CUKRY
Podział cukrów. Najbardziej ogólnie cukry dzielimy na cukry proste i złożone. Cukry proste- monosacharydy zawierają tylko jedną grupę aldehydową lub ketonową. W zależności od ilości atomów węgla wchodzących w ich skład możemy podzielić je na podgrupy, najczęściej występujące z nich to pentozy (mają pięć atomów węgla) i heksozy (mają sześć atomów węgla). Jeżeli cukier prosty zawiera grupę aldehydową, nazywamy go aldozą, jeżeli natomiast grupę ketonową- jest to ketoza. Cukry złożone dzielą się na disacharydy, są to węglowodany zdolne do hydrolizy do dwóch cząsteczek cukrów prostych oraz polisacharydy, które hydrolizują do więcej niż dwóch cząsteczek cukrów prostych. Do polisacharydów należą pentozany (składające się z podjednostek pentoz), heksozany (składające się z podjednostek heksoz) oraz polisacharydy kwaśne.
Występowanie cukrów. Cukry stanowią około połowę składników organicznych na Ziemi i większość składników organicznych zawartych w roślinach. W organizmach zwierzęcych występują w znacznie mniejszej ilości niż u roślin.
Rola biologiczna cukrów. Monosacharydy i ich polimery są metabolitami pośrednimi procesów zachodzących w organizmach żywych bądź stanowią substancje zapasowe. Polisacharydy: celuloza i chityna są składnikami strukturalnymi niektórych organizmów żywych, a pektyny stanowią czynnik spajający komórki roślinne. Cukry są więc podstawowymi substratami oddychania, ale także stanowią źródło szkieletów węglowych dla innych związków.
Cukry proste:
Wykazują one czynność optyczną wynikającą z obecności w ich cząsteczce przynajmniej jednego węgla asymetrycznego. Podstawą podziału cukrów prostych na szeregi D i L jest konfiguracja podstawników przy ostatnim asymetrycznym atomie węgla. Większość cukrów występujących w przyrodzie posiada konfigurację D. Występującymi powszechnie monosacharydami są D- glukoza (aldoza) i D-fruktoza (ketoza). Cukry te mogą występować w formie łańcuchowej (środowisko zasadowe) i w formie pierścieniowej (środowisko kwaśne lub obojętne).
1 D-glukoza
forma łańcuchowa forma pierścieniowa (α-D-glukopiranoza)
2. D- fruktoza
forma łańcuchowa forma pierścieniowa (α-D-fruktofuranoza)
Utlenianie cukrów prostych:
A/ utlenianie cukrów prostych odczynnikiem Fehlinga lub Tollensa- próbom tym ulegają zarówno aldozy, jak i ketozy; podczas reakcji z odczynnikiem Fehlinga cukier redukujący redukuje miedź ze stopnia utlenienia +2 na stopień utlenienia +1. Wytrąca się wówczas czerwony osad Cu2O. Dodatek winianu, który tworzy kompleks z Cu(OH)2 chroni przed wytrąceniem czarnego CuO. Ogólny schemat reakcji:
CuSO4 + 2NaOH → Cu(OH)2 + Na2SO4,
Cu(OH)2 + → + 2 H2O
cukier redukujący
→ Cu2O↓ + H2O
Podczas reakcji z odczynnikiem Tollensa srebro na +1 stopniu utlenienia zawarte w wodorotlenku diamminosrebra [Ag(NH3)2(OH)] redukuje się do srebra metalicznego, natomiast cukier redukujący ulega utlenieniu.
B/ utlenianie cukrów prostych wodą bromową- próbie tej ulegają aldozy, nie ulegają jej natomiast ketozy. W wyniku utleniania aldoz wodą bromową powstają kwasy aldonowe według równania reakcji:
C/ utlenianie cukrów prostych kwasem azotowym (V) HNO3, próbie tej, podobnie, jak poprzedniej ulegają tylko aldozy, z tymże, ponieważ kwas azotowy (V) ma silniejsze działanie utleniające niż woda bromowa, utlenieniu pod jego wpływem ulega nie tylko grupa –CHO, ale również i grupa –CH2OH, wskutek czego powstaje dikarboksylowy kwas aldarowy według równania reakcji:
D/ utlenienie cukrów prostych kwasem jodowym (VII) HIO4 prowadzące do rozszczepienia oksydacyjnego cząsteczki.
