1. Czym zajmuje się biochemia?
Biochemia - nauka na pograniczu chemii organicznej i biologii zajmująca się substancjami
organicznymi o dużym znaczeniu biologicznym, takimi jak białka, węglowodany, lipidy,
kwasy nukleinowe i aminokwasy oraz przemianami chemicznymi zachodzącymi wewnątrz
żywych komórek.
2. Jaką grupę związków nazywamy węglowodanami?
Węglowodany (zwane również cukrami) są to cząsteczki złożone z węgla, tlenu i wodoru. Są
one przekształcane w glukozę będącą dla organizmu istotnym z
ródłem energii, którą można
szybko uruchomić.
3. Jak dzielimy węglowodany?
Węglowodany jednocząsteczkowe (cukry proste):
 glukoza; można ją znalez
ć w miodzie i owocach,
 fruktoza; znajduje się również w miodzie i owocach,
 galaktoza; znajduje się w mleku.
Węglowodany dwucząsteczkowe (dwucukry):
 sacharoza (cukier biały - ekstrakt z buraków cukrowych lub trzciny cukrowej),
złożona z glukozy i fruktozy,
 laktoza (tworzą ją glukoza i galaktoza) jest węglowodanem znajdującym się w
mleku ssaków,
 maltoza (tworzą ją dwie cząsteczki glukozy), jest podstawowym cukrem obecnym
w piwie, zawarta jest również w kukurydzy.
Węglowodany wielocząsteczkowe (cukry złożone):
 skrobia; jedna cząsteczka skrobi zawiera setki cząsteczek glukozy. Możemy ją
znalez
ć w zbożach (pszenica, kukurydza, ryż), bulwach (ziemniaki), korzeniach
(brukiew), ziarnach lub roślinach strączkowych (fasolka, soczewica, groszek, groch,
bób, soja, komosa ryżowa).
4. Zasady nazewnictwa węglowodanów
Nazewnictwo momosacharydów. Wiąże się z występowaniem szeregów aldoz i ketoz.
Aldozy to wielowodorotlenowe aldechydy, natomiast ketozy to wielowodorotlenowe ketony.
I w zależności od liczby węgli w cząsteczce, możemy je zróżnicować na triozy, ketrozy,
pentozy, heksozy a nawet na heptozy.
Jak się tworzy nazwę? - poprzez dodanie przedrostka aldo w wypadku aldoz, albo
przedrostka keto w wypadku ketoz. I w ten sposób określamy przynależności do właściwego
szeregu. Nazwy zwyczajowe nadal funkcjonują i tak np. glukoza to inaczej dekstroza, inaczej
cukier gronowy albo na przykładzie fruktozy to inaczej nazwa zwyczajowa lewuloza, bądz

cukier owocowy.
W nazewnictwie można na wyróżnić nić pewne grupy:
a-D-gluko-piran-oza
1 2 3 4 5
W nazewnictwie cukrów przyjęta jest zasada stosowania :
" nazw zwyczajowych
" nazw systematycznych
W nazwach systematycznych cukrów prostych przyjęto zasadę uwidaczniania ilości atomów
węgla albo atomów tlenu w cząsteczce.
Zgodnie z tą zasadą aldozy będą nazywane;
" najprostsza aldoza posiada dwa atomy węgla stąd nazwa aldodioza
" aldotrioza (trzy atomy węgla w cząsteczce)
" aldotetroza (cztery atomy węgla w cząsteczce)
" aldopentoza (pięć atomów węgla w cząsteczce)
" aldohektoza (sześć atomów węgla w cząsteczce)
Szereg ketoz, zaczyna się od cukrowca posiadającego trzy atomy węgla:
" ketotrioza (trzy atomy węgla w cząsteczce)
" ketotetroza (cztery atomy węgla w cząsteczce)
" ketopentoza (pięć atomów węgla w cząsteczce)
" ketoheksoza (sześć atomów węgla w cząsteczce)
5. Jaka jest różnica między wzorami chemicznymi; liniowymi Fishera, cyklicznym i wg
Howortha.
według Fischera D(+)-glukoza
cykliczny D(+)-glukoza
według Hawortha D(+)-glukoza
6. Wymień podstawowe cukry proste, ich występowanie i charakterystyczne reakcje.
Cukry proste - Sacharydy, które nie ulegają hydrolizie do prostszych cząsteczek. Są
też nazywane monosacharydami. W zależności od ilości atomów węgla można wśród nich
wyróżnić np. triozy, pentozy i heksozy. W zależności od obecności grupy aldehydowej albo
ketonowej cukry proste dzieli się na aldozy i ketozy. Do cukrów prostych należą m.in.
glukoza, fruktoza, ryboza i deoksyryboza. Cukry proste są aktywne osmotycznie i często mają
słodki smak. Glukoza powstaje w roślinach zielonych w reakcji fotosyntezy:
6 CO2 + 6 H2O światło C6H12O6 + 6 O2
glukoza
i fermentacji alkoholowej:
C6H12O6 woda enzymy 2 C2H5OH + 2 CO2
Reakcje cukrów prostych
Cukry proste poddają się następującym reakcjom:
" reakcji utleniania, gdzie czynnikiem utleniajacym może być odczynnik Fehlinga lub
Tollensa, woda bromowa (utlenia aldozy a nie utlenia ketoz), kwas azotowy, kwas
nadjodowy HIO4
" tworzenia osazonów (reakcja z fenylohydrazyną i dotyczy tylko aldoz)
" wydłużania i skracania łańcucha węglowego (dotyczy aldoz)
7. Opisz zasadę uporządkowania cukrów na szeregi D i L
Konfiguracja D- i L- Często dla względnego charakteryzowania cząstek chiralnych
wprowadzono pojęcie konfiguracji D- i L-, co uwidocznione jest w nazwach związków. Na
przykład - aldehyd D-glicerynowy, aldehyd L-glicerynowy
Punktem odniesienia dla konfiguracji D- i L- jest budowa cząsteczki aldehydu glicerynowego
a konkretnie położenie podstawników H- oraz HO- przy środkowym węglu.
