8. Szénhidrátok
A szénhidrátok a szénhidrogének polihidroxi-aldehid, illetve polihidroxi-keton származékai. Azaz több hidroxi csoportot tartalmaznak ezen kívül vagy láncvégi (aldehid), vagy láncközti (keton) oxocsoportot.
8.1. Monoszacharidok (egyszerű cukrok)
Csoportosítás: több lehetőség kínálkozik.
1. a szénatomok száma alapján: trióz (3), tetróz
(4), pentóz (5), hexóz (6).
2. az oxocsoport helyzete (láncvégi vagy láncközti szénatomhoz kapcsolódik)
alapján aldóz vagy ketóz.
Fizikai tulajdonságaik: többségük édes ízű, vízben oldódik (ezt a hidroxilcsoportok biztosítják), alkoholban rosszul, apoláris oldószerekben, így éterben, benzinben nem oldódnak. A monoszacharidokmolekulái közti erős hidrogénkötések miatt a cukrok közönséges körülmények között szilárd halmazállapotúak.
Szerkezet*: a monoszacharidok szerkezetét a glükóz (szőlőcukor) példáján mutatjuk be.
A
glükóz összegképlete C6H12O6, amelyből számtalan
konstitúciós izomer képezhető. Az alábbi ábra a szőlőcukor egy lehetséges
szerkezetét mutatja be. Vizsgáljuk meg egy kicsit alaposabban! Az első sorban
az olvasható, hogy a szénhidrátok polihidroxi-vegyületek. A szerkezeti képleten
jól látható, hogy valóban több hidroxilcsoportot tartalmaz. A glükóz egy aldóz,
azaz a lánc végén (1. szénatom) kapcsolódik az oxocsoport (CHO egyszerűsített
jelöléssel). A szerkezeti ismereteink bővítéséhez most a 2., 3., 4., 5., 6.
szénatomot vizsgáljuk! Ezekhez a szénatomokhoz a H és az OH kétféleképpen
kapcsolódhat, az egyszerűsített ábrán a H vagy jobb (ld. 3. szénatom), vagy
bal (ld. 2. szénatom) oldalt helyezkedik el.
Ezek a molekularészek tükörképükkel nem azonosak, ún. királis molekulák. Az olyan molekulaszerkezetet, amely saját tükörképével nem azonos királisnak, amely tükörképével azonos akirálisnak nevezzük. Azt az atomot, amelyhez négy különböző ligandum kapcsolódik kiralitáscentrumnak nevezzük.
A glükóznak tehát öt kiralitáscentruma van, amely 2x2x2x2x2=32 térizomert eredményez.
Az izomériának azt az esetét, amikor két molekula konstitúciója azonos, csak a térbeli, háromdimenziós szerkezetükben különböznek, sztereoizomériának, térizomériának nevezzük.
Fontos szerkezeti tulajdonság, hogy az 5. szénatom hidroxilcsoportja melyik oldalon helyezkedik el. Ha az aldehidcsoporttal azonos oldalon D-glükózról, ha ellentétes oldalon L-glükózról beszélünk.
|
 |
A szénhidrátokban tehát a szénatomokhoz kapcsolódó atomok (H), illetve atomcsoportoknak (OH) kétféle térbeli elrendeződése, ún. konfigurációja lehet az L- és a D.A D- és L-konfiguráció valamennyi szénhidrátra kiterjeszthető, ez esetben az oxocsoporttól legtávolabb lévő királis (aszimmetriás) szénatom konfigurációja számit (ez általában az utolsó előtti szénatomot jelenti).Konfiguráció: egy molekulában a szénatom
(vagy kettős kötésű szénatompár) körül az egymással közvetlenül nem
kapcsolódó atomok, atomcsoportok viszonylagos térbeli elrendeződése.
|
A 32 térizomer közül csupán egyetlen, a D-glükóz az, amely az élőlények szempontjából nélkülözhetetlen. A 31 izomer közül néhány a természetben is előfordul, míg a többi mesterségesen állítható elő.
A
szőlőcukor pontosabb vizsgálata alapján azonban kiderült, hogy molekulái nem
nyílt láncúak, hanem gyűrűsek. A gyűrűt a nyílt láncú szerkezetből az aldehidcsoport
és az 5. szénatomhoz kapcsolódó hidroxilcsoport addíciójával vezethetjük le,
az oxocsoporthoz kapcsolódó hidrogén hidroxilcsoportot hoz létre, melynek
tulajdonságai eltérnek a többi hidroxilcsoportétól, ezért glikozidos
hidroxilcsoportnak nevezzük.
Természetesen
az egyszerűsített jelölés nem fejezi ki a gyűrűs szőlőcukor térbeli alakját,
a gyűrű nem sík alkatú, hanem ún. székkonformációjú.
Konformáció: egy molekula különböző, egymással közvetlenül nem kapcsolódó atomjainak, atomcsoportjainak egymáshoz viszonyított térbeli elrendeződése.
Az ábrán látható, hogy az 1. szénatomon nincs jelölve a H és az OH. Ennek magyarázata egyszerű, ezek kétféleképpen helyezkedhetnek el. A H kapcsolódhat oldalirányban (a gyűrű síkjával párhuzamosan, ún. ekvatoriális), illetve lefelé (a gyűrű síkjára merőleges, ún. axiálisan).
 |
Ha az 1. szénatomhoz kapcsolódó OH-csoport
a CH2OH csoporttal azonos térfélen van béta-D-glükózról (bal
ábra), ha ellentétes térfélen van alfa-D-glükózról beszélünk (jobb ábra).
|
 |
1.
