Sacharidai

Sacharidai

Mokymosi tikslai

Baigę pamoką gebėsite palyginti monosacharidus, disacharidus ir polisacharidus, atpažinti gliukozės atvirosios bei α ir β ciklinių formų ryšį, paaiškinti gliukozės, fruktozės, sacharozės, krakmolo bei celiuliozės savybes, užrašyti fotosintezės, kvėpavimo, polikondensacijos, hidrolizės bei fermentacijos schemas ir interpretuoti kokybinius bandymus.

Sąvokos

• Monosacharidas – į paprastesnį sacharidą nehidrolizuojamas cukrus.
• Glikozidinis ryšys – sacharidų liekanas jungiantis kovalentinis ryšys.
• Redukuojantis cukrus – cukrus, galintis redukuoti tinkamą oksidatorių kokybiniame bandyme.
• Fermentacija – fermentų katalizuojamas medžiagų virsmas, šiuo atveju gliukozės į etanolį ir $\ce{CO2}$.

Prisimink

Sacharidai turi kelias hidroksilo grupes ir karbonilo funkciją arba gali ją sudaryti tirpale. Ta pati apytikslė formulė $\ce{(CH2O)_n}$ nėra pakankama medžiagai atpažinti: svarbi atomų jungimosi tvarka ir erdvinė sandara.

Mono- ir disacharidai

Gliukozė yra aldoheksozė, fruktozė – ketoheksozė; abiejų molekulinė formulė $\ce{C6H12O6}$, taigi jos yra tarpklasinės izomerės. Tirpale vyrauja ciklinės formos, bet jos per atvirąją grandinę pereina viena į kitą. D-gliukozės Haworth projekcijoje α anomero anomerinė OH grupė yra priešingoje žiedo plokštumos pusėje negu $\ce{CH2OH}$ grupė, o β anomero – toje pačioje. Raidės α ir β nusako būtent anomerinio C konfigūraciją, ne tai, ar žiedas „atsiveria“.

Mažos molekulinės masės sacharidai, pavyzdžiui, gliukozė ir sacharozė, paprastai yra kristaliniai, gerai tirpsta vandenyje. Krakmolo ir celiuliozės makromolekulių tirpumas bei mechaninės savybės kitokios; vien saldus skonis nėra saugus ar selektyvus atpažinimo būdas, todėl laboratorinių mėginių ragauti negalima.

Sacharozė sudaryta iš gliukozės ir fruktozės liekanų. Hidrolizė:

$\ce{C12H22O11 + H2O ->[H+] C6H12O6 + C6H12O6}.$

Sacharozė įprastame redukuojančių cukrų bandyme neigiama, nes abu anomeriniai centrai įtraukti į glikozidinį ryšį; po hidrolizės susidarę monosacharidai gali duoti teigiamą bandymą.

Polisacharidai

Krakmolas ir celiuliozė sudaryti iš gliukozės liekanų, bet skiriasi jų sujungimo erdvinė kryptis. Krakmolo struktūra tinkama energijos atsargai ir žmogaus fermentai jį hidrolizuoja; celiuliozės β ryšių žmogaus virškinimo fermentai neskaido, tačiau ji svarbi kaip maistinė skaidula ir augalų konstrukcinė medžiaga.

Bendra polisacharido hidrolizės schema:

$\ce{(C6H10O5)_n + nH2O -> nC6H12O6}.$

Atvirkštinę kryptį supaprastintai rodo gliukozės polikondensacijos schema:

$\ce{nC6H12O6 -> (C6H10O5)_n + nH2O}.$

Ji parodo kartotinio vieneto sudėtį ir vandens pasišalinimą; tikroje biosintezėje grandinė auginama fermentais aktyvinant monomerus, todėl tai nėra vieno elementaraus etapo mechanizmas.

Kokybinės reakcijos

Jodo tirpalas su krakmolu sudaro tamsiai mėlyną kompleksą; kaitinant spalva gali išnykti ir atvėsus grįžti. Gliukozė redukuoja Tollenso arba šarminį Cu(II) reagentą. Šviežias $\ce{Cu(OH)2}$ kambario temperatūroje taip pat gali ištirpti dėl kelių OH grupių, susidaro ryškiai mėlynas tirpalas – šis požymis nėra išskirtinis tik gliukozei.

Alkoholinė fermentacija

Mielių fermentai anaerobinėmis sąlygomis gliukozę paverčia etanoliu ir anglies dioksidu:

$\ce{C6H12O6 ->[fermentai] 2C2H5OH + 2CO2}.$

Pagal dujų tūrį galima vertinti reakcijos greitį, tačiau reikia kontroliuoti temperatūrą, cukraus koncentraciją, mielių kiekį ir laiką.

Fotosintezė, kvėpavimas ir vartojimas

Supaprastinta fotosintezės lygtis yra endoterminis, šviesos energijos reikalaujantis bendrasis virsmas:

$\ce{6CO2 + 6H2O ->[sviesa] C6H12O6 + 6O2}.$

Aerobinio ląstelinio kvėpavimo bendroji lygtis yra priešingos krypties egzoterminis virsmas:

$\ce{C6H12O6 + 6O2 -> 6CO2 + 6H2O}.$

Šios lygtys apibendrina daugelį fermentinių etapų. Gliukozė naudojama energijai ir kitų medžiagų sintezei, dalis kaupiama glikogeno pavidalu, o ilgalaikis bendras energijos perteklius gali būti paverstas riebalų atsargomis. Pridėtinio cukraus kiekį vertiname pagal produkto sudėtį ir patikimus mitybos duomenis, ne pagal vien cheminį pavadinimą.

Išspręstas pavyzdys

Užduotis. Apskaičiuokite teorinę $\ce{CO2}$ masę fermentuojant 18,0 g gliukozės.

1. $M(\ce{C6H12O6})=180{,}0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$, todėl

   $n(\ce{C6H12O6})=\frac{18{,}0\ \mathrm{g}}{180{,}0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}}=0{,}100\ \mathrm{mol}.$

2. Pagal lygtį 1 mol gliukozės duoda 2 mol $\ce{CO2}$, taigi $n(\ce{CO2})=0{,}200\ \mathrm{mol}$.

3. $M(\ce{CO2})=44{,}0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}$:

   $m(\ce{CO2})=0{,}200\ \mathrm{mol}\cdot44{,}0\ \mathrm{g\,mol^{-1}}=8{,}80\ \mathrm{g}.$

Atsakymas: teoriškai susidaro 8,80 g $\ce{CO2}$.

Dažnos klaidos

• Krakmolą ir celiuliozę laikyti vienoda medžiaga vien dėl vienodos kartotinio vieneto formulės.
• Sacharozę vadinti redukuojančiu cukrumi prieš hidrolizę.
• Burbuliukus be kontrolės laikyti vienareikšmiu fermentacijos įrodymu.
• Fermentaciją rašyti nebalansuotą arba pamiršti, kad susidaro du produktai.
• α ir β gliukozę laikyti skirtingos molekulinės formulės medžiagomis arba fotosintezę sutapatinti su vienu elementariu reakcijos etapu.

Tyrimas ir sauga

Tirkite temperatūros poveikį mielių fermentacijos greičiui, rinkdami $\ce{CO2}$ tūrį per vienodą laiką. Reikia kartojimų ir neigiamo kontrolinio mėginio be mielių. Indo neužkimškite taip, kad kiltų slėgis; gautas mišinys nevartojamas. Tollenso bandymą atlieka tik mokytojas ir reagentas nelaikomas.

Santrauka

• Gliukozė ir fruktozė yra tos pačios formulės, bet skirtingos funkcinės sandaros monosacharidai.
• Gliukozės α ir β ciklinės formos tirpale pereina viena į kitą per atvirąją formą.
• Glikozidinio ryšio tipas lemia polisacharido formą ir biologinį skaidymą.
• Kokybinio bandymo išvada turi atitikti jo selektyvumą ir kontrolę.

Oficialūs šaltiniai

• SRC-BP-V1269 – III gimnazijos klasės gyvybės chemija: sacharidai.
• SRC-EMOKYKLA-CHEM – oficialus programos atvaizdavimas.
• SRC-IR-2025 – fermentacijos tyrimo ir kokybinių bandymų rekomendacijos.