Biochimie - Cap 2 PDF

2. GLUCIDE 2.1. Aspecte generale Glucidele, numite şi zaharuri, sunt o clasă importantă de substanţe naturale care se întâlnesc în toate organismele vii. Cu excepţia unor derivaţi azotaţi, glucidele sunt substanţe ternare, formate din C, H şi O. La majorit...

2. GLUCIDE 2.1. Aspecte generale Glucidele, numite şi zaharuri, sunt o clasă importantă de substanţe naturale care se întâlnesc în toate organismele vii. Cu excepţia unor derivaţi azotaţi, glucidele sunt substanţe ternare, formate din C, H şi O. La majoritatea glucidelor, O şi H se găsesc în acelaşi raport ca în molecula apei. Glucidele participă în proporţie de peste 50% din materia uscată la construcţia majorităţii organismelor vegetale. Glucidele furnizează 50 – 60% din energia totală produsă în organismele animale. Multe glucide complexe joacă un rol structural important, intrând în constituţia pereţilor celulari ai plantelor şi bacteriilor. Adesea, în ţesuturile animale, glucidele se găsesc în combinaţie cu proteinele. Glucidele pot fi clasificate astfel: Trioze Tetroze Zaharuri simple Pentoze Riboză (monozaharide) Xiloză Glucoză Hexoze Fructoză Manoză Zaharoză Glucide Dizaharide Maltoză Lactoză Oligozaharide Trizaharide Rafinoză Tetrazaharide Stahioză Zaharuri complexe Amidon Glucani Glicogen Polizaharide Celuloză Fructani Inulină 2.2. Monozaharide 2.2.1. Proprietăţi structurale Monozaharidele pot fi privite ca derivaţi ai polialcoolilor din care se pot forma prin oxidare. Astfel, prin oxidarea glicerolului se pot obţine două monozaharide – aldehida glicerică şi dioxiacetona – care joacă un rol important în metabolismul celulei vii. O C H După exemplul aldehidei glicerice şi a dioxiacetonei, care - 2 H+ aldehida sunt nişte trioze, se observă că monozaharidele sunt CH OH glicerica CH2 OH CH2 OH derivaţi ai polialcoolilor, care conţin în molecula lor, pe CH OH lângă grupele -OH alcoolice, grupa aldehidică -CH=O sau CH2 OH CH2 OH C O - 2 H+ C O dioxiacetona cetonică. Glicerina CH2 OH În funcţie de una sau alta din aceste grupe care există în molecula sa, monozaharidul se numeşte aldoză sau cetoză. Ca urmare, aldehida glicerică este o aldoză, sau mai exact o aldotrioză, iar dioxiacetona, o cetotrioză. Asemănător obţinerii aldehidei glicerice şi dioxiacetonei prin oxidarea unui alcool cu trei atomi de carbon, în cazul oxidării unui polialcool se poate obţine monozaharidul cu numărul de atomi de carbon corespunzător acestuia. De exemplu, prin oxidarea sorbitei (sorbitolului), un polialcool cu 6 atomi de carbon existent în multe fructe, se formează glucoza sau fructoza. H C O H C OH HO C H - 2 H+ H C OH Glucoza CH2OH H C OH H C OH CH2OH HO C H H C OH CH2OH H C OH C O CH2OH HO C H Sorbita - 2 H+ H C OH Fructoza H C OH CH2OH Deci, prin oxidarea grupei alcoolice primare –CH2−OH se formează aldoze, iar prin oxidarea grupei alcoolice secundare =CH−OH se formează cetoze. În funcţie de condiţii, este posibilă şi transformarea în sens invers, când din monozaharid se formează polialcoolul corespunzător. 2.2.2. Izomeria monozaharidelor Izomeria optică Monozaharidele conţin atomi de carbon asimetrici (chirali) la care cele patru valenţe sunt satisfăcute de grupe atomice diferite. Astfel, aldotriozele posedă un carbon asimetric, aldotetrozele - doi, aldopentozele – trei, aldohexozele – patru, iar cetohexozele – trei. Ca urmare, ele au capacitatea de a roti planul luminii polarizate spre dreapta şi se numesc dextrogire (+) sau spre stânga şi se numesc levogire (-). Unghiul cu care este rotit planul luminii polarizate care strabate un strat de soluţie optic activa cu o grosime de 1 dm , ce conţine 1 g de substanta dizolvata intr-un cm3 se numeşte putere rotatorie sau deviaţie specifica şi se noteaza [α]20D. Amestecul în părţi egale din izomerul dextrogir şi izomerul levogir poartă denumirea de compus racemic şi este lipsit de activitate optică. Stereoizomeria. Racemicul poate fi separat în izomerii săi optici corespunzători. Sub aspect structural, aceştia sunt unul faţă de altul ca un obiect faţă de imaginea sa în oglindă şi au o structură care proiectată pe o suprafaţă plană are următorul aspect pentru aldehida glicerică care are un singur carbon asimetric: 2  O O C C H H H C* OH HO C* H CH2 OH CH2 OH D-aldehida glicerică L - aldehida glicerică (dextrogiră) (levogiră) Configuraţia aldehidei glicerice are