Carbohydrate (1)

Bài giảng Sinh Hóa Glucid CHƯƠNG 2: GLUCID (CARBOHYDRATE) KHÁI QUÁT CHUNG Glucid hợp chất hữu phổ biến thiên nhiên thường gặp thể thực vật, động vật, vi sinh vật với hàm lượng khác + Người động vật không 2% + Ở thực vật chiếm nhiều 80-90% 1.1 Thành phần - Glucid cấu tạo nguyên tố C, H, O định nghĩa hợp chất polyol có chứa nhóm aldehyde ceton - Trước glucid có tên gọi carbohydrate xuất phát từ công thức Cn(H2O)n Tuy nhiên, nghiên cứu sau cho thấy phần lớn glucid có cơng thức phân tử chung Tỷ lệ C:H:O khác phân tử Hoặc có số chất khơng thuộc nhóm glucid lại có cấu trúc phân tử Ví dụ: C2(H2O)2 có cơng thức CH3COOH Ngồi ra, thành phần glucid cịn có ngun tố khác N, S, P trường hợp polysaccaride phức tạp 1.2 Chức Glucid giữ vai trò quan trọng đa dạng thể sống: - Là tiền chất tổng hợp chất hữu khác thể: acid nucleic, acid hữu cơ, acid amin - Là nguồn cung cấp lượng trực tiếp cho tất tế bào thể người động vật, thực vật Trong q trình hơ hấp, glucid giải phóng nguồn lượng lớn cung cấp cho hoạt động thể tiến hành chức khác (1 gam glucid Oxi hóa 4,1 Kcal) - Tạo hình: lớp áo ngồi giáp sát, sâu bọ glucid tạo nên - Chức bảo vệ thành phần cấu tạo vách tế bào động vật, bảo vệ tránh tác động mơi trường ngồi Glucid phức hợp với protein có mơ sụn mô liên kết thực chức nâng đỡ thể người động vật - Điều hịa: làm nhiệm vụ đóng mở khí khổng, gây kích thích ống tiêu hóa, tham gia điều hịa q trình thẩm thấu tế bào - Dự trữ chất dinh dưỡng: có khả dự trữ chất dinh dưỡng thể dạng glycogen gan người động vật tinh bột saccharose thực vật 1.3 Phân loại Dựa vào cấu tạo chia glucid thành nhóm sau: - Monosaccharide: đường đơn (monose) - Olicosaccharide: glucid có từ 2-10 monosaccharide -48- Bài giảng Sinh Hóa Glucid - Polysaccharide: chứa từ 10 monosaccharide trở lên (đường đa phân tử) MONOSACCHARIDE 2.1 Khái quát 2.1.1 Định nghĩa Monosaccharide aldehyde hay ceton có chứa nhóm alcol, chúng đường đơn khơng bị thủy phân, gọi aldehyde hay ceton polyalcol oxy hóa polyalcol tạo monosaccharide + Rượu bậc I Oxi hóa aldehyde + Rượu bậc II Oxi hóa ceton Monosaccharide có chứa nhóm aldehyde gọi đường aldose Monosaccharide có chứa nhóm ceton gọi đường cetose Đây xem dạng đồng phân cấu tạo aldose-cetose chúng có cơng thức phân tử, khác cơng thức cấu tạo nhóm chức CHO CH2OH -2 H Glycerol CHOH CH2OH HCOH CH2OH Glyceraldehyde -2 H CH2OH C O CH2OH Dihydroxyaceton 2.1.2 Phân loại Có thể chia theo nguyên tắc sau: + Tùy theo có mặt nhóm aldehyde ceton phân tử Có dạng aldose cetose + Tùy theo số lượng nguyên tử C có phân tử monosacaric thiên nhiên có từ 2-8C khơng phân nhánh thuộc monosaccharide C2: diose; C3: triose; C4: tetrose; C5: pentose; C6: hexose; C7: heptose; C8: Octose + Phân loại theo chất hóa học: - Monosaccharide trung tính: phân tử có nhóm carbonyl alcol - Monosaccharide acid: ngồi nhóm cịn có nhóm carboxyl - Monosaccharide base: ngồi nhóm cịn có nhóm -NH2 2.1.3 Gọi tên: -49- Bài giảng Sinh Hóa Glucid - Gọi tên monosaccharide thường có phần: + Phần gốc tính chất hay nguồn gốc monosaccharide tận cộng thêm "ose" Ví dụ: Glucose, fructose, galactose Ngồi cịn tên cetose thêm "ulose" Ví dụ: xilulose, ribulose, sedoheptulose * Các monosaccharide có chứa nhóm amin gọi dẫn suất aminosaccharide Ví dụ: Glucose có nhóm -NH2 ® Glucosamine Galactose có nhóm -NH2 ® Galactosamine * Nếu chứa nhóm carboxyl gọi acid uronic aldonic Glucose ® gluconic, galatose ® galactonic 2.2 Cấu tạo Monosaccharide 2.2.1 Cấu tạo thẳng monosaccharide Tất monosaccharide trừ dioxyaceton có carbon hoạt quang (C* bất đối xứng) nên có tính hoạt quang, có khả làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực thường tồn dạng đồng phân đối quang D & L hay cịn gọi enantiomer Ví dụ: CHO H C HO C OH H CHO HO C H H C OH H C OH HO C H H C OH HO