16. tétel
Szénhidrátok

A szénhidrátok (szacharidok) élő szervezetek által termelt, szén, oxigén és hidrogéntartalmú szerves vegyületek, melyekben a H:O arány legtöbbször 2:1 (mint a vízben), ezért régen a szén hidrátjainak gondolták őket. A szénhidrátok hevítéssel, vagy erélyes vízelvonó szer hatására (például tömény kénsav) szénre és vízre bonthatók. Fontos szerepük, hogy energiát szolgáltatnak a szervezetben: a bevitt energia 50-70%-a szénhidrátokból származik.^[1] A szénhidrátok más fontos szerves molekulák felépítésében is részt vesznek: az RNS ribózt, a DNS dezoxiribózt tartalmaz.

Szénhidrátok közé tartoznak a cukrok, keményítő, cellulóz is. Jelentőségük tehát igen nagy, hiszen az élőlények energiatartaléka, táplálék, a növényi szövetek váza is szénhidrát.

A szénhidrátok kémiai felépítése:

A szénhidrátok többnyire gyűrűs vegyületek, ahol a szénlánc egy oxigénatomon keresztül záródik gyűrűvé. A szénhidrátok azonban oldott állapotban (kiváló oldószerük pl: a víz) lánccá nyílnak ki. A szénhidrátok felfoghatóak polidiroxi vegyületeknek is, hiszen több alkoholos hidroxilcsoportjuk is van. Két alapvető típust különböztetünk meg:

• aldózok: az aldózokban az oxocsoport mindig láncvégen található, így ezek a vegyületek adják például az ezüsttükör próbát
• ketózok: a ketózokban az oxocsoport a 2. szénatomon van, így nincs bennük formilcsoport ( a formilcsoportban a láncvégi szénatomhoz hidrogén és oxigén csatlakozik)

A szénhidrátokban az alábbiak alapján megtalálható funkciós csoportok:

• alkoholos hidroxilcsoport
• oxocsoport (esetleg formilcsoport formában az aldózoknál)
• étercsoport (gyűrűs formában)

Egyszerű szénhidrátok, monoszacharidok:

A legegyszerűbb szénhidrátok, általában 3, 4, 5, 7, de leggyakrabban 6 szénatomot tartalmazó molekulák. Vízben jól oldódnak, édes ízűek (például szőlőcukor, gyümölcscukor). Ezek a hat szénatomos cukrok a C₆H₁₂O₆ összegképlettel jellemezhetők. Ez az összegképlet a gyakorlatban 64 különböző vegyületet (izomereket; α, β, L, D) jelenthet, de a gyakoribb változatok száma kevesebb. (A fent említett glükóz és fruktóz mellett a mannóz és galaktóz is hexóz.)

Kémiai tulajdonságok

A monoszacharidok vizes közegben redukáló hatásúak, ami annak köszönhető, hogy a gyűrű az oxigénatomnál felhasad, nyílt láncú molekulává alakul. A felszakadás helyén lévő glikozidos hidroxilcsoport pedig aldehid- vagy ketoncsoporttá alakul. Ezáltal a szénhidrátokat két fő csoportba oszthatjuk:

• aldózok (például a szőlőcukor) és
• ketózok (gyümölcscukor)

Szintén a térszerkezetbeli különbségre vezethető vissza, hogy – noha az összegképletük megegyezik – a gyümölcscukrot 2-3 -szor édesebbnek érezzük a szőlőcukornál.

Kettős szénhidrátok, diszacharidok:

Két monoszacharid molekulából képződnek vízkilépéssel. A kapcsolat a két glikozidos hidroxilcsoport, vagy egy glikozidos hidroxilcsoport és egy alkoholos hidroxilcsoport között jön létre.

A molekula létrejöhet két egyforma (például 2 glükóz → (2 α-glükóz)maltóz, (2 β-glükóz)cellobióz), vagy két különböző monoszacharid (1 β-fruktóz + 1 α-glükóz) → szacharóz, répacukor) kapcsolatából.

Szintén édes ízű, vízoldékony vegyületek.

Oligo- és poliszacharidok (összetett szénhidrátok):

Az előző „gondolatmenetet” folytatva, egyre több monoszacharid-egység kapcsolható össze, és a kialakult makromolekula mérete szerint beszélünk oligo- vagy poliszacharidokról.