un rol deosebit în stabilirea configuraţiei uneia sau alteia dintre monozaharide, deoarece prin compararea configuraţiei ultimului carbon asimetric al unei monozaharide cu configuraţia carbonului asimetric al aldehidei glicerice se stabileşte apartenenţa monozaharidei la seria D sau seria L. Conform regulii, fac parte din seria D toate monozaharidele care au configuraţia atomului de carbon asimetric cel mai îndepărtat de grupa carbonil identică cu cea a atomului de carbon asimetric al D-aldehidei glicerice. Fac parte din seria L toate monozaharidele care au configuraţia atomului de carbon asimetric cel mai îndepărtat de grupa carbonil identică cu cea a atomului de carbon asimetric al L-aldehidei glicerice. Seria D şi seria L la pentoze şi hexoze nu sunt legate de sensul rotirii planului CH2OH luminii polarizate, cum este cazul D− şi L-aldehidei glicerice, ci se referă numai la C O configuraţia spaţială a atomului de carbon asimetric cel mai îndepărtat de grupa HO C H carbonil (C-4 la pentoze şi C-5 pentru hexoze). H C OH Ca urmare, compuşii care aparţin seriei D şi totodată rotesc planul luminii H C OH polarizate la stânga, se notează cu D (-). Un astfel de compus este fructoza, o CH2OH cetohexoză care aparţine seriei D şi este levogiră. D(-)fructoza Numărul stereoizomerilor pentru un anumit compus este egal cu 2n, unde n este numărul centrilor asimetrici din moleculă. Izomeria  . Formele ciclice ale monozaharidelor Formele liniare ale monozaharidelor sunt utile pentru a prezenta diferiţii stereoizomeri, însă ele nu developează un centru asimetric suplimentar care există în multe glucide. Evidenţierea acestui centru asimetric al glucozei se poate observa prin faptul că puterea specifică a soluţiilor proaspete de glucoză se schimbă în timp. Acest fenomen se numeşte mutarotaţie şi se explică prin existenţa mai multor forme ale monozaharidului respectiv. Pentru glucoză au fost obţinute, de exemplu, două forme, una cu [α]20D = + 122,2 a fost denumită -D-glucoză, cealaltă cu [α]20D = +18,7o - -D-glucoză. Dacă puterea rotatorie specifică a soluţiilor proaspete de - şi - glucoză se măsoară după trecerea unui anumit timp, atunci se constată că, pentru fiecare formă, aceasta s-a modificat treptat şi în final ajunge aceeaşi + 52,7. Fenomenul de mutarotaţie se întâlneşte la o serie de hexoze şi pentoze, precum şi la unele dizaharide. Existenţa formelor  şi  ale zaharurilor se explică prin faptul că ele există şi sub formă ciclică, în care numărul atomilor de carbon asimetrici este cu unul mai mare decât în formulele liniare. Formele ciclice sunt rezultatul reacţiei intramoleculare care are loc între grupa aldehidică a glucozei şi un hidroxil al său cu formarea unui semiacetal, după schema interacţiunii aldehidelor şi alcoolilor. 3  O H R C + HO CH2 R1 R C O CH2 R1 H OH aldehida alcool semiacetal În felul acesta, glucoza formează semiacetali intramoleculari stabili cu grupa hidroxil de la atomul C-5 dând doi stereoizomeri diferiţi care se supun mutarotaţiei. Ca urmare, în soluţii, D- glucoza există sub trei forme care se transformă una în alta, din care două sunt ciclice: O H C* OH C H HO C* H H C* OH H C* OH H C* OH HO C* H O HO C* H HO C* H O H C* OH H C* OH H C* OH HC* H C* OH HC* CH2OH CH2OH CH2OH -D-glucoza D-glucoza -D-glucoza Transformări reciproce analoage ale celor trei forme au fost stabilite şi pentru alte monozaharide: galactoză, manoză,riboză etc Formele ciclice ale glucozei prezentate mai sus conţin o punte de oxigen care se formează între atomii de carbon 1 şi 5 iar la fructoză între 2 şi 6 şi reprezintă , după cum se vede, derivaţi ai compusului heterociclic piran; de aceea au primit denumirea de piranoze. În felul acesta, -D- glucoza reprezintă de fapt -D-glucopiranoză , iar -D-glucoza este -D-glucopiranoza. Deosebit de sugestiv poate fi prezentată structura ciclică a monozaharidelor cu ajutorul formulelor de perspectivă propuse de V. Haworth: CH2OH CH2OH H O H H O OH OH H OH H HO OH HO H H OH H OH -D-glucopiranoza -D-glucopiranoza După cum se observă, formele  şi  ale glucozei se deosebesc prin poziţia grupei – OH care se găseşte la carbonul 1 în raport cu planul ciclului piranozic. Cele două forme ale unui monozaharid pot exista şi sub forma unor izomeri la care ciclul conţine 4 atomi de carbon şi, ca urmare, puntea de oxigen leagă C-1 cu C-4. O asemenea formă , reprezintă un derivat al furanului şi poartă denumirea de furanoză. Sub această structură apare, de exemplu în combinaţiile sale, fructoza: HOH2C O CH2OH HO H2C O OH H HO H HO H OH H CH2OH OH H HO H -D-fructofuranoza -D-fructofuranoza În soluţia unui monozaharid sunt prezente simultan toate formele sale. Astfel, în soluţia de glucoză există forma sa liniară şi toate formele ei ciclice, adică α- şi β- glucopiranoza, precum şi α- şi β- glucofuranoza. În acest amestec, cantitatea formei neciclice reprezintă doar 1% din total. 