17

Chương 1

Saccharide

Là hợp chất hữu cơ được tạo nên từ các nguyên tố: C, H, O có

công thức cấu tạo chung Cm(H2O)n, thường m = n. Do có công thức cấu

tạo như trên nên saccharide thường được gọi là carbohydrate - có nghĩa là

carbon ngậm nước.

Tuy nhiên có những saccharide có công thức cấu tạo không ứng

với công thức chung nói trên ví dụ: deoxyribose (C5H10O4).

Có những chất không phải là saccharide nhưng có công thức cấu

tạo phù hợp với công thức chung ở trên ví dụ : acetic acid (CH3COOH).

Saccharide là thành phần quan trọng trong mọi sinh vật .

Ở thực vật, saccharide chiếm từ 80 - 90% trọng lượng khô,

saccharide tham gia vào thành phân các mô nâng đỡ, ví dụ cellulose, hay

tích trữ dưới dạng thực phẩm dự trữ với lượng lớn, ví dụ tinh bột. Ở động vật,

hàm lượng saccharide thấp hơn nhiều, thường không quá 2%, ví dụ glycogen.

1.1. Monosaccharide

1.1.1. Cấu tạo và danh pháp

Là chất có chứa nhiều nhóm rượu và một nhóm khử oxy (nhóm khử là

nhóm carbonyl là aldehyde hay ketone).

- Nhóm khử là aldehyde ta có đường aldose và có công thức tổng quát:

CHO

(CHOH)n

CH2OH

- Nhóm khử là ketone ta có đường ketose có công thức tổng quát:

CH2OH

C= O

(CHOH)n

CH2OH

18

CHO - CH2OH được xem như là "monosaccharide"đơn giản nhất.

Trong thiên nhiên monosaccharide có chứa từ 2 đến 7 carbon và được

gọi tên theo số carbon (theo tiếng Hy Lạp) + ose

Ví dụ: monosaccharide có 3C gọi là triose. Tương tự ta có tetrose,

pentose, hexose, heptose.

1.1.2. Đồng phân quang học

Quy ước Fischer: Fischer là người đầu tiên nêu ra nguyên tắc biểu

diễn các monosaccharide bằng công thức hình chiếu của chúng. Theo đó:

hình chiếu của các nguyên tử carbon bất đối (C*) và các nguyên tử C khác

nằm trên một đường thẳng, nguyên tử C có số thứ tự nhỏ nhất có hình chiếu

nằm trên cùng. Còn các nhóm thế có hình chiếu ở bên phải hay bên trái.

Ví dụ : glyceraldehyde.

Vì glyceraldehyde có 1 C* nên theo quy tắc của Van't Hoff có 2

đồng phân (N = 2n)

1CHO 1CHO

HO- 2C* -H H-2C*-OH D: -OH ở bên phải

L: -OH ở bên trái

3CH2OH 3CH2OH

L glyceraldehyde D glyceraldehyde.

Khi phân tử monosaccharide có nhiều C* thì công thức có dạng D

hay L được căn cứ vào vị trí nhóm OH của C* xa nhóm carbonyl nhất.

Ví dụ : CHO CHO

H-C-OH H-C-OH

HO-C-H HO-C-H

H-C-OH H-C-OH

H-C-OH HO-C-H

CH2OH CH2OH

D glucose L glucose 19

Chú ý: monosaccharide từ triose trở lên đều có C* trừ dihydoxy aceton

CH2OH

C = O

CH2OH

1.1.3. Công thức vòng của monosaccharide

Công thức thẳng theo Fischer như trình bày ở trên không phù hợp

với một số tính chất hoá học của chúng như: một số phản ứng hoá học

thường xảy ra với aldehyde không xảy ra đối với monosaccharide . Vì vậy

có thể nghĩ rằng nhóm -CHO trong monosaccharide còn tồn tại dưới dạng

cấu tạo riêng biệt nào đó.