Számos módosulat és elképzelhető vegyület közül a legfontosabbak:

• a keményítő
• glikogén („állati keményítő”)
• és a cellulóz

A keményítő a növények egyik legfontosabb energiaraktára, melyet az állatok is képesek felhasználni táplálkozásuk során. A glikogén az állatok energiaraktára. A cellulózt a magasabbrendű élőlények nem, csak egyes baktériumok képesek megemészteni, így szerepe elsősorban a növényi sejtek falának erősítése.

A poliszacharidokat enzimekkel, vagy savas hidrolízissel lehet kisebb alkotórészeikre (oligo-, di-, majd monoszacharidokká) bontani.

A poliszacharidok vízben nem (vagy csak nagyon rosszul) oldódnak, ízüket nem érezzük édesnek. Megjelenési formájuk nagyon változatos lehet.

Glükóz

A glükóz (szokásos hárombetűs rövidítése: Glc) – köznapi nevén szőlőcukor – egy monoszacharid, pontosabban aldohexóz. Fontossága a biológiai folyamatokban alapvető: a sejtek energia- és metabolitforrásként hasznosítják. Bioszintézise szén-dioxidból és vízből kiindulva fotonenergia felhasználásával történik a zöld növényekben a fotoszintézis során. Élő szervezetben a glükóznak csak a D enantiomerje fordul elő, melyet dextróznak neveznek. Az L-glükóz biológiailag inaktív, a sejtek nem tudják hasznosítani.

Szerkezet:

Nyílt láncú alak

A glükóznak nyílt láncú és gyűrűs alakja is létezik. A nyílt láncú alakjának lánca hatszénatomos, elágazás nélküli lánc. Az 1-es szénatom egy formilcsoport része, a többi öt szénatomhoz egy-egy hidroxilcsoport kapcsolódik. A nyílt láncú alak 4 aszimmetriás szénatomot tartalmaz.

Gyűrűs alak

A glükóz gyűrűvé is záródhat. Legstabilabb a szék alakú, hattagú, piranózgyűrűs alakja. A piranózgyűrűs glükóz neve glükopiranóz. Gyűrűvé záródáskor a 5. szénatomon lévő hidroxilcsoport és a formilcsoport között intramolekuláris félacetál kötés jön létre, laktolgyűrű alakul ki. A gyűrűvé záródás következtében az eredetileg a formilcsoportot alkotó szénatom (1-es szénatom) is aszimmetriássá válik. Az ezen a szénatomon a gyűrűvé záródáskor kialakuló ún. glikozidos hidroxilcsoportnak kétféle térállása lehetséges. Éppen ezért a gyűrűs D-glükóznak kétféle anomer módosulata lehetséges: α-D-glükóz és β-D-glükóz (α-D-glükopiranóz és β-D-glükopiranóz) . Az α és a β alak átalakulhat egymásba. Az α-alak optikai forgatóképessége +112°, a β-alak optikai forgatóképessége +18,7°. A D-glükóz vizes oldatában egyensúlyi elegy alakul ki, ez körülbelül 62% β-D-glükózt, 38% α-D-glükózt és kevés nyílt láncú D-glükózt tartalmaz, az oldat forgatóképessége ekkor +52,7°. Az α módosulatban a glikozidos hidroxilcsoport a gyűrű tengelyével párhuzamos (axiális) helyzetű, a β módosulatban a tengelyre merőleges (ekvatoriális) helyzetű. A két módosulat közül a β a stabilabb.

A glükóz piranózgyűrűjének a ciklohexánszármazékokhoz hasonlóan kétféle székalkata lehetséges. A szénhidrátkémiában a kétféle székalkatú konformáció jelölése C1 illetve 1C. Az α-D glükóz és a β-D-glükóz esetében a C1 konformáció a stabilabb, mert így a hidroxilcsoportok (α-D-glükóz esetén a glikozidos hidroxilcsoportot kivéve) és a CH₂OH csoport a kedvezőbb, ekvatoriális helyzetbe kerülnek. Az α-L-glükóz és a β-L-glükóz esetén azonban az 1C konformáció a kedvezőbb.

α-D- glükpoiranóz

β-D- glükopiranóz

Izomerjei

Az aldohexózok nyílt láncú alakja 4 aszimmetriacentrumot tartalmaz. Ezek az aszimmetriacentrumok nem azonos telítettségűek. Így 2⁴=16-féle aldohexóz lehetséges. Ezek közül 8 a D-sorozathoz, 8 az L-sorozathoz tartozik. Csak néhány található meg közülük az élő szervezetben, ezek többsége a D-módosulat. A legjelentősebbek a D-glükóz, a D-mannóz és a D-galaktóz. Ha az aldohexóz hattagú laktolgyűrűvé (piranózgyűrűvé) záródik, új aszimmetriacentrum alakul ki, a glikozidos hidroxilcsoportnak kétféle térállása lehetséges. Tehát 2⁵=32 sztereoizomer lehetséges.