4 Formele  şi  ale monozaharidelor au o deosebită importanţă în formarea derivaţilor corespunzători – glicozizi – la care participă hidroxilul de la carbonul 1 al aldozelor sau de la carbonul 2 al cetozelor. De aceea, grupele hidroxil dispuse pe atomul de C-1 al aldozelor şi la atomul C-2 al cetozelor poartă denumirea de hidroxili glicozidici ( sau semiacetalici) şi conferă monozaharidelor proprietaţi reducătoare Epimerizarea. În soluţii slab alcaline, monozaharidele trec uşor din una în alta, adică au loc interconversii. Aceste transformări constau fie într-o inversare a configuraţiei, fie în trecerea unei aldoze în cetoză. - O O H O C C C H H - +HOH HO + H C OH C OH HO C H -HOH aldoză (manoză) aldoză (glucoză) +HOH -HOH CH2 OH C O cetoză (fructoză) 2.2.3. Proprietăţile fizice ale monozaharidelor Monozaharidele sunt substanţe de culoare albă, cristaline, solubile în apă, mai puţin solubile în alcool etilic, insolubile în eter şi alţi solvenţi organici. Soluţiile lor sunt incolore, optic active şi au gust dulce. Date comparative asupra intensităţii gustului dulce al diferitelor monozaharide şi derivaţilor lor sunt redate mai jos (gustul zaharozei s-a ales drept referinţă): zaharoza 100 glucoza 74 maltoza 32 rafinoza 23 fructoza 173 sorbitolul 48 ramnoza 32 lactoza 16 zahăr invertit 130 xiloza 40 galactoza 32 2.2.4. Proprietăţile chimice ale monozaharidelor Deoarece monozaharidele conţin în molecula lor grupe carbonil şi hidroxil, ele vor prezenta, în general proprietăţi caracteristice acestor grupe funcţionale, la care se adaugă şi proprietăţile datorate hidroxilului semiacetalic. Esterificarea. Monozaharidele pot reacţiona cu acizii dând esteri complecşi. Unii din aceşti esteri complecşi au o importanţă primordială în metabolismul substanţelor. Astfel sunt, de exemplu, unii esteri fosforici ai glucozei şi fructozei, care au un rol important în metabolismele amidonului şi glicogenului, precum şi în procesele de respiraţie sau de fermentaţie alcoolică: glucozo-6-fosfatul, glucozo-1-fosfatul, fructozo-1,6-difosfatul. 5 HO O=P-O-H2C CH2OH HO OH HO O H H O H O=P-O-H2C O CH2 O-P=O H OH H H HO OH H HO OH H OH H O-P=O H OH HO OH HO OH HO H H OH H OH glucopiranozo-6-fosfat glucopiranozo-1-fosfat fructofuranozo-1,6-difosfat Oxidarea. Prin oxidarea monozaharidelor, în funcţie de condiţiile în care are loc aceasta, se formează diverşi compuşi. Dacă oxidarea se produce la C-1 aldehidic, se formează acizi aldonici; când se protejează grupa aldehidică şi se oxidează grupa oximetil de la C-6 rezultă acizi uronici, iar dacă oxidarea are loc atât la C-1 cât şi la C-6, se formează acizi aldarici. COOH CHO COOH (CHOH)n (CHOH)n (CHOH)n CH2OH COOH COOH acizi aldonici acizi uronici acizi aldarici Oxidarea glucozei dă următorii acizi: COOH CHO COOH H - C - OH H - C - OH H - C - OH HO - C - H HO - C - H HO - C - H H - C - OH H - C - OH H - C - OH H - C - OH H - C - OH H - C - OH CH2OH COOH COOH acid D-gluconic acid D-glucuronic acid D-glucaric (acid zaharic) Reducerea. Prin reducerea monozaharidelor se formează polialcooli. Astfel, prin reducerea D- glucozei şi L-sorbozei se formează sorbitolul: CHO CH2OH CH2OH CH2OH H C OH H C OH HO C H C O HO C H HO C H HO C H HO C H +2H +2H H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH H C OH HO C H HO C H CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH D-glucoza sorbitolul (sorbita) L-sorboza Aceşti alcooli polihidroxilici conţin atomi de carbon asimetrici ca şi monoglucidele din care provin, astfel că ei există sub forma mai multor izomeri optici. Unii din aceşti polialcooli se întâlnesc în natură (sorbitorul, manitolul). Formarea glicozizilor. Prin grupa hidroxil semiacetalică care este mult mai reactivă decât grupele hidroxil alcoolice, monozaharidele reacţionează uşor cu alcoolii şi fenolii şi prin eliminarea de apă