Mặt khác: monosaccharide có thể tạo ether với methanol tạo thành

một hỗn hợp 2 đồng phân có cùng nhóm methoxy (- OCH3). Điều đó

chứng tỏ trong monosaccharide còn tồn tại một nhóm -OH đặc biệt.

Qua nghiên cứu Kolle cho thấy: số đồng phân thu được của

monosaccharide thực tế nhiều hơn số đồng phân tính theo công thức N=2n

, do

đó để giải thích các hiện tượng trên, Kolle cho rằng ngòai dạng thẳng

monosaccharide còn tồn tại ở dạng vòng.

Sự tạo thành dạng vòng xảy ra do tác dụng của nhóm -OH cùng

phân tử monosaccharide tạo thành dạng hemiacetal hay hemiketal.

20

Ví dụ : cấu tạo vòng của glucose xảy ra như sau:

Do sự tạo thành hemiacetal vòng mà C1 trở nên C*, nhóm -OH mới

được tạo ra ở C1 là -OH glucoside. Tương tự với ketose thì C2 trở nên C*,

nhóm -OH mới được tạo ra ở C2 là -OH glucoside khi tạo thành

hemiketal.

Cách biểu diễn công thức vòng như trên dựa vào nguyên tắc của

Haworth: C và cầu nối với oxy nằm trên một măt phẳng , các nhóm thế ở

công thức thẳng nằm ở bên phải thì ở công thức vòng nằm dưới măt phẳng và

ngược lại. Riêng các nhóm thế của C có nhóm OH dùng để tạo cầu nối oxy thì

theo quy tắc ngược lại.

1.1.4. Hiện tượng hổ biến của monosaccharide

Như ta thấy, không thể giải thích được tất cả các tính chất của

monosaccharide nếu ta chỉ thừa nhận một dạng cấu tạo nào đó của

monosaccharide. Nên người ta cho rằng các dạng cấu tạo đó có thể đã

chuyển hoá lẫn nhau.

β pyranose α pyranose

Dạng thẳng

β Furanose α Furanose 21

1.1.5. Tính chất của monosaccharide

1.1.5.1. Lý tính

Các monosaccharide tan trong nước, không tan trong dung môi

hữu cơ, có tính quay cực trừ biose vì không có C*.

1.1.5.2. Hoá tính

a. Monose là tác nhân khử

Trong môi trường kiềm, khử các ion kim loại nặng có hoá trị cao

thành ion có hóa trị thấp hay các ion kim loại thành kim loại.

Tính khử này do nhóm aldehyde hay nhóm ketone tạo ra và các

monose biến thành acid.

Ví dụ: Cu2+

bị biến đổi thành Cu+

trong phản ứng với thuốc thử

Fehling, Ag+

bị biến đổi thành Ag trong phản ứng tráng gương.

b. Phản ứng với các chất oxy hoá

Tuỳ thuộc vào chất oxy hoá:

- Chất oxy hoá nhẹ như nước brom đường aldose sẽ thành aldonic

acid, với ketose phản ứng không xảy ra.

- Chất oxy hoá mạnh như HNO3 đậm đặc có sự oxy hoá xảy ra ở 2

đầu cho ta di acid.

- Trường hợp đặc biệt nếu ta bảo vệ nhóm -OH glucoside bằng

cách methyl hóa hay acetyl hoá trước khi oxy hoá bằng nước brom, sản

phẩm tạo thành là uronic acid.

c. Phản ứng với chất khử

Dù dạng vòng chiếm tỷ lệ rất lớn trong thành phần, dạng thẳng

chiếm tỷ lệ nhỏ nhưng đủ để cho ta thấy rõ tính chất của một carbonyl thật

sự. Khi bị khử: monose sẽ biến thành polyalcohol.

d. Phản ứng tạo furfural

Dưới tác dụng của acid đậm đặc, các aldopentose tạo thành furfural

và aldohexose biến thành hydroxymethylfurfural. Các sản phẩm này khi

cho tác dụng với các phenol cho màu đặc trưng như: α naphthol cho vòng

màu tím (Molisch). Đây là phản ứng để phân biệt đường với các chất

khác. Nếu đường 5C sẽ cho màu xanh cẩm thạch với orcinol (Bial).

e. Phản ứng ester hoá

Các gốc rượu của monose có khả năng kết hợp với acid để tạo thành ester.