C H CH2OH CH2OH D Glucose L Glucose Dạng D: nhóm -OH gắn vào C* áp chót nằm bên phải Dạng L: nhóm -OH gắn vào C* áp chót nằm bên trái Chú ý: - Muốn xác định số đồng phân lập thể ta áp dụng công thức 2n (n số C*) - Trong thiên nhiên, monosaccharide diện dạng D nhiều dạng L; trừ L- arabinose 2.2.2 Cấu tạo vịng: Việc biểu diễn cấu hình monosaccharide với chuỗi C mạch thẳng theo Fischer tiện để biểu diễn đồng phân chúng đồng thời thể tính chất chung monosaccharide Tuy nhiên vài trường hợp chúng cho ta thấy hết dung dịch tính chất tồn monosaccharide, monosaccharide có C trở lên như: -50- Bài giảng Sinh Hóa Glucid - Khơng cho phản ứng với thuốc thử Schiff - Ether bị thủy phân lần (có chức khử aldehyde cho bán acetal) - Có tượng chuyển quay - Số đồng phân lập thể thực tế lớn số tính theo cơng thức 2n - Khơng có vạch hấp thu vùng cực tím đặc trưng cho nhóm carboxyl C O Để giải thích tượng Colli (1870) giải thích ngồi cấu tạo thẳng monosaccharide cịn có cấu tạo vịng Giả thuyết Tollens (Đức) xác nhận phát triển đầy đủ - Theo hóa học hữu aldehyde ceton tác dụng với alcol để tạo thành bán acetal (hemiacetal) cetal tương ứng R1 C O H + HO R2 R1 C OR2 H OH hemiacetal (Bán acetal) Phản ứng xảy nội phân tử monosaccharide tạo thành bán acetal vịng Trong cơng thức vịng, carbon từ nhóm aldehyde trở thành carbon bất đối xứng hay gọi carbon anomer Vì đưa đến phân tử monosaccharide có số đồng phân tăng lên 2n+1 hình thành nhóm hydroxyl carbon anomer gọi -OH glycoside (-OH bán acetal) Khi nhóm OH- glycoside nằm bên phải có đồng phân dạng a, bên trái có đồng phân dạng b * Dạng vịng monosaccharide dạng cạnh cạnh Theo Haworth cơng thức phẳng chiếu dạng cạnh có cấu tạo tương tự nhân pyran nên monosaccharide có cấu tạo dạng cạnh gọi pyranose Còn dạng cạnh có cấu tạo tương tự nhân furan nên gọi furanose O O pyran furan Ví dụ: cấu tạo vòng glucose xảy sau: -51- Bài giảng Sinh Hóa Glucid HO H C C H C HO C H C OH H C H O OH C HO C O H OH H H H C HO C H C OH H C H C OH C CH2OH CH2OH b D Glucose D Glucose OH H O OH CH2OH a D Glucose CH2OH O OH C CH2OH OH O OH b D Glucopyranose a D Glucopyranose 2.2.3 Khả chuyển hóa dạng monosaccharide Các dạng monosaccharide chuyển hóa lẫn tùy theo điều kiện phản ứng tác nhân phản ứng mà monosaccharide tham gia vào phản ứng dạng vịng thẳng khác Ví dụ: Glucose tồn dạng khác dung dịch: CH2OH CH2OH O CHOH C O H C OH a D Glucofuranose HO C H OH H H C OH H C OH OH a D Glucopyranose CH2OH CH2OH D Glucose CHOH O O CH2OH O OH OH b D Glucopyranose b D Glucofuranose -52- Bài giảng Sinh Hóa Glucid Thực tế glucose chủ yếu dạng glucopyranose Một phần nhỏ dạng glucofuranose khoảng 0,1% dạng mạch thẳng Mặc dù dạng mạch thẳng có tỷ lệ nhỏ dung dịch luôn trạng thái cân động tồn dung dịch thực số tính chất -CHO 2.2.4 Các dạng đồng phân dẫn xuất monosaccharide khác Như đề cập phần cấu tạo, tất monosaccharide đồng phân lập thể enantiomer D & L, số monosaccharide có số carbon lớn có thêm dạng vòng gọi đồng phân anomer Trong thực tế, phân tử glucose cịn có dạng đồng phân khác nhóm -OH gắn vào vị trí C* vị trí 2, tạo dạng đồng phân epimer Các epimer quan trọng glucose mặt sinh học mannose (epimer hóa C2) galactose (epimer hóa C4) Đây đa dạng thiên nhiên, monosaccharide tham gia vào thành phần cấu tạo dipolysaccharide dẫn suất chúng tất thành vách mô tế bào (epimer C-4) (epimer C-2) Ngoài dạng hexose đơn giản glucose, galactose mannose Trong thể sinh vật cịn có nhiều dẫn suất khác hình thành nhóm hydroxyl monosaccharide bị thay nhóm khác nguyên tử carbon bị oxy hóa thành nhóm carboxyl Ví dụ glucosamine, galacturonic, N-acetylglucosamine thành phần cấu tạo nhiều loại polymer cấu trúc bao gồm thành tế bào vi khuẩn Thành vách tế bào vi khuẩn cịn có thêm dẫn suất glucosamine Nacetylmuramic Sự thay nhóm hydroxyl