dau naştere la compuşi de tip eteric, numiţi glicozizi sau heterozide. Cel mai simplu compus de acest tip sunt  şi -metilglicozidul, care în cazul glucozei se prezintă astfel: 6  CH2OH CH2OH H O OCH H O H H 3 H OH H OH H HO H HO OCH3 H OH H OH -metilglucozid -metilglucozid Legătura eterică formată între cele două componente poartă denumirea de legătură glicozidică, iar denumirea de glicozid se atribuie tuturor compuşilor în care monozaharidul este legat de o altă substanţă neglucidică (denumită aglicon), prin acest tip de legătură. Se observă, din exemplul de mai sus, că glicozizii ce provin de la glucoză se numesc glucozizi; în mod analog, cei derivaţi de la galactoză se numesc galactozizi, de la fructoză – fructozizi etc.. Deshidratarea. În prezenţa acizilor minerali tari are loc deshidratarea pentozelor şi hexozelor cu formarea furfurolului şi hidroximetilfurfurolului: HOH2C O H + O CHO H H H H OH -3H2O OH OH pentoza furfurol CH2OH H O H + HOH2C O CHO H H OH H -3H2O HO OH H OH hexoza 5-hidroximetilfurfurol (HMF) 2.2.5. Reprezentanţi mai importanţi ai monozaharidelor În natură numai glucoza şi fructoza se găsesc în cantităţi mai importante. Alte monozaharide se găsesc fie în constituţia dizaharidelor sau polizaharidelor, fie în alţi compuşi. Unele, cum sunt triozele sau tetrozele, apar doar ca produşi intermediari în procesele metabolice. Triozele nu se întâlnesc în natură în stare liberă. Sub formă de esteri fosforici, aldehida glicerică şi dioxiacetona intervin în fotosinteză, degradarea anaerobă a glucidelor, fermentaţia alcoolică. CHO Tetrozele au fost obţinute prin degradarea pentozelor şi hexozelor, dar în natură nu se găsesc în stare liberă. Eritrozo-4-fosfatul este o tetroză care apare CHOH intermediar în ciclul fotosintezei. CHOH OH CH2 O-P=O Pentozele apar în natură mai ales ca aldopentoze. Sunt foarte răspândite , mai OH puţin în stare liberă, dar în cantităţi mari sub formă de polizaharide, glicozizi. eritrozo-4-fosfat Unele intră în constituţia acizilor nucleici, altele participă în procesul de fotosinteză. L(+) Arabinoza este foarte răspândită în plante, sub formă de arabani, în componenţa gumelor, mucilagiilor, a substanţelor pectice. D(+) Xiloza (zahărul de lemn) intră în compoziţia multor gume, mucilagii vegetale şi a hemicelulozelor; sub formă de xilani se găseşte în membranele celulelor vegetale. 7  D(-) Riboza este o pentoză deosebit de importantă din punct de vedere biochimic deoarece intră în compoziţia acizilor nucleici, a nucleotidelor sau a unor coenzime. Hexozele sunt cele mai răspândite în natură şi cele mai bine studiate din punct de vedere biochimic. Unele (glucoza, fructoza) se găsesc în stare liberă, altele (manoza, galactoza) intră în alcătuirea unor poliglucide şi a unor glicozizi, sau apar ca produşi de hidroliză ai acestora. Hexozele se formează în plante şi sunt substanţele de bază pentru sinteza altor zaharuri şi compuşi derivaţi. În natură se găsesc trei aldohexoze (glucoza, manoza, galactoza) şi două cetohexoze (fructoza, sorboza). Toate hexozele sunt reducătoare şi fermentescibile. D(+) Glucoza (dextroza) este cel mai important monozaharid pentru biochimia celulei. Este sintetizată în plante din CO2 şi H2O. Se găseşte în natură atât în stare liberă (în fructe, flori, miere, sânge) cât şi sub formă de dizaharide (zaharoză, celobioză, maltoză, lactoză) sau polizaharide (amidon, celuloză, glicogen). De asemenea, intră în structura unor glucozizi. Este un monozaharid fermentescibil, suferă toate fermentaţiile cunoscute. H C O CH2OH CH2OH H OH H H C OH H H H HO C H OH H OH H H C OH OH H OH OH H C OH H OH H OH CH2 OH -D (+) glucopiranoză -D (+) glucopiranoză D(+) glucoza aciclică Esterii fosforici al glucozei sunt deosebit de importanţi pentru procesele metabolice ale zaharurilor. Glucoza se obţine în cantităţi mari prin hidroliza acidă sau enzimatică a amidonului din cartofi sau porumb şi se utilizează în industria produselor zaharoase, făinoase etc. D(+) Manoza este o aldohexoză care în natură se întâlneşte numai sub forma unor poliglucide numite manani în constituţia mucilagiilor vegetale şi a hemicelulozelor. Manoza intră în structura glicoproteinelor şi a unor glicolipide. CHO HO - C - H H2C OH H2C OH O O H HO - C - H H OH H H H OH HO H - C - OH OH HO HO H HO OH H - C OH H H H H CH2OH -D(+)manopiranoza D(+)manoza -D(+)manopiranoza aciclica D(+) Galactoza se găseşte liberă foarte rar, dar frecvent în combinaţii, mai ales sub formă de glicozide. 