Chương 1 HÓA HỌC GLUCID 1. ĐẠI CƯƠNG Glucid hay carbohydrat phân bố rộng rãi ở thực vật và động vật, nó có vai trò quan trọng trong cấu tạo và chuyển hóa. ở thực vật, glucose được tổng hợp từ co2 và H2O qua quá trình quang hợp và được dự trữ ở dạng tinh bột hay được sử dụng tổng hợp cellulose (tạo khung cho cây). Động vật có thể tổng hợp carbohydrat từ glycerol của lipid và từ acid amin, nhưng phần lốn nguồn carbohydrat động vật sử dụng là từ thực vật.
Glucose là carbohydrat quan trọng nhất, phần lớn carbohydrat từ thức ân hấp thu vào máu là glucose và các đưòng khác đến gan sẽ được chuyển thành glucose, ở động vật có vú, glucose là nguồn cung cấp năng lượng chính và cũng là nguyên liệu cơ thể sử dụng để tổng hợp dạng dự trữ là glycogen; để tổng hợp ribose và deoxyribose cung cấp cho tổng hợp acid nucleic; để tổng hợp galactose sử dụng trong tông hợp lactose của sữa, tổng hợp glycolipid, glycoprotein, proteoglycan. Định nghĩa Glucid hay carbohydrat là những polyhydroxy aldehyd hay polyhydroxy ceton và các dẫn xuất của chúng. Phân loại Glucid được phân loại thành: - Monosaccarìd: là những glucid đơn giản nhất chỉ gồm có một đơn vị polyhydroxy aldehyd hay polyhydroxy ceton không thể bị thủy phân bằng acid để cho những đơn vị nhỏ hơn, chúng còn được gọi là OSE và có thể coi như là đơn vị cấu tạo của glucid. Monosaccarid quan trọng nhất trong thiên nhiên là D-glucose, đó là một phân tử gồm 6 nguyên tử carbon.
14 Ngưòi ta xem D-glucose là nguồn nguyên liệu chính cung cấp năng lượng cho phần lớn sinh vật. - Oligosaccarid: gồm từ 2-10 đơn vị monosaccarid nối lại vói nhau bằng liên kết osid hay liên kết glycosid. Ví dụ như maltose hay sucrose. - Polysaccarid: gồm một số' monosaccarid nôì lại vối nhau (>1O), chúng có thể là những mạch thẳng hoặc mạch nhánh.
Trong thiên nhiên có 2 loại polysaccarid quan trọng là tinh bột và cellulose, cả 2 đều là polyme của D-glucose. MONOSACCARID Monosaccarid có công thức tổng quát là (CH2O)n vối n £ 3. Sưồn carbon của monosaccarid là mạch thẳng trong đó ngoại trừ carbon mang nhóm chức carbonyl, tất cả các carbon khác đểu mang nhóm chức -OH. Nếu nhóm carbonyl là nhóm aldehyd thì ta có một aldose, là nhóm ceton thì ta có một cetose.
CH2OH CH2OH D—glyceraldehyd G—glyceraldehyd Hình1. Triose n = 3: triose, n = 4: tétrose, n = 5: pentose, n = 6: hexose, n = 7: heptose. Tất cả các monosaccarid đều là chất kết tinh trắng, tan trong nước và có vị ngọt. Nhóm D - aldose và D ■ cetose từ 3C - 6C O D-Glycéraldehyd D-Alloae D-Ahroic D-Ohicoie D-Manoae D-Guloie D-ldoae D-Galactoae D-Tak»e Hlnh 1.
Nhóm D - aldose từ3C - 6C 15 2. Nhóm D - aldose và D - cetose từ 4C ■ 6C D-Alluloee D-Fruct0íe D-Sorbose D-Taoaíoee Hlnh 1. Glucose * Monosaccarid có vai trò sinh học quan trọng nhất 2. Cấu trúc của glucose dược trình bày dưởỉ ba dạng Cấu trúc thẳng, vòng và dạng ghế:.
H-Ò-OH H-C-OH HO-Ồ-H HO—c—H H-C-OH H —C—OH H-Ò-OH HÒ—C—H Ồh20H Ồh2OH L-Glucose D-Glucose (X-D-Glucopyranose Hình 1. Các dạng cấu trúc của glucose 16 2. Các dạng đồng phân Đồng phân D và L: dựa vào vị p-H í? (p-H trí của nhóm OH trên carbon cuôì i-OH b-OH H—( H- cùng mang chức rượu bậc I (carbon HO— r H HO—(r“H sô' 5 của glucose). Nếu nhóm OH ở H“ít-OH H“íb-OH phía phải thì đưòng thuộc nhóm D, HO— H — ✓—OH nếu ỏ phía trái thì thuộc nhóm L.
^H20H Phần lớn các monosaccarid ở động ,h2oh vật có vú thuộc nhóm D và các enzym L-Glucose D-Glucose chuyển hóa chúng cũng chuyên biệt cho monosaccarid nhóm D. Đổng phân D, L của glucose Cấu trúc vòng pyranose và furanose: các monosaccarỉd tồn tại bền vững ở dạng vòng pyran hay furan. Glucose trong dung dịch, trên 99% ở dạng pyranose. Đồng phân a và p: cấu trúc vòng của aldose là một bán acetal, được tạo thành do nhóm aldehyd tác dụng với nhóm alcol.
Glucose ở dạng tinh thể là khi pha a-D- glucopyranose vào dung dịch, lúc Hỉnh 1. Đổng phân a và 0 của glucose đồu dung dịch có góc quay đặc hiệu là +U2°2 của dạng a, sau đó dạng a giảm dần và dạng p táng lên cho đến khi cân bằng động được thiết lập, góc quay của dung dịch ở trạng thái cân bằng động là +52°7 và trạng thái này là hỗn hợp a-glucopyranose (38%) P-glucopyranose (62%) và khoảng 0,1% ở dạng thẳng. Khi pha P-glucopyranose vào dung dịch thì hiện tượng chuyển quay bắt đầu từ +18°7 tới góc quay on định là +52°7. Đồng phân epime: các đồng phân khác nhau ở vị trí nhóm OH của carbon thứ 2 hay 4 80 với glucose được gọi là đồng phân epime.
Các đồng phân epime của glucose có giá trị sinh học là manose và galactose, được tạo thành từ sự epime hóa carbon sô' 2 và 4. OH a— D-Galactose a- D-Manose Hinh 1. Đổng phân ephne của glucose Đồng phân aldose và cetose: nhóm carbonyl là nhóm aldehyd thì ta có một aldose. Nhóm chức carbonyl có thể là một ceton khi đó đưòng là một cetose.
Tính chất • Tác dụng với acid vô cơ mạnh tạo furfural Monosaccarid tương đôì bền vổi các acid vô cơ loãng, tuy nhiên dưới tác dụng của. các acid vô cơ mạnh đâm đặc (H2SO4 đậm đặc, HC1 đậm đặc) các monosaccid bị khử nước cho ra furfural hay dẫn xuất của furfural. Châ't này kết hợp với những chất có nhân phenol để cho ra những phức chất có màu. Phản ứng này dùng để định tính và định lượng các monosaccarid.
Ví dụ như phản ứng Molish, Selivanoff, phản ứng định lượng glucose bằng ortho - toluidin. ^S9* 3đ ► HOCH2 D-Glucose ■■■ CHO Hlnh 1. Phản ứng khử nước glucose • Tác dụng vời các base Dưởi tác dụng của base sẽ cho ra các đồng phân khác nhau. Carbon bị ảnh hưỏng là carbon mang nhóm chức carbonyl.
Glucose trong môl trường kiểm • Tính khử Vì mang nhóm chức carbonyl nên các monosaccarid đều có tính khử, tính chất này được thể hiện khi cho monosaccarid tác dụng với một muối kim loại nặng (Cu++, Hg++,. Monosaccarid khử chúng để giải phóng ra các kim loại tự do hoặc oxyd kim loại có độ oxy hóa thấp hơn và khi đó các monosaccarid bị oxy hóa thành acid. Các phản ứng này được dùng để dịnh tính và định lượng glucose hay monosaccarid (thuốc thử Fehling). Monosaccarid sẽ khử Cu2+ thành Cu + dưối dạng oxyd đồng I tủa màu đỏ.
18 ♦ CU2O ♦ 3H2O p_ D-Glucopyranose ữ“Gluconlc acid Hình 1. Phản ứng oxy hóa glucose bằng Cu2* • Tác dụng với phenylhydrazin Chức carbonyl của các monosaccarid sẽ tác dụng với phenylhydrazin để cho ra phenylhydrazon, nhưng vói một lượng thừa phenylhydrazin sẽ được oxazon kết tủa với hình dạng đặc biệt. Phản ứng này dùng để định tính các chất đưòng. Ví dụ lactosazon có hình cầu gai, glucosazon có hình bó mạ.
D-fructose, D-glucose, D-Manose cho cùng một osazon. pH CH-OH OH—(Ịh OH—CH r _ Ịh-OH ỘH-OH r " 1 I, Phenylhydrazln ỘH-OH ÓH-OH IL (ỈHaOH CHjOH Glucosazon D-Glucose kết tủa vâng, hình chổi, bó mạ Hình 1. Glucosazon • Phản ứng oxy hóa bởi acid nitric Dưới tác dụng của acid nitric cả chức aldehyd lẫn chức rượu bậc 1 của monosaccarid đều bị oxy hóa để cho ra một acid gọi là acid aldaric. Ví dụ, glucose và galactose bị oxy hóa bởi acid nitric cho sản phẩm tương ứng là acid saccaric và acid mucic.
Phản ứng này thường dùng để phát hiện và định lượng galactose vì acid mucic tạo thành rất khó tan nên có thể tách ròi khỏi hỗn hợp được. • Phản ứng tạo glycosid Liên kết glycosid hình thành do nhóm -OH bán acetal và cetal của monosaccarid kết hợp với nhóm -OH của một chất khác (R-OH), tạo liên kết O-glycosid. Các N-glycosid là do kết hợp vối nhóm NH2 của một chất khác. Ví dụ: N-glycosid là nucleosid.
O-glycosid thường gặp phổ biến ở thực vật, một sô' có tác dụng dược lý như glycosid trợ tim (digitalin, ouabain,. Liên kết glycosid cũng chính là liên kết nôì các monosaccarid lại với nhau để tạo disaccarid và polysaccarid. 19 • Phản ứng tạo este Do các nhóm -OH alcol nên các monosaccarid có thể phản ứng với các acid tạo các este tương ứng. Quan trọng nhất là este phosphat là các chất hữu cơ có vai trò quan trọng trong cơ thể vì chúng là những sản phẩm chuyển hóa trung gian và là dáng hoạt hóa của các cơ chất chuyển hóa của glucid.
Dlhydroxyaceton phosphat Glucose-6-phosphat Fructose-6-phoaphat Hinh 1. Các dẫn xuất este có val trò quan trọng trong cơ thể 2. Các dẫn xuất của monosaccarid Dẫn xuất alcol: nhóm carbonyl của monosaccarid có thể bị khử thành chức rượu như D-glucose bị khử thành sorbitol. Glycerol (thưòng gặp trong lipid) là dẫn chất alcol của glyceraldehyd.
Dẫn xuất acid: có 3 loại dẫn xuất acid là acid aldonic, acid aldaric và acid uronic. - Acid aldonic: do sự oxy hóa chức aldehyd như dẫn xuất aldonic của glucose là gluconic - Acid aldaric: do sự oxy hóa chức aldehyd và chức rượu bậc I do sự oxy hóa mạnh. - Acid uronic: do sự oxy hóa chức rượu I và cần che chở nhóm aldehyd. Ví dụ dẫn xuất uronic của glucose và galactose là acid glucuronic và acid galacturonic, thưòng gặp trong thành phần của polysaccarid phức tạp.
Acid glucuronic tham gia cơ chế khử độc, liên hợp bilirubin tại gan. □“Gluconic acid p- D-Glucoronic Hình 1. Các dẫn xuất acid của glucose 20 Dẫn xuất amin (osamin)'. do sự thay thế nhóm OH của c số’ 2 bằng nhóm D-NH2.
Các osamin có thể được acetyl hóa. Glucosamin, galactosamin, acid muramic và acid neuramic. tham gia cấu tạo nhiều polysaccrid phức tạp, glycolipid và glycoprotein. p-D-N-Acetylfllucaamln p-D-W-AcetyljaiactosBmin Hlnh 1.
Các dẫn xuất amln (osamln) 2. Một số monosaccarid thường gộp và có vai trồ quan trọng Các pentose có vai trò sinh học quan trọng được trình bày trong bảng sau: Bảng 1. Các pentose cố val trò sinh học quan trọng Monosaccarld Nguồn gốc Val tròslnh học Thành phẩn cấu tạo của acid nucleic và các coenzym như ATP, NAD, NADP. Ribose phosphat D-Rlbose Acid nucleic là chất chuyển hóa trung gian trong con đường pentose phosphat c tạo ra trong các quá Ribulose phosphat là chất chuyển hóa trung gian D-Ribulose trình chuyển hóa trong con đường pentose phosphat Gổm arable, gốm của Thành phán của glycoprotein D-Arablnose mận và cherry Proteoglycan, Thành phẩn của glycoprotein D-Xylose glycoamlnoglycan D-Lyxose Cơ tlm Thành phần của lyxoílavin được phắn lập từ cơ tlm Chất chuyển hóa L-Xylulose trung gian của con đường uronlc acid Các hexose có vai trò sinh học quan trọng được trình bày trong bảng sau: 21 Bảng 1.
Các hexose có vai trò sinh học quan trọng Monosaccarld Nguốn gốc Vai trò quan trọng D-Glucose Dịch ép trái cây. Từ Là monosaccarid của cơ thể. Được sử dụng bài sự thủy phân tinh các mô. bột, đường mía, maitose và lactose.
D-Fructose Dịch ép trái cây, mật Có thể được sử dụng hay chuyển thành glucose ong. Từ sự thủy bởi gan. D-Galactose Từ sự thủy phân Có thể chuyển thành glucose ở gan và tham gla lactose.