D-aldehyd glicerynowy
L-aldehyd glicerynowy
Najczęściej konfigurację D- i L- spotykamy w grupie cukrów. Jeżeli cząsteczki cukrów
prostych swoją budową nawiązuje do D-aldehydu glicerynowego, zaliczane są do szeregu D,
natomiast te, których budowa nawiązuje do L-aldehydu glicerynowego, zaliczane są do
szeregu L.
Uporządkowanie na szeregi D i L następuje według konfiguracji podstawników, przy czym
bierzemy pod uwagę to centrum chiralności, które jest najbardziej oddalone od grupy
karbonylowej.
L-Glukoza
D-glukoza
Przykłady konfiguracji D- i L-.
8. Z czego wynika izomeria optyczna cukrów prostych- podaj przykłady.
Heksozy C6H12O6. Najbardziej rozpowszechnioną z 16 aldoheksoz jest D(+)-glukoza (cukier
gronowy), a z ketoheksoz D(-)-fruktoza.
D(+)-glukoza
D(-)-fruktoza
Aldoheksoza należy do grupy cukrów posiadających sześć atomów węgla w cząsteczce, o
wzorze sumarycznym C6H12O6, różniących się jednak strukturalnie, tzn. rozmieszczeniem
atomów. Zjawisko to nosi nazwę izomerii.
Wszystkie węgle w cząsteczce cukru, według Fischera, połączone są w łańcuch prosty.
Pierwszy węgiel grupy aldehydocukrów, jakim jest aldoheksoza, tworzy grupę aldehydową -
CHO, ostatni, tzn. szósty - grupę alkoholu I-szo rzędowego -CH2OH. Pozostałe węgle
(2,3,4,5) tworzą grupy alkoholowe II-go rzędowe i są zarazem węglami asymetrycznymi.
Obecność w cząsteczce czterech asymetrycznych węgli daje nam zgodnie z regułą N=2n, 16
izomerów, gdzie n - liczba asymetrycznych węgli.
Z tych 16 izomerów aldoheksozy praktycznie znane są obecnie wszystkie. Otrzymano je albo
na drodze syntezy laboratoryjnej, albo przez wydzielenie ze z
ródeł naturalnych. Stwierdzono,
że tylko trzy z tych izomerów: (+)-glukoza, (+)-mannoza i (+)-galaktoza występują w
znacznych ilościach.
Katoheksozy w odróżnieniu od aldoheksoz posiadają 3 asymetryczne atomy węgla. Stąd ilość
izomerów w tej grupie cukrów prostych wynosi 8.
Z ketoheksoz najbardziej znanym izomerem jest D(-)-fruktoza, która podobnie jak glukoza
powszechnie występuje w owocach a także - w połączeniu z glukozą - w dwucukrze,
sacharozie.. Obydwa cukry tj. glukoza i fruktoza występują w świecie roślinnym obok siebie,
przeważnie w słodkich owocach i w miodzie.
Glukoza jak i fruktoza posiadają strukturę liniowe i pierścieniowe. Sposób zamykania
pierścienia dla glukozy pokazuje rysunek 13.1.
D(+)-glukoza
Rys.13.1 Przejście glukozy ze struktury liniowej w cykliczną
Model przestrzenny cyklicznej strukrury cząsteczki D-glukozy przedstawiony jest na rysunku
13.2
Rys.13.2 Model przestrzenny cząsteczki D-glukozy
D(+)-glukoza jest hemiaacetalem, którego struktura odpowiada strukturze reakcji zachodzącej
między grupą aldehydową a grupą wodorotlenową przy atomie C-5 cząsteczki o otwartym
łańcuchu. Ma ona cykliczną strukturę dlatego, że grupa aldehydowa i alkoholowa są
częściami tej samej cząsteczki.
Taka cykliczna struktura ma o jedno centrum chralności więcej niż struktura liniowa, w
związku z tym istnieją dwie izomeryczne odmiany D(+)-glukozy tj. (alfa)-D(+)-glukoza i
(beta)-D(+)-glukoza, rózniącymi się konfiguracją wokół atomu węgla C-1. Takie dwa
diastereoizomery nazywają się anomerami
(alfa)-D(+)-glukoza
(beta)-D(+)-glukoza
Odmiana alfa i beta łatwo ulegają hydrolizie pod wpływem wody. Każdy z anomerów w
roztworze wodnym poprzez formę o otwartym łańcuchu ulega przekształceniu w mieszaninę
pozostającą w stanie równowagi, zawierającą oba izomery o strukturze pierścieniowej.
9. Jak dzielimy cukry złożone, wymień ich przedstawicieli i napisz charakterystyczne
reakcje chemiczne.
Cukry złożone
Jeżeli cząsteczki cukrów prostych łączą się ze sobą, tak że jedna cząsteczka cukru prostego
łączy się z grupą alkoholową drugiej cząsteczki cukru, wówczas związki te nazywamy
disacharydami (dwucukrami). Gdy więcej cząsteczek cukru łączy się ze sobą, powstają
odpowiednio trójcukrowce, czterocukrowce itd.
Cukry zawierające do ośmiu prostych reszt cukrowych przyjęto nazywać olisacharydami,
jeżeli łączy się więcej reszt wówczas nazywamy je polisacharydami.