Các ester phosphate thường gặp là: Glucose-6-phosphate, fructose-

6-phosphate... 22

1.1.6. Các monose quan trọng

1.1.6.1. Pentose

1.1.6.2. Hexose

Các hexose quan trọng như:

* Glucose: còn gọi là dextrose vì làm quay mặt phẳng ánh sáng

phân cực về phía phải.

Phổ biến rộng rãi trong thực vật nhất là trong quả nho, nên còn gọi là

đường nho, trong máu người có 0.8 - 1,1 g/l, những người bị bệnh đái đường

có thể đến 2g/l. Các disaccharide quan trọng là saccharose, lactose, maltose và

các polysaccharide quan trọng là tinh bột, glycogen. Người ta sử dụng glucose

trong y học như chất tăng lực.

* D - Mannose: ít gặp ở trạng thái tự do, thường gặp trong

polysaccharride và glucoside

* D - Galactose: là thành phần của lactose có trong sữa còn gọi là

đường não tuỷ. Chúng là thành phần cấu tạo của raffinose, hemicellulose.

pectine...

* D - Fructose còn gọi là levulose vì làm quay mặt phẳng ánh sáng

phân cực về phía trái.

Fructose còn gọi là đường quả, có ở trạng thái tự do trong trái cây

chín và mật ong. Chúng là thành phần của disaccharide saccharose. Trong cơ

thể ta còn thấy ở dạng ester với phosphoric acid đóng vai trò quan trọng trong

trao đổi chất. Fructose có độ ngọt rất lớn, dạng α có độ ngọt bằng 1/3 dạng β. 23

24

1.2. Oligosaccharide

1.2.1. Disaccharide

Sự tạo thành disaccharide là do sự kết hợp của 2 monose cùng loại

hay khác loại nhờ liên kết glucosidic. Liên kết glucosidic có thể được tạo

thành giữa -OH glucoside của monose này với -OH glucoside của monose

kia, hay giữa một nhóm -OH glucoside của monose này với -OH ( không

phải -OH glucoside) của monose kia.

Disaccharide chỉ có tính khử khi ít nhất một trong 2 nhóm -OH

glucoside ở trạng thái tự do. Nghĩa là disaccharide sẽ không có tính khử

khi 2 nhóm -OH glucoside liên kết với nhau.

Các disaccharide quan trọng

* Maltose do 2 phân tử α- D-glucose liên kết với nhau ở vị trí C1 -

C4 tạo thành. Công thức cấu tạo:

Maltose có nhóm -OH glucoside ở trạng thái tự do nên có tính khử.

Maltose có nhiều trong mầm lúa và mạch nha (maltum) nên gọi nó là maltose.

* Lactose (đường sữa) do một phần tử β D-galactose liên kết với

một phân tử β D- glucose ở vị trí C1- C4.

* Saccharose do một phần tử α D-glucose liên kết với một phân tử

β D-fructose ở vị trí C1-C2. Do đó nó không có tính khử, còn gọi là đường

mía vì có nhiều trong mía. Dễ bị thủy phân khi đun nóng. 25

1.2.2. Trisaccharide

Là oligosaccharide có chứa 3 monosaccharide, phổ biến trong

thiên nhiên là raffinose. Công thức cấu tạo như sau: α-D-galactopyranosyl

1-2 α-D glucopyranosyl 1-2 β-D fructofuranose. Do có công thức như trên

nên không có tính khử oxy. Dễ bị thủy phân, dưới tác dụng của β

fructofuranosidase sẽ tạo thành fructose và melobiose với α galactosidase

sẽ tạo thành galactose và saccharose.

1.3. Polysaccharide

Còn gọi là glycan, tùy thành phần monose có trong polysaccharide

người ta chia chúng ra làm: homopolysaccharide (chỉ chứa một lọai

monosaccharide) và heteropolysaccharide (có ít nhất 2 lọai

monosaccharide). 26

Polysaccharide đóng vai trò quan trọng trong đời sống động vật,

thực vật. Một số polysaccharide thường gặp như tinh bột, glycogen,

cellulose...

