węglowodany, cukrowce, sacharydy

Cukry to związki węgla i wody (węglowodany) Cn(H2O)m -C , O:H (1:2)80% suchej masy roślin (główny produkt fotosynteza),1% suchej masy zwierząt Zawierają w swojej budowie łańcuch lub pierścień węglowy i liczne grupy hydroksylowe (-OH) oraz grupę karbonylową (-CO) (ketonową –KETOZY, bądź aldehydową- ALDOZY) lub półacetalową: W węglowodanach złożonych występują wiązania glikozydowe. Wiązanie glikozydowe w cukrach tworzone jest pomiędzy karbonylowym atomem węgla i grupą hydroksylową drugiej cząsteczki cukru.(dwucukry- wielocukry) (1-4 węgiel) Dzięki występowaniu grupy aldehydowej lub mostka półacetalowego jest możliwe utlenianie prostszych węglowodanów do kwasów karboksylowych

Dzięki występowaniu grupy aldehydowej czy mostka półacetalowego możliwe jest utlenianie prostych węglowodanów do kwasów karboksylowych (reakcja -monocukry (glukoza, galaktoza-aldozy, fruktoza-ketoza)-mają właściwości redukujące i dają pozytywny wynik w próbie Trommera, Tollensa,Fehlinga (dwuskładnikowe),Benedicta, Hayensa -dwucukry (laktoza, sacharoza), reakcje hydrolizy i nastepnie próba trommera -wielocukry (skrobia , glikogen, celuloza, chityna, kwas hialuronowy, heparyna) wykrywanie płyn Lugola, jodyna

Cukry można podzielić ze względu na: a) Liczbę atomów węgla w cząsteczce - cukry proste (monosacharydy, monozy: triozy (aldehyd glicerynowy), tetrozy. pentozy, heksozy, heptozy, itd.) cukry złożone (wielocukry, poliozy: disacharydy, oligosacharydy, polisacharydy). b) Wielkość cząsteczek - monosacharydy(cukry proste, jednocukry), sązwiązkami nie ulegającymi hydrolizie do postaci prostszych; ogólny wzór tej grupy to CnH2nOn - disacharydy(dwucukry), zbudowane z dwóch cząstek cukrów prostych np. sacharoza, maltoza, celobioza, laktoza i trehaloza; ogólny wzór tej grupy to CnH2n-2On-1- -oligosacharydy hydrolizujące do 2-10 monosacharydów, np.rafinoza (trójcukier, hydrolizuje do glukozy, fruktozy i galaktozy), stachioza (czterocukier),werbaksoza (pięciocukier) -polisacharydy(wielocukry), zawierają więcej niż 10 monosacharydów; ich wzór ogólny to (C6H10O5)x, np. skrobia, celuloza, glikogen, inulina, galaktan, dekstran, pektyna c) Obecność grup funkcyjnych - polihydroksyaldehydy (aldozy) - polihydroksyketony (ketozy).

Właściwości fizyczne monosacharydów - bezbarwne, bezwonne, o słodkim smaku (dzięki obecności grup –OH), rozpuszczalne w wodzie, nie rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych, skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego, wodny odczyn jest obojętny. Właściwości chemiczne monosacharydów: - redukcja Redukcja aldoz i ketoz prowadzi do wytworzenia alkoholi wielowodorotlenowych. - utlenianie Glukoza w reakcji z wodą bromową utlenia się do kwasu glukonowego, a fruktoza reakcji nie ulega, gdyż nie posiada grupy aldehydowej. Jest to reakcja służąca do odróżniania aldoz od ketoz w wyniku której grupa aldehydowa utlenia się do grupy karboksylowej tworząc kwasy -onowe. Kwas azotowy(V) jest silniejszym środkiem utleniającym od wody bromowej. W wyniku utleniania aldoz powstaje kwas cukrowy (dwie grupy karboksylowe). Dzięki biologicznemu utlenianiu aldoz otrzymuje się kwasy -uronowe. - reakcja estryfikacji Ze względu na obecność grup –OH, cukry ulegają estryfikacji. Glukoza z bezwodnikiem kwasu octowego (silniejszy czynnik acylujący niż kwas octowy) tworzy pentaoctan glukozy. Obecność grup –OH potwierdza także reakcja, prowadzona w temperaturze pokojowej z Cu(OH)2, w wyniku której powstaje kompleks o barwie fiołkowoniebieskiej (podobnie, jak w reakcji gliceryny z Cu(OH)2).