8  CHO H - C - OH H2C OH H2C OH O HO O HO HO - C - H OH H H H OH H HO - C - H OH H H H H OH H - C OH H H HO HO CH2OH -D(+) galactopiranoza D(+)galactoza -D(+)galactopiranoza Galactoza se întâlneşte ca parte componentă a unor dizaharide (lactoza, melibioza), trizaharide (rafinoza), polizaharide (agar-agar, gumele şi mucilagiile vegetale), lipide complexe (cerebrozide) şi a unor glicoproteine. Prin oxidare se obţin, după condiţii, acizii galactonic, galactozaharic (mucic) şi galacturonic. Ultimul este componentul de bază al substanţelor proteice. D(-) Fructoza sau levuloza se mai numeşte zahăr de fructe. Este cea mai importantă şi mai răspândită cetohexoză. Se găseşte liberă în cantităţi mari în fructe, miere de albine, în general în amestec cu glucoza în proporţii variabile sau aproape egale, ca în strugurii copţi. Sub formă combinată, fructoza intră în structura unor diglucide (zaharoza), triglucide (rafinoză), sau poliglucide (inulina). CH2OH C O HO H2C O CH2OH HO H2C O OH HO C H H HO H HO H OH H C OH H CH2OH HO H H C OH HO H CH2OH -D(-)fructofuranoza D(-)fructoza -D(-)fructofuranoza aciclica Rotaţia specifică a celor două forme la echilibru α = β este [α]20D = -93o; deci fructoza este un monozaharid puternic levogir. Formele furanozice ale fructozei se găsesc în compuşi (oligo- şi polizaharide), iar formele piranozice sunt caracteristice pentru fructoza liberă. Este cel mai dulce dintre zaharuri. Drojdiile fermentează fructoza transformând-o în alcool şi CO2. 2.3. Oligozaharide şi Polizaharide Oligozaharidele şi polizaharidele sunt zaharuri complexe a căror moleculă se descompune prin hidroliză în zaharuri simple. Compoziţia lor complexă poate fi exprimată prin formula generală CmH2nOn, unde m>n. În oligo- şi polizaharide, monozaharidele sunt legate între ele prin legături glicozidice şi formează lanţuri cu lungimi diferite: de la dizaharide (dimeri) şi trizaharide (trimeri), până la polizaharide ce conţin mii de resturi de glucide. Compuşii care conţin 2-10 resturi de monozaharide poartă în general denumirea de oligozaharide; iar cei ce conţin mai mult de 10 asemenea resturi – polizaharide Deosebirea dintre oligo- şi polizaharide este convenţională, deoarece proprietăţile oligozaharidelor superioare şi ale polizaharidelor inferioare coincid. 9  2.3.1. Oligozaharide Oligozaharidele se caracterizează printr-o masă moleculară relativ mică, se solubilizează bine în apă, cristalizează uşor şi de regulă, au gust dulce. Soluţiile lor sunt optic active. Legarea resturilor de monozaharide se face întotdeauna prin hidroxidul glicozidic al uneia din ele, după schema: R OH + HO R1 R O R1 + H2O Deci, oligozaharidele sunt nişte glicozizi. Prin hidroliza cu acizi sau sub acţiunea enzimelor, oligoglucidele se descompun în monoglucidele componente. Dizaharide Molecula unui dizaharid poate conţine două resturi de hexoze, două de pentoze sau un rest de hexoză şi unul de pentoză. Legarea celor două molecule de monozaharid are loc pe seama hidroxidului glicozidic al uneia din ele şi una din grupele hidroxilice al celeilalte molecule. Diferitele dizaharide pot fi constituite din unul şi acelaşi monozaharid: Maltoza Trehaloza Celobioza + + + H2O H2O H2O Glucoză Glucoză Glucoză Glucoză Glucoză Glucoză Se observă că maltoza, trehaloza şi celobioza sunt alcătuite numai din molecule de glucoză. Deosebirea dintre proprietăţile acestor trei dizaharide se explică prin faptul că în structura lor intră izomeri diferiţi ai glucozei, iar aceştia se combină în diferite moduri între ei. De aceea, dizaharidele formate pot avea sau nu, proprietăţi reducătoare şi au comportament biochimic diferit. Diglucidele se găsesc mai mult în vegetale şi mai puţin în organismele animale. Unele sunt caracteristice plantelor, iar altele animalelor. Zaharoza este diglucidul cel mai răspândit în natură. Se găseşte în fructe, seminţe, tuberculi, rădăcini. Are rol important în alimentaţia omului. Zaharoza este uşor solubilă în apă, greu solubilă în alcool, se prezintă sub formă de cristale mari, monociclice, albe, cu punct de topire 160-180oC. Rotaţia specifică a soluţiilor apoase de zaharoză este [α]20D = +66,5. Este un zahăr fermentescibil. Prin hidroliză, zaharoza se desface într-o moleculă de -glucopiranoză