Μεγαλομόρια Τα περισσότερα από τα μόρια των ενώσεων που έχουν ως τώρα αναφερθεί είναι απλά, αφού αποτελούνται από λίγα σχετικά, μόρια. Υπάρχει όμως ένας μεγάλος αριθμός φυσικών, συνθετικών και τεχνητών μεγαλομορίων με τεράστια σημασία. Φυσικές μεγαλομοριακές ενώσεις: άμυλο, πρωτεΐνες, DNA. Αποτελούνται από «γιγαντιαία μόρια» με μέσα μοριακά βάρη χιλιάδες ακόμη και εκατομμύρια. Τα μεγαλομόρια είναι φτιαγμένα από κάποιες αρχικά απλές δομικές μονάδες.
Υδατάνθρακες Οι υδατάνθρακες έχουν ευρεία διάδοση στη φύση και είναι σημαντικά συστατικά των τροφίμων καθώς αποτελούν πηγή ενέργειας για τον οργανισμό. Οι υδατάνθρακες σχηματίζονται στα φυτά με τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης. nh 2 O + nco 2 -(CH 2 O) n - + no 2 Χρησιμοποιούνται και στην ανάστροφη αντίδραση της φωτοσύνθεσης, την αναπνοή ή καταναλώνονται σαν καύσιμα από φυτά και ζώα. Οι υδατάνθρακες χρησιμεύουν ως πηγές ενέργειας για ανθρώπους και κυτταρικές δομές.
Υδατάνθρακες Το ρύζι, οι πατάτες, το ψωμί, το καλαμπόκι και τα φρούτα είναι πλούσια σε υδατάνθρακες. Οι αθλητές αποστάσεων χρειάζονται τροφές που περιέχουν πολύπλοκους υδατάνθρακες ώστε να προσλάβουν την απαραίτητη ενέργεια που χρειάζονται (ζυμαρικά, ρύζι, ψωμί).
Bιολογικός ρόλος Το κυριότερο καύσιμο του οργανισμού (50% των θερμιδικών αναγκών). 1 gr σακχάρου δίνει 4 kcal H γλυκόζη μοναδικό καύσιμο του εγκεφάλου Αποθήκες ενέργειας. Γλυκογόνο στα ζώα και άμυλο στα φυτά Δομικά υλικά. Η κυτταρίνη στα φυτά. Η ριβόζη και δεοξυριβόζη συμμετέχουν στο DNA, RNA, ATP σε συνένζυμα κ.λ.π. Ενώσεις σύνθετες (γλυκολιπίδια, γλυκοπρωτείνες) κλειδιά για σημαντικές βιολογικές λειτουργίες των κυττάρων.
Υδατάνθρακες Ο όρος «υδατάνθρακας» χρησιμοποιήθηκε αρχικά, από κάποιες αρχικές παρατηρήσεις που έδειχναν ότι συχνά έχουν το γενικό χημικό τύπο C x (H 2 O) x, δηλαδή προέρχονταν από ενυδατωμένο άνθρακα με το υδρογόνο και το οξυγόνο να περιέχονται στην ίδια αναλογία όπως και στο νερό. Οι απλοί υδατάνθρακες είναι επίσης γνωστοί και ως σάκχαρα ή σακχαρίτες, μια και έχουν γλυκιά γεύση.
Υδατάνθρακες Χημικά η τάξη των υδατανθράκων κατατάσσεται στις πολυυδροξυαλδεΰδες ή πολυυδροξυκετόνες ή καλύτερα ενώσεις που υδρολυόμενες δίνουν πολυυδροξυαλδεΰδες ή πολυυδροξυκετόνες.
Υδατάνθρακες Τα σάκχαρα που είναι τα απλά μέλη της σειράς των ενώσεων αυτών είναι συνήθως ευδιάλυτα στο νερό. Ενώ οι πολύπλοκοι υδατάνθρακες είναι σχετικά αδιάλυτοι στο νερό.
Κατάταξη Υδατανθράκων Οι υδατάνθρακες χωρίζονται στις ακόλουθες ομάδες: Μονοσακχαρίτες ή απλά σάκχαρα τα οποία είναι τα απλούστερα μέλη των υδατανθράκων και δεν επιδέχονται υδρόλυση Ολιγοσακχαρίτες που αποτελούνται από μικρό αριθμό, συνήθως από δύο έως δέκα περίπου μόρια, μονοσακχαριτών και Πολυσακχαρίτες οι οποίοι αποτελούνται από μεγάλο αριθμό μονοσακχαριτών, όπως για παράδειγμα η αμυλόζη που περιέχει 100-400 μονάδες του μονοσακχαρίτη γλυκόζη στο μόριό της.