1.3.1. Polysaccharide thực vật

1.3.1.1. Tinh bột

Là polysaccharide dự trữ của thực vật, do quang hợp tạo thành.

Trong củ và hạt có từ 40 đến 70% tinh bột, các thành phần khác của cây

xanh có it hơn và chiếm khoảng từ 4 đến 20%.

Tinh bột không hòa tan trong nước, đun nóng thì hạt tinh bột

phồng lên rất nhanh tạo thành dung dịch keo gọi là hồ tinh bột.

Tinh bột có cấu tạo gồm hai phần: amylose và amylopectin, ngoài

ra còn có khoảng 2% phospho dưới dạng ester. Tỷ lệ amylopectin/amylose

ở các đối tượng khác nhau là không giống nhau, tỷ lệ này ở gạo nếp là lớn

hơn gạo tẻ.

*Amylose

Chiếm 15 đến 25% lượng tinh bột, do nhiều gốc α D- glucose liên

kết với nhau thông qua C1-C4 tạo thành mạch thẳng không phân nhánh.

Trong không gian nó cuộn lại thành hình xoắn ốc và được giữ bền vững

nhờ các liên kết hydro. Theo một số tài liệu trong amylose còn có chứa

các α D- glucopyranose dạng thuyền.

Amylose bắt màu xanh với iodine, màu này mất đi khi đun nóng,

hiện màu trở lại khi nguội. Một đặc trưng hóa lý khác cần chú ý là nó bị

kết tủa bởi rượu butylic.

27

Hạt tinh bột trong lục lạp amylose

* Amylopectin

Cấu tạo do các phân tử α D- glucose liên kết với nhau, nhưng có

phân nhánh. Chổ phân nhánh là liên kết C1-C6 glucosidic. 28

1.3.1.2. Cellulose

Được cấu tạo bởi những phân tử β D-glucose liên kết với nhau

bằng liên kết 1-4 glucosidic.

Chúng là thành phần chủ yếu của vách tế bào thực vật. Đối với

người thì cellulose không có giá trị dinh dưỡng vì cellulose không bị thủy

phân trong ống tiêu hóa. Một số nghiên cứu cho thấy nó có vai trò trong

điều hòa tiêu hoá. Động vật ăn cỏ thủy phân được cellulose nhờ enzyme

cellulase.

Cellulose không tan trong nước, tan trong dung dịch Schweitzer.

Khi đun nóng với H2SO4, cellulose sẽ bị thủy phân thành các phân tử β

D-glucose.

Cellulose có dạng hình sợi dài, nhiều sợi kết hợp song song với

nhau thành chùm nhờ các liên kết hydro, mỗi chùm (micelle) chứa khỏang

60 phân tử cellulose. Giữa các chùm có những khoảng trống, khi hoá gỗ

khoảng trống này chứa đầy lignin và ta xem lớp lignin này như là một lớp

cement. Lignin là chất trùng hợp của coniferylic alcohol

Các gốc -OH của cellulose có thể tạo ester với acid ví dụ: tạo nitro

cellulose với HNO3 , tạo acetyl cellulose với CH3COOH. 29

1.3.1.3. Hemicellulose

Tên gọi chung cho lớp polysaccharide thường đi theo với cellulose

trong thực vật. Hemicellulose không tan trong nước, tan trong dung dịch

kiềm và thủy phân bằng acid dễ hơn cellulose.

Khi bị thủy phân hemicellulose tạo thành một hổn hợp gồm các

hexose và pentose hay chỉ một mình hexose mà thôi. Trong hemicellulose

khi monose nào chiếm đa số thì hemicellulose có tên tương ứng với

monose đó:

Xylose chiếm đa số thì hemicellulose có tên là Xylan,

Arabinose chiếm đa số thì hemicellulose có tên là Araban,

Galactose chiếm đa số thì hemicellulose có tên là Galactan...