vị trí C6 L-galactose L-mannose nguyên tử hydro tạo thành L-fucose L-rhamnose, loại đường khử oxy tìm thấy polysaccharide thực vật cấu tạo oligosaccharide glycoprotein glycolipid Ngoài ra, dẫn xuất N-acetylmannosamine N-acetylneuraminic acid (còn gọi sialic acid) thành phần nhiều loại glycoprotein glycolipid mô bào động vật -53- Bài giảng Sinh Hóa Glucid Hình 3.1 : Một số dẫn xuất monosaccharide thành vách mô tế bào 2.3 Tính chất chung monosaccharide 2.3.1 Tính chất lý học Monosaccharide tinh thể rắn, không màu, không mùi Tan nhiều H2O, tan hồn tồn khơng tan dung mơi hữu alcol, eter, có vị độ không Nếu độ saccharose (đường mía) 100% fructose 173% Glucose (nho) 74% Mannose 32% Lactose (sữa) 16% Xilose (gỗ) 4% Tất monosaccharide trừ dioxyaceton có khả quay cực có giá trị cho loại đường Người ta lợi dụng tính chất để định lượng monosaccharide phân cực kế (polarimeter) 2.3.2 Tính chất hóa học 2.3.2.1 Sự tác dụng acid base lên monosaccharide -54- Bài giảng Sinh Hóa Glucid Tác dụng acid: monosaccharide bền vững dung dịch acid vô nóng Nhưng với tác dụng acid vơ đậm đặc (H2SO4, HCl) chúng dehydrat hóa (khử) H2O phân tử monosaccharide để tạo aldehyde vòng (furfural) Ví dụ: CH2OH H2SO4 ‚‚ O O HO CH2 CHO + 3H 2O OH a D Glucose hydroxymetyl furfural OH HOH2C O O H2SO4 ‚‚ CHO + 3H 2O furfural b D Ribose Các furfural tham gia phản ứng với phenol hay dẫn suất phenol phản ứng ngưng tụ để tạo sản phẩm màu Đây phản ứng dùng để định tính monosaccharide đặc biệt cetose chúng tạo thành hydroxymetyl furfural với tốc độ nhanh dạng aldehyde (phản ứng Selivanop) Tác dụng base: Đối với dung dịch kiềm lỗng nhiệt độ phịng, làm dịch chuyển nhóm chức nằm nguyên tử C bán acetal sang nguyên tử C nằm cạnh mà khơng ảnh hưởng đến nhóm khác Hiện tượng gọi tượng epimer hóa - Ví dụ: D-glucose OH ® cisenol ® D.Mannose C O HO C H H C OH HO C H H C OH HO C H OH H H C OH H C OH H C OH H C OH CH2OH D Glucose chuyển sang dạng transenol ® D-fructose CH2OH Trans enol OH CH2OH HO C H CHO C O HO C H HO C H HO C H OH HO C H OH HO C H H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH CH2OH D Fructose CH2OH Cis enol CH2OH D Mannose - Khi đun nóng dung dịch kiềm lỗng có monosaccharide tự bị chuyển nhóm nội phân tử tạo thành sản phẩm nhuộm màu thường từ màu vàng sang nâu đen Cường độ màu tùy thuộc vào nồng độ dung dịch, thường dùng để xác định hàm lượng đường mía theo phương pháp Altrausen -55- Bài giảng Sinh Hóa Glucid 2.3.2.2 Tính khử Các monosaccharide có nhóm -CHO -C=O phân tử nên chúng thể tính khử Tính khử thể rõ cho tác dụng với muối kim loại nặng môi trường kiềm đun nóng Muối kim loại nặng bị khử thành kim loại tự oxyde kim loại có hóa trị thấp kết tủa Còn monosaccharide bị oxy hóa nhóm carbonyl (aldehyde) glucose tạo thành acid gluconic, aldose khác tạo thành acid aldonic CHO COOH ( HCOH ) n + Cu(OH)n NaOH ( HCOH ) n + Cu2O CH2OH CH2OH * Với H2O Brom Ngồi ra, tính khử monosaccharide cịn xảy phức tạp, khơng nhóm -CHO bị oxy hóa mà -OH bậc I oxy hóa tùy thuộc vào điều kiện phản ứng mà nhóm nhóm bị oxy hóa Nếu nhóm -CHO bảo vệ nhóm rượu bậc bị oxy hóa tạo acid uronic, có ý nghĩa thực tế phân tử cịn nhóm -OH glycoside tự tạo liên kết glycoside với độc tố bên vào thể tiết Glucose, galactose, mannose tạo thành acid uronic tương ứng glucuronic, galacturonic, mannuronic CHO (HCOH)4 COOH CHO HBrO Che CHO (HCOH)4 HBrO (HCOH)4 CH2OH COOH CH2OH Aldonic (Gluconic) Uronic (Glucuronic) 2.3.2.3 Tính oxy hóa Các monosaccharide ngồi việc thể tính khử cịn có khả thể tính oxy hóa, nên thân bị khử để tạo thành polyalcol Các aldose bị khử tạo thành polyalcol Các cetose bị khử tạo thành polyalcol đồng phân CHO H C HO C CH2OH OH H H C +2 H HO C OH H H C OH H C OH H C OH H C OH CH2OH CH2OH D Glucose D Sorbitol -56- Bài giảng Sinh Hóa Glucid