ŠTUDIJNÝ MATERIÁL Z CHÉMIE PRE ŽIAKOV 3. ROČNÍKA EXTERNÉHO ŠTÚDIA

Transcript

1 Súkromné gymnázium, Kremnická 26, Bratislava ŠTUDIJNÝ MATEIÁL Z ÉMIE PE ŽIAKV. ČNÍKA EXTENÉ ŠTÚDIA Tematické celky: tuky (lipidy) cukry (sacharidy) bielkoviny (proteíny) 1 TUKY (LIPIDY) Lipidy sú ester v šší h kar o lový h kyselín a alkoholov, ale o i h derivátov. Kritério pre zarade ie určitej látk do skupi lipidov je jej rozpust osť. Lipid sú látk vo vode erozpust é vo vodnom prostredí vytvárajú ajčastejšie koloid. Sú do re rozpust é v orga i ký h rozpúšťadlá h, ako je napríklad chloroform, benzén alebo éter. Funkcie lipidov v živý h s sté o h: sú sekundárnym zdrojom energie sú zložkou iologi ký h e rá slúžia ako o hra a d ležitý orgá o a mäkkým tkanivám plnia funkciu tepelnej izolácie sú rozpúšťadlo pre iektoré vitamíny vitamíny D, E, K, A Z he i kého hľadiska rozdeľuje e lipúid a dve skupi : 1. JEDNDUÉ LIPIDY 2. )LŽENÉ LIPIDY 1.1 Jednoduché lipidy Do skupi jed odu hý h lipidov zaraďuje e ester v šší h kar o lový h k selí, ktoré okre k seli a alkoholu eo sahujú žiad u i ú zložku. Podľa alkoholovej zložk sa jed odu hé ester rozdeľujú a: 1. AYLGLYELY 2. VSKY 1

2 1.1.1 Acylglyceroly Acylglyceroly sú z he i kého hľadiska ester v šší h asýte ý h ale o e asýte ý h mastných kyselín a trojsýtneho alkoholu glycerolu (1,2, propántriol). 2 2 glycerol V ššie kar o lové k seli sa azývajú mastnými kyselinami preto, že vo svojej olekule o sahujú dlhý epolár uhľovodíkový reťaze. Majú o čaj e pár počet at ov uhlíka a erozvetve ý pria reťaze. Ne asýte é ast é k seli sa oz ačujú aj poj o ese iál e ast é k seli, t. j. epostrádateľ é, čo z a e á, že človek si i h evie v ro iť a preto i h usí prijí ať v potrave. Mastné kyseliny sa z he i kého hľadiska rozdeľujú a: a) nasýtené mastné kyseliny vo svojej molekule obsahujú iba jednoduché väzby. Patria sem: kyselina palmitová 15 1 kyselina stearová 17 5 štruktúr vzore k seli pal itovej vo vrcholoch sú atómy uhlíka (- 2 - skupiny) štruktúr vzore k seli stearovej vo vrcholoch sú atómy uhlíka (- 2 - skupiny) b) nenasýtené mastné kyseliny vo svojej molekule mobsahujú aj dvojité väzby. bsah nenasýtených mastných kyselín v lipidoch je kritériom ich biologickej hodnoty. Patria sem: kyselina olejová 17 kyselina linolová 17 1 kyselina linolénová štruktúr vzore k seli olejovej edzi at a i uhlíka č. a 10 je násobná väzba 2

3 Počet e asýte ý h väzie a dĺžka reťaz a ast ý h k selí pod ieňujú pod ieňujú teplotu tope ia lipidov. Čí je reťaze kratší a čí via e asýte ý h väzie sa a hádza v molekule mastnej kyseliny, tým je teplota topenia ižšia. V živočíš h tuko h prevládajú asýte é ast é k seli pri iz ovej teplote sú tuhé a v rastlinných tukoch prevládajú nenasýtené mastné kyseliny (pri izbovej teplote sú tekuté). Podľa počtu esterifikova ý h - skupín v olekule gl erolu rozlišuje e: a) monoacylglyceroly majú esterifikovanú jednu - skupinu v gl erole zv ško ast ej k seli b) diacylglyceroly majú esterifikované dve - skupiny v gl erole dvo i zv ška i ast ý h k selí c) triacylglyceroly ajú esterifikova é všetk tri - skupiny v gl erole tro i zv ška i ast ý h k selí Keď sa a esterifiká ii zúčastňuje jede t p kar o ylovej kyseliny, vznikajú jednoduché acylglyceroly, keď sa a esterifiká ii zúčastňujú r z e kar o lové k seli, vz ikajú z ieša é a lgl erol. Vznik mono-, di- a triacylglycerolov z ázorňuje asledujú a s hé a všeo e á s hé a vz iku monoacylglycerolu všeo e á s hé a vz iku diacylglycerolu všeo e á s hé a vz iku triacylglycerolu