şi o moleculă de - fructofuranoză. Formula structurală are următorul aspect: CH2OH Se observă că legătura dintre cele două monozaharide se H O H HOH2C O H face între C-1 al glucozei şi C-2 al fructozei. Ca urmare, cei H OH H H HO HO O CH2OH H OH HO H 10 Zaharoza doi hidroxili glicozidici participă la această legătură şi în consecinţă zaharoza nu este un glucid reducător. Prin încălzirea cu acizi sau sub acţiunea enzimei invertază (zaharază), zaharoza se hidrolizează formând zahărul invertit (amestec echimolecular de glucoză şi fructoză). Denumirea zahărului invertit provine de la cuvântul „inversie” care reprezintă schimbarea în sens invers a unei valori. Hidroliza zaharozei determină modificarea sensului rotaţiei specifice a soluţiei , deoarece de la zaharoza dextrogiră se ajunge la zahărul invertit care este levogir. Inversia optică se produce deoarece fructoza formată prin hidroliză roteşte planul luminii polarizate spre stânga mai puternic decât îl roteşte glucoza spre dreapta. Zaharoză + H2 O → Glucoză + Fructoză [α]20D = + 66,5 [α]20D = + 52,5 [α]20D = −93 − 40,5 De aceea hidroliza zaharozei se numeşte şi inversie. Zahărul invertit este, alături de zaharoză, principalul constituent al mierii; gustul puternic dulce al acesteia fiind dat de fructoză. Este un zahăr reducător şi fermentescibil. Sursele principale de zaharoză pentru industria alimentară sunt sfecla de zahăr (în care se găseşte până la 16-20%) şi trestia de zahăr (unde ajunge până la 23-24%). Maltoza se formează prin hidroliza enzimatică a amidonului CH2OH CH2OH sub acţiunea β-amilazei. Se găseşte în seminţele germinate, O H H O H H cantităţi mari existând în malţ şi extractele de malţ. Ca H H OH H OH H produs de degradare al amidonului, maltoza apare în cantităţi HO O OH mici în toate organele plantelor. Prin hidroliză acidă sau H OH H OH enzimatică se descompune în două molecule de α-D- −Maltoza glucopiranoză. Cele două monozaharide sunt legate (1→4) α-glicozidic; ca urmare, în molecula maltozei există un hidroxil glicozidic liber şi de aceea acest dizaharid reduce soluţia Fehling. În soluţii apoase prezintă fenomenul de mutarotaţie. Drojdiile fermentează maltoza formând alcool etilic şi CO2, proces care stă la baza fermentării mustului de malţ pentru obţinerea berii. Lactoza se găseşte în cantităţi variabile în laptele tuturor CH2OH CH2OH mamiferelor; a fost găsită şi în polenul unor flori. Lactoza este HO O H O H formată dintr-o moleculă de -D-galactopiranoză şi o moleculă H OH H O H OH H de -D-glucopiranoză legate (1→4) -glicozidic. H H OH H OH H OH Ca urmare, în moleculele de lactoză există un hidroxil glicozidic liber în restul de glucopiranoză; de aceea lactoza −Lactoza reduce soluţia Fehling şi în soluţii apoase prezintă fenomenul de mutarotaţie (α şi β-lactoză). Trizaharide Rafinoza se întâlneşte în multe plante, mai ales în seminţele de bumbac şi sfeclă de zahăr. În rădăcinile de sfeclă de zahăr proaspăt recoltate, care conţin până la 20% zaharoză, conţinutul de rafinoză reprezintă 0,2-1% faţă de zaharoză. În toamnele ploioase, cantitatea de rafinoză din 11 sfeclă este crescută şi influenţează negativ randamentul fabricilor de zahăr. Nivelul rafinozei creşte şi prin păstrarea sfeclei. În timpul fabricării zahărului rafinoza din sfeclă trece în melasă. Prin încălzire cu acizi, rafinoza se hidrolizează formând o moleculă de α-glucopiranoză, o moleculă de β-fructofuranoză şi o moleculă de α-galactopiranoză. Hidroliza enzimatică a rafinozei decurge în două direcţii. Sub acţiunea enzimei zaharază, din rafinoză se desprinde fructoza şi rămâne dizaharidul melibioza. Prin acţiunea enzimei α-galactozidază care se găseşte în emulsină (preparat enzimatic obţinut din migdale), rafinoza se descompune în galactoză şi zaharoză. H2C OH A HO O H H B OH H H O CH2 H HO H O H HOH2C O H H OH H H HO HO O CH2OH H OH HO H Rafinoza A- actiunea −galactozidazei; B- actiunea zaharazei Tetrazaharide În multe plante se găseşte un tetrazaharid care poartă numele de stahioză şi este alcătuită din două resturi de -galactoză, un rest de -glucoză şi un rest de -fructoză: H2C OH H OH O CH2 HO O H H O H HOH2C O H H H H OH H OH H H HO OH H H O H HO O H HO CH2OH H CH2 H OH HO H HO O Stahioza Stahioza este parţial fermentată de drojdii. Nu conţine nici un hidroxil glicozidic liber şi de aceea nu reduce soluţia Fehling. Se găseşte în soia, mazăre, linte, fasole. 