Đối với D-mannose bị khử thành D-mannitol; D-fructose bị khử thành D-sorbitol D-mannitol C O HO C H HO C H HO C CH2OH CH2OH CH2OH H +2 H H C +2 H HO C OH H H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH CH2OH CH2OH CH2OH D Sorbitol D Fructose D Mannitol 2.3.2.4 Phản ứng tạo liên kết glycoside Sự có mặt nhóm OH-glycoside dạng vịng monosaccharide nên tạo nhiều hợp chất kiểu ether với alcol với hợp chất khác khơng phải glucid có nhóm -OH Tính chất đặc trưng nhóm OH-glycoside đặc điểm dễ dàng bị thay nhân xảy tâm glycoside Kết tạo thành dẫn suất monosaccharide olygo, polysaccharide nhiều hợp chất glucid khác thông qua liên kết phổ biến O-glycoside Ngồi có số kiểu liên kết N-glycoside, S- glycoside có hoạt tính sinh học khác CH2OH CH2OH O O + CH3OH OH H+ OCH3 H2O α-D glucose 1-Metyl-glucose CH2OH CH2OH CH2OH O OH + H O H2O + CH2OH O O O OH β-D Galactose OH α-D glucose Lactose 2.3.2.5 Phản ứng tạo thành ester Các nhóm -OH monosaccharide có khả liên kết với acid để tạo thành ester, thường gặp vị trí nhóm -OH C1, C6 Trong số ester quan trọng monosaccharide ester với acid phosphoric có ý nghĩa đặc biệt quan trọng * Các ester phophat có ý nghĩa đặc biệt quan trọng q trình chuyển hóa glucid là: Glucose-1- monophosphat; Glucose-6-monophosphat; Glucose-1,6 diphosphat; Fructose-6-monophosphat; Fructose-1,6-diphosphat -57- Bài giảng Sinh Hóa Glucid + Phần đầu nguồn gốc, xuất xứ + phần + “ose” Ví dụ: Lactose, saccharose Ngồi ra, cịn có hệ thống gọi tên khác tương đối phức tạp Ví dụ: Saccharose: a D-Glucopyranosyl -1→ b D-fructofuranoside Lactose: b D-galactopyranosyl 1→ a-D glucopyranose 3.2 Đặc tính số Oligosaccharide tiêu biểu 3.2.1 Disaccharide Là oligosaccharide phổ biến rộng rãi thiên nhiên Trong phân tử oligosaccharide có gốc đường hexose pentose kết hợp lại với nhau, gốc hexose kết hợp với gốc pentose thông qua liên kết O -glycoside Các gốc monosaccharide phân tử disaccharide giống khác Ví dụ: Maltose tạo thành từ phân tử glucose Lactose tạo thành từ monosaccharide khác galactose glucose Tùy kết hợp monosaccharide mà disaccharide chia làm loại disaccharide khử không khử 3.2.1.1 Maltose: (đường mạch nha): nhiều quan thực vật bậc cao, rễ Cấu tạo gồm phân tử a-D- glucose kết hợp lại với liên kết a-(1→4) glycoside CH2OH CH2OH O O O OH Maltose:a D-glucopyranosyl 1→4 a-D-glucopyranose - Có tính khử 3.2.1.2 Lactose (đường sữa) Cấu tạo b-galactose a D-glucose liên kết b-(1→4) glycoside CH2OH CH2OH O O O OH Lactose: b D-galactopyranosyl 1→ a-D glucopyranose Lactose có nhiều sữa động vật, sữa bị từ 4,5-5% Phụ nữ: 5,5-8,4%: thực vật ít, có lượng nhỏ ống phấn hoa Có tính khử 3.2.1.3 Cellobiose: có nhựa số -61- Bài giảng Sinh Hóa Glucid Cấu tạo phân tử b-glucose liên kết β(1→4) glycoside CH2OH CH2OH O O O 3.2.1.4.Saccharose: (đường mía củ cải đường) Phổ biến thực vật: cải đường, mía , mía 14-25%, củ cải 10-20% Cấu tạo từ a-D glucose b-D fructose liên kết a-(1→2)O- glycoside CH2OH O O Khơng có tính khử - Saccarose tan nhiều H2O, góc quay đặc hiệu + 66,5o Hỗn hợp sau thủy phân saccharose gọi "đường đảo" CH2OH O CH2OH 3.2.1.5 Trehalose (đường nấm) Có nhiều nấm, tảo số - Cấu tạo gồm phân tử a-D glucose liên kết a-a-(1,1) O- glycoside Đây đường không khử CH2OH CH2OH O O O OH 3.2.2 Trisaccharide Trisaccharide phổ biến rafinose, tìm thấy rỉ đường, đậu, bắp cải, bơng cải xanh, măng tây, loại rau, hạt cải, từ rỉ đường người ta thu rafinose nguyên chất Cấu tạo gồm a-D galactose; a-D glucose; b-D fructose nối với liên kết a(1,6); a(1,2) Oglycoside Rafinose khơng có vị ngọt, khơng bền với nhiệt độ, tác dụng acid dễ dàng bị thủy phân giải phóng fructose CH2OH O O CH2OH CH2 O O O -62- CH2OH Bài giảng Sinh Hóa Glucid 3.2.3 Tetrasaccharide: stachyose tìm thấy nhiều loại đậu (đậu xanh, đậu nành loại đậu khác) thực