4 EMIKÉ A BILGIKÉ VLASTNSTI AYLGLYELV he i ké vlast osti a lgl erolov závisia od harakteru ast ý h k selí, ktoré o sahujú. Keď o sahujú e asýte é ast é k seli, uplatňujú sa aj ä o idač é a adič é reak ie. xidácia na dvojitých väzbách spôsobuje štiepe ie reťaz a a aldeh d, ket a ižšie kar o lové k seli, čo sa prejavuje žlt utí tukov. Adíciou vodíka na dvojité väz sa žu z olejov pripraviť tuhé tuk. Te to jav azýva e stužova ie tukov Pt alebo Ni kyselina olejová kyselina stearová reakč á s hé a stužova ia tukov ydrolýzou acylglycerolov dochádza k štiepe iu esterový h väzie, pričo vz iká glycerol a mastné kyseliny. drolýza sa že uskutoč iť p so e í i erál h k selí, alkali ký h h dro idov ale o v organizme pôsobením enzýmov lipáz. Alkalická hydrolýza sa nazýva z delňova ie sapo ifiká ia, pretože jej produkto sú mydlá L + K + Na 2 glycerol kyselina palmitová Na glycerol 2 - K + 14 palmitan sodný - sodné mydlo palmitan draselný - draselné mydlo Sodné mydlá sú tuhé a používajú sa ako čistia e a pra ie prostriedk. Drasel é dlá sú azľavé a požívajú sa a prípravu dezi fekč ý h prostriedkov. ) iologi kého hľadiska ajú jed odu hé lipid pre orga iz us v sokú e ergeti kú hod otu, pretože i h o idáciou sa získa 8 kj.g -1, teda dvoj áso é ožstvo e ergie ako pri o idá ii sacharidov. 4

5 1.1.2 Vosky Vosky sú nepolárne a chemicky stabilné látky. Z he i kého hľadiska sú to estery mastných kyselín s v šší i jednosýtnymi alkoholmi, ako sú napríklad cetylalkohol ( 16 ), stearylalkohol ( 18 7 ) alebo myricylalkohol ( 0 61 ). Vyskytujú sa v živočíš h a rastlinných bunkách. V rastlinných bunkách tvoria ochranné povlaky, ktoré chránia rastlinu pred vysychaním vyskytujú sa hlavne v tropických rastlinách. U živočí hov sa v sk tujú vo vlaso h, vl e a kožuši e. )o živočíš h voskov sa v pra i používa hlav e včelí vosk a lanolín vosk z ovčej vl. V soký o sah voskov je v planktónových organizmoch v mori, kde tvoria hlavný zdroj energie pre niektoré druh orský h živočí hov. 1.2 Zložené lipidy Do skupi zlože ý h lipidov patria také lipid, ktoré vo svojej olekule okre základ ý h zložiek jed odu hého lipidu alkohol a mastné kyseliny obsahujú aj i ú zložku. )lože é lipid e ajú e ergeti kú fu k iu, ale sú d ležitý mechanickým a fu kč ý prvko u kový h štruktúr. ) he i kého hľadiska sú ajvýz a ejšie fosfolipidy (vo svojej molekule okrem alkoholu a ast ý h k selí o sahujú k seli u trih drogé fosforeč ú P 4 ) a glykolipidy, ktoré vo svojej olekule ako ďalšiu zložku o sahujú sa harid ajčastejšie gluk zu ale o galakt zu. 2 UKY (SAAIDY) Sa harid sú prírod é zlúče i, ktoré sa v prírode tvoria v zelených rastlinách fotosyntetickou asimiláciou zo vzduš ého o idu uhličitého a vod úči ko sl eč ého žiare ia za katal ti kého úči ku hlorof lu. Význam sacharidov: a) sú primárny zdroj energie živé orga iz vedia získavať e ergiu jedine oxidáciou glukózy) b) majú stavebnú funkciu apríklad elul za je zložkou u kový h stie rastlí, hití tvorí vo kajšiu kostru hmyzu) sl eč é žiare ie chlorofyl c) slúžia ako zásoba energie (škro je zásobný sacharid rastlinných buniek, glykogén je zásobný sa harid živočíšnych buniek) d) sú zložkou ukleový h k selí, ktoré sú h ot ý ositeľo dedič osti ribóza je zložkou NA, deoxyribóza je zložkou DNA 5