Olisacharydy - małocząsteczkowe polisacharydy sa rozpuszczalne w wodzie i zdolne do
krystalizacji. Olisacharydy z reguły mają smak słodki. Podczas hydrolizy rozpadaja się na
cząsteczki cukrów prostych. Najważniejszymi olisacharydami są disacharydy
(dwucukrowce), do których zaliczamy;
" -maltozę
" -celobiozę
" -laktozę
" -sacharozę
Polisacharydy - są to wielocukrowce, które nie mają smaku słodkiego, podczas hydrolizy
rozpadaja się na kilka cząsteczek olisacharydów, a te z kolei rozpadają się na cząsteczki
cukrów prostych. Do polisacharydów zaliczamy:
" skrobię
" gligogen
" celulozę (błonnik)
Disacharydy:
-Maltoza
Maltozę mozna otrzymać jako jeden z produktów częściowej hydrolizy skrobi w wodnym
roztworze kwasu. Hydroliza ta jest katalizowana przez diastazę, enzym znajdujący się w
słodzie (kiełkujący jęczmień).
Maltoza ma wzór sumaryczny C12H22O12 i składa się z dwóch połączonych cząsteczek D-
glukozy. Połączeniem dwóch cząsteczek glukozy jest wiązanie (alfa)-glukozytowe. Wzór
strukturalny
Redukuje ona odczynniki Tollensa i Fehlina i w związku z tym zalicza się do cukrów
redukujących.
-mMaltoza istnieje w dwóch odmianach alfa i beta, które w roztworze ulegają mutarotacji.
Rozkłada się pod wpływem kwasów do D-glukozy, wg. reakcji
C12H22O12 + H2O --> 2C6H12O6
-Celobioza
Celuloza (włókno bawełniane) poddawana w ciągu kilku dni działaniu kwasu siarkowego i
bezwodnika octowego ulega połączonym reakcjom acetylowania i hydrolizy. W końcowej
części zastosowanie zasadowej hydrolizy, prowadzi do otrzymania -celobiozy
-Celobioza, podobnie jak -maltoza ma wzór sumaryczny C12H22O12, jest cukrem redukującym
i wystepuje w formach alfa i beta.
Cząsteczka -celbiozy ulega hydrolizie do dwóch cząsteczek D-glukozy. Z tego możemy
wnioskować, że budowa -celobiozy jest podobna do -maltozy. Faktycznie róznica występuje
tylko na wiązaniu glukozydowym. -Maltoza ma wiązanie (alfa)-glukozytowe a -celobioza -
(beta)-glukozytowe.
-Laktoza
-Laktoza stanowi około 5% mleka krowiego, a także mleka ludziego. Do celów handlowych
otrzymuje się -laktozę jako produkt uboczny przy produkcji sera, gdyż jej obecność
stwierdzono w serwatce - wodnym roztworze pozostałym po koagulacji białek zawartych w
mleku.
Jest to biały krystaliczny proszek, mało słodki, dobrze rozpuszczalny w wodzie i
nierozpuszczalny w etanolu.
-Laktoza ma wzór sumaryczny C12H22O12 a wzór strukturalny następujący
Jest ona cukrem redukującym i występuje w odmianach alfa i beta. W wyniku hydrolizy
kwasowej i obecności emulsyny -laktoza przekształca się w równe ilości D--glukozy i D--
galaktozy.
C12H22O12 + H2O --> C6H12O6 (D-glukoza) + C6H12O6 (D-galaktoza)
-Laktoza jest (beta)-glikozydem
-Sacharoza
Jest cukrem stołowym otrzymywanym z trzciny cukrowej lub buraków cukrowych. Bardzo
słodka, dobrze rozpuszczalna w wodzie i słabo w etanolu.
Ma wzór sumaryczny C12H22O11 a strukturalny następujący
Nie redukuje ona odczynnika Tollensa ani Fehlinga, co wskazuje, że nie posiada własności
redukujących (nie zawiera "wolnej" grupy aldehydowej ani ketonowej).
W wyniku hydrolizy -sacharozy pod wpływem rozcieńczonego, wodnego roztworu kwasu lub
enzymu inwertazy powstają równe ilości D-glukozy i D-fruktozy.
C12H22O12 + H2O --> C6H12O6 (D-glukoza) + C6H12O6 (D-fruktoza)
Hydrolizie towarzyszy zmiana znaku skręcalności z dodatniego na ujemny i dlatego proces
ten nazywa się często inwersją -sacharozy a otrzymana lewoskretna mieszanina cukrów nosi
nazwę cukru inwertowanego. Z cukrem inwertowanym możemy spotkac się w miodzie,
gdzie inwertazy dostarczają pszczoły.
Polisacharydy
Polisacharydy (wielocukry) są związkami, których każda cząsteczka jest zbudowana z wielu
setek lub nawet tysięcy jednostek monosacharydowych. Jednostki te, podobnie jak w
disacharydach, połączone są z sobą wiązaniami glikozydowymi, które mogą ulec rozerwaniu
w wyniku hydrolizy.
Polisacharydy są występującymi w przyrodzie polimerami, które można uważać za związki
pochodzące z aldoz lub ketoz w wyniku polimeryzacji kondensacyjnej. Polisacharyd
wywodzący się np. z heksozy ma wzór ogólny (C6H10O5)n. Wzór ten mówi nam oczywiście
bardzo niewiele o strukturze polisacharydu. Musimy znać rodzaj jednostek
monosacharydowych, ich liczbę przypadającą na każdą cząsteczkę oraz wiedzieć, w jaki
sposób są one ze sobą połączone, a także - czy utworzone w ten sposób olbrzymie cząsteczki
mają łańcuchy liniowe, czy rozgałęzione, splątane lub zwinięte spiralnie.
Najważniejszymi wielocukrami są:
" celuloza
" skrobia
Powstają one w roślinach z dwutlenku węgla i wody w procesie fotosyntezy.
Celuloza jak i skrobia zbudowane są z jednostek D--glukozowych.
Skrobia nie jest jednorodna z punktu widzenia chemicznego. Składa się ona z substancji
wielkocząsteczkowych amylozy (20%) i amylopektyny (80%). Zarówno amyloza jak i
amylopektyna składają się z jednostek D--glukozowych, lecz oba różnią się wielkością i
kształtem cząsteczek.