2.3.2. Polizaharide Polizaharidele sunt compuşi constituiţi dintr-un număr foarte mare de monozaharide legate glicozidic între ele. Polizaharidele, având molecule extrem de mari, fac parte din clasa compuşilor macromoleculari. Într-o macromoleculă se repetă, la anumite perioade, o anumită grupare (unitate structurală). În polizaharide, “unitatea structurală” cea mai mică este un dizaharid. Polizaharidele sunt componente de extremă importanţă biologică. Servesc organismului animal şi vegetal ca substanţe energetice de rezervă (amidonul, inulina, glicogenul), ca substanţe de susţinere (celuloza). Clasificarea polizaharidelor. După structura lor chimică polizaharidele se împart în două clase: a) fără aminozaharuri şi b) cu aminozaharuri. 12 Polizaharidele fără aminozaharuri pot fi constituite dintr-un singur tip de monozaharid şi formează subclasa homopolizaharidelor, sau din monozaharide diferite, formând subclasa heteropolizaharidelor. Fiecare din aceste subclase se subdivid în mai multe grupe în funcţie de monozaharidul participant. (Figura 2.2.) Glucani Fructani Hexozani Manani Fig. 2.2. Schema Homopoli- Galactani clasificării zaharide Xilani polizaharidelor Fãrã amino- Pentozani Arabani zaharuri Heteropoli- Pento- Gume Polizaharide zaharide hexozani Substante pectice Cu aminozaharuri (Mucopolizaharide) 2.3.2.1. Homopolizaharide Cele mai răspândite şi mai importante homopolizaharide sunt cele în structura cărora participă hexozele. Unele sunt de natură vegetală, iar altele de natură animală. O importanţă deosebită o prezintă polizaharidele formate numai din glucoză şi care sunt denumite, în general, glucani. Acestea sunt amidonul, glicogenul şi celuloza. Amidonul este cel mai important polizaharid de rezervă din regnul vegetal. În cantitate mai mare se găseşte depozitat sub formă de granule în tuberculi (cartofi 13-25%), seminţe (cereale 50– 70%, leguminoase 40–45%) şi chiar în părţile lemnoase ale plantelor; în cantitate mai mică apare aproape în toate organismele vegetale. Amidonul reprezintă o importantă sursă de glucide pentru toate animalele, având un rol însemnat în alimentaţia omului. Se formează în frunzele plantelor verzi prin procesul de fotosinteză. În plante amidonul se găseşte sub formă de granule care se deosebesc sub aspectul proprietăţilor şi compoziţiei chimice atât în cadrul aceleiaşi plante, dar mai ales în plante diferite. Granula de amidon este alcătuită din două tipuri de polizaharide care se deosebesc prin proprietăţile lor fizice şi chimice – amiloza şi amilopectina. Amiloza reprezintă 17-24% din întreaga masă de amidon. Ea se solubilizează uşor în apă caldă şi dă soluţii cu o viscozitate relativ mică. Amilopectina constituie 83-76%, se dizolvă în apă numai prin încălzire sub presiune şi dă soluţii foarte vâscoase. Masa moleculară a amilozei este 3 ∙ 105 – 1 ∙ 106, iar a amilopectinei atinge sute de milioane. Soluţiile de amiloză sunt foarte instabile şi prin menţinere se separă din ele depuneri cristaline. Amilopectina, dimpotrivă, dă soluţii deosebit de stabile. În molecula de amiloză resturile de glucoză sunt de formă  piranozice şi sunt legate prin legături glicozidice între atomii de carbon C-1 şi C-4; se formează o catenă liniară. Lanţurile lungi conţin 250–300 unităţi de glucoză şi sunt răsucite în -helix. CH2OH CH2OH CH2OH CH2OH H O H H O H H O H H O H H H H H OH H OH H OH H O OH H O O O O H OH H OH H OH H OH Rest de amiloza 13 În molecula de amilopectină resturile de glucoză sunt legate nu numai prin legături între atomii C-1 şi C-4, ci şi între C-1 şi C-6, formând o structură ramificată: CH2OH H O H H O OH H O H OH CH2OH CH2OH CH2 H O H H O H H O H H H H OH H O OH H O OH H O O H OH H OH H OH Rest de amilopectina Unităţile liniare de amilopectină conţin 25-30 de resturi de glucoză, numărul total de resturi de α- glucoză din molecula de amidon fiind de aproximativ 1000. Structurile moleculelor de amiloză şi amilopectină se pot reprezenta şi sub formă schematică: Amiloza se colorează cu soluţia de iod în albastru, iar amilopectina în albastru-violet. Colorarea amilozei cu iod este însoţită de formarea unui compus chimic complex. Molecula de iod se dispune în interiorul lanţului spiralat al amilozei. Colorarea cu iod a amiloza amilopectina amilopectinei este rezultatul formării atât a complecşilor cât şi