A D-glükóz szerkezetét Emil Fischer állapította meg. Nézz utána munkásságának!
2. Olvasd el ezt
a cikket!
3. A két cikk közül olvasd el és jegyzeteld ki az egyiket
vagy a másikat!
És,
ha ez kevés lenne. A gyűrűs aldohexózok konfigurációja, konformációja jópofa
animációval itt,
Monoszacharidok szerkezete itt.
Fontosabb monoszacharidok előfordulása és tulajdonsága:
név |
szerkezet |
tulajdonság |
előfordulás |
8.1.1. glicerinaldehid |
 |
a legegyszerűbb monoszacharid, trióz (3 szénatomos),
szirupszerű |
szénhidrátok bomlásának és szintézisének közbülső
terméke |
8.1.2. ribóz |
 |
aldopentóz (5 szénatomos)
|
a béta-D-ribóz az RNS építőköve |
8.1.3. dezoxiribóz |
 |
tudományos nevén 2-dezoxi-D-ribóz |
|
8.1.4. glükóz |
 |
másnéven szőlőcukor, a természetben a béta-D-glükóz
a leggyakoribb, fehér, szagtalan, édes ízű, kristályos anyag |
édes gyümölcsök, méz |
8.1.5. fruktóz |
másnéven gyümölcscukor, fehér, nagyon édes monoszacharid |
gyümölcsök, paradicsom, méz |
8.2. Diszacharidok (kettős cukrok)
Két monoszacharid kapcsolódásával kialakuló molekulák. A két monoszacharid kapcsolódása vízkilépéssel jár, a két molekula között éterkötés alakul ki.
Fontosabb diszacharidok előfordulása és tulajdonsága:
8.2.1. Maltóz (malátacukor)
Két molekula alfa-D-glükóz 1-4 kapcsolódásával alakul ki. Az egyik gyűrűben megmarad a glikozidos hidroxilcsoport (redukáló). Főként gyermektápszerek készítésére használják.
 |
 |
8.2.2. Cellobióz
Két molekula béta-D-glükózból épül fel, amelyek 1-4 kötéssel kapcsolódnak. Az egyik gyűrűben megmarad a glikozidos hidroxilcsoport (redukáló).
A fő különbség a maltóz és a cellobióz között az, hogy a cellobióz egyik gyűrűje 180o -kal elfordul a másikhoz képest.
 |
 |
8.3. Poliszacharidok (összetett cukrok)
Sok monoszacharid egységből épülnek fel. Többségük nem édes és vízben nem oldódik.
Fontosabb poliszacharidok előfordulása és tulajdonsága:
8.3.1. Cellulóz
Földünk legnagyobb mennyiségben előforduló szerves vegyülete, amely béta-D-glükóz részekből épül fel. Szálas, rostos anyag, amely a növényi sejtek, rostok vázanyagát alkotja. A fa többféle anyag keveréke, legnagyobb részben cellulózból áll. Majdnem tiszta cellulóz a gyapot, amelynek legtisztább formája a vatta. A cellulóz a papír- és a műselyemgyártás nélkülözhetetlen alapanyaga.
A
cellulózmolekulájában több ezer ß-D-glükóz kapcsolódik össze 1-4' éterkötéssel.
A glükózegységek tengelye - hasonlóan a cellobiózhoz - csaknem párhuzamos
egymással, így a molekula hosszú, fonalas ("lineáris") lefutású.
A
hidroxilcsoportok a szomszédos molekula funkciós csoportjaival létesítenek
erős hidrogénkötéseket, így több óriásmolekula egymással is összekapcsolódva
kötegekbe rendeződik, rostokat képez.
Az egymással összekapcsolódó óriásmolekulák (ún. makromolekulák) közé nem juthatnak be a vízmolekulák, vagyis a cellulózvízben gyakorlatilag oldhatatlan. Nem redukáló hatású (nincs glikozidos hidroxilcsoport).
A cellulóz kémiailag is ellenálló: csak tömény savas közegben (vagy enzimek segítségével) hidrolizál egyre rövidebb láncokra, cellobiózra, majd végül glükózra.
8.3.2. Keményítő
A keményítő alfa-D-glükózokból épül fel, amelyek 1-4 kötéssel kapcsolódnak egymáshoz, tulajdonságai a cellulóztól jelentősen eltérnek. A keményítő szemcsék két különböző anyagból épülnek fel, mindkét anyag alfa-D-glükózból épül fel, de szerkezetük eltérő. Az amilózmolekulák nem ágaznak el, hosszú láncot alkotnak, míg az amilopektin elágazást tartalmaz. A hosszú láncmolekula csavarmenetszerűen feltekeredik, ún. hélix konformációt mutat.
 |
Balra lent az amilóz lánca, fölötte a tekeredő
(hélix) amilózlánc. Jobbra az amilopektin. |
 |
A keményítő valamennyi növényben megtalálható, fontos tartaléktápanyag. Nagy mennyiségben hasznosítja a malom-, a szesz-, az édes- és a gyógyszeripar.
8.3.3. Glikogén
Az emberi és az állati szervezet tartaléktápanyaga. Főleg a májban halmozódik fel. Alfa-D-glükózokból épül fel.
Cukorgyártás
A cukor és az
édesítőszerek káros hatásai
Rákkeltőek a mesterséges édesítőszerek?
(rövidcikk)
trióz, tetróz, pentóz, hexóz, glikozidos hidroxilcsoport, 1-4 éter kötés