6 Z he i kého hľadiska sa rozdeľujú a: 1. MNSAAIDY (jednoduché sacharidy) h drolýzou sa edajú rozložiť 2. )LŽITÉ SAAIDY h drolýzou sa dajú rozložiť a o osa haridové podjed otk. Patria se : a) disacharidy obsahujú 2 monosacharidové podjednotky b) oligosacharidy o sahujú až o osa haridový h podjed otiek c) polysacharidy obsahujú viac ako 10 monosacharidových podjednotiek 2.1 Monosacharidy Monosacharidy sú z he i kého hľadiska aldeh d ale o ket v šší h via sýt h alkoholov pol h dro aldeh d ale o pol h dro ket. Podľa o sahu fu kč ej skupi i h delí e a: a) aldózy obsahujú aldehydickú skupinu (napr. glukóza) štruktúrny vzorec aldehydickej skupiny b) ketózy obsahujú ketónovú skupinu (napr. fruktóza) štruktúrny vzorec ketónovej skupiny Podľa počtu at ov uhlíka rozdeľuje e o osa harid a: a) triózy obsahujú tri atómy uhlíka (aldotriózy, ketotriózy) b) tetrózy o sahujú št ri at uhlíka aldotetr z, ketotetr z c) pentózy o sahujú päť at ov uhlíka aldotetr z, ketotetr z d) hexózy o sahujú šesť at ov uhlíka aldotetr z, ketotetr z Najjed odu hšie tri z su glyceraldehyd a dihydroxyacetón. S výnimkou dihydroxyacetónu obsahujú sacharidy vo svojej olekule aspoň jede chirálny uhlík = stereogénne centrum uhlík, ktorý a svoji h št ro h väz á h viaže vžd iné atómy alebo skupiny atómov) glyceraldehyd dihydroxyacetón 6

7 Na základe priestorového usporiadania skupi a posled o hirál o uhlíku od fu kč ej skupi rozdeľuje e sa harid a dve skupi : a) D sacharidy majú skupi u a posled o hirál o uhlíku od fu kč ej skupi ako D-glyceraldehyd b) L- sacharidy majú skupinu na poslednom chirálnom uhlíku ako L-glyceraldehyd Všetk iologi k d ležité sa harid ajú konfiguráciu D. Najd ležitejšie z nich sú 5-uhlíkaté sacharidy pentózy (D-ribóza a 2 deoxy-d-ribóza) a 6-uhlíkaté hexózy (D-glukóza, D-galaktóza, D-frukt za. Najrozšíre ejší sa harido v prírode je D-glukóza, ktorá sa nachádza nielen v potrave, ale aj vo všetký h živý h orga iz o h, kde slúži ako zdroj e ergie pre všetk io he i ké reak ie. Štruktúr e vzor e ko figurá ie D a L v molekule glyceraldehydu: 2 2 D-glyceraldehyd L-glyceraldehyd - je zrkadlový obraz D-glyceraldehydu Prehľad ajd ležitejší h o osa haridov a i h štruktúr e vzor e: 2 D- glukóza 2 D- galaktóza 2 D- manóza D- fruktóza D- ribóza 2-deoxy-D- ribóza 7