vật Cấu tạo gồm phân tử a-D-galactose; phân tử a-D glucose b-D fructose nối với liên kết a(1,6); a(1,6) a(1,2) O-glycoside Stachyose có độ khoảng 28% so với đường saccharose khó bị tiêu hóa thể người CH2OH O CH2 O O CH2OH CH2 O O O O CH2OH POLYSACCHARIDE 4.1 Đặc tính chung Polysaccharide chuỗi polymer cao phân tử có 10 đến vài ngàn gốc monosaccharide nối với liên kết a- b-O-glycoside Các monosaccharide tham gia vào thành phần polysaccharide dạng pyranose furanose Dựa vào thành phần monomer có phân tử polysaccharide người ta chia làm hai loại: homopolysaccharide gọi polysaccharide heteropolysaccharide cịn gọi polysaccharide tạp có cấu trúc chung hình 3.2 Hình 3.2: Cấu trúc chung polysaccharide polysaccharide tạp -63- Bài giảng Sinh Hóa Glucid Polysaccharide khơng có vị ngọt, khơng có tính khử Nếu có khả tan nước tạo dung dịch keo Trong thể sinh vật, polysaccharide chủ yếu giữ vai trò cấu trúc dự trữ Khác với protein, polysaccharide khơng có phân tử lượng đặc trưng Sự khác biệt khác chế sinh tổng hợp hai loại polymer Protein tổng hợp dựa khuôn mẫu (mRNA) với trình tự độ dài xác định Sinh tổng hợp polysaccharide khơng theo khn mẫu, chương trình sinh tổng hợp polysaccharide chất enzyme xúc tác điểm kết thúc đặc trưng q trình tổng hợp 4.2 Các polysaccharide tiêu biểu 4.2.1 Polysaccharide Polysaccharide chứa loại đơn vị cấu tạo Một số polysaccharide đóng vai trị dự trữ gốc đường đơn để cung cấp lượng cho thể Tinh bột glycogen polysaccharide thuộc nhóm Một số polysaccharide khác cellulose chitin đóng vai trị yếu tố cấu trúc thành tế bào thực vật vỏ cứng nhiều lồi động vật trùng, giáp xác 4.2.1.1 Tinh bột Tinh bột chất dự trữ thực vật, nguồn thức ăn người động vật, nguồn cung cấp lượng chủ yếu cho hoạt động sống Tinh bột có chủ yếu hạt, củ, thân Ngô, lúa, lúa mì chiếm 60-75% Trong mơ thực vật, tinh bột thường tồn dạng hạt có hình dáng, kích thước cấu tạo khác tùy theo nguồn gốc Các hạt tinh bột không tan nước lạnh Khi đun nóng khuấy nước tinh bột nở khuếch tán thành dung dịch keo gọi hồ tinh bột Thành phần chủ yếu tinh bột polysaccharide chiếm 96,1-97% gồm loại: amylose amylopectin, từ 0,2-0,7% khoáng chất chủ yếu muối photphat Ngồi ra, tinh bột cịn có acid palmitic, stearic, vài acid béo hợp chất khác kết hợp với tinh bột thành phức chất chiếm khoảng 0,6% * Amylose: chuỗi polysaccharide có cấu tạo mạch thẳng không phân nhánh gồm gốc a-D glucose kết hợp lại với liên kết a-(1,4) O-glycoside CH2OH CH2OH O O O CH2OH CH2OH O CH2OH O O O O O ¬·ˆu K ¬·ˆu N n - Amylose dễ tan H2O, tạo thành dung dịch có độ nhớt khơng cao Khi tác dụng với I2 ® màu xanh, giải thích tượng phân tử tinh bột tạo thành mạch thẳng bố trí thành hình xoắn ốc (hình 3.3) Phía ngồi xoắn ốc phân bố nhóm -OH Cịn phía nhóm carbuahydro (-CH), Iod chiếm vị trí không gian xoắn ốc ứng với vịng xoắn có phân tử iod Nhờ nhóm C-H bao quanh phân tử iod hấp thụ xạ thích hợp tạo màu xanh đặc trưng -64- Bài giảng Sinh Hóa Glucid Hình 3.3: Cấu trúc dạng xoắn ốc amylose * Amylopectin: chuỗi polysaccharide có cấu tạo mạch phân nhánh Cũng cấu tạo từ a-D glucose, chúng liên kết với liên kết a(1-4) O-glycoside cịn có liên kết a(1-6) O-glycoside Các điểm phân nhánh nằm cách trung bình khoảng 18-20 gốc monosaccharide CH2OH CH2OH O O CH2OH CH2 O CH2OH CH2OH O O O O O CH2OH O O O O O ¬·ˆu K ¬·ˆu N n Amylopectin tạo dung dịch keo có độ nhớt cao Tác dụng với I2 cho màu xanh tím kết tạo thành phức hợp hợp chất hấp thụ màu Khi thủy phân tinh bột acid vô đun nóng ta nhận dextrin chuỗi polysaccharide ngắn có khối lượng phân tử khác - Sản phẩm amylodextrin tác dụng I2 ® tím xanh, tan ethanol 25%, ¯ ethanol 40% - Kế đến eritrodextrin tác dụng với I2 ® nâu tím, tan ethanol 55%; ¯ ethanol 75% dạng tinh thể hình cầu - Tiếp theo achrodextrin không cho phản ứng