Disacharydy to węglowodany składające się z dwóch jednostek monosacharydowych. Hydroliza cząsteczki disacharydu powadzi do utworzenia dwóch cząsteczek cukru prostego.
Utlenianie disacharydów- disacharydy mogą ulegać utlenieniu, o ile zawierają wolną grupę aldehydową lub ketonową. Do disacharydów ulegających utlenieniu należą między innymi maltoza, celobioza i laktoza. Utlenieniu nie ulega natomiast sacharoza, nie ma ona bowiem żadnej wolnej grupy aldehydowej lub ketonowej mogącej ulec temu procesowi.
Hydroliza disacharydów prowadzi do powstania dwóch cząsteczek cukrów prostych, w przypadku sacharozy będą to: D-glukoza i D-fruktoza.
ĆWICZENIE
Właściwości redukujące cukrów
A/ reakcja z odczynnikiem Fehlinga: próbę wykonujemy dla roztworu glukozy i sacharozy. Glukoza w wyniku działania odczynnika Fehlinga utlenia się do kwasu glukonowego według równania reakcji:
+ + 2 H2O → + Cu2O +
Ponieważ glukoza posada wolną grupę karbonylową i jest w związku z tym cukrem redukującym, reakcja ta zachodzi, obserwujemy powstawanie tlenku miedzi (I) Cu2O o kolorze czerwonym na skutek przejścia miedzi z +2 na +1 stopień utlenienia. W przypadku sacharozy reakcja z odczynnikiem Fehlinga nie zachodzi- sacharoza nie ma wolnych grup karbonylowych i nie jest cukrem redukującym.
B/ hydroliza sacharozy i reakcja z odczynnikiem Fehlinga: sacharozę poddajemy hydrolizie w środowisku kwaśnym, rozpada się ona na D-glukozę i D-fruktozę- dwa cukry proste o właściwościach redukujących według równania reakcji:
Następnie alkalizujemy środowisko reakcji w celu przeprowadzenia form pierścieniowych cukrów w ich formy łańcuchowe. Przeprowadzona próba z odczynnikiem Fehlinga potwierdza obecność w próbce cukrów redukujących- wytrąca się tlenek miedzi (I) o kolorze czerwonym.
Substancje optycznie czynne, wśród nich cukry mają zdolność skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Związki te dzielimy na prawoskrętne (+) oraz lewoskrętne (-). Podział ten nie jest równoznaczny z podziałem na szeregi L i D, istnieje na przykład kwas D(-)-glicerynowy oraz L(+)-mlekowy.
Zjawisko skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego może być wykorzystane do oznaczania jakościowego lub ilościowego substancji czynnych optycznie, w tym cukrów. Metoda taka nazywa się polarymetrią, a przyrząd w niej używany- polarymetrem. Polarymetr wyposażony jest w dwa pryzmaty Nicola, jeden z nich jest nieruchomy i służy do wytwarzania wiązki światła spolaryzowanego, drugi natomiast jest ruchomy wokół osi optycznej i sprzężony ze skalą kątową służącą do odczytu wielkości kąta skręcenia. Największe natężenie światła spolaryzowanego osiągamy, gdy płaszczyzny polaryzacji obu pryzmatów Nicola są ustawione do siebie równolegle. Maksymalne zaciemnienie powstaje z kolei, gdy płaszczyzny polaryzacji obu pryzmatów są do siebie prostopadłe. Substancję optycznie czynną umieszcza się w rurce polarymetrycznej pomiędzy dwoma pryzmatami, których płaszczyzny polaryzacji są do siebie prostopadłe. Jeżeli badana substancja skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego o kąt α, to część pola widzenia w okularze rozjaśni się proporcjonalnie do stężenia tego związku. Pole widzenia podzielone jest na trzy części, jeżeli substancja jest prawoskrętna, to rozjaśnią się boczne części pola widzenia, a jeżeli lewoskrętna, to rozjaśni się pasek środkowy. Następnie odpowiednim pokrętłem doprowadza się pole widzenia do maksymalnego zaciemnienia i odczytuje się na skali kąt skręcenia badanej substancji, czyli kąt, o jaki należało obrócić ruchomy pryzmat Nicola, aby natężenie światła spolaryzowanego było minimalne jak w momencie wyjściowym.