W amylazie jednostki D--glukozowe połączone są ze sobą w pozycji 1,4 w kształcie spirali
(alfa)-glikozydowo. Cząsteczki amylazy składają się z długich łańcuchów, z których każdy
zawiera 1000 lub więcej jednostek D-glukozowych. Rozgałęzienie łańcucha jest albo
niewielkie, albo w ogóle nie występuje.
Niżej fragment wiązania glikozydowego w amylazie
W amylopektynie w odróżnieniu od amylazy występują struktury silnie rozgałęzione. Jej
cząsteczka składa się z kilkuset krótkich łańcuchów, z których każdy zawiera 20-25 jednostek
D-(+)-glukozowych
Celuloza jest głónym składnikiem drewna i włókien roślinnych; na przykład bawełna jest
prawie czystą celulozą. Nie rozpuszcza się w wodzie i nie ma smaku oraz nie posiada
własności redukujących.
Celuloza ma wzór (C6H10O5)n. W wyniku hydrolizy pod wpływem kwasu powstaje D-(+)-
glukoza. jako jedyny monosacharyd. Dlatego celuloza podobnie jak skrobia, zbudowana jest z
łańcuchów jednostek D-glukozowych. Celuloza różni się jednak od skrobi konfiguracją
wiązania glikozydowego. Dowiedzino, że wszystkie wiązania glikozydowe w celulozie, są
wiązaniami beta.
Poniżej fragment wiązania glikozydowego w celulozie
Wartość masy cząsteczkowej dla celulozy mieści się w granicach od 250000 do 1000000 lub
więcej. Długie łańcuchy cząsteczek ułożone są jeden obok drugiego i utrzymywane razem
dzięki wiązaniom wodorowym.
Celuloza ma szczególnie duże znaczenie przemysłowe, co zawdzięcza swoim własnościom
chemicznym. Celuloza może być poddana następującym reakcjom
" nitrowania, w wyniku czego powstaje bawełna strzelnicza, piroksylina oraz azotan
celulozy
[cel-(O-NO2)n]
" w obecności bezwodnika octowego, kwasu octowego i małej ilości kwasu
siarkowego(VI) przekształca się w pochodną triacetylową [trioctan cel-(O-CO-CH3)n],
który poddany częściowej hydrolizie daje nam produkt o nazwie "octan celulozy".
Octan celulozy jest mniej palny od azotanu celulozy, stąd jego zastosowanie do
produkcji błon fotograficznych.
" reakcji z dwusiarczkiem węgla i wodnym roztworem wodorotlenku sodu, w wyniku
czego otrzymujemy celulozoksantogenian sodowy, ktory po rozpuszczeniu w
roztworze zasady tworzy lepką zawiesinę koloidalną zwaną wiskozą. Podczas
przetłaczania wiskozy przez dysze w kąpieli kwasu otrzymuje się nitki materiału
znanego jako sztuczny jedwab.
Glikogen nazywany jest cukrem mięśniowym. Jest magazynowany przez organizmy żywe i
uwalniany w miarę zapotrzebowania metabolicznego. Ma strukturę podobną do struktury
amylopektyne, z tą różnicą, że jego cząsteczki są znacznie bardziej rozgałęzione i zawierają
krótsze łańcuchy (12-18 jednostek D-glukozowych).
10. Jak dzielimy tłuszcze i z czego wynika taki podział?
Tłuszczowce (lipidy) są grupą związków chemicznych związanych z kwasami tłuszczowymi i
jednego tylko alkoholu glicerolu (gliceryny) HOCH2CH(OH)CH2OH, i mają ogólną nazwę
glicerydy. Ich cechą wspólną jest:
" względna nierozpuszczalność w wodzie
" rozpuszczalność w rozpuszczalnikach organicznych, jak eter, chloroform, benzen, itp.
Tłuszcze dzielimy na:
" tłuszcze właściwe (lipidy proste), do których zaliczamy ważne dla organizmu
człowieka tłuszcze, zwane też glicerydami oraz woski,
" tłuszcze złożone (lipidy złożone), które oprócz gliceryny i kwasu tłuszczowego
zawierają dodatkowe grupy. Do tej grupy zaliczamy fosfolipidy zawierające jako
grupę dodatkową resztę kwasu fosforowego, następnie cerebryzydy (glikolipidy),
które zawierają jako dodatkową grupę cukry i inne.
W skład tłuszczów wchodzą kwasy tłuszczowe zawierające w swojej cząsteczce zwykłe
parzystą liczbę atomów węgla. A
ańcuch węglowy tych kwasów może być nasycony lub
posiadający jedno lub więcej wiązań podwójnych.
11. Na przykładach opisz budowę chemiczną tłuszczów prostych.
Tłuszcze właściwe są estrami gliceryny i kwasów tłuszczowych.
W zależności od tego ile reszt kwasowych wiąże się z grupami OH gliceryny, tłuszcze
właściwie dzielimy na mono-, dwu- lub trójglicerydy.
Przykład: reakcja kwasu palmitynowego z gliceryną
C15H31COOH + HOCH2CH(OH)CH2OH --> HOCH2CH(OH)CH2OCOC15H31 + H2O
2C15H31COOH + HOCH2CH(OH)CH2OH --> HOCH2CH(OCOC15H31)CH2OCOC15H31 +
2H2O
3C15H31COOH + HOCH2CH(OH)CH2OH -->
CH2(OCOC15H31)CH(OCOC15H31)CH2OCOC15H31 + 3H2O
W reakcji z gliceryną może brać udział większa liczba różnych kwasów tłuszczowych
(maksymalnie trzy, czyli tyle ile grup hydroksylowych posiada gliceryna). Powstają wtedy
tłuszcze posiadające w cząsteczce różne kwasy tłuszczowe (np. 1-palmityno-2-stearyno-3-
oleino-trójgliceryd)
Rozpatrując budowę cząsteczek tłuszczów warto zwrócic uwagę na cząsteczki w których
wystepują nienasycone kwasy tłuszczowe. Konfiguracja wokół wiązań podwójnych w
cząsteczkach tych kwasów jest zawsze cis albo trans. Przykładem są podstawowe
nienasycone kwasy tłuszczowe, tj. oleinowy, linolowy, linolenowy, w których występuje
tylko konfiguracja cis.