8 2.1.1 Štruktúra monosacharidov Necyklické li eár e for štruktúr h vzor ov o osa haridov sa azývajú Fischerove vzorce. Mo osa harid žu podliehať i tra olekulár ej reak ii, pričo sa li eár a štruktúra olekul e í a kli kú. Táto reak ia sa uskutočňuje edzi harakteristi kou kar o lovou (aldehydovou alebo ketónovou skupinou) a hydroxylovou skupinou naviazanou na poslednom chirálnom uhlíku tej istej molekuly sacharidu za vzniku poloacetálovej alebo poloketálovej väzby. Takto vznikajú 5- alebo 6-člá kové hetero kli ké štruktúr s atómom kyslíka v kle. Päťčlá kové kli ké štruktúr sa azývajú furanózy a šesťčlá kové cykly sa nazývajú pyranózy. Takéto v jadre ie kli ký h štruktúr o osa haridov volá e Tollensove vzorce, na rozdiel od lineárnych necyklických Fischerových vzor ov. Tolle sove vzor e že e prepísať a ázor ejšie aworthove vzorce. Presunom protónu z hydroxylovej skupiny na poslednom chirálnom uhlíku na kyslíkový atóm karbonylovej skupiny vznikne nový chirálny uhlík v olekule sa haridu, ktorý sa oz ačuje ako anomérny uhlík. Podľa poh u hydroxylovej skupiny na tomto uhlíku rozonávame dve stereoizomérne formy sacharidov α- a β anoméry. Ak sa poloacetálová hydroxylová skupina nachádza na tej istej strane ako hydroxylová skupina na poslednom chirálnom uhlíku, oz ačuje e prísluš ú kli kú for u ako α-anomér. V prípade β-anoméru sa poloacetálová hydroxzlová skupina a hádza a opač ej stra e ako h dro lová skupi a a posled o hirál o uhlíku v kli kej štruktúre monosacharidu. Prepis Fischerovho vzorca D-glukózy do Tollensovej projekcie vyjadruje nasledujúca schéma. Fischerov vzorec Tollensov vzorec + 2 D-glukóza 2 anomér 2 anomér 8

9 Prepis Tollensovho vzorca D-glukózy do cyklického aworthovho vzorca. Tollensov vzorec aworthov vzorec anomér anomér Tollensov vzorec aworthov vzorec anomér anomér - princíp prepisu Tollensových vzorcov do aworthovej projekcie: 1) očísluje e ató y uhlíka Tolle so o zor i o osa haridu, pričo číslo 1 á ždy ató uhlíka, na ktorom je naviazaný poloacetálový hydroxyl. 2) akreslí e yklus, pričo atóm kyslíka na poslednom chirálnom uhlíku je súčasťou yklu. ) atómy (skupiny atómov) naviazané na jednotlivé atómy uhlíka v štruktúre sa haridu prepíše e do a ortho ej projek ie tak, že ató y skupi y ató o u iest e é v Tolle so o zor i pra o zapíše e pod ro i u yklu (teda dolu) a atómy (skupiny atómov umiestnené v Tolle so o zor i ľa o, zapíše e do a ortho ej projek ie ad ro i u yklu (teda hore). 9

10 EMIKÉ VLASTNSTI MNSAAIDV: a) o idač o-redukč é reak ie oxidácia silnými oxidaènými èinidlami oxidácia slabými oxidaènými èinidlami kyselina D-glukárová 2 D-glukóza 2 kyselina D-glukónová 2 redukcia enzýmová 2 D-glukóza 2 D-glucitol, sorbitol b) reakcie s k seli ou trih drogé fosforeč ou 2 2 P P 4 glukóza-6-fosfát 10