Mutarotáció:

A D-glükóznak könnyen előállítható a két anomerje (α-D-glükóz, β-D-glükóz) külön-külön: vizes oldatból az α, piridinből a β módosulat kristályosodik ki. Ha a tiszta α-, vagy a tiszta β-módosulatot vízben feloldva az tapasztalható, hogy az oldat forgatóképessége változik: az α-anomer oldatának a kezdeti optikai forgatóképessége (+112°) az egyensúlyi oldatnak megfelelő +52,7°-ra csökken, a β anomer oldatának kezdeti +18,7°-os optikai forgatóképessége +52,7°-ra növekszik. Az optikai forgatóképességnek ezt a változását mutarotációnak nevezzük. Ennek az a magyarázata, hogy a glükóz két módosulata könnyen át tud alakulni egymásba, és az átalakulások következtében egy egyensúlyi elegy alakul ki.

Reakciói:

Savak, lúgok hatására

A glükóz savakkal nem reagál. Lúgok hatására izomer átalakulásokat mutat, a D-glükóz D-fruktózzá és D-mannózzá alakul át. A háromféle cukor egyensúlyi keveréket alkot. Erélyesebb lúgos behatás hatására oxiredukciós folyamatok mennek végbe.

Redukció

Ha a glükóz formilcsoportja hidroxilcsoporttá redukálódik, egy nyílt láncú hatértékű alkohol, D-szorbit keletkezik. A D-szorbit cukoralkohol. Édes ízű szilárd anyag, ami a természetben gyümölcsökben fordul elő. Édesítőszerként használják.

Oxidáció

A glükóz lúgos közegben könnyen oxidálódik. Enyhébb oxidáció hatására (pl. brómos víz, híg HNO₃) szelektíven a glükóz aldehidcsoportja oxidálódik karboxilcsoporttá, glükonsav keletkezik. A glükonsav aldonsav. Instabil, könnyen γ-laktonná alakul.

A glükóz redukáló hatású, Fehling-próbát, ezüsttükör-próbát mutatja. Ez a glükóz nyílt láncú alakjában jelenlévő aldehidcsoporttal magyarázható. Fehling-és ezüsttükör-próbakor is a glükóz enyhe oxidációja játszódik le.

A glükóz erélyesebb oxidációjakor (pl. tömény HNO₃ hatására) cukorsav keletkezik. Ekkor az aldehidcsoport és a láncvégi hidroxilcsoport oxidálódik karboxilcsoporttá. A cukorsav az aldársavak közé tartozik.

Ha a glükóz aldehidcsoportja védett (pl. glikozidkötés védi), akkor a láncvégi hidroxilcsoport oxidálódik karboxilcsoporttá, glükuronsav keletkezik. A glükuronsav az uronsavak közé tartozik. Laktolgyűrűt képez. A karboxilcsoport a γ helyzetű hidroxilcsoporttal γ-laktongyűrűt is képezhet. A D-glükuronsavank a szervezetben a méregtelenítésben van szerepe.

Előfordulás:

Szabad állapotban előfordul a természetben egyes gyümölcsökben (pl. a szőlőben, innen a szőlőcukor név). A vérben a koncentrációja állandó, 60–100 mg/100 ml. Diszacharidok (pl. szacharóz, maltóz, cellobióz, laktóz) és poliszacharidok (pl. keményítő, glikogén, cellulóz) alkotórésze. A természetben csak a D-glükóz fordul elő.

Előállítása:

A glükóz iparilag keményítő (például kukorica- vagy burgonyakeményítő) savas vagy enzimes hidrolízisével állítható elő. A burgonyakeményítő savas hidrolízisekor keletkező glükózt „krumplicukornak” szokás nevezni.

Szacharóz

A szacharóz vagy étkezési cukor (nádcukor, répacukor, juharcukor) egy diszacharid, melyet egy glükóz és egy fruktóz molekularész alkot (C₁₂H₂₂O₁₁). IUPAC elnevezése : α-D-glukopiranozil-(1↔2)-β-D-fruktofuranóz. A növények termelik és a heterotróf élőlények fontos tápláléka.