Kwas oleinowy
Kwas linolowy
Występowanie konfiguracji cis w nienasyconych kwasach tłuszczowych, przyczynia się do
zagięcia łańcucha węglowego w miejscu występowania wiązania podwójnego. Takie zagięcie
uniemożliwia bliskie ułożenie takich cząsteczek, a także powoduje, że "nie pasują" one do
łańcuchów nasyconych. W rezultacie tłuszcze cis-nienasycone mają obniżoną temperaturę
topnienia
W odróżnieniu od kwasów nienasyconych, łańcuchy węglowe w kwasach nasyconych są
rozciągnięte liniowo, co ułatwia ich wzajemne dopasowanie się. Im lepsze dopasowanie, tym
większe są siły międzycząsteczkowe i tym wyższa temperatura topnienia, co obserwujemy w
nasyconych kwasach tłuszczowych.
12. Na wybranych przykładach napisz charakterystyczne reakcje tłuszczów prostych i
opisz ich praktyczne zastosowanie.
Pod względem chemicznym tłuszcze są substancjami obojętnymi
Z reakcji, które maja praktyczne zastosowanie należy wymienić:
" reakcję hydrolizy
" reakcje uwodornienia (utwardzania olejów)
Reakcja hydrolizy prowadzi do rozkładu na glicerol (glicerynę) i odpowiedni kwas
tłuszczowy. Jeżeli hydrolize przeprowadzimy zasadą sodową lub potasową, wówczas oprócz
gliceryny otrzymujemy sól kwasu tłuszczowego (mydło)
HOCH2CH(OH)CH2OCOC15H31 + NaOH --> HOCH2CH(OH)CH2OH + C15H31COONa
Mydło sodowe należy do mydeł twardych, natomiast mydło potasowe jest mydłem miękkim
(mazistym). Hydrolizę zasadową tłuszczowców nazywa się reakcją zmydlania
Gdy w zmydlaniu zamiast NaOH lub KOH uczestniczą jony wapnia lub magnezu, wówczas
tworzą się również mydła, lecz nierozpuszczalne:
2C15H31COOH + Ca2+ --> (C15H31COO)2Ca + 2H+
Reakcja uwodornienia Znacznie aktywniejsze chemicznie są oleje (nienasycone kwasy
tłuszczowe0, w których w miejscu wiązań podwójnych mogą przebiegać reakcje. Przykładem
takiej reakcji jest reakcja uwodornienia.
CH3(CH2)7CH=CH(CH2)7COOH + H2 --> CH3(CH2)16COOH
Jeżeli olej poddamy reakcji uwodornienia powstaje wówczas tłuszcz stały, czyli związek o
pojedyńczych wiązaniach w cząsteczce. Reakcja ta stosowana jest w produkcji margaryny z
olejów
W wyniku uwodornienia zmieniają się nie tylko właściwości fizyczne tłuszczów, ale również
- co jest najważniejsze - właściwości chemiczne; np. tłuszcz uwodorniony trudniej jełczeje niż
tłuszcz nienasycony. Jełczenie jest skutkiem wytwarzania się lotnych kwasów i aldehydów o
brzydkim zapachu. Związki te powstają wskutek ataku tlenu na reaktywne pozycje allilowe w
cząsteczkach tłuszczu.
13. Jaką grupę związków zaliczamy do lipidów złożonych (przykłady) - czym różnią się
one od lipidów prostych.
Lipidy złożone
Do tej grupy związków chemicznych zaliczamy:
" fosfolipidy
" cerebryzydy i gangliozydy
" lipidy izoprenowe
Fosfolipidy W odróznieniu od tłuszczów prostych w fosfolipidach, jak widać ze wzoru
zamieszczonego poniżej, jedna z grup wodorotlenowych glicerolu zestryfikowana jest nie
kwasem tłuszczowym, a nieorganicznym kwasem fostorowym.
Przedstawiony związek jest kwasem fosfatytowym, konkretnie lecytyną. Dwie pozostałe
grupy wodorotlenowe glicerolu połączone są podobnie jak w tłuszczach prostych, z kwasami
tłuszczowymi.
Do fosfolipidów oprócz lecytyny zaliczamy jeszcze; inozytol, sfingozynę, sfingomielinę i
inne. Z fosfolipidów zbudowane są błony komórkowe; trifosforan adenozyny pełni kluczową
rolę w układzie energetycznym organizmów, polegającą na przekształcaniu licznych
związków w estry foforanowe; kwasy nukleinowe, warunkujace dziedziczność, są poliestrami
kwasu fosforowego.
Cerebrozydy i gangliozydy Cerebrozydy występują powszechnie w komórkach całego
organizmu natomiast gandliozydy występują głównie w komórkach zwojowych układu
nerwowego.
Sa to związki, których składnikiem jest aminoalkohol (sfingozyna), połaczony wiązaniem
amidowym z kwasem tłuszczowym. Dodatkowo sfingozyna połączona jest z cząsteczką cukru
(galaktoza)
Lipidy izoprenowe (steroidy) - głównym przedstawicielem jest czterocykliczny alkohol -
cholesterol
Do sterydów zalicz się hormony sterydowe i kwasy żółciowe. Wielka różnorodność lipidów
izoprenowych występuje w świecie roślin.
14. Jak dzielimy białka proste i z czego taki podział wynika? Podaj przykłady.
Białka proste - proteiny
Do białek prostych zaliczamy te, które hydrolizując dają jedynie aminokwasy. Białka proste
dzielimy:
" protaminy -posiadaja masę cząsteczkową (1000 - 80000) o przewadze zasadowych
aminokwasów. Ptotaminy z kwasami dezoksyrybonukleinowymi tworzą połączenia
zwane nukleoproteidami
" albuminy - białka zwierzęce i roślinne. W skład albumin wchodzą wszystkie
aminokwasy; dobrze rozpuszczają się w wodzie. Spotykamy je w białku jaja kurzego,
w osoczu krwi i mleku.
" globuliny - szeroko rozpowszechnione białko w świecie roslinnym i zwierzęcym.
Spotykane są w osoczu krwi, mleku i białku jaja kurzego
" histony - występują w jądrze komórkowym. Bogate w histony są gruczoły grasicy
" prolaminy - białka roślinne, nierozpuszczalne w wodzie. Są składnikiem mąki.
Prolaminy zawierają dużo kwasu glutaminowego
" gluteliny - podobne do prolamin
" keratyny - należą do nich przede wszystkim białka tkanki łącznej tworów
zrogowaciałych (paznokcie, pióra i włosy)
15. Jak dzielimy białka złożone i z czego taki podział wynika? Podaj przykłady
Białka złożone - proteidy
Są to białka, w których część białkowa związana jest ze składnikiem prostetycznym. Białka
złożone hydrolizują na aminokwasy, kwasy, cukry, barwniki, witaminy, itp. Do białek
złożonych zaliczamy:
" nukleoproteidy - są podstawową masą komórki i wchodzi w skład protoplazmy.
" chromoproteidy - białka posiadające jako grupę prostetyczną substancję barwną. Do
tej grupy należy hemoglobina - substancja barwna czerwonych ciałek krwi.
" metaloproteidy - białka zawierające w części niebiałkowej grupę prostetyczną
składającą się z metali, które jednak nie wchodzą w skład substancji barwnej. Do tych
białek należy ferrytyna, zawierająca około 20% żelaza, które następnie dostarcza dla
syntezy hemoglobiny
" fosfoproteidy - zawieraja kwas fosforowy związany z białkiem w postaci estru.
Fosfoproteidami są: kazeina mleka, witelina żółtka jaj.
" glikoproteidy - białka zawierające w grupie prostetycznej cukrowce
" lipoproteidy - białka, które w grupie prostetycznej zawierają lipidy. spotykane są w
osoczu krwi, żółtku jaja kurzego.
16. Dlaczego aminokwasy mogą łączyć się w długie łańcuchy. jaki rodzaj wiązania
występuje w tych łańcuchach?
W latach 1900-1910 niemiecki chemik Emil Fischer udowodnił, że białka zbudowane są z
aminokwasów, które powiązane są w długie łańcuchy zwane łańcuchami polipeptydowymi.
Gdy łączą się dwa aminokwasy, otrzymamy dwupeptyd, gdy trzy - trójpeptyd, gdy więcej -
wielopeptyd. Peptydy zawierające do 10 reszt aminokwasów nazywamy oligopeptydami, gdy
zawierają więcej reszt - polipeptydami.
Peptyd powstaje przez połączenie grupy karboksylowej (-COOH) jednego aminokwasu z
grupą aminową (-NH2) drugiego aminokwasu z wydzieleniem czasteczki wody.
Przykład - powstawanie dwupeptydu alanino-alanina z alaniny
Charakterystycznym wiązaniem, które powstaje przy połączeniu się dwóch i więcej ze sobą
aminokwasów jest tzw. wiązanie peptydowe (-NH-CO-), zaznaczone na cząsteczce alanino-
alaninie ramką.
Po utworzeniu wiązania peptydowego między dwiema cząsteczkami aminokwasów powstaje
wolna grupa aminowa (-NH2) oraz karboksylowa (-COOH). Obie zatem mogą tworzyć dalsze
wiązanie peptydowe z innymi aminokwasami.
Dłuższy łańcuch powstaje z połączenia kilku aminokwasów, czyli tzw. wielopeptyd, który
można przedstawić następująco
17. Jaki rodzaj izomerii jest spotykany wśród aminokwasów? Podaj przykłady.
Z tablicy wynika, że wszystkie aminokwasy są kwasami (alfa)-aminokarboksylowymi; w
dwóch przypadkach (proliny i hydroksyproliny) grupa aminowa wchodzi w skład pierścienia
pirolidynowego.
Ta wspólna cecha wyznacza zbiór wspólnych właściwości chemicznych aminokwasów. Jedną
z tych właściwości jest zdolność do łączenia się w długie łańcuchy poliamidowe, z których
składa się białko.
Stwierdzono, że chociaż aminokwasy przedstawia się jako związki o wzorze H2NCHRCOOH
zawierające w cząsteczce grupę aminową i grupę karboksylową, to niektóre ich właściwości
zarówno fizyczne jak i chemiczne, nie są zgodne z taką strukturą.
" aminokwasy, w przeciwieństwie do amin i kwasów karboksylowych, są nielotnymi
krystalicznymi ciałami stałymi, które topią się z rozkładem w dość wysokiej
temperaturze
" aminokwasy są nierozpuszczalne w niepolarnych rozpuszczalnikach, takich jak eter
naftowy, benzen czy eter dietylowy. W wodzie rozpuszczaja się dobrze.
" wodne roztwory aminokwasów zachowują się podobnie jak roztwory substancji o
dużym momencie dipolowym
Wszystkie te właściwości aminokwasy zawdzięczają istnieniu jonu obojnaczego.
<=>
Właściwości fizyczne - temperatura topnienia, duży moment dipolowy - są właśnie takie ,
jakich można oczekiwać w przypadku soli tego typu.
Pod wpływem pola elektrycznego cząsteczki takie nie wędrują do elektrod, czyli zachowują
się obojętnie.
Wartość pH, przy której aminokwasy w polu elektrycznym do żadnej z elektrod nie wędrują
nazywa się punktem izoelektrycznym albo izojonowym.
Przy dodawaniu jonów wodorowych (kwasu) grupa ujemna przyjmuje protony (jony
wodorowe) i ulega rozładowaniu. Cząsteczka zatem przyjmuje ładunek dodatni który
zlokalizowany jest przy grupie -NH3+. W tej sytuacji odczyn roztworu zmienia się na kwaśny
i aminokwas wędruje w polu elektrycznym do katody, podobnie jak czynią to kationy.
Przy dodawaniu jonów wodorotlenowych OH- (z zasady) do roztworu aminokwasu
znajdującego się w punkcie izoelektrycznym, ulega dysocjacji proton (jon H+) znajdujący się
przy azocie grupy NH3+, który z jonem OH- tworzy cząsteczki wody. Cząsteczka aminokwasu
w takiej sytuacji przyjmuje ładunek ujemny i w polu elektrycznym zachowuje się jak anion.
Można przyjąć, że aminokwas w punkcie izoelektrycznym zachowuje się podobnie jak
amfoter, ponieważ reaguje zarówno z kwasami jak i zasadami.
W aminokwasach podobnie jak i w cukrach występuje zjawisko izomerii optycznej i
strukturalnej. Przez analogię do cukrów należy spodziewać się wśród aminokwasów odmian
L i D oraz (+) i (-).
Jest to spowodowane obecnością w cząsteczkach aminokwasów centr chiralnych (z
wyjatkiem glicyny). Każdy aminokwas z wyjatkiem glicyny może istnieć w tego rodzaju
odmianach izomerycznych, różniących się rozmieszczeniem w przestrzeni czterech
podstawników związanych z atomem węgla (alfa).
Najbardziej zadziwiającym faktem jest to, że tylko jeden z enencjomerów każdego
aminokwasu występuje w białkach roślinnych i zwierzęcych i że konfiguracja tego
enancjomeru jest taka sama dla wszystkich aminokwasów. Tym enencjomerem jest zawsze
odmiana L. Zatem białka po hydrolizie dają zawsze (alfa)-aminokwasy odmiany L.
Zjawisko to jest tym ciekawsze, że nie udało się dotychczas wyjśnić, dlaczego organizmy
żywe budują wyłącznie cząsteczki (alfa),L-aminokwasów.
18. Wymień struktury białek i jaka jest zasadnicza różnica między nimi?
Strukturę białek najczęściej rozpatruje się w czterech aspektach, tj.
" struktury pierwszorzędowej - określa, w jaki sposób atomy w cząsteczkach białka są
z sobą połączone wiązaniami kowalencyjnymi, czyli jak tworzą się łańcuchy. Inaczej
struktura pierwszorzędowa określa kolejność aminokwasów w łańcuchu białkowym.
" struktury drugorzędowej - określa, w jaki sposób utworzone łańcuchy są ułożone w
przestrzeni, czyli jakie formy przestrzenne (spirale, arkusze albo kule) tworzą one za
pomoca wiązań wodorowych, łączących różne łańcuchy lub różne części tego samego
łańcucha
" struktura trzeciorzędowa - określa najbardziej korzystne uporządkowanie
przestrzenne poszczególnych części cząsteczki białka z punktu widzenia
energetycznego; zależy od oddziaływań między łańcuchami bocznymi jednej lub
większej liczby makrocząsteczek.
" struktura czwartorzędowa - określa sposób przestrzennego powiązania kilku
cząsteczek w jedną złożoną strukturę białka.
Struktura pierwszorzędowa
Jak wiemy białka są produktami kondensacji wielu aminokwasów. Z dotychczasowych
doświadczeń wynika, że aminokwasy nie są połączone między sobą w sposób przypadkowy,
lecz kolejność ich jest specyficzna i charakterystyczna dla określonego białka. Ta
uprządkowana kolejność nazywana jest sekwencją aminokwasów w białku. Sekwencja
aminokwasów może na przykład wyglądać następująco:
H2N Tyr-Tre-Wal-Asp-Leu-Gli-Gli-Cys-His COOH
Białka zbudowane są z łańcuchów peptydowych w którym do co trzeciego atomu jest
przyłączony łańcuch boczny (R1, R2, R3, R4,...).
Struktura łańcucha bocznego zależy od reszty określonego amionokwasu, np. w przypadku
glicyny jest to atom - H, alaniny - grupa (-CH3), waliny - grupa (-CH(CH3)2), itd
Niektóre z tych bocznych łańcuchów zawierają grupy zasadowe, np. grupę -NH2 i grupy
kwasowe -COOH (patrz tablica 13.1).
Ze względu na obecność tych kwasowych i zasadowych łańcuchów bocznych wzdłuż
łańcucha peptydowego rozmieszczone są grupy naładowane dodatnio lub ujemnie.
I właśnie ta charakterystyczna dla określonego białka sekwencja łańcuchów bocznych, nadaje
mu charakterystyczne właściwości
A
ańcuchy boczne wywierają wpływ na właściwości białek nie tylko dzięki swej kwasowości
lub zasadowości, ale również poprzez inne właściwości chemiczne, a nawet poprzez wielkość
i kształt. Na przykład obecność grupy wodorotlenowej (-OH) i grupy tiolowej (-SH)
przyczynia się do reakcji tworzenia estrów.
Niektóre cząsteczki białek zawierają fragmenty niepeptydowe (nazywane grupą
prostetyczną). Grupa prostetyczna jest ściśle powiązana ze specyficzną biologiczną funkcją
białka.
Na przykład grupą prostetyczną hemoglobiny jest hem
Jak wynika ze wzoru, hem zawiera atom żelaza związany z układem pirolowym, znanym jako
porfina. To właśnie utworzenie odwracalnego kompleksu tlen-hem umożliwia hemoglobinie
przenoszenie tlenu z płuc do tkanek.
Tlenek węgla tworzy podobny, ale bardziej trwały kompleks, dzięki czemu wiąże on
hemoglobinę uniemożliwiając transport tlenu, co powoduje śmierć.
Hem jest połączony z peptydowym fragmentem białka (globiną) w wyniku chelatowania
atomu żelaza przez histydynowe atomy azotu białka, a także za pomocą wiązań wodorowych
oraz sił van der Waalsa działających pomiędzy hydrofobowymi fragmentami dwóch
cząsteczek.
Struktura drugorzędowa
Termin "struktura drugorzędowa" określa wzajemne, przestrzenne ułożenie aminokwasów w
łańcuchu białkowym o określonej sekwencji. Badania prowadzone metodami rentgenowskimi
udowodniły, że nie wszystkie możliwe struktury łańcucha białkowego są jednakowo cenne
pod wzgledem trwałości.
Najtrwalsze muszą zawierać maksymalną liczbę wiązań wodorowych między grupami
karbonylowymi -C=O i grupami -N-H występującymi w wiązaniu peptydowym. Wiązania
wodorowe będą silnie stabilizować strukturę, jednakże aby mogły powstać, odpowiednie
grupy muszą znalez
ć się w odległości oddziaływań wodorowych.
W przypadku białek z grupy skleroproteidów trwała struktura osiągana jest dzięki
oddziaływaniom wodorowym między dwoma łańcuchami białkowymi biegnącymi
równolegle do siebie. Tworzą one wtedy tzw. strukturę "pofałdowanej kartki (harminijki)".
Taka struktura nazywana jest również strukturą beta.
To pofałdowanie powstaje w wyniku ściągnięcia łańcuchów peptydowych, przez co zmienia
się geometria wiązania peptydowego aminokwasu z płaskiej na pofałdowaną (rysunek 13.4).
Uzykujemy wtedy bardziej korzystną strukture do rozmieszczenia małych lub średnich
łańcuchów bocznych.
Na rysunku 13.4 przedstawiono płaskie wiązanie peptydowe w kolorze czarnym, natomiast
kolorem różowym efekt ściągnięcia łańcuchów peptydowych w strukturze beta.
Rys. 13.4 Zmiana geometrii wiązania peptydowego podczas tworzenia strubtury beta
Na rysunku 13.5 przedstawiono pełny obraz struktury harmonijkowej (beta). W tej strukturze
każdy łańcuch jest połączony z innymi łańcuchami wiązaniem wodorowym (=O -- H-). Na
rysunku wiązanie wodorowe zaznaczone jest kolorem różowym.
Rys. 13.5 Struktura harmonijkowa (struktura beta). Ściągnięte łańcuchy stwarzają miejsce
dla małych łańcuchów bocznych; sąsiednie łańcuchy są rozwinięte w przeciwnych kierunkach
Struktura pofałdowana jest korzystna dla białek w których łańcuchy boczne są małe.
Gdy łańcuchy boczne są bardzo duże, wówczas najlepsze rozmieszczenie zapewnia struktura
innego rodzaju, w której każdy łańcuch jest zwinięty i tworzy heliks (struktura alfa)
(rysunek 13.6)
Rys.13.6 Struktura alfa
A
ańcuch peptydowy jest tu spiralnie owinięty wokół hipotetycznego walca z taką gęstością
zwojów, aby grupy -C=O i -N-H zwojów sąsiadujących ze sobą znalazły się w odległości
odpowiedniej do utworzenia wiązań wodorowych. Z tego wynika, że różne fragmenty tego
samego łańcucha są połączone wiązaniami wodorowymi, które pomagają utrzymać strukturę
heliksu. Na rysunku 13.7 przedstawiono pełną strukturę heliksu.
Rys. 13.7 Struktura heliksu (struktura alfa). W prawoskretnym heliksie na każdy skręt
przypada 3,6 reszt; wiązania wodorowe znajdują się wewnątrz łańcucha
Posługując się modelami można wykazać, że właśnie taki heliks stwarza wystarczającą ilość
miejsca dla łańcuchów bocznych i pozwala utworzyć się wszystkim możliwym wiązaniom
wodorowym. Wyjaśnia to powtarzającą sie odległość 0,15 nm, która jest odległością
pomiędzy resztami aminokwasowymi, zmierzoną wzdłuż osi heliksu.
Każdy heliks może być sam skręcony w superheliks. Dowiedziono, że struktura heliksu
odgrywa kluczową rolę w konstrucji białek spotykanych w przyrodzie. Ale tym zajmuje się
struktura trzeciorzędowa
Struktura trzeciorzędowa
Struktura trzeciorzędowa określa sposób w jaki układają się i fałdują w przestrzeni łańcuchy
białkowe o określonej strukturze drugorzędowej. Zwoje i fałdy jakie tutaj się obserwuje są
utrzymywane różnego typu wiązaniami. Tymi wiazaniami są: wiązania wodorowe - które
mogą powstawać między resztami aminokwasów zawierających grupy funkcyjne, nie
związane wiązaniami peptydowymi (seryna, arginina, treonina, kwas glutaminowy), mostki
siarczkowe - powstające między resztkami cysteiny, które łączą różne punkty spirali,
zaginając ją w odpowiedni sposób, prolina (aminokwas z grupą aminową umieszczoną w
pierścieniu) - która może w różny sposób odziaływać na strukturę drugorzędową.
Rys. 13.8 Model struktury trzeciorzędowej
Struktura czwartorzędowa
Struktura czwartorzędowa określa występowanie niektórych białek w postaci agregatów kilku
podobnych lub nawet identycznych podjednostek o charakterze białkowym. Przykładem jest
hemoglobina (rysunek 13.9), gdzie cztery pofałdowane łańcuchy hemogloginy są do siebie
dopasowane i tworzą w przybliżeniu kulistą cząsteczkę (o wymiarach 6,4x5,5x5,0).
Rys. 13.9 Cząsteczka hemoglobiny
Cztery płaskie grupy hemowe, każda zawierająca atom żelaza, który może wiązać cząsteczkę
tlenu, mieszczą się w oddzielnych "kieszeniach" tej kuli.
Budowę podjednostkową ma również wiele białek enzymatycznych.