11 2.2 Disacharidy Disa harid sú ko de zač é produkt o osa haridov zlože é z dvoch jednotiek, ktoré sú navzájom pospájané glykozidovými väzbami. Glykozidová väzba vzniká medzi hydroxylovou skupinou jednej monosacharidovej jednotky a hydroxylovou skupinou druhej monosacharidovej jednotky za vzniku molekuly vody. Medzi biologicky významné disacharidy patria: 1) Sacharóza (repný cukor) je zlože á z molekuly glukózy a molekuly fruktózy, ktoré sú spojené medzi sebou 1,2- glykozidovou väzbou D-fruktofuranóza 2) Laktóza lieč ukor je zlože á z molekuly galaktózy a glukózy, ktoré sú spojené β-1,4-glykozidovou väzbou. Nachádza sa v mlieku cicavcov kravské mlieko obsahuje 4- % lakt z, aterské lieko až -7 % laktózy D-galaktopyranóza 2 ) Maltóza (sladový cukor) je zlože á z dvoch molekúl glukózy, ktoré sú spojené α-1,4-glykozidovou väzbou, t. j. väzba vznikla medzi hydroxylovou skupinou naviazanou na 1 prvej monosacharidovej jednotky a hydroxylovou skupinou naviazanou na 4 druhej monosacharidovej jednotky. 2 2 väzba (1-4) 1 4 D-galaktopyranóza D-galaktopyranóza 11

12 2. Polysacharidy Pol sa harid sú ko de zač é produkt o osa haridov zlože é z viac ako desiatich monosacharidových podjed otiek. Najrozšíre ejší i pol sa harid i v prírode sú pol sa harid zlože é z molekúl glukózy škro, gl kogé a celulóza. 1) ŠKB je záso ý pol sa harid rastlí, ktorý vo svojej štruktúre o sahuje dve zložk : amylóza tvorí asi % škro u, á gluk zové podjed otk spoje é α-1,4-glykozidovými väzbami, je vo vode rozpustná amylopektín tvorí asi % škro, okrem α-1,4-glykozidových väzieb aj α-1,6-glykozidové väzby, ktoré sp so ujú vetve ie jeho štruktúr. Vo vode sa erozpúšťa. 2) GLYKGÉN je záso ý pol sa harid živočí hov. Jeho he i ká štruktúra je podo á škro u, ale je rozvetve ejší. ) ELULÓZA je štruktúr pol sa harid prítomný v rastli ý h u ká h. Používa sa a výro u papiera, obalových materiálov a hygienických potrieb. BIELKVINY (PTEÍNY) Bielkoviny sú prírod é pol ér e zlúče i zlože é z aminokyselín navzájom spojených peptidovými väzbami. Napriek podo ej štruktúre ajú ielkovi odliš é vlast osti, ktoré sú d sledko rozdiel eho usporiada ia a i ok selí. Všetk ielkovi v prírode sú vytvorené kombináciou 20 aminokyselín, ktoré nazývame proteinogénne aminokyseliny. Väčši a ielkoví v prírode o sahuje až a i ok selí. Bielkovi sú látk d ležité pre živé orga iz, pretože tvoria pri liž e % i h su hej h ot osti. V živý h orga iz o h za ezpečujú iekoľko špe ifi ký h funkcií: - enzýmovú katalýzu e zý i sú iokatal zátor, teda urý hľujú io he i ké pro es pre iehajú e v živý h organizmoch), - koordinovaný pohyb (aktín a ozí sú ielkovi za ezpečujú e ko trak iu kostrový h svalov, - transport a uskladňo a ie látok apr. he oglo í, ktorý pre áša k slík v erytrocytoch) - za ezpečujú e ha i kú podporu (napr. kolagén prítomný v kostiach a pokožke - imunitnú ochranu protilátk sú v soko špe ifi ké proteí - reguláciu biochemických procesov (bielkovinovej povahy sú niektoré hormóny napr. inzulín a glukagón).1 Aminokyseliny A i ok seli sú su stituč é derivát kar o lový h k selí, ktoré ajú jede ale o iekoľko at ov vodíka v uhľovodíkovo reťaz i ahrade ý h aminoskupinou N 2 -. Takmer všetk a i ok seli vyskytujúce sa v prírode majú 12

