưới dạng glucoprotein trong cơ thể người và động vât

- là polysaccharide tạo nên lớp vỏ ngoài của vi sinh vât

Heptose (C7H14O7): có nhiều dạng khác nhau trong tự nhiên. Từ thực vật tách được

cedoheptulose, D- mannoseheptulose. Cedoheptulose (ester phosphate) là

sản phẩm tạo thành trong quang hợp cung như trong chu trình pentose

phosphate.


Một vài monosaccharide tiêu biểu khác

Mât ong - Honey

Ong làm 3 việc chính để tạo nên mật:

+ Giảm lượng nước ở mật hoa từ 30 – 60% xuống còn 15 –

19% trong mật ong

+ Thủy phân đường sucrose trong mật hoa thành glucose và

fructose bởi enzyme invertase

+ Tạo ra một ít gluconic acid từ glucose bởi enzyme glucose

oxidase

Thành phần đường của mật ong (tính theo khối lượng): khoảng

1% sucrose, 38% fructose, 31% glucose

Một vài dẫn xuất tiêu biểu của monosaccharide

Oligosaccharide

• Oligo theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là một vài (few)

• Oligosaccharide có từ 2 – 10 monosaccharide liên kết với nhau bằng các liên kết glycoside

• Oligosaccharide tan tốt trong nước, có vị ngọt

• Phân loại: + theo số mono, di-, tri-, tetrasaccharide, …

+ theo thành phần mono, homo- hay hetero-oligosaccharide (các monomer cùng loại hay khác loại)

+ theo cấu tạo: mạch thẳng hay phân nhánh

+ theo tính chất hóa học: có tính khử hay không (nhóm OH ở liên kết glycoside còn tự do hay không)

Cấu tạo phân tử của một vài oligosaccharide tiêu biểu

Các oligosaccharide tiêu biểu

Sucrose (-D-glucopyranosyl-(1,2)--D-fructofuranoside)

(Saccharose, đường tinh luyện)

Có nhiều ở thực vật nhất là củ cải đường và mía (20 - 25%). Sucrose hoà tan tốt

trong nước, không có tính khử.

Sucrose dễ bị thuỷ phân trong môi trường acid

Là chất làm ngọt (đồng thời là chất bảo quản) trong nhiều loại thực phẩm

Được sử dụng nhiều trong đời sống hàng ngày


Maltose được tạo ra nhờ sự phân cắt tinh bột nhờ enzyme diatase trong quá

trình hạt nảy mầm. Một enzyme khác cũng tham gia vào quá trình thủy phân

maltose là maltase.

Có nhiều trong rơm rạ, rễ thực vật và trong chế phẩm mạch nha. Maltose có

nhóm hydroxyl glycoside ở dạng tự do nên có tính khử.

Liên kết glycoside


Lactose là đường có chủ yếu trong các sản phẩm sữa, là một yếu tố dinh

dưỡng thiết yếu cho trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ.

Lactose được phân hủy nhờ enzyme lactase, enyzme này có nhiều ở tuổi nhỏ

nhưng càng lớn lên chúng càng ít đi nên đa số người lớn không hấp thụ được

đường lactose và thường có triệu chứng khó chịu hoặc tiêu chảy khi sử dụng

các sản phẩm sữa.

Sữa bò chứa khoảng 4 – 5,5%, sữa mẹ 5 – 8,4% lactose. Ngoài ra lactose còn

có trong ống phấn của một số loài thực vật.


Còn cellobiose có nhiều trong vách tế bào thực vật.


Raffinose (-D-galactopiranosine - (1 6) - D - glucopiranosine -

(12)--D- fructofuranoside) cấu tạo từ 3 monosaccharide: galactose,

glucose và fructose, có trong củ cải đường và thực vật bậc cao.

Một vài oligosaccharide tự nhiên khác

Là thành phần của mât ong Có trong hạt của hoa hồng

Là chất gây vi đắng trong quả đào, mơ

Một vài oligosaccharide tự nhiên khác

Là sản phẩm của sự thủy phân tinh bột

Ứng dụng trong sắc ký (phân tách)

Một vài dẫn xuất của oligo có hoạt tính trong y học

Là hợp chất chống

hình thành khối u

Một vài loại aburamycin

có tác dụng diệt khuẩn

và chống sự hình thành

khối u

Một vài dẫn xuất của oligo có hoạt tính trong y học

Polysaccharide – Glycan

• Là hợp chất hữu cơ cao phân tử rất thường gặp trong tự nhiên, khi bị thủy phân hoàn toàn cho ra nhiều monosaccharide (vài chục ngàn)

• Phân loại: + homopolysaccharide: do cùng 1 mono tạo nên, còn gọi là homoglycan, ex. glucan, arabinan,…

+ heteropolysaccharide: do các mono khác nhau tạo nên

• Polysaccharide thường được gọi theo tên thông thường, ex. tinh bột, glycogen,…

• Không tan trong nước, tạo keo trong nước nóng, không có vị ngọt

• Vài trò chủ yếu là nguồn năng lượng dự trữ và bộ khung cấu tạo sinh vật

Tinh bột

• Là nguồn thực phẩm chính cho người và động vật

• Được thực vật tạo ra và dự trữ ở hạt, thân hay củ.

• Thành phần chính của tinh bột là amylose (10 – 30%) và amylopectin (70 – 90%)

• Khi đun nóng thì trương lên và tạo dung dịch keo, cho màu xanh với iod (định tính polysaccharide bằng iod, thực hành)

• Khi bị thuỷ phân (HCl, thực hành) không hoàn toàn sẽ cho ra dextrin (amylodextrin, eritrodextrin, maltodextrin). Thủy phân hoàn toàn cho glucose.

• Hệ enzyme thủy phân tinh bột là amylase

• Tinh bột là nguyên liệu quan trong trong rất nhiều ngành công nghiệp

Liên kết hydro

tạo cấu trúc xoắn

Tinh bột cho màu xanh với iodine

Đun nóng: mất màu xanh hay màu xanh nhạt dần

Để nguội?

* Amylosedextrin:

- Bột trắng tan trong ethanol 25%, tủa trong ethanol 40%.

- Cho màu tím xanh trong dung dịch Iod.

* Eritrodextrin:

- Tan trong ethanol 55%, tủa trong ethanol 65%.

* Achrodextrin:

- Tan trong ethanol 70%.

- Không cho màu với Iod.

* Maltodextrin:

- Không tủa trong ethanol.

- Không cho màu với Iod.

Dextrin và tính chất của dextrin

Các sản phẩm sinh ra khi thủy phân tinh bột?

- Cho vào 15 mL dung dịch hồ tinh bột. Cho tiếp vào 5 mL HCl đậm đặc, khuấy đều.

- Đun cách thủy, cứ sau 1 phút thử sự thủy phân hồ tinh bột bằng iod cho đến khi

không cho màu với iod.

- Nhận xet màu thay đổi khi thử dung dịch thủy phân với iod. Kết luận.

Lưu ý: Giữ dung dịch đã thủy phân để làm các phản ứng sau.

Phương pháp thí nghiệm thủy phân tinh bột bằng HCl

Amylose

Amylose có cấu tạo mạch thẳng từ các phân tử glucose qua liên kết -1,4-

glycoside, có khối lượng phân tử từ vài ngàn cho đến nữa triệu.

Trong phân tử amylose có một đầu có tính khử và một đầu không

có tính khử.

Khi tan trong nước nóng tạo thành vòng xoắn, cho màu xanh da trời

với dung dich iodine.

Tỷ lệ giữa amylose và amylopectin quyết đinh tính dẻo của gạo.

Nếp có ít amylose nên dẻo hơn gạo.

Amylopectin

Amylopectin cũng có cấu tạo từ glucose nhưng mạch có phân

nhánh vi ngoài liên kết -1,4-glycoside còn có liên kết -1,6-

glycoside.

Trong phân tử amylopectin sự phân nhánh xảy ra trong một

khoảng từ 12 – 30 đơn vi glucose và mạch nhánh có độ dài

từ 24 – 30 đơn vi glucose.

Khi tan trong nước nóng sẽ cho màu đỏ tím với dung dich

iodine.

(1,6)-glucosidase đặc hiệu phân cắt liên kết (1,6)-

glycoside

liên kết (1,6)-glycoside

Glycogen

• Là dạng dự trữ năng lượng chính ở động vật

• Chiếm khoảng 10% ở gan, khoảng 2% ở mô cơ

• Phân nhánh khoảng 8 – 12 đơn vị glucose

• Tan trong nước, cho màu đỏ tím hoặc đỏ nâu với iod

• Còn có mặt ở nấm, thực vật bật cao và vi sinh vật

Dextran

• Có khối lượng phân tử lớn 5.108

(lớn nhất trong nhóm carbohydrate)

• Phân nhánh ở các vị trí khác nhau

• Được tổng hợp ở vi khuẩn

• Dextran và dẫn xuất có thể dùng làm

kháng nguyên và chất chống đông

tụ máu (sulphadextran, heparin)

Cấu tạo của Heparin

Cellulose

Là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vât cùng với

hemicellulose, lignin và pectin

Là chất hữu cơ hiện diện nhiều nhất trong tự nhiên, khoảng 50% tương

đương 180 tỷ tấn/năm (Delmer, 1999)

Là thành phần chính của gỗ, bông (100%)

Có cấu trúc bền nhờ liên kết hydro

Không tan trong nước

Có tác dụng nhuân trường trong tiêu hóa

Động vât ăn cỏ có enzyme cellulase do vsv tiết ra nên tiêu hóa được cỏ

Liên kết?

Cellulose

Hemicellulose - Là polysaccharide thực vật, có nhiều trong vỏ cứng của hột,

rơm rạ. . . - Cấu tạo từ manose, galactose, arabinose, xylose. -Không tan trong nước, tan trong kiềm.

Pectin - Có nhiều trong quả, củ, thân, đặc biệt trong cùi trắng của quả

bưởi, cam, chanh. - Khi có acid, đường có thể tạo nên keo và được dùng trong

sản xuất mứt, kẹo. - Cấu tạo từ gốc acid galacturonic. - Là thành phần của vách tế bào.

Hemicellulose và pectin

Cấu truc không gian của vách tế bào (cell wall)

Chitin

• Là polymer thẳng của N-Acetylglucosamine

• Rất phổ biến trong tự nhiên

• Tham gia cấu tạo nên lớp vỏ ngoài của đv chân đốt, là khung nâng đỡ và bảo vệ

• Khi đun nóng với kiềm loãng tạo chitosan có nhiều ứng dụng trong thực tiễn (vỏ

bao, miếng đệm, …)

Agarose

Có cấu tạo từ các gốc galactose

Tan trong nước nóng, để nguội tạo gel (sử dụng trong công nghệ diện di)

Có trong nhiều loại rong biển

Được sử dụng trong môi trường nuôi cấy, sinh học phân tử, công nghiệp bánh kẹo

Agarose

Documents

Carbohydrate 1