- reakcja z zasadami Cukry w stężonych roztworach zasad ulegają karmelizacji, tworzą się sole oraz produkty barwne. W rozcieńczonych roztworach zasad cukry ulegają epimeryzacji. Epimerem glukozy jest fruktoza i mannoza. - reakcja z kwasami Cukry pod wpływem kwasów mineralnych np. H2SO4, HCl, ulegają częściowej dehydratacji tworząc związki cykliczne. Heksozy dają w wyniku tej reakcji 5-hydroksymetylofurfural, a pentozy furfural. Otrzymywane substancje wykazują zdolność do kondensacji z niektórymi fenolami. Reakcje te wykorzystywane są do identyfikacji niektórych cukrów. - własności redukujące cukrów Wszystkie cukry proste redukują wodorotlenki metali (próba Trommera, próba z odczynnikiem Fehlinga) lub tlenki metali (próba Tollensa). Fruktoza, mimo Ŝe nie zawiera grupy aldehydowej daje pozytywny wynik reakcji Tollensa, Trommera i Fehlinga, ponieważ w środowisku zasadowym ulega epimeryzacji - reakcja fermentacji

Monosacharydy Cukry proste ze względu na ilość atomów węgla w pojedynczej cząsteczce dzielimy na: triozy o 3 atomach węgla, np. aldehyd glicerynowy, dihydroksyaceton tetrozy o 4 atomach węgla, np. treoza pentozy o 5 atomach węgla, np. ryboza, rybuloza, deoksyryboza heksozy o 6 atomach węgla, np. glukoza, galaktoza i fruktoza heptozy o 7 atomach węgla, np. sedoheptuloza Większość biologicznie ważnych monosacharydów ma 5 lub 6 atomów węgla, choć w fizjologii komórek (fotosynteza, cykl Krebsa) znaczenie mają też monosacharydy 3- i 4-węglowe Monosacharydy można także podzielić na: aldozy, w których występuje grupa aldehydowa (-CHO), np. deoksyryboza, ryboza, glukoza, galaktoza ketozy, w których występuje grupa ketonowa (=C=O), np. rybuloza, fruktoza Wszystkie monosacharydy posiadają właściwości redukcyjne, czyli dają pozytywny wynik prób zarówno Tollensa, jak i Trommera. Prawie wszystkie monosacharydy są optycznie czynne. Np.: stereoizomery glukozy

Czyli cukry mają właściwość skręcania kąta światła spolaryzowanego Czyli cukry mają właściwość skręcania kąta światła spolaryzowanego. Na podstawie tej właściwości wyróżnia się izomery + (skręcają światło zgodnie z ruchem wskazówek zegara – w prawo) i izomery – (skręcają światło spolaryzowane w lewo), mogą występować wszystkie kombinacje tych izomeryzacji (L+, L-, D+, D-). Glukoza głównie występuje w postaci pierścienia, w którym występuje wiązanie półacetalowe. Właściwości redukujące posiada forma łańcuchowa z wolna grupa aldehydową.

Właściwości: -Są chemicznie obojętne Dobrze rozpuszczalne w wodzie Mają aktywność osmotyczną (podwyższają stężenie roztworu) roztworach wodnych mogą tworzyć struktury pierścieniowe (powstaje mostek tlenowy między grupą aldehydową /ketonową C4-pentozy, C5 heksozy a hydroksylową C1)

OLIGOSACHARYDY: 2-5 cząsteczek cukru połączonych wiązaniem O- glikozydowym- MOSTKIEM TLENOWYM Najpopularniejsze DISACHARYDY (DWUCUKRY) Popularne disacharydy to: Sacharoza – glukoza + fruktoza Maltoza – glukoza + glukoza Laktoza – glukoza + galaktoza Procesem odwrotnym do powstawania wiązania glikozydowego jest hydroliza dwucukru do dwóch monosacharydów. OLIGOSACHARYDY :Łańcuchy polimerowe mogą się rozgałęziać. Przykładem oligosacharydów są dekstryny oraz cukry receptorowe na powierzchni komórek stanowiące o ich przynależności osobniczej (lącza się wówczas z białkami lub tłuszczami).

Wszystkie disacharydy ulegają łatwo kwasowej hydrolizie do monosacharydów. W przyrodzie reakcja ta jest katalizowana przez enzymy – glikozydazy. Częśc dwucukrów, które maja wolna grupę aldehydowa to cukry redukujące. SACHAROZA JEST PRZYKŁADEM DWUCUKRU NIEREDUKUJĄCEGO.

POLISACHARYDY Wielocukry są grupą bardzo dużych polimerów. Składają się z bardzo wielu monosacharydów połączonych wiązaniem O-glikozydowym (dany polimer składa się z głównie, ale nie wyłącznie takich samych monomerów – inaczej niż w przypadku białek) połączonych wiązaniami glikozydowymi. Polimery mogą się rozdzielać. -Nadają bardzo dużą wytrzymałość (niekiedy twardość) tkankom lub samodzielnie stanowią warstwy ochronne lub strukturalne komórkom i tkankom. Np.: chityna, celuloza -mogą stanowić tez materiał zapasowy (nie ropuszczają się w wodniczce rośliny, czy w komórce zwierzęcej)np.: skrobia, glikogen -lość podjednostek polisacharydów jest tak duża, że łatwiej jest szacować ich ilość po wadze. Skrobia: (C6H10O5)n gdzie n=300-400; występuje w roślinach głównie jako magazyn energii; występuje w dwóch formach (jako mieszanka obu): amyloza – nie rozgałęzione nici złożone z α-D-glukoz połączonych wiązaniem α-1,4-glikozydowym, stanowi około jedną piątą część skrobi amylopektyna – rozgałęziona forma, stanowi większą część skrobi bo 4/5, łańcuchy polimeru rozgałęziają się wiązaniami α-1,6-glikozydowymi, trudniej od amylozy rozpuszczalne w wodzie

Glikogen: jest to zwierzęcy odpowiednik skrobi, polimer α-D-glukanu o wiązaniach α-1,4-glikozydowych z częstymi rozgałęzieniami wiązań α-1,6-glikozydowych; bardzo dużo rozgałęzień, stosunkowo łatwo rozpuszczalny w wodzie. ok. 100 000 reszt D-glukozy. W organizmach zwierzęcych jest gromadzony w wątrobie, w mniejszym stężeniu występuje też w tkance mięśni poprzecznie prążkowanych. Celuloza: (C6H10O5)n gdzie n=20 000 (3000 - 14000 )cząsteczek cukier roślinny, bardzo podobna do skrobi jednak podjednostkami są cząsteczki β-glukozy, więc występują wiązania β-1,4-glikozydowe (nie rozgałęziają się), prawie połowa węgla organicznego roślin tworzy celulozę (główny składnik ścian komórkowych); nie rozpuszczalna, bardzo trudno trawiona tylko przez niektóre bakterie.

chityna Wymiana części atomów tlenu na atomy azotu w strukturze chityny w stosunku do struktury celulozy powoduje, że w chitynie występują dużo silniejsze międzycząsteczkowe wiązania wodorowe, co skutkuje większą wytrzymałością mechaniczną chityny w stosunku do celulozy. Pektyny są polisacharydami występującymi u roślin w ścianie komórkowej oraz tworzącymi strukturę blaszki środkowej, czyli lepiszcza międzykomórkowego. Roztwory pektyn łatwo tworzą żele. Zjawisko to wykorzystywane jest podczas przygotowywania galaretek owocowych. W polimerach tych powtarzającym się elementem jest 6-metyloester kwasu D-galakturonowego, którego cząsteczki połączone są wiązaniem a-1,4-glikozydowym. WzdłuŜ łańcucha tego polisacharydu nie kaŜda cząsteczka kwasu galakturonowego jest metylowana.

Panel doświadczalny Materiały: -miód -wzorzec glukozy (czysta glukoza) -sacharoza -sok jabłkowy (wyciśnięty z jabłka i nieznacznie rozcieńczony wodą -plastry ziemniaka -ugotowany ryż -kromka chleba -wacik celulozowy -serek (twarożek- sprawdzamy czy nie został doprawiony skrobią ziemniaczaną) Odczynniki: -płyn Lugola (jodyna) -odczynniki Fehlinga A i B -woda destylowana -wodny roztwór (5%) CuSO4 -30% roztwór wodny NaOH -stężony H2SO4 Gorąca woda, palnik Film:Węglowodany. Właściwości i wykrywanie glukozy, sacharozy, skrobii, celulozy, carbohydrates

Sposoby Wykrywania cukrów prostych (glukozy, fruktozy) Stosujemy gotowe odczynniki np.: jednoskładnikowy Hayensa, lub Benedicta NIE MAMY ODCZYNNIKA HAYENSA ANI BENEDICTA Odczynnik Hayensa: który w produktach zawierających glukozę, po podgrzaniu próbki z odczynnikiem, zabarwia się na ceglasty kolor; Płyn Haynesa (granatowo – niebieskie zabarwienie). Zmiana barwy następuje na skutek obecności w roztworze cukru prostego – glukozy, która redukuje zawartą w płynie Haynesa miedź (w siarczanie miedzi II) z dwuwartościowej ( barwa niebieska) do jednowartościowej (tlenek miedzi I), co poznaje się po zmianie zabarwienia (barwa ceglasto-pomarańczowa ). W probówkach zawierających jabłko i cebulę nastąpiła zmiana barwy, natomiast w probówce z ziemniakiem nie nastąpiła zmiana barwy, co świadczy o braku glukozy w ziemniaku (jest tam skrobia)

Próba z odczynnikiem Fehlinga (wykrywanie cukrów redukujących gotowym odczynnikiem) WYKONUJEMY W KLASIE Dodajemy roztwór Fehlinga A (CuSO4 w H2SO4) wodny roztwór siarczanu miedzi(II) z rozcieńczonym kwasem siarkowym oraz roztwór Fehlinga B (NaKC4H4O6•4H2O w NaOH) wodny roztwór wodorotleneku sodu oraz winianu sodowo-potasowego. Stosowany jest m.in. jako stabilizator kationów miedziowych(Cu2+) w reakcjach na wykrywanie obecności aldehydowych grup redukujących, np. przy próbach na wykrywanie właściwości redukujących aldoz – Fehlinga czy Nylandera. 1:1 Hipoteza – jabłko zawiera cukry proste (glukoza i fruktoza) Notatki – wodny roztwór z soku z jabłka łączymy z 2ml odczynnika Fehlinga (po zmieszaniu A i B 1:1); otrzymaną mieszaninę zagotowujemy. W przypadku obecności aldehydów wytrąca się ceglastoczerwony osad tlenku miedzi(I) Wniosek: wytrącenie się czerwonego osadu oznacza obecność cukrów prostych w jabłku. Odczynnik Fehlinga wykrywa m.in. cukry proste. Jest to zasadowy roztwór siarczanu miedzi(II) - niebieski, z którego pod wpływem związków redukujących wypada czerwony osad tlenku miedzi(I) (konieczne jest ogrzanie badanej próbki) Kolor zmienia się stopniowo, przechodzi przez kolor zielony, potem żółty i pomarańczowy – bardzo ładne zjawisko. Próba Fehlinga to reakcja redoks. Aldehydy ulegają utlenieniu do kwasów karboksylowych, miedź z stopnia utlenienia II redukuje się do I: 2Cu2+ (roztw. Fehlinga) + R-CHO + NaOH + H2O → Cu2O↓ + R-COONa + 4H+ Wytrącający się tlenek miedzi(I) Cu2O jest produktem szybkiej reakcji powstających jonów Cu+ z jonami hydroksylowymi: 2Cu+ + 2OH− → Cu2O + H2O

KNaC4H4O6·4H2O- winian sodowo potasowy Winian sodowo-potasowy – organiczny związek chemiczny, tzw. sól Seignette'a lub sól z Rochelle. Jest pochodną kwasu winowego. Wikipedia Wzór: KNaC4H4O6·4H2O Masa molowa: 282,1 g/mol Temperatura topnienia: 75 °C Temperatura wrzenia: 220 °C

Wykonanie: Do probówek dodano roztwór glukozy, sacharozy, miodu, przesączu z ugniecionego jabłka oraz wody destylowanej Co jest kontrolą? Nastepnie dodano odczynniki Fehlinga A i B w stosunku 1:1 np.:2 ml A i 2 ml B Probówki podgrzano nad palnikiem. Gdzie są cukry redukujące? Odp: w probówce z glukozą, jabłkiem (glukoza, fruktoza), miodem (glukoza) powstaje ceglasty osad Glukoza – α-D- glukopiranoza posiada w formie liniowej grupę aldehydowa zdolna do redukcji w próbie Trommera

2. Próba Tromera 1.strącamy świeży wodorotlenek miedzi Cu(OH)2 przy użyciu CuSO4 i NaOH CuSO4 + 2NaOH →→→-> Na2SO4 +Cu(OH)2 a następnie dodajemy do próbki z badanymi substancjami. Dodajemy NaOH jeszcze raz wstrząsając aż do rozpuszczenia „gluta”. Podgrzewamy. Tam gdzie są cukry redukujące powinien wytracić się ceglasty osad Wykonanie 1-2% wodny roztwór CuSO4 (morski odcień) połączono z 30% NaOH-wytrącił się „glut” Cu(OH)2, zmiana barwy na niebieską Dodano glukozę, sacharozę (jeśli trzeba dodać jeszcze NaOH az do rozpuszczenia osadu) i podgrzano Gdzie są cukry proste? obserwacja - Niebieski osad zmienia barwę na czerwoną (ew.pomarańczową) wniosek - miedź (II) zredukowała się do (I) w reakcji z glukozą, wykazującą właściwości redukujące 2Cu(OH)2 + C6H12O6 → Cu2O + C6H12O7 (kwas glukonowy) + 2 H2O Jest to reakcja redoks. Aldehydy ulegają utlenieniu do kwasów karboksylowych, miedź z +II stopnia utlenienia redukuje się do +I. Ketony dają negatywne wyniki próby.

Glukoza posiada 2 grupy hydroksylowe (-OH) po tej samej stronie, więc powinna (jak gliceryna) tworzyc rozpuszczalny szafirowy kompleks CuOH2,(uzyskamy go własnie po dodaniu NaOH) W próbie kontrolnej CuOH2 nie rozpuszcza się w nadmiarze NaOH (nadal pozostaje morski odcień straconego tlenku) Podgrzanie: Podczas reakcji CuOH2 z grupa aldehydową glukozy glukoza utlenia się do kwasu glukonowego a miedx redukuje się do tlenku miedzi I Cu2O Próba kontrolna „zczerniała” z powodu rozkładu pod wpływem temperatury nietrwałego CuOH2 do czarnego tlenku miedzi II CuO

Wykrywanie sacharozy (dwucukry):Sacharoza, C12H22O11 – organiczny związek chemiczny z grupy węglowodanów będący zasadniczym składnikiem cukru trzcinowego i cukru buraczanego. CUKIER NIEREDUKUJACY (brak wolnej grupy aldehydowej) Ulega hydrolizie w środowisku kwaśnym do cukrów redukujących :glukozy i fruktozy, które następnie można wykryć w reakcjach dla monocukrów. Doświadczenie: 3 probówki : 1-woda, 2,3-roztwór sacharozy-próbka 2 kontrola nie podlegająca hydrolizie. Do probówki 1i3 dodajemy kilka ml H2SO4 stężony. Wszystkie próbki umieszczamy w gorącej wodzie. Zachodzi reakcja hydrolizy ( w probówce 1 i3) sacharozy do fruktozy i glukozy. Obecność cukrów prostych sprawdzamy dodając do wszystkich próbek strącony Cu(OH)2 po uprzednim zalkalizowaniu środowiska NaOH (bo wcześniej dodano do 2 probówek silny kwas)-REAKCJA TROMMERA Tam gdzie są cukry redukujące pojawi się po ponownym ogrzaniu ceglasty osad

Wielocukry: długołańcuchowe związki: -liniowe np.: celuloza -rozgałęzione np.: skrobia Sposoby wykrywania skrobii: Płyn Lugola lub Jodyna próba z płynem Lugola Hipoteza – jeden z produktów A i B zawiera skrobię; Notatki – produkt A umieszczamy w probówce I, a produkt B w probówce II; do obydwu probówek wkraplamy po 1-2 krople płynu Lugola; w tym przypadku produkt A barwi się na fioletowo a produkt B na brązowo Wniosek – w probówce I umieszczony został produkt zawierający skrobię Płyn Lugola to uniwersalny wykrywacz skrobi kukurydzianej, ziemniaczanej i sojowej. Wykrywanie w produktach skrobi jest ważne u osób chorych dla celiakię, którzy nie mogą spożywać mąki pszennej, w której zawarta jest skrobia. Płyn Lugola zawiera jod, który barwi skrobię na kolor fioletowy. Sam płyn ma zabarwienie rubinowo-czerwone. Białka barwią się pod wpływem płynu Lugola na brązowo. Tak więc tylko fioletowe zabarwienia próbki badanego produktu (wędliny, ketchupy, desery mleczne) świadczy o obecności w nim mąki. Wykonaj również preparat mikroskopowy z plasterka ziemniaka zakroplonego Lugola (widać ziarna skrobii)

PRÓBA LUGOLA – wykrywanie wielocukrów. Zasada metody Wielocukry, w odróżnieniu od oligo- i monosacharydów tworzą z jodem barwne kompleksy. Glikogen tworzy kompleks czerwonobrunatny, skrobia barwę na granatowoczarną a przy niewielkich stężeniach na niebieskofioletową, a oligosacharydy zawierające mniej niŜ 6 cząsteczek glukozy nie dają barwnych reakcji z jodem. Dodatkowo preparat mikroskopowy zabarwionej skrobii