13 aminoskupinu viazanú na α-uhlíku t. j. a uhlíku vedľa kar o lovej skupi a preto sa oz ačujú aj poj o α- aminokyseliny. V skutoč osti je a i oskupi a i tra olekulár e eutralizova á prot o kar o lovej skupiny za vzniku obojakých iónov (amfiónov, v útor á soľ). od ota p, pri ktorej sa á a i ok seli a štruktúru v útor ej soli (amfiónu) a správa sa elektroneutrálne sa nazýva izoelektrický bod aminokyseliny. N 2 N neionizovaná forma aminokyseliny obojaký ión = amfión Neutrálne aminokyseliny obsahujú vo svojej molekule jednu karboxylovú skupinu a jednu aminoskupinu. )ásadité a i ok seli ajú väčší počet a i oskupí a k slé a i ok seli ajú väčší počet kar o lový h skupí. Pre oz ače ie protei ogé h a i ok selí sa používajú s sté ové a triviálne názvy. d triviálnych názvov sa odvodzuje trojpísmenový a jednopísmenový kód. Prehľad iektorý h protei ogé h a i ok selí : 2 N alanín 2 N 2 fenylalanín 2 N glycín 2 N histidín 2 N 2 N 2 serín N Z iologi kého hľadiska rozdeľuje e a i ok seli a dve skupiny: 1. Neese iál e a i ok seli ahraditeľ é orga iz us si i h dokáže s tetizovať z iných látok, prípadne transamináciou. 2. Ese iál e a i ok seli e ahraditeľ é orga iz us si i h evie s tetizovať a preto i h usí prijí ať v potrave. 1

14 Schéma transaminácie je to reakcia aminokyseliny s o ok seli ou, pričo si avzájo v e ia uhľovodíkové zv šk : N 2 N aminokyselina oxokyselina + 1 VZNIK PEPTIDVEJ VÄZBY Pri vzniku peptidovej väzby dochádza k vzájo é u zlučova iu olekúl a i ok selí do väčší h elkov, pričo reaguje karboxylová skupina jednej molekuly s aminoskupinou druhej molekuly za vzniku vody. 2 N 2 + N N 2 N Podľa počtu spoje ý h a i ok selí vz ikajú dipeptid až pol peptid. Pol peptid je polymér vytvorený viazaním mnohých aminokyselín..2 Štruktúra a vlastnosti bielkovín 1) Pri ár a štruktúra ielkoví je daná poradím (sekvenciou) aminokyselín v pol peptidovo reťaz i. Táto štruktúra je v tvore á peptidovými väzbami a určuje elko ú štruktúru, vlastnosti a biologickú funkciu bielkovín 2) Seku dár a štruktúra ielkoví v jadruje pravidel é goe etri ké usporiada ie pol petidvého reťaz a ez ohľadu a harakter oč ý h reťaz ov. Je tvore á vodíkovými väzbami. Najčastejšia je β-štruktúra sklada ého listu a α-helixu. br.: Štruktúra α-helixu a β-štruktúra skladaného listu 14

15 ) Ter iár a štruktúra ielkoví v jadruje sp so priestorového usporiada ia pol peptidového reťaz a a ko pakt ú štruktúru, ktorá je sta ilizova á vodíkový i, va der Waalsový i ale o i ový i väz a i. 4) Kvartér a štruktúra ielkoví v jadruje sp so spoje ia iekoľký h pol peptidový h reťaz ov do jed ej fu č ej olekul. Uplatňuje sa pri ielkovi á h, ktoré sa skladajú z viacerých podjednotiek (napr. hemoglobín). VLASTNSTI A ZDELENIE BIELKVÍN: Denaturácia bielkoviny je strata iologi kej fu k ie ielkovi, ktorá že ť sp sobená rôznymi fyzikálnymi faktor i teplo, e tré e p, druh žiare ia, v soký tlak, he i ký i či idla i, ale aj mechanicky (silným trepaním roztokov). Dochádza pri nej k poruše iu p vod ej štruktúr ielkovi, predovšetký k poruše iu vodíkový h väzie, pričo pri ár a štruktúra zostáva zachovaná. Bielkovi rozdeľuje e a základe iekoľký h kritérií: a) rozdele ie ielkoví podľa tvaru olekul : fibrilárne (vláknité) proteíny majú tvar vlákien (napr. kolagén, keratín, fibrín) globulárne proteíny majú tvar klbka b) rozdele ie ielkoví podľa rozpust osti: albumíny sú rozpustné vo vode, nachádzjú sa v mlieku, krvnom sére a vajcovom bielku, uplatňujú sa pri zráža í krvi. globulíny sú rozpustné len v zridených roztokoch solí, nachádzjú sa v mlieku, krvnom sére, vajcovom bielku. 15