Xylan có nhiều trong rơm rạ, trong một số cơ quan của thực vật,

galactose có nhiều trong rơm, gổ và các loại hạt.

1.3.1.4. Inulin

Là polysacchride dự trữ của thực vật có trọng lượng phân tử

khoảng 5000-6000, do những phân tử β D- fructose liên kết với nhau bằng

liên kết 1-2 và tận cùng bằng một phân tử saccharose. Inulin được tìm thấy

trong củ thược dược khoảng 40%. Người ta xử dụng inulin để sản xuất

fructose. Để xác định inulin người ta thủy phân nó và xác định bằng phản

ứng định tính Seliwanoff.

1.3.1.5. Pectin

Là loại polysaccharide có nhiều trong quả , củ và thân cây, thành

phần chính là galacturonic acid có nhóm -COOH bị methyl hóa. Người ta

sử dụng rộng rãi pectin trong sản xuất keo.

1.3.2. Polysaccharide động vật

1.3.2.1. Glycogen

Là polysaccharide dự trử ở động vật được tìm thấy trong gan và

cơ, hiện nay còn tìm thấy trong một số thực vật như ngô, nấm.

Có cấu tạo giống amylopectin nhưng phân nhánh nhiều hơn, bị

thuỷ phân bởi phosphorylase ( có coenzyme là pyrydoxal phosphate), để

cắt liên kết 1-6 cần enzyme debranching. Sản phẩm cuối cùng là các phân

tử glucose-1-P. 30

Phía ngoài glucose liên kết 1-6

Mạch chính hạt glycogen ở tế bào gan

1.3.2.2. Hyaluronic acid

Có công thức cấu tạo được lập lại từ đơn vị sau:

Hyaluronic acid có trọng lượng phân tử rất lớn, có thể lên đến

nhiều triệu, hyaluronic acid rất phổ biến và là thành phần quan trọng của

mô liên kết, được tìm thấy trong dịch khớp xương, trong thủy tinh thể mắt,

nó tác dụng như một lớp cement bảo vệ bên trong tế bào để chống lại sự

xâm nhập của vi khuẩn cũng như các chất lạ khác. Ở khớp xương nó làm 31

cho dịch có tính trơn giúp cử động khỏi bị đau. Hyaluronic acid bị thủy

phân bởi hyaluronidase, enzyme này được tìm thấy trong vi khuẩn gây

bệnh, trong tinh trùng. Hyaluronidase tạo dễ dàng cho tinh trùng đi vào

noãn của buồn trứng, mặt khác nó cũng là yếu tố giúp cho các chất khác

và vi khuẩn gây bệnh đi vào các mô trong cơ thể.

1.3.2.3. Chondroitin

Là heteropolysaccharide, thành phần không thể thiếu được ở mô

xương sụn.

1.3.2.4. Heparin

Heteropolysaccharide có tác dụng chống lại sự đông máu và ngăn

chặn sự biến đổi prothrombin thành thrombin.

GlcA2S hoặc IdoA2S

1.3.3. Một số polysaccharide phổ biến khác

1.3.3.1. Chitin

Là homopolysaccharide, có ở võ sò, ốc, các loại côn trùng và ở

nấm mốc. Nó có cấu tạo như sau: 32

1.3.3.2. Dextran

Được tìm thấy ở vi khuẩn và nấm men, cấu tạo mạch chính là α D-

glucose1-6, nhánh là α 1-3 và thỉnh thoảng có nhánh α1-2 hay α1-4. Do

có cấu tạo 1-6 nên đối với động vật, dextran không bị phân giãi hay bị

phân giãi rất chậm.

33

Dextran có độ dài và hình dạng giống albumin, người ta thường

dùng nhiệt để thủy phân không hoàn toàn dextran nhằm thay thế protein

của huyết tương , dung dịch 10% của nó hoàn toàn trong suốt. Trong công

nghệ người ta tổng hợp dextran và được gọi là sephadex để sử dụng trong

tách từng phần protein.