Előfordulás:

Igen elterjedt a növényvilágban.
Különösen sokat tartalmaz a répa, Beta vulgaris, amelynek nemesített (vagyis nagy cukortartalmú, de fajilag azonos formája a cukorrépa.
A cukornád a trópusokon terem, régebben csak ebből készítettek cukrot, amely Európában drágaságként volt ismeretes ("nádméz").
Marggraf mutatta ki 1749-ben, hogy a közönséges répa is 3...4 % cukrot tartalmaz ezt nemesítéssel 20...22 %-ra lehet növelni.

Fizikai és kémiai tulajdonságok:

A szacharóz, monoklin kristályos anyag.
Olvadáspontja 180°C körül van, szennyeződések és nedvesség jelenlétében azonban ennél jóval alacsonyabb.
Hosszabb ideig 100-180°C hőmérsékleten tartva megbarnul, elbomlik (karamelizálódik). (Vizes oldatban már 80°C körül megfigyelhető bomlás.)

Vízben jól oldódik, tömény oldata sűrű. (Melegítéssel az oldódás erőteljesen növekszik.)
Cukoroldatok a polarizált fény síkját jobbra forgatják. (20°C-on a répacukor fajlagos forgatóképessége [a]D=+66,5°.)
Ezen a jelenségen alapszik a cukortermékek és cukortartalmú nyersanyagok (répa) cukortartalmának meghatározása. (A képen egy ilyen eszköz látható.)

Savval hidrolizálva glükózt, és a fruktózt ad (invertcukor).

Előállítás:

Fontos megjegyezni, hogy a cukrot a növények "gyártják". A cukorgyár csak kivonja, tisztítja és kristályosítja a cukorrépában található diszacharidot.

A cukorrépából történő cukorgyártás során a felszeletelt répából meleg vízzel diffuzőrökben (a képen) kivonják a cukrot.
A szennyezett cukoroldatot mésszel kezelik amitől a benne lévő növényi savak oldhatatlan kalciumsók formájában kiválnak.
Ezután a mész fölösleget szén-dioxid bevezetésével CaCO₃-tá alakítva kicsapják.
Ezután az oldatot leszűrik, vákuumban bepárolják, míg a cukor kristályosodása megindul.
A cukoroldat barna színű és a kivált nyerscukor kristályok is sárgák a felületükhöz tapadó réteg miatt.
A nyerscukrot centrifugákban tisztítják meg a sűrű barna anyalúg, az úgynevezett melasz fölöslegétől, azután forró gőzt vezetnek be, ami a kristályokon lecsapódik és feloldja a melasz réteget, majd kicentrifugálódik.
A kristályokat ezután vízben oldják, az oldatot csontszénnel derítik és újból bepárolják. A kapott kristályok már igen tiszták.

A cukor a legnagyobb mennyiségben előállított tiszta kémiai vegyület. Évente több 10 millió tonnás mennyiségben állítják elő a világon.

Felhasználás:

Mindenféle "édesítésre" a konyhában és az élelmiszeriparban.

Szerkezete, tulajdonságai:

Fehér színű, kristályos, édes ízű anyag. Vízben jól oldódik. A szacharózban α-D-glükopiranóz (piranóz gyűrűs D-glükóz, α-anomer) és β-D-fruktofuranóz (furanóz gyűrűs D-fruktóz, β módosulat) kapcsolódik egymáshoz, 1-2 kötéssel. Mindkét cukor glikozidos hidroxilcsoportja alkotja a kötést. Emiatt sem a glükóz, sem a fruktóz gyűrűje nem képes felnyílni, és nem tud szabad oxocsoport kialakulni. Ezért a szacharóz nem redukáló diszacharid, és nem mutarotál. Viszont savval főzve hidrolizál és alkotórészeire esik szét, s a keletkező monoszacharid redukáló hatása már kimutatható.

Inverzió:

A szacharóz jobbra forgat, optikai forgatóképessége +66,5°. A szacharóznak savval főzés után az optikai forgatóképessége megfordul, balra forgat. Ennek az az oka, hogy a savval főzés hatására a glükóz és a fruktóz közti kötés felbomlik, szabad glükóz és fruktóz 50-50%-os keveréke keletkezik. A kapott keveréket invertcukornak nevezzük. Az invertcukorban a fruktóz nagyobb mértékben forgat balra (optikai forgatóképessége -92,4°), mint a glükóz jobbra (optikai forgatóképesség (egyensúlyi elegy esetén): +52,7°). Az invertcukor optikai forgatóképessége -39,7°. A szacharóz hidrolízisének neve: invertálás. A hidrolízis során nemcsak az optikai forgatóképesség változik meg: a keletkezett keverék redukáló tulajdonságú. (A szabad glükóz és fruktóz laktolgyűrűje felnyílhat.)