a unor compuşi de absorbţie. Conţinutul de amiloză şi amilopectină din amidon se modifică în funcţie de specia plantei şi de zona în care se găseşte în plantă. Dextrinele. Ca produse intermediare, la hidroliza amidonului se formează intr-o cantitate mai mare sau mai mică, polizaharide cu diferite greutăţi moleculare, numite dextrine. În primele stadii ale hidrolizei se obţin dextrine care se deosebesc puţin de amidon în ceea ce priveşte mărimea moleculelor şi proprietăţile lor. Cu iodul dau o coloraţie albastră sau violetă. Pe măsură ce hidroliza înaintează, masa moleculară a dextrinelor se micşorează, crescând capacitatea lor de a reduce soluţia Fehling şi încep să se coloreze cu iodul în brun-închis, apoi în roşu şi în final încetează a mai da reacţie cu iodul. După proprietăţile lor, se deosebesc următoarele tipuri de dextrine: - Amilodextrine - dau cu iodul o coloraţie albastră-violet şi constituie pulberi albe solubile în alcool 25%, dar care precipită cu alcool 40%; puterea rotatorie specifică [α]20D variază de la +190o la +196o; - eritrodextrine - dau cu iodul o coloraţie roşie-brună; sunt solubile în alcool 55%, dar precipită la o concentraţie a acestuia de 65%. Puterea rotatorie specifică a eritrodextrinelor este [α]20D = +194o; - achrodextrine – nu dau coloraţie cu iodul, sunt solubile în alcool 70%, [α]20D = +192o; - maltodextrine – nu dau reacţie cu iodul, nu sunt precipitate de alcool, [α]20D = +181o. Celuloza este polizaharidul care constituie cea mai mare CH2OH CH2OH parte a masei pereţilor celulari ai plantelor. Celuloza nu se H O O H dizolvă în apă, însă se umflă în ea. Reprezintă mai mult de O H H 50% din fibra lemnoasă, iar în fibrele de bumbac constituie OH H H O OH H O H mai mult de 90%. H OH H OH n 14 Rest de celuloza Prin fierbere cu acid sulfuric concentrat, celuloza se transformă în -glucopiranoză. Prin hidroliză mai slabă, din celuloză se obţine celobioză. În molecula de celuloză resturile de celobioză sunt legate prin legături -glicozidice sub forma unei catene lungi. Celuloza nu este descompusă în tractul digestiv al omului. Ea este degradată de ierbivore, în al căror rumen şi intestin se găsesc bacterii care hidrolizează celuloza cu ajutorul enzimelor pe care le conţin. Glicogenul este un polizaharid al -glucopiranozei care se găseşte în ţesuturile organismelor animalelor şi omului, în mucegaiuri şi drojdii, în boabele de porumb zaharat. Constituie forma de rezervă a glucidelor pentru organismul animal şi joacă un rol deosebit în metabolismul acestuia. Sub aspect structural glicogenul este analog cu amilopectina deşi se deosebeşte de aceasta printr-o masă moleculară mai mare. Moleculele ambelor polizaharide au o structură ramificată, însă glicogenul se distinge printr-o mai mare „compactitate” a moleculei. Masa moleculară a glicogenului este de 270.000 – 100.000.000.Lungimea ramificaţiilor din glicogen este de 6-7 resturi de glucoză la periferia moleculei, Schema structurii moleculei de glicogen iar în partea centrală a moleculei la fiecare 3-4 resturi de glucoză se formează o ramificaţie. Prin scindarea glicogenului se formează, în final, glucoza. CH2OH Inulina este un polizaharid solubil în apă, care precipită din soluţiile O H H apoase prin adăugarea de alcool. Prin hidroliză acidă formează - H fructofuranoză şi cantităţi mici de -glucopiranoză. Se găseşte în HO OH H cantităţi mari în cicoare, napi, dalii. În aceste H OH O plante inulina înlocuieşte amidonul ca substanţă de rezervă. HO H2C O H HO În molecula de inulină resturile de fructoză sunt legate prin legături H CH2 glicozidice între atomii de carbon 1 şi 2. Ca urmare, structura HO H n moleculei de inulină se poate prezenta în modul următor: HO H2C O O Plantele care conţin inulină se folosesc pentru obţinerea fructozei în H HO H CH2OH scopul utilizării ei ca substanţă de îndulcire în industria alimentară. H Deoarece toţi fructanii, printre care şi inulina, se hidrolizează foarte HO uşor cu ajutorul acizilor, obţinerea fructozei din materii prime bogate Inulina în inulină se realizează pe această cale hidrolitică. 2.3.2.2.Heteropolizaharide. Polizaharidele heterogene conţin în molecula lor resturi a două sau mai multe monozaharide diferite. În plante se găsesc numeroase polizaharide de acest fel: glucomanani, glucofructani, araboxilani etc. Hemiceluloze. Sub această denumire este cuