Sinh hóa

Carbohydrate – Glucid
(Chất bột đường)
+ Khái niệm: carbohydrate là hợp chất có chứa nhiều nhóm
chức OH (polyalcol) và một nhóm CHO (aldehyde)
hoặc một nhóm CO (ketone)

+ Công thức tổng quát: (CH2O)n với n  3

+ Là sản phẩm chính của quá trình quang hợp (tv, tảo, vi khuẩn)
(NL mặt trời 1,5.1022 kJ: 1% tạo NL Sinh học; cả trái đất cố định C
do quang hợp được1011 tấn/năm, 1/3 được cố định ở các đại dương)

+ Chiếm ưu thế so với các hợp chất hữu cơ khác trong tự nhiên

+ Tính trên trọng lượng khô: ở thực vật 80 – 90%
ở động vật < 2%
Chức năng
Cung cấp năng lượng: 4,1 Kcal/g; ngũ cốc, bột, đường,…

Cấu tạo: thành phần tham gia tổng hợp
acid nhân, protein, lipid,…

Bảo vệ: vỏ của thực vật, côn trùng, tôm, cua,
màng tế bào,…

Điểm tựa: bộ khung thực vật, động vật,…

Điều hòa: tiêu hóa ở đv, đóng mở khí khẩu ở tv

Dự trữ: glycogen ở đv (gan, cơ), tinh bột ở tv (hạt, thân, củ)

Các chức năng khác: kháng bệnh, chất cảm nhận, …
Sự đa dạng về chức năng của carbohydrate là nhờ vào các đặc điểm hóa học của chúng:


trong phân tử có nhiều hơn một tâm bất đối xứng (liên kết với 4 nhóm khác nhau)

có khả năng tồn tại ở cả hai dạng mạch thẳng hoặc mạch vòng

có khả năng tạo thành polymer nhờ vào liên kết glycoside

có khả năng tạo liên kết hydro với nước hoặc các phân tử khác
Carbohydrate dư thừa sẽ được chuyển hóa theo hai hướng

- Oxy hóa để cung cấp năng lượng cho các hoạt động sống (ưu thế khi còn trẻ)

- Chuyển sang dự trữ ở dạng chất béo (mỡ) (ưu thế khi về già)


Vấn đề sử dụng đường và sức khỏe:

+ bệnh cao huyết áp (isomalt, 2Kcal/1g, độ ngọt ~ 50% sucrose)

+ bệnh béo phì (saccharin (đắng) ngọt gấp 300 lần sucrose: ung thư
aspartam: còn tranh cai có gây ung thư?
hiện nay: sucralose ngọt gấp 600 lần sucrose)
Ứng dụng của carbohydrtae
+ bánh kẹo

+ rượu bia (lên men rượu)

+ nước giải khát (chứa đường hoặc chất tạo ngọt nhân tạo)

+ giấy

+ vải

+ gỗ

+ chất nổ [1868, Alfred Nobel, dynamite] celluloid (lược ngà, bida, răng giả)

+ nhiên liệu sinh học (biofuel)
Phân loại
Monosaccharide: là đường đơn như glucose, fructose

Oligosaccharide: có từ 2 đến 10 đường đơn
sucrose (saccharose), maltose

Polysaccharide: có từ hơn 10 đường đơn
tinh bột, cellulose
Monosaccharide
Phân loại: - aldose hoặc ketose (chứa nhóm chức aldehyde-CHO hoặc ketone-CO)
- theo số nguyên tử C có trong phân tử: triose, tetrose, pentose, hexose,…
theo tính chất hóa học: acid (chứa nhóm carboxyl, COOH)
trung tính (chứa nhóm carbonyl R-CO-R‘ và nhóm OH
aminomonosaccharide (chứa nhóm amine, NH2)
Nhóm OH (ở C bất đối xứng cao nhất) bên phải: cấu hình D
bên trái: cấu hình L
đối với monosaccharide cấu hình D chiếm đa số trong tự nhiên

Dấu (+) : chỉ hướng quay theo chiều kim đồng hồ (dextrorotatory)
(-) : chỉ hướng quay ngược chiều kim đồng hồ (levorotatory)

Các dẫn xuất thường gọi tên theo IUPAC
Đồng phân đối quang ở monosaccharide
Gương phản chiếu
Tính chất đồng phân lập thể của monosaccharide
Monosaccharide có carbon bất đối xứng và có đồng phân quang học khác nhau

Đồng phân lập thể không đối quang thì khác nhau về tính chất vật lý

Đồng phân lập thể không đối quang thì gọi là epimers

Ngoài cấu tạo thẳng, monosaccharide còn có cấu tạo mạch vòng (hemiacetal)




Vị trí nhóm OH ở C khép vòng tạo đồng phân ,  gọi là anomers
Vòng hóa
Dạng mạch vòng của monosaccharide
Nhóm OH ở C1 cùng phía với nhóm OH ở C bất đối xứng cao nhất
Ta có đồng phân dạng 
Nhóm OH ở C1 khác phía với nhóm OH ở C bất đối xứng cao nhất
Ta có đồng phân dạng 

Ví dụ hiện tượng optical rotation: -D-glucose + 112o
-D-glucose + 19o
Vòng hóa
Dạng mạch vòng của monosaccharide
C chứa nhóm OH bất đối xứng cao nhất ở vị trí số mấy?
C bất đối xứng đầu tiên ở vị trí số mấy?
Fischer projection
Haworth projection
Sự hình thành vòng pyran và furan của monosaccharide
Sự khép vòng có thể xảy ra ở các vị trí khác nhau
Tính chất hóa lý của monosaccharide
Dạng tinh thể có độ cứng, không màu, vị ngọt, tan tốt trong nước nhưng tan kém hoặc không tan trong dung môi hữu cơ

Độ ngọt (%): sucrose 100
fructose 173
glucose 74
maltose 33
xylose 40
lactose 16

Có khả năng quay cực

Tác dụng với acid và base
Phản ứng với dung dịch Fehling cho kết tủa màu đỏ gạch (thực hành)
Hồ tinh bột thủy phân
(đã trung hòa vơi NaOH)
Glucose 1%
Hồ tinh bột khoai lang
Bản chất của sự khác biệt là gì?
Trong môi trường kiềm loãng còn có hiện tượng chuyển nhóm
[Ca(OH)2, Ba(OH)2]
Phản ứng với -Napthol trong acid đđ cho phức màu tím (thực hành)
Phức màu tím
Tốc độ phản ứng của 3 ống nghiệm? - hồ tinh bột thủy phân (HCl)

- glucose

- hồ tinh bột khoai lang

Ý nghĩa của phản ứng Molish: định tính và định lượng monosaccharide
Phản ứng với thuốc thử Molish trong H2SO4 đđ cho phức màu tím
Monosaccharide có thể bị oxy hóa ở các vị trí carbon khác nhau
Monosaccharide có thể bị oxy hóa ở các vị trí carbon khác nhau
Glucose có thể bị oxy hóa thành:

+ Aldonic acid (gluconic acid): vị trí C1 bị oxy hóa

+ Alduronic acid (glucuronic acid): vị trí C6 bị oxy hóa

+ Aldaric acid (glucaric acid): cả C1 và C6 bị oxy hóa
Các dẫn xuất của monosaccharide
Một vài monosaccharide tiêu biểu
Triose (C3H6O3): glyceraldehyde và dihydroxyacetone (không có đồng phân quang học) là những triose chủ yếu hiếm gặp ở dạng tự do. Đây là các dạng trung gian của quá trình biến dưỡng carbohydrtae.
Một vài monosaccharide tiêu biểu
Tetrose (C4H8O4): Erythrose được quan tâm nhất: là sản phẩm trung gian trong quang hợp và trong chu trình pentosephosphate.
Một vài monosaccharide tiêu biểu
Pentose (C5H10O5): Ít gặp dạng tự do, có trong nước tiểu, lá của một vài loài thực vật, là sản phẩm trung gian trong quá trình trao đổi carbohydrate.

+ L- arabinose: là thành phần của hemicellulose, pectin, chất nhầy, gum.

+ D - xylose (đường gỗ):

Chiếm lượng nhỏ trong thành phần hemicellulose, chất nhầy thực vật, rơm rạ, bông. Sử dụng thay cho những người bệnh đái tháo đường hay phát phì. Tham gia vào thành phần glucoprotein của người, động vật và vi sinh vật.


Một vài monosaccharide tiêu biểu

Các pentose tiêu biểu khác là: D-ribose và D-2- dezoxyribose

Có trong acid nucleic và trong các nucleotide tự do, thành phần của vài vitamin và là nhóm prosthetic của các enzyme.
Một vài monosaccharide tiêu biểu
D - ribulose và D – xylulose (pentose)
 
 
Có nhiều trong thực vật xanh, vi sinh vật và trong mô động vật. Ester phosphate của chúng đóng vai trò quan trọng như sản phẩm trung gian của chu trình Calvin, con đường pentosephosphate, oxi hoá carbohydrate.
Một vài monosaccharide tiêu biểu
Hexose (C6H12O6): Có trong tự nhiên ở dạng tự do và đóng vai trò quan trọng trong sự sống.
D (+) glucose (đường nho, dextrose). Dạng tự do trong các phần xanh thực vật, trong hạt, quả, trái, mật, máu của người và động vật.

Máu người có từ 0,07 - 0,11% glucose, glucose còn có trong thành phần của polysaccharide (tinh bột, cellulose, glycogen, đường, sữa lactose, mạch nha maltose).
Một vài monosaccharide tiêu biểu
D(+) fructose (đường trái cây, levulose). Có trong phần xanh của thực vật, mật hoa, quả, trong mật.

Là đường ngọt nhất trong monosaccharide (173%) và dạng  ngọt gấp 3 lần dạng .
Một vài monosaccharide tiêu biểu
D (+) galactose: + thành phần của đường sữa (lactose), melibiose

+ trisaccharide (refinose), oligosaccharide (stachynose)

+ polysaccharide của động vật và thực vật, trong agar- agar, hột dây leo, không bị lên men bởi nấm men.
D (+) Mannose: Thành phần của polysaccharide thực vật cao phân tử, trong dịch nhầy, hemicellulose.

Trong cơ thể động vật và người ở dạng glucoprotein. Ở vi sinh vật là thành phần của vài polysaccharide vỏ.
Một vài monosaccharide tiêu biểu
Heptose (C7H14O7): có nhiều dạng khác nhau trong tự nhiên. Từ thực vật tách được cedoheptulose, D- mannoseheptulose. Cedoheptulose (ester phosphate) là sản phẩm tạo thành trong quang hợp cũng như trong chu trình pentose phosphate.
Một vài monosaccharide tiêu biểu
Một vài monosaccharide tiêu biểu khác
Mật ong - Honey
Ong làm 3 việc chính để tạo nên mật:

+ Giảm lượng nước ở mật hoa từ 30 – 60% xuống còn 15 – 19% trong mật ong

+ Thủy phân đường sucrose trong mật hoa thành glucose và fructose bởi enzyme invertase

+ Tạo ra một ít gluconic acid từ glucose bởi enzyme glucose oxidase

Thành phần đường của mật ong (tính theo khối lượng): khoảng 1% sucrose, 38% fructose, 31% glucose
Một vài dẫn xuất tiêu biểu của monosaccharide
Giải độc methanol
Oligosaccharide
Oligo theo tiếng Hy Lạp có nghĩa là một vài (few)

Oligosaccharide có từ 2 – 10 monosaccharide liên kết với nhau bằng các liên kết glycoside

Oligosaccharide tan tốt trong nước, có vị ngọt

Phân loại: + theo số mono, di-, tri-, tetrasaccharide, …
+ theo thành phần mono, homo- hay hetero-oligosaccharide (các monomer cùng loại hay khác loại)
+ theo cấu tạo: mạch thẳng hay phân nhánh
+ theo tính chất hóa học: có tính khử hay không (nhóm OH ở liên kết glycoside còn tự do hay không)
Cấu tạo phân tử của một vài oligosaccharide tiêu biểu
Các oligosaccharide tiêu biểu
Sucrose (a-D-glucopyranosyl-(1,2)-b-D-fructofuranoside)
(Saccharose, đường tinh luyện)

Có nhiều ở thực vật nhất là củ cải đường và đường mía khoảng 20 - 25% Sucrose hoà tan tốt trong nước, không có tính khử.

Sucrose dễ bị thuỷ phân trong môi trường acid

Là chất làm ngọt (đồng thời là chất bảo quản) trong nhiều loại thực phẩm

Được sử dụng nhiều trong đời sống hàng ngày
Các oligosaccharide tiêu biểu
Maltose được tạo ra nhờ sự phân cắt tinh bột nhờ enzyme diatase trong quá trình hạt nảy mầm. Một enzyme khác cũng tham gia vào quá trình thủy phân maltose là maltase.

Có nhiều trong rơm rạ, rễ thực vật và trong chế phẩm mạch nha. Maltose có nhóm hydroxyl glycoside ở dạng tự do nên có tính khử.
Liên kết glycoside
Các oligosaccharide tiêu biểu
Lactose là đường có chủ yếu trong các sản phẩm sữa, là một yếu tố dinh dưỡng thiết yếu cho trẻ sơ sinh và trẻ nhỏ.

Lactose được phân hủy nhờ enzyme lactase, enyzme này có nhiều ở tuổi nhỏ nhưng càng lớn lên chúng càng ít đi nên đa số người lớn không hấp thụ được đường lactose và thường có triệu chứng tiêu chảy khi sử dụng các sản phẩm sữa.

Trong thành phần của sữa bò chứa khoảng 4 – 5,5%, sữa mẹ 5 – 8,4% lactose. Ngoài ra lactose còn có trong ống phấn của một số loài thực vật.
Các oligosaccharide tiêu biểu
Còn cellobiose có nhiều trong vách tế bào thực vật.
Các oligosaccharide tiêu biểu
Raffinose (-D-galactopiranosine - (1  6)  - D - glucopiranosine -(12)--D- fructofuranoside) cấu tạo từ 3 monosaccharide: galactose, glucose và fructose, có trong củ cải đường và thực vật bậc cao.
Một vài oligosaccharide tự nhiên khác
Một vài dẫn xuất của oligo có hoạt tính trong y học
Polysaccharide – Glycan
Là hợp chất hữu cơ cao phân tử rất thường gặp trong tự nhiên, khi bị thủy phân hoàn toàn cho ra nhiều monosaccharide (vài chục ngàn)

Phân loại: + homopolysaccharide: do cùng 1 mono tạo nên, còn gọi là homoglycan, ex. glucan, arabinan,…
+ heteropolysaccharide: do các mono khác nhau tạo nên

Polysaccharide thường được gọi theo tên thông thường, ex. tinh bột, glycogen,…

Không tan trong nước, tạo keo trong nước nóng, không có vị ngọt

Vài trò chủ yếu là nguồn năng lượng dự trữ và bộ khung cấu tạo sinh vật
Tinh bột
Là nguồn thực phẩm chính cho người và động vật

Được thực vật tạo ra và dự trữ ở hạt, thân hay củ.

Thành phần chính của tinh bột là amylose (10 – 30%) và amylopectin (70 – 90%)

Khi đun nóng thì trương lên và tạo dung dịch keo, cho màu xanh với iod (định tính polysaccharide bằng iod, thực hành)

Khi bị thuỷ phân (HCl, thực hành) không hoàn toàn sẽ cho ra dextrin (amylodextrin, eritrodextrin, maltodextrin). Thủy phân hoàn toàn cho glucose.

Hệ enzyme thủy phân tinh bột là amylase

Tinh bột là nguyên liệu quan trong trong rất nhiều ngành công nghiệp
Liên kết hydro
tạo cấu trúc xoắn
Tinh bột cho màu xanh với iodine
Đun nóng: mất màu xanh hay màu xanh nhạt dần
Để nguội?
* Amylosedextrin:
- Bột trắng tan trong ethanol 25%, tủa trong ethanol 40%.
- Cho màu tím xanh trong dung dịch Iod.

* Eritrodextrin:
- Tan trong ethanol 55%, tủa trong ethanol 65%.

* Achrodextrin:
- Tan trong ethanol 70%.
- Không cho màu với Iod.

* Maltodextrin:
- Không tủa trong ethanol.
- Không cho màu với Iod.
Dextrin và tính chất của dextrin
Các sản phẩm sinh ra khi thủy phân tinh bột?

- Cho vào 15 mL dung dịch hồ tinh bột. Cho tiếp vào 5 mL HCl đậm đặc, khuấy đều.

- Đun cách thủy, cứ sau 1 phút thử sự thủy phân hồ tinh bột bằng iod cho đến khi không cho màu với iod.

- Nhận xét màu thay đổi khi thử dung dịch thủy phân với iod. Kết luận.

Lưu ý: Giữ dung dịch đã thủy phân để làm các phản ứng sau.
Phương pháp thí nghiệm thủy phân tinh bột bằng HCl
Amylose
Amylose có cấu tạo mạch thẳng từ các phân tử glucose qua liên kết -1,4-glycoside, có khối lượng phân tử từ vài ngàn cho đến nữa triệu.

Trong phân tử amylose có một đầu có tính khử và một đầu không có tính khử.

Khi tan trong nước nóng tạo thành vòng xoắn, cho màu xanh da trời với dung dịch iodine. Tỷ lệ giữa amylose và amylopectin quyết định tính dẻo của gạo. Nếp có ít amylose nên dẻo hơn gạo.
Amylopectin
Amylopectin cũng có cấu tạo từ glucose nhưng mạch có phân nhánh vì ngoài liên kết -1,4-glycoside còn có liên kết -1,6-glycoside.

Trong phân tử amylopectin sự phân nhánh xảy ra trong một khoảng từ 12 – 30 đơn vị glucose và mạch nhánh có độ dài từ 24 – 30 đơn vị glucose.

Khi tan trong nước nóng sẽ cho màu đỏ tím với dung dịch iodine.

(1,6)-glucosidase đặc hiệu phân cắt liên kết (1,6)-glycoside
Glycogen
Là dạng dự trữ năng lượng chính ở động vật

Chiếm khoảng 10% ở gan, khoảng 2% ở mô cơ

Phân nhánh khoảng 8 – 12 đơn vị glucose

Tan trong nước, cho màu đỏ tím hoặc đỏ nâu với iod

Còn có mặt ở mấm, thực vật bật cao và vi sinh vật
Dextran
Có khối lượng phân tử lớn 5.108
(lớn nhất trong nhóm carbohydrate)

Phân nhánh ở các vị trí khác nhau

Được tổng hợp ở vi khuẩn

Dextran và dẫn xuất có thể dùng làm kháng nguyên và chất chống đông tụ máu (sulphadextran, heparin)
Cellulose
Là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật cùng với hemicellulose, lignin và pectin

Là chất hữu cơ hiện diện nhiều nhất trong tự nhiên, khoảng 50%

Là thành phần chính của gỗ, bông (100%)

Có cấu trúc bền nhờ liên kết hydro

Không tan trong nước

Có tác dụng nhuận trường trong tiêu hóa

Động vật ăn cỏ có enzyme cellulase do vsv tiết nên tiêu hóa được cỏ
Liên kết?
Hemicellulose
- Là polysaccharide thực vật, có nhiều trong vỏ cứng của hột, rơm rạ. . .
- Cấu tạo từ manose, galactose, arabinose, xilose.
Không tan trong nước, tan trong kiềm.

Pectin
- Có nhiều trong quả, củ, thân, đặc biệt trong cùi trắng của quả bưởi, cam, chanh.
- Khi có acid, đường có thể tạo nên keo và được dùng trong sản xuất mứt, kẹo.
- Cấu tạo từ gốc acid galacturonic.
- Là thành phần của vách tế bào.
Hemicellulose và pectin
Cấu trúc của vách tế bào (cell wall)
Chitin
Là polymer thẳng của N-Acetylglucosamine

Rất phổ biến trong tự nhiên

Tham gia cấu tạo nên lớp vỏ ngoài của đv chân đốt, là khung nâng đỡ và bảo vệ

Khi đun nóng với kiềm loãng tạo chitosan có nhiều ứng dụng trong thực tiễn (vỏ bao, miếng đệm, …)
Agarose
Có cấu tạo từ các gốc galactose

Tan trong nước nóng, để nguội tạo gel (sử dụng trong công nghệ diện di)

Có trong nghiều loại rong biển

Được sử dụng nhiều trong nuôi cấy, sinh học phân tử, công nghiệp bánh kẹo
Agarose
Định lượng đường khử (glucose) theo Hagedorn-Jensen (modified by Isskuts và Both)

Nguyên tắc: Dựa vào tính khử của monosaccharide, định lượng glucose theo phản ứng oxy hóa - khử. Glucose là chất khử; fericyanua kali là chất oxy hóa. Phản ứng xảy ra trong môi trường kiềm đun nóng.
Glucose khử fericyannua kali, ferocyanua kali được làm kết tủa dạng hóa hợp kẽm không tan:
2K3NaFe(CN)6 + 2ZnSO4  2K2ZnFe(CN)6 + Na2SO4 + K2SO4

- Fericyanua kali thừa được định phân gián tiếp qua phương pháp định phân iod bằng thiosulfit natri:
K3Fe(CN)6 + KI  K4Fe(CN)6 + ½ I2
2Na2S2O3 + I2  Na2S4O6 + 2NaI
Tiến hành
Dùng dung dịch glucose có nồng độ 2 mg/mL pha thành 5 dung dịch có nồng độ khác nhau từ 0,4 mg/mL đến 2 mg/mL theo bảng sau:
Sau khi đun cách thủy và làm nguội
Sau khi thêm ZnSO4.KI và so sánh màu
Cầm nghiên ống nghiệm và cho chảy từ từ theo thành ống nghiệm, không lắc
Các hiện tượng và màu sắc sau khi thêm CH3COOH 9%
Hiện tượng chuyển màu khi định phân
và tín hiệu kết thúc phản ứng
Còn iod
Tinh bột
Kết thúc
Kết quả định phân lập bảng:
Vẽ đường biểu diễn V = f(C) mg/mL
Đường biển diễn có dạng y = ax
Trong đó
Dạng lý tưởng
Nồng độ glucose (mg/mL)
Cách vẽ đồ thị y = ax?
Nồng độ glucose (mg/mL)
Ước lượng giá trị C6 bằng đồ thị và phương trình?
Nồng độ glucose (mg/mL)
Một số sai lầm thường gặp
Burette còn bọt khí

Chia tỷ lệ trên trục không cân xứng

Không có tên của đồ thị

Tên và đơn vị của 2 trục tọa độ

Không ghi hàm số tìm được

Tất cả các điểm V đều nằm trên đường thẳng ước lượng

Viết cầu từ khó hiểu hoặc vô nghĩa