LABORATORIUM Z BIOCHEMII

Sacharydy

Monosacharydy – pod względem chemicznym są alkoholami wielowodorotlenowymi z grupą aldehydową lub ketonową. W zależności od ilości atomów węgla w cząsteczce dzielą się na triozy (3C), tetrozy (4C), pentozy (5C), heksozy (6C), heptozy (7C).

Ze względu na obecność grup funkcyjnych wyróżniamy:

• Aldozy – oprócz grup hydroksylowych zawierają grupę aldehydową

• Ketozy – oprócz grup hydroksylowych zawierają grupę ketonową

Monosacharydy występują zarówno w formie łańcuchowej, jak i cyklicznej i obie te formy mogą samorzutnie przechodzić jedna w drugą. Forma pierścieniowa hemiacetalowa tworzona jest w wyniku addycji nukleofilowej, która zachodzi wewnątrz cząsteczki cukru (pomiędzy grupą hydroksylową przy piątym atomie węgla, a grupą karbonylową).

Cukry mogą należeć do szeregu D lub L w zależności od konfiguracji ostatniego chiralnego atomu węgla. Do szeregu D należą te homologi aldehydu D-glicerynowego lub dihydroksyacetonu, w których w projekcji Fischera grupa HO- przy ostatnim chiralnym atomie C znajduje się po prawej stronie.

Analogicznie wyglądają szeregi L-aldoz i L-ketoz. Cukry szeregu D są bardziej rozpowszechnione w przyrodzie niż szeregu L.

Izomery α i β, różniące się ułożeniem grupy OH przy C1 względem pierścienia narysowanego, jak na powyższym wzorze, zwane są anomerami. W anomerze α grupa OH przyłączona jest do C1 aksjalnie i znajduje się pod płaszczyzną pierścienia, a w anomerze β jest przyłączona ekwatorialnie nad płaszczyzną pierścienia.

Zasada cyklizacji – zjawisko cyklizacji wewnątrzcząsteczkowej cukrów prostych jest wyrazem desmotropii, polegającego na występowaniu związku chemicznego w dwóch postaciach, mogących samorzutnie przechodzić jedna w drugą.

Utworzenie formy cyklicznej pociąga za sobą powstawanie w cząsteczce cukrowca nowego węgla asymetrycznego, a tym samym podwojenie liczny izomerów (anomer α i β). Występowanie cukrowców w formach α i β wyjaśnia zmianę skręcalności właściwej ich roztworów, czyli zjawiska mutarotacji. Forma α przechodzi w β aż do ustalenia się stanu równowagi.

Disacharydy powstają poprzez połączenie dwóch cukrów prostych (monosacharydów) wiązaniem glikozydowym.

Wiązanie O-glikozydowe – rodzaj wiązania glikozydowego łączący grupę hydroksylową (−OH) pierścieniowej formy węglowodanu z grupą hydroksylową innego związku. Najczęściej występują w dwucukrach lub wielocukrach. Z chemicznego punktu widzenia O-glikozydy są acetalami.

Polisacharydy

Są to produkty polikondensacji monosacharydów połączonych ze sobą wiązaniami glikozydowymi. W stosunku do mono- i disacharydów mają odmienne właściwości fizyczne i chemiczne. Nie mają smaku słodkiego, są nierozpuszczalne w wodzie, aczkolwiek niektóre mogą tworzyć w środowisku wodnym roztwory koloidalne. W zależności od rodzaju cukrów tworzących polisacharydy dzielimy je na homoglikany (skrobia, glikogen, celuloza) i heteroglikany (mukopolisacharydy, hemicelulozy).

Właściwości redukujące cukrów – do ich występowania konieczna jest wolna grupa aldehydowa lub ketonowa w cząsteczce cukru. Cukry posiadają właściwości redukcyjne w środowisku alkalicznym, w którym następuje otwarcie pierścienia. W środowisku kwaśnym cukry występują w formie pierścieniowej.

Reakcje cukrów

Działanie kwasów na sacharydy – Odczyn Molischa z α-naftanolem

Reakcja ta pozwala na wykrycie sacharydów. Monosacharydy pod wpływem stężonych kwasów ulegają dehydratacji. Pentozy przekształcają się w furfural, a heksozy w 5-hydroksymetylenofurfural. Związki te kondensują z α–naftolem dając fioletowe połączenie.

Działanie kwasów na sacharydy – próba z tymolem

Reakcja ta służy do wykrywania sacharydów w próbie. Tak jak w przypadku poprzedniego doświadczenia glukoza uległa dehydratacji do 5-hydroksymetylenofurfuralu. Zabarwienie roztworu świadczy o zajściu reakcji kondensacji między tymolem a 5-hydroksymetylenofurfuralem.