màu với I2 tan ethanol 70% - Thủy phân hồn tồn ® maltodextrin không cho phản ứng màu I2, không bị kết tủa ethanol -65- Bài giảng Sinh Hóa Glucid 4.2.1.2 Glycogen Glycogen có nấm mốc, nấm men Đặc biệt glycogen dạng glucid dự trữ người động vật có hàm lượng cao gan, bắp thịt (cơ vân) số đại não Hàm lượng glycogen gan, bắp thịt phụ thuộc vào mức độ no đói động vật Khi đói lượng glycogen bị giảm nhanh Bắp thịt mệt mỏi, lượng glycogen bé sử dụng làm việc Trong mơ gan, glycogen chiếm đến 7% lượng gan tươi hạt glycogen có kích thước lớn tạo thành bó glycogen từ hạt có kích thước nhỏ Cuối nhánh có đầu khơng có tính khử, số lượng đầu khơng có tính khử glycogen số lượng nhánh có phân tử Khi glycogen sử dụng nguồn lượng, đơn vị glucose tách dần khỏi phân tử glycogen từ đầu khơng có tính khử Glycogen chuỗi polymer gồm gốc a-Dglucose có cấu tạo phân nhánh nhiều amylopectin Các điểm phân nhánh cách 10-12 gốc monosaccharide Tính chất: glycogen trạng thái vơ định hình, màu trắng tan H2O nóng, cho màu tím đỏ tác dụng với I2, khơng có tính khử, thủy phân acid enzyme tương ứng cho phân tử a-D glucose 4.2.1.3 Cellulose Cellulose phổ biến rộng khắp thiên nhiên: vải 90%, gỗ 50%, thành phần màng tế bào thực vật Cellulose polysaccharide mạch thẳng gồm gốc b-D-glucose liên kết liên kết b(1,4) O-glycoside Phân tử cellulose có dạng hình sợi, nhiều phân tử hình sợi kết hợp song song với tạo thành chùm (gọi mixen sợi nhỏ) nhờ liên kết hydro cấu trúc hình sợi định tính chất học, hóa lý hóa học cellulose (hình 3.4) CH2OH CH2OH CH2OH O O O O CH2OH O O O CH2OH O O n Hình 3.4: Cấu trúc hai chuỗi cellulose song song gắn kết bới liên kết hydro -66- Bài giảng Sinh Hóa Glucid Ngồi ra, phân tử cellulose cịn có nhóm OH tự nên tạo dẫn suất quan trọng ngành công nghiệp dẫn suất nitrocellulose, acetylcellulose kỹ nghệ chất dẽo, chất nổ, sợi gen nhân tạo Cellulose khơng cho màu với I2, khơng có tính khử, khơng tan H2O dung môi thông thường Cellulose bị thủy phân tác nhân: acid đậm đặc enzyme cellulase Nhiều lồi động vật khơng thể sử dụng cellulose làm nguồn nhiên liệu khơng có enzyme thủy phân liên kết b-(1,4) O-glycoside Động vật nhai lại số loài động vật khác thỏ, ngựa có khả sử dụng cellulose làm nguồn nhiên liệu chúng có hệ vi sinh vật phong phú đường tiêu hóa, vi sinh vật tiết enzyme cellulase để phân giải cellulose 4.2.1.4 Dextran (tiêu biểu cho polysaccharide vi sinh vật) Dextran tiêu biểu cho polysaccharide vi khuẩn nấm men tạo thành từ gốc a-D glucose kết hợp liên kết a-(1→6) O-glycoside Tất loại dextran có mạch nhánh liên kết (a1→3), số có mạch nhánh liên kết (a 1→2) (a1→4)O-glycoside Dextran tan nước cho dung dịch có độ nhớt cao, nhờ mà người ta phát dextran lọc kết tinh đường saccarose Các sản phẩm trùng hợp acid dextran dùng làm chất thay huyết máu, chúng độc thích hợp tính chất thẩm thấu độ nhớt máu chất thay khác Ngồi dextran cịn nguyên liệu ban đầu để sản xuất sephadex, loại gel phân tử có nhiều ứng dụng phịng thí nghiệm 4.2.1.5 Chitin Chitin polysaccharide thành phần chủ yếu mơ biểu bì trùng giáp xác Đơn vị cấu tạo chitin N-acetyl-b-D glucosamine kết hợp với liên kết (b1→4) O-glycoside Như mặt cấu tạo chitin gần giống cellulose có khác thay nhóm hydroxyl vị trí C2 nhóm amin CH2OH CH2OH CH2OH O CH2OH O O O NH C CH3 O O O O O NH C CH3 CH2OH O O NH C CH3 NH C CH3 NH C CH3 O O O acetyl hóa (NH-CO-CH3) Chitin có dạng sợi giống cellulose động vật khơng tiêu hóa chitin Chitin khơng bị hịa tan acid, kiềm lỗng dung mơi hữu Khi đun chitin dung dịch đậm đặc số muối bị hịa tan 4.2.1.6 Inulin: polysaccharide có nhiều củ rễ thược dược (Dahlias), astisô (Artichaut) Inulin cấu tạo từ phân tử β-D fructose liên kết với liên kết (β1→2) O-glycoside tận phân tử saccharose Phân tử lượng inulin thấp có khoảng 30 gốc fructose, polysaccharide dễ dàng hòa tan nước Inulin giúp thể tăng cường hấp thu -67- Bài giảng Sinh Hóa Glucid canxi hấp thụ magie Về dinh dưỡng inulin coi dạng chất xơ hòa tan 4.2.2 Polysaccharide phức tạp Polysaccharide tạp đại phân tử có cấu trúc phức tạp, tạo từ nhiều loại monosaccharide khác nhau, dẫn xuất monosaccharide hay cịn có thêm chất khác Polysaccharide tạp có nhiều tự nhiên có vai trị sinh học quan trọng Ở mô bào động vật, nhiều loại polysaccharide tạp có khoảng tế bào, chúng tạo thành matrix giúp tế bào liên kết với nhau, giữ hình dạng, bảo vệ trợ giúp cho tế bào, mô quan nhiều hoạt động khác 4.2.2.1 Hemicellulose Là tên gọi chung cho lớp polysaccharide thường theo với cellulose tạo nên thành tế bào thực vật, có nhiều phận thực vật rơm rạ, bẹ ngô, trấu, vỏ cứng hạt, phận hóa gỗ thực vật thực vật Hemicellulose không tan nước, tan dung dịch kiềm thủy phân acid dễ cellulose Khi bị thủy phân hemicellulose tạo thành hổn hợp gồm hexose pentose hay hexose mà thơi Trong hemicellulose monose chiếm đa số hemicellulose có tên tương ứng với monose đó: + Xylose chiếm đa số hemicellulose có tên xylan, có nhiều rơm rạ, số quan thực vật + Arabinose chiếm đa số hemicellulose có tên araban + Galactose chiếm đa số hemicellulose có tên galactan 4.2.2.2 Pectin Pectin polysaccharide có nhiều quả, củ thân Trong thực vật pectin tồn hai dạng protopectin không tan chủ yếu thành tế bào dạng hòa tan dịch tế bào Dưới tác dụng acid protopectinase biến đổi thành pectin hịa tan -68- Bài giảng Sinh Hóa Glucid Nhóm metoxy Pectin cấu tạo từ gốc a-D-galacturonic, số nhóm carboxyl vị trí C6 ester hóa với methanol Tỉ lệ metyl hóa biểu diễn số metoxy Sự metyl hóa hồn tồn tương ứng với số metoxy khoảng 16,3% pectin tách từ thực vật thường có số metoxy khoảng 10-12% Pectin có khả tạo gel, tính chất ứng dụng công nghệ thực phẩm sản xuất mứt, kẹo… 4.2.2.3 Agar Agar có mặt thành tế bào số loại tảo đỏ, rong biển, polysaccharide tạp Agar có hai thành phần: thành phần khơng phân nhánh agarose thành phần phân nhánh agaropectin thường gặp số loài rong biển Agarose gồm gốc D L-galactose kết hợp lại liên kết (b1→3) (b1→4) Oglycoside Agaropectin có cấu tạo tương tự agarose có phân nhánh chứa nhóm sulphate thay nhóm metyl pyruvic CH2OH CH2OH O O CH2OH O O O CH2OH O CH2OH O O O Agar không tan nước lạnh, đun nóng hịa tan, để nguội tạo thành gel nên ứng dụng nhiều công nghệ thực phẩm, lĩnh vực sinh học dùng làm môi trường nuôi cấy vi sinh vật 4.2.2.4 Peptidoglycan Peptidoglycan polysaccharide tạp mạch thẳng, cấu tạo nên thành tế bào vi khuẩn, polysaccharide tạo thành phân bố xen kẽ lập lại hai gốc N-acetylglucosamine (GlcNAc) N-acid acetylmuramic (Mur2Ac), gốc nối với liên kết (β1→4) O-glycoside Các chuỗi nằm cạnh gắn với liên kết chéo thông qua đoạn peptide mạch ngắn, cấu trúc xác đoạn peptide phụ thuộc vào loài vi khuẩn Các đoạn peptide giúp cho chuỗi polysaccharide tạo thành lớp vỏ bao xung quanh tế bào ngăn chặn trương nở dẫn đến tan vỡ tế bào hút nước từ ngồi mơi trường vào tế bào (hình 3.5) -69- Bài giảng Sinh Hóa Glucid Hình 3.5: Cấu trúc peptidoglycan thành tế bào vi khuẩn Staphylococcus aureus Lysozyme tiêu diệt vi khuẩn cách thủy phân liên kết (β1→4) O-glycoside Nacetylglucosamine acid N-acetylmuramic Trong nước mắt có lysozyme giúp bảo vệ mắt khỏi bị vi khuẩn xâm nhiễm Penicillin kháng sinh liên quan khác tiêu diệt vi khuẩn cách ngăn cản tổng hợp đoạn peptide mạch ngắn làm nhiệm vụ nối chuỗi polysaccharide, làm cho thành tế bào vi khuẩn bị yếu bị phá vỡ 4.2.2.5 Glycosaminoglycan proteoglycan thành phần chất ngoại bào dạng gel nằm mô động vật cấu tạo từ heteropolysaccharide và protein hình sợi collagen, elastin, fibronectin laminin Matrix ngoại bào liên kết tế bào với nhau, tạo lỗ cho khuếch tán chất dinh dưỡng oxy đến tất tế bào Heteropolysaccharide cấu tạo từ chuỗi disaccharide lập lại gồm monosaccharide thứ N-acetylglucosamine N-acetylgalactosamine, monosaccharide thứ hai uronic thơng thường D-glucuronic L-iduronic Ngồi nhóm -OH glycosaminoglycan thường bị sulfate hóa làm chúng có mật độ điện âm lớn Tuy nhiên tác động đẩy lẫn điện tích âm giảm đáng kể nhờ chất nằm dịch có độ nhớt cao Sau số glycosaminoglycan quan trọng : + Acid hyaluronic: cấu tạo từ chuỗi disaccharide β-D-glucuronic Nacetylglucosamine lập lại khoảng 50.000 lần nên có trọng lượng phân tử triệu tạo thành dung dịch có độ nhớt cao Acid hyaluronic có tác dụng làm trơn khớp xương giúp thủy tinh dịch mắt động vật có xương sống đặc thạch Acid hyaluronic thành phần quan trọng sụn gân làm tăng tính co giãn tổ chức Hyaluronidase enzyme xúc tác thủy phân liên kết glycoside acid hyaluronic có hoạt tính mạnh tinh dịch, nọc rắn số vi khuẩn + Chondroitin sulfate: glycosaminoglycan cấu tạo từ chuỗi disaccharide βD-glucuronic N-acetylgalactosamine sulfate có nhiều tổ chức sụn, tổ chức liên kết gân, da, van tim thành động mạch -70- Bài giảng Sinh Hóa Glucid + Heparin: cấu tạo từ acid iduronic N-glucosamine gắn gốc sulfate Là chất chống đông máu tế bào lớn (mast cell, loại tế bào bach cầu) tiết đưa vào máu Heparin chống đông máu ngăn chặn chuyển hóa prothrombin thành thrombin Proteoglycan đại phân tử bề mặt tế bào matrix ngoại bào nhiều chuỗi glycosaminoglycan tham gia liên kết cộng hóa trị với protein màng protein tiết (secreted protein) Tế bào động vật có vú sản xuất 30 loại phân tử thành viên họ proteoglycan Những phân tử hoạt động tổ chức mô, ảnh hưởng đến phát triển mô chuyên biệt, trung gian hoạt động yếu tố tăng trưởng khác nhau, điều tiết ngoại bào lắp ráp sợi collagen Một đơn vị proteoglycan bao gồm lõi protein liên kết cộng hóa trị với chuỗi glycosaminoglycan ngắn heparan sulfate, chondroitin sulfate, keratan sulfate dermatan sulfate Các phân tử protein lõi lại liên kết phi cộng hóa trị với sợi hyaluronate cách khoảng 40nm Kết tạo cấu trúc phức tạp có độ ngậm nước cao 4.2.2.6 Glycoprotein glycolipid Phức hợp oligosaccharide gắn cộng hóa trị với protein lipid gọi glycoprotein glycolipid Phần oligosaccharide glycoprotein có ảnh hưởng nhiều đến cấu trúc tính chất vật lý protein mang nhiều điện tích âm nên olygosaccharide có ảnh hưởng lên gấp nếp cuộn khúc giúp protein tránh bị protease phân giải + Glycoprotein: có nhiều chuỗi oligosaccharide liên kết cộng hóa trị với phân tử protein (hình 3.6) Glycoprotein tìm thấy bề mặt ngồi màng ngun sinh chất, matrix ngoại bào máu Ở tế bào, glycoprotein có số bào quan phức hệ golgi, hạt thải tiết lysosome Tỉ lệ oligosaccharide glycoprotein nhiều so với chuỗi glycosaminoglycan proteoglycan Hình 3.6: Các liên kết olygosaccharide glycoprotein GlcNAc: N-acetylglucosamine; Man: mannose; Gal:galactose; Neu5Ac: N-acetyl neuraminic acid (acid sialic);Fuc:fucose; GalNAc:N-acetylgalactosamine -71- Bài giảng Sinh Hóa Glucid + Glycolipid lipopolysaccharide Hình 3.7: Mơ hình phân tử lipopolysaccharide màng ngồi vi khuẩn Salmonelle typhimurium Kdo:3-deoxy-D-manno-octulosonic acid;Hep:L-glycero-D-mannoheptose; Rha: rhammose; AbeOAc: abequose acetyl hóa nhóm hydroxyl Glycolipid lipopolysaccharide thành phần cấu tạo màng tế bào Một số glycolipid gangliosid hay sphingolipid có nhóm đầu phân cực oligosaccharide phức tạp chứa acid sialic monosaccharide khác Lipopolysaccharide thành phần ngồi màng vi khuẩn gram âm E.coli, Salmonella typhimurium Phần lipid A lipopolysaccharide số vi khuẩn có độc tính cao người động vật khác (Hình 3.7) Củng cố học Cấu tạo phân tử đường đưới thuộc nhóm phân loại monochacaride a) Aldotetrose b) ketotetrose c) aldopentose d) ketotriose e) aldotriose Monosaccharide sau khơng thuộc nhóm đường aldose: -72-