Polarymetryczne oznaczanie stężenia sacharozy
W ćwiczeniu mierzy się kąt skręcenia badanego cukru – sacharozy. Po umieszczeniu roztworu sacharozy o nieznanym stężeniu w rurce polarymetrycznej obserwujemy, że zaciemniona pozostała środkowa część pola widzenia, sacharoza jest zatem substancją prawoskrętną, a kąt o jaki skręci płaszczyznę światła spolaryzowanego będzie dodatni. Obracając pryzmatem Nicola doprowadzamy do równomiernego zaciemnienia całego pola widzenia i odczytujemy kąt skręcania α. Na podstawie tego kąta obliczamy stężenie sacharozy w roztworze według wzoru:
c = α * 100 / [α]20 * l, gdzie c to stężenie badanego roztworu wyrażone w gramach na 100 ml roztworu, [α]20 skręcalność właściwa badanej substancji, a l to długość rurki polarymetrycznej.
Skręcalność właściwa jest to skręcenie (w stopniach) płaszczyzny polaryzacji światła monochromatycznego podczas przechodzenia przez 10-centymetrową warstwę roztworu związku optycznie czynnego zawierającego 1 gram tego związku w 1 ml.
Inwersja (+)-sacharozy jest hydrolizą tego cukru pod wpływem rozcieńczonego, wodnego roztworu kwasu lub enzymu inwertazy otrzymywanego z drożdży. Hydrolizie tej towarzyszy zmiana znaku skręcalności z ujemnego na dodatni i powstaje w niej mieszanina D-(+)-glukozy oraz D-(-)-fruktozy. Mieszanina ta zwana jest cukrem inwertowanym. Średnia wartość skręcalności właściwej w cukrze inwertowanym jest zawsze ujemna, ponieważ skręcalność właściwa D-(-)-fruktozy ze znakiem ujemnym jest większa od skręcalności właściwej D-(+)-glukozy ze znakiem dodatnim.
Mutarotacja glukozy jest to ustalanie równowagi pomiędzy formami α i β tego związku przy równoczesnej zmianie skręcalności światła spolaryzowanego. Zjawisko to zachodzi podczas rozpuszczania kryształów sacharozy w wodzie, ustala się wtedy równowaga pomiędzy formami pierścieniowymi, a forma łańcuchową tego związku według równania reakcji:
α-D-glukoza D-glukoza β-D-glukoza
Przedrostek α oznacza tę formę, w której grupa –OH przy nowo powstałym i ostatnim atomie węgla asymetrycznego znajduje się we wzorze rzutowym po tej samej stronie, a β tę formę, w których grupy –OH przy tych atomach węgla występują po przeciwnych stronach.
Polisacharydy to cukry złożone zdolne do hydrolizy do więcej niż dwóch cząsteczek cukrów prostych. Do polisacharydów należą między innymi: skrobia, glikogen i celuloza.
Skrobia składa się w około 20% z frakcji rozpuszczalnej w wodzie, zwanej amylozą i w około 80% z frakcji nierozpuszczalnej w wodzie, zwanej amylopektyną. Obie te frakcje odpowiadają różnym wysokocząsteczkowym węglowodanom o wzorze ogólnym (C6H10O5)n. Zarówno amyloza, jak i amylopektyna składają się z jednostek D-(+)-glukozowych, różnią się jednak one wielkością i kształtem cząsteczek. Amyloza tworzy proste, długie łańcuchy o masie cząsteczkowej od 4000 do 15000. Reszty glukozylowe połączone są w amylozie wiązaniem 1→4-α-glikozydowym. Amylopektyna jest rozgałęziona i zbudowana z krótkich, prostych łańcuchów, złożonych z około 30 jednostek glukozy połączonych wiązaniami 1→6-α-glikozydowymi.
wiązanie 1→4-α-glikozydowe w cząsteczce maltozy
wiązanie 1→6-α-glikozydowe w cząsteczce izomaltozy
Glikogen zbudowany jest podobnie, jak amylopektyna, z tą różnicą, że jego cząsteczka jest bardziej rozgałęziona, a łańcuchy boczne są krótsze, od 10 do 20 reszt glukozy. Masa cząsteczkowa glikogenu wynosi od kilku do kilkudziesięciu milionów, a jego mniejsze frakcje są rozpuszczalne w wodzie.
Celuloza składa się z wielu reszt β-glukozylowych, połączonych wiązaniami 1→4-β-glikozydowymi o liczbie polimeryzacji 10 000- 15 000. Poszczególne łańcuchy β-glukanu występują w asocjacjach wielkich rozmiarów i w kilku formach polimorficznych. Łańcuchy te poukładane są równolegle z jednakową polarnością i są ze sobą zespolone licznymi wiązaniami wodorowymi pomiędzy grupami –OH sąsiednich łańcuchów z utworzeniem tak zwanych włókienek elementarnych, które z kolei tworzą większe twory- micele.
wiązanie 1→4-β-glikozydowe w cząsteczce laktozy
Występowanie skrobi: w ziemniakach, ziarnie zbóż i nasionach wielu innych roślin.
Rola biologiczna skrobi: cukier zapasowy.
Występowanie glikogenu: w drożdżach i tkankach zwierzęcych (głównie w wątrobie i w mięśniach).
Występowanie celulozy: w roślinach.
Rola biologiczna celulozy: cukier budulcowy.
Wykrywanie skrobi: polega na przeprowadzeniu reakcji skrobi z jodem w środowisku o pH ≤ 7. Powstaje wówczas produkt o granatowej barwie. W reakcji bierze udział jeden ze składników skrobi- amyloza, występująca w postaci łańcucha polisacharydowego zwiniętego w spiralę. Cząsteczka I2 dostając się do środka, tworzy kompleks nadając roztworowi intensywną granatową barwę. Temperatura niszczy powstały kompleks skrobi z jodem.
WYKRYWANIE SKROBI
A/ wpływ temperatury na trwałość kompleksu skrobi z jodem: do kleiku skrobiowego dodajemy płyn Lugola (roztwór jodu w jodku potasu)- powstaje związek kompleksowy o barwie granatowej, następnie podgrzewamy mieszaninę reakcyjną i obserwujemy zanik barwy kompleksu- jest on nietrwały w wysokiej temperaturze, po schłodzeniu mieszaniny reakcyjnej do temperatury pokojowej barwa powraca- tworzy się ponownie kompleks jodu ze skrobią,
B/ wpływ pH na trwałość kompleksu skrobi z jodem: do kleiku skrobiowego dodajemy roztworu NaOH celem zalkalizowania środowiska, a następnie do roztworu dodajemy płynu Lugola, w środowisku zasadowym kompleks jodu ze skrobią nie powstaje, dlatego nie obserwujemy zmiany zabarwienia roztworu, następnie zakwaszamy roztwór dodając do niego roztwór HCl, w momencie, gdy pH roztworu spadnie do 7 powstanie kompleks skrobi z jodem o granatowej barwie, wniosek: kompleks skrobi z jodem trwały jest przy pH ≤ 7.
Hydroliza skrobi: skrobia ulega hydrolizie w środowisku kwaśnym lub pod wpływem odpowiednich enzymów, początkowo ulega hydrolizie do dekstryny (mieszaniny niskocząsteczkowych polisacharydów), następnie do (+)-maltozy i końcowo do D-(+)-glukozy.
BADANIE HYDROLIZY KWASOWEJ CUKRÓW
Do roztworu skrobi dodajemy kwasu siarkowego i podgrzewamy do wrzenia. Następnie pobieramy dwie próbki, do jednej dodajemy płynu Lugola, a do drugiej odczynnika Fehlinga. Podobną próbę wykonujemy co 2 minuty, aż do momentu, gdy próba z płynem Lugola (po ochłodzeniu) nie da pozytywnego wyniku- nie pojawi się granatowy kolor, oznacza to, że w roztworze nie ma już skrobi i gdy w próba z odczynnikiem Fehlinga da rezultat pozytywny- wytrąci się czerwony osad- tlenek miedzi Cu2O, oznacza to, że w próbce pojawiły się cukry redukujące- maltoza i glukoza. Próba potwierdza, że skrobia ulega hydrolizie do cukrów redukujących dających pozytywną reakcję z odczynnikiem Fehlinga.
olcia94_22