Wykrywanie ketoz - Próba Seliwanowa

Pozytywny wynik próby seliwanowa dają ketozy, dlatego też reakcja ta pozwala na odróżnienie aldoz od ketoz. Pod wpływem rozcieńczonego kwasu solnego fruktoza, która zawiera grupę ketonową ulega odwodnieniu i daje barwny związek z rezorcyną. Sacharoza również daje pozytywny wynik próby seliwanowa, ponieważ jednym z monosacharydów, które ją tworzą jest fruktoza. Zabarwienie występuje po dłuższym czasie niż w przypadku fruktozy, gdyż disacharyd ten musi najpierw ulec reakcji hydrolizy. W przypadku maltozy (aldozy) zabarwienie było mniej intensywne i wystąpiło po dłuższym czasie, ponieważ aldozy ulegają dehydratacji znacznie wolniej niż ketozy.

Wykrywanie pentoz – Reakcja Biala

Kolor szmaragdowy w przypadku arabinozy świadczy o pozytywnym wyniku reakcji Biala. Reakcja ta pozwala zatem na wykrycie pentoz w roztworze. Pentozy ulegają odwodnieniu w wyniku ogrzewania. Powstający furfural reaguje z orcyną i w obecności roztworu FeCl₃ daje szmaragdowy kompleks. Heksozy, które przekształcają się w 5-hydroksymetylenofurfural, reagują z orcyną znacznie słabiej i wolniej i w wyniku tej reakcji tworzą się zielono-brązowe kompleksy.

Właściwości redukujące sacharydów – Próba Fehlinga

Próba ta pozwala na odróżnienie cukrów redukujących od nieredukujących. W roztworach Fehlinga kationy miedzi tworzą z winianem sodowo-potasowym rozpuszczalny kompleks.

Kompleks ten jest zdysocjowany tylko w nieznacznym stopniu. W miarę jak cukrowce redukują Cu²⁺ w środowisku alkalicznym, kompleks ten rozpada się dostarczając nowych kationów Cu²⁺. Kationy te redukowane są następnie do jonów Cu⁺, które tworzą nierozpuszczalny, czerwony osad tlenku miedzi (I) (Cu₂O).

Sacharoza nie uległa tej reakcji, ponieważ jej grupy karbonylowe są zablokowane wiązaniem glikozydowym.

Wpływ zasad na sacharydy – Próba Moore’a

Próba Moore’a pozwala potwierdzić obecność cukrów redukujących. Przy obojętnym pH cukry występują w formie pierścieniowej. W środowisku zasadowym przekształcają się w formę łańcuchową. W obecności rozcieńczonego NaOH formy łańcuchowe glukozy i maltozy uległy enolizacji. Jednocześnie zanika asymetria przy atomie węgla C-2 i cukry przechodzą w formy epimeryczne, które znajdują się w stanie równowagi.

Disacharydy i polisacharydy, które mają zablokowane wiązania glikozydowi są odporne na działanie zasad.

Rozróżnianie monosacharydów od disacharydów – próba Barfoeda

Reakcja ta służy do odróżnienia monosacharydów od disacharydów. Glukoza w środowisku lekko kwaśnym jest reduktorem, katalizującym redukcje Cu²⁺ do Cu⁺, a sama ulega reakcji redukcji. Maltozę, jako disacharyd należałoby ogrzewać bardzo długo w celu rozerwania wiązania glikozydowego.

Reakcja skrobi z jodem

WARIANT A- Po dodaniu jodu roztwór zabarwił się na granatowo. Po ogrzaniu roztwór przybrał barwę jasnożółtą, jednak po ochłodzeniu z powrotem przybrał barwę granatową.

Skrobia składa się z łańcuchowej amylozy i rozgałęzionej amylopektyny. Zabarwienie roztworu skrobi wynika z tego, że jod zostaje uwięziony wewnątrz uporządkowanej struktury amylozy – helisy. Podczas ogrzewania wiązania wodorowe stabilizujące strukturę II-rzędową pękają, helisa amylozy rozwija się i cząsteczki jodu zostają uwolnione. Skutkuje to odbarwieniem roztworu. Po ochłodzeniu struktura wraca do stanu początkowego i roztwór zabarwia się ponownie.

WARIANT B- Po dodaniu kropli I₂ w KI roztwór pozostał bezbarwny, jednak po dodaniu kwasu roztwór zabarwił się na kolor granatowy.

Po dodaniu jodu roztwór nie zabarwił się, ponieważ jod cząsteczkowy przereagował z zasadą według równania:

I₂ + 2NaOH NaIO + NaI + H₂O

Dodanie kwasu powoduje uwolnienie jodu cząsteczkowego, skutkiem czego roztwór zabarwia się.

NaIO + NaI + 2HCl 2NaCl + I₂ + H₂O