Κατάταξη Μονοσακχαριτών Αλδεϋδομάδα αλδόζη Κετονομάδα κετόζη 3 άτομα C τριόζη 4 άτομα C τετρόζη 5 άτομα C πεντόζη (φουρανόζες) 6 άτομα C εξόζη (πυρανόζες) Οι απλούστεροι μονοσακχαρίτες είναι οι τριόζες 1 ασύμμετρο C (4 διαφορετικοί υποκατάστατες) 2 στερεοϊσομερή D-γλυκεραλδεϋδη L-γλυκεραλδεϋδη (αντικείμενου προς είδωλο)
D, L Σάκχαρα D Σάκχαρα:η υδροξυλομάδα ΟΗ στο κατώτερο στερεογονικό κέντρο έχει πάντοτε κατεύθυνση προς τα δεξιά. L Σάκχαρα :η υδροξυλομάδα ΟΗ στο κατώτερο στερεογονικό κέντρο έχει πάντοτε κατεύθυνση προς τα αριστερά.
Κατάταξη Μονοσακχαριτών Γλυκόζη αλδοεξόζη Ριβόζη αλδοπεντόζη Φρουκτόζη κετοεξόζη αλδεϋδομάδα 2 4 = 16 πιθανά στερεοισομερή Πιο απομακρυσμένο από το καρβονύλιο ασύμμετρο άτομο C D- γλυκόζη (αλδοεξόζη) Για ν ασύμμετρα άτομα C 2 ν πιθανά στερεοισομερή
Δομή D-αλδοζών Μονοσακχαρίτες 2 2 = 4 πιθανά στερεοϊσομερή 2 D ισομερή 2 L ισομερή 2 3 = 8 πιθανά στερεοϊσομερή 4 D ισομερή 4 L ισομερή 2 4 = 16 πιθανά στερεοϊσομερή 8 D ισομερή 8 L ισομερή
Κυκλικές δομές Μονοσακχαρίτων Σχηματισμός κυκλικής ημιακατάλης Αλδεΰδη Ημιακετάλη Οι πενταμελείς και οι εξαμελείς ημικακετάλες είναι ιδιαίτερα σταθερά μόρια. Για το λόγο αυτό αρκετοί υδατάνθρακες απαντούν σε κατάσταση ισορροπίας ανάμεσα στις δομές ανοικτής και κλειστής αλυσίδας.
Κυκλικές δομές Μονοσακχαρίτων
Κυκλικές δομές Μονοσακχαρίτων Οι μονοσακχαρίτες, απαντώνται κυρίως σε κυκλική μορφή, η οποία προκύπτει από την αντίδραση της καρβονυλικής ομάδας (αναγωγική ομάδα) με τα ακραία υδροξύλια της ανθρακικής αλυσίδας. Οι δομές αυτές σε υδατικά διαλύματα βρίσκονται σε ισορροπία με τις δομές ανοιχτής αλυσίδας που περιέχουν καρβονυλικές ομάδες. Στην παρουσία του ελεύθερου ημιακεταλικού υδροξυλίου οφείλεται η αναγωγική ιδιότητα των υδατανθράκων και η ανίχνευσή τους. Η ανίχνευση γίνεται συνήθως με το φελίγγειο υγρό (αντιδραστήριο Fehling)
Ανάγοντα σάκχαρα Ανάγοντα σάκχαρα, που είναι αυτά που αντιδρούν με τα αντιδραστήρια Fehling ή Tollen. Ανάγοντα είναι όλα τα απλά σάκχαρα και από τους ολιγοσακχαρίτες, όσοι έχουν ένα τουλάχιστον ελεύθερο ημιακεταλικό υδροξύλιο. Αντιδραστήριο Fehling 1 2 3
Αντιδραστήριο Fehling 4 5 Ανάγοντα και μη ανάγοντα σάκχαρα 6
Ανωμερή μονοσακχαριτών Η γλυκόζη κυκλοποιείται αντιστρεπτά σε υδατικό διάλυμα σχηματίζοντας ένα μίγμα δύο ανωμερών σε αναλογία 36:64 Σχηματισμός ενός νέου στερεογονικού κέντρου στη θέση του πρώην καρβονυλικού άνθρακα. Σχηματισμός δύο νέων διαστερεομερών: α και β ανωμερές Ο ημιακεταλικός άνθρακας ονομάζεται ανωμερικό κέντρο
Πεντόζες Οι πεντόζες απαντώνται σπάνια ελεύθερες στη φύση, βρίσκονται όμως ενωμένες σε φυτικές πηγές ως συστατικά πολυσακχαριτών ή γλυκοζιτών. Οι πιο σημαντικές πεντόζες είναι: D-ξυλόζη, L-αραβινόζη, D-ριβόζη που είναι συστατικό του RNA και η D- δεοξυροβόζη που είναι συστατικό του DNA.
Εξόζες Οι εξόζες είναι η πιο ενδιαφέρουσα ομάδα μονοσακχαριτών, καθώς σε αυτήν την κατηγορία ανήκουν τα πιο διαδεδομένα στη φύση σάκχαρα, αλδόζες ή κετόζες. Βρίσκονται είτε ελεύθερες στη φύση, είτε ως συστατικά πολυσακχαριτών και γλυκοζιτών. Οι εξόζες έχουν γλυκειά γεύση, είναι ευδιάλυτες στο νερό και την αιθανόλη, αδιάλυτες στον αιθέρα. Ανάγουν το φελίγγειο υγρό και οι περισσότερες είναι ζυμώσιμες. Οι σπουδαιότερες εξόζες είναι από τις αλδοεξόζες: γλυκόζη, γαλακτόζη και μαννόζη και από τις κετοεξόζες: φρουκτόζη
D-γλυκόζη D-γλυκόζη (σε μεγάλα ποσά βρίσκεται στο σταφύλι-σταφυλοσάκχαρο, δεξτρόζη): Μαζί με τη φρουκτόζη απαντάται στο χυμό όλων των γλυκών καρπών και στο μέλι, ενώ αποτελεί και συστατικό του αίματος. Η γλυκόζη αποτελεί δομικό συστατικό διαφόρων ολιγοσακχαριτών, όπως της σακχαρόζης, της λακτόζης και της μαλτόζης, καθώς επίσης και πολυσακχαριτών όπως του αμύλου, του γλυκογόνου και της κυτταρίνης και τέλος και συστατικό γλυκοζιτών. Η γλυκόζη παρασκευάζεται βιομηχανικά με όξινη ή ενζυμική υδρόλυση του αμύλου (πατάτας ή καλαμποκιού) και με όξινη υδρόλυση της κυτταρίνης. Η γλυκόζη είναι ζυμώσιμο σάκχαρο τόσο με αερόβιους μικροοργανισμούς όσο και με αναερόβιους (παραγωγή αιθανόλης).
Εξόζες D-γαλακτόζη: Αποτελεί συστατικό πολλών πολυσακχαριτών, όπως του γαλακτοσάκχαρου (λακτόζης), της ραφινόζης καθώς και πολλών πολύπλοκων πολυσακχαριτών. D-μαννόζη: Βρίσκεται σπάνια σε ελεύθερη κατάσταση, περισσότερο βρίσκεται ενωμένη σε γλυκοζίτες ή σε πολυσακχαρίτες. D-φρουκτόζη : Είναι η σπουδαιότερη κετοεξόζη. Βρίσκεται σε ελεύθερη κατάσταση στο χυμό γλυκών καρπών, στο μούστο και στο μέλι μαζί με τη γλυκόζη. Αποτελεί συστατικό της σακχαρόζης, της ραφινόζης και του μη σακχαροειδούς πολυσακχαρίτη ινουλίνη.
Ολιγοσακχαρίτες Χαρακτηρίζονται τα σάκχαρα που προέρχονται από τη συνένωση 2 έως 10 μονοσακχαριτών με απόσπαση μορίων νερού. Σχηματισμός Δισακχαρίτη
Οι κυριότεροι Δισακχαρίτες Σακχαρόζη, Λακτόζη, Μαλτόζη (C 12 H 22 O 11 ) Σακχαρόζη + Η 2 Ο ΣΑΚΧΑΡΑΣΗ Γλυκόζη + Φρουκτόζη Λακτόζη + Η 2 Ο ΛΑΚΤΑΣΗ Γαλακτόζη + Γλυκόζη Μαλτόζη + Η 2 Ο ΜΑΛΤΑΣΗ Γλυκόζη + Γλυκόζη
Οι κυριότεροι Δισακχαρίτες Σακχαρόζη, Λακτόζη, Μαλτόζη (C 12 H 22 O 11 ) Η σακχαρόζη ή σουκρόζη ή κοινή ζάχαρη εξάγεται σε τεράστιες ποσότητες από τα σακχαροκάλαμα ή τα σακχαρότευτλα. Η μαλτόζη σχηματίζεται ως ενδιάμεσο προϊόν της υδρόλυσης του αμύλου και του γλυκογόνου. Η λακτόζη ή γαλακτοσάκχαρο βρίσκεται στο γάλα των θηλαστικών. Βιομηχανικά παρασκευάζεται από το τυρόγαλα.
Η Γλυκύτητα των ζαχάρων σχετικά με τη ζάχαρη (1.00)
Πολυσακχαρίτες Προέρχονται από τη συνένωση 10 και πλέον μονοσακχαριτών. Με υδρόλυση διασπώνται στα βασικά τους συστατικά. Είναι συνήθως άμορφες ουσίες χωρίς γλυκεία γεύση και διακρίνονται σε ομοπολυσακχαρίτες και ετεροπολυσακχαρίτες. Ομοπολυσακχαρίτες καλούνται οι πολυσακχαρίτες που το μόριο τους αποτελείται μόνο από μονοσακχαρίτες.
Οι κυριότεροι ομοπολυσακχαρίτες Γλυκογόνο, Αμυλο, Κυτταρίνη (C 6 H 10 O 5 ) n Γλυκογόνο: Δεσμοί α-1,4 και διακλαδώσεις α- 1,6 κάθε 10 μόρια γλυκόζης Αμυλο : Δεσμοί α-1,4 χωρις διακλαδώσεις (αμυλόζη) και με διακλαδώσεις α-1,6 κάθε 20 γλυκόζες (αμυλοπηκτίνη) Κυτταρίνη : Δεσμοί β-1,4 χωρίς διακλαδώσεις.
Ετεροπολυσακχαρίτες Καλούνται οι πολυσακχαρίτες που το μόριό τους αποτελείται από περισσότερα διαφορετικά συστατικά. Οι σπουδαιότεροι είναι οι ημικυτταρίνες, οι πηκτινικές ύλες, οι μουκοπολυσακχαρίτες. Οι ημικυτταρίνες απαντώνται στα ξυλώδη μέρη των φυτών. Οι πηκτινικές ύλες βρίσκονται σ όλα τα μέρη του φυτού και μαζί με άλλες ουσίες συμμετέχουν στη δημιουργία των φυτικών κυττάρων.
Μουκοπολυσακχαρίτες Οι σπουδαιότεροι μουκοπολυσακχαρίτες είναι: Χονδροιτίνες Α,C ( δομικά συστατικά των χόνδρων) Υπαρίνη (Στους πνευμονες και στις αρτηρίες, παρεμποδίζει την πήξη του αίματος, αντιθρομβωτικό) Υαλουρονικό οξύ ( συστατικό του αρθρικού υγρού)
Αντίδραση Molisch Το διάλυμα Molisch είναι ναφθόλη διαλυμένη σε αιθανόλη και αφού προστεθεί στο διάλυμα σακχάρου προστίθεται πυκνό H 2 SO 4 αργά σε κεκλιμένο σωλήνα. Η αντίδραση είναι θετική όταν στην μεσόφαση μεταξύ οξέος και σακχαρικού διαλύματος σχηματίζεται μια μώβ στοιβάδa. Η μέθοδος αυτή χρησιμοποιείται για την ανίχνευση όλων των σακχάρων ακόμη και όταν αυτά βρίσκονται ενωμένα με πρωτεΐνες.
Αντίδραση Molisch 1: Γλυκόζη 2: Σακχαρόζη 3: Νερό
Αντίδραση Seliwanoff Η αντίδραση αυτή είναι χαρακτηριστική για την διάκριση αλδοζών και κετοζών. Το αντιδραστήριο Seliwanoff είναι διάλυμα 0.5% ρεζορκίνη σε 20% HCl. Παρουσία HCl οι κετοεξόζες αφυδατώνονται δίνοντας 5-υδροξυφουρφουράλη ή παράγωγά της. Τα προϊόντα αυτά συμπυκνώνονται με τη ρεζορκινόλη και δίνουν ίζημα από σύμπλοκα κόκκινου (deep red) χρώματος εντός ολίγων λεπτών. Οι αλδοεξόζες αντιδρούν και δίνουν το ίδιο προϊόν αλλά με χαμηλότερη ταχύτητα. Η σακχαρόζη μπορεί να δώσει θετική δοκιμασία λόγω της μερικής υδρόλυσής της σακχαρόζης σε γλυκόζη και φρουκτόζη. 1: Φρουκτόζη 2: Μαλτόζη 3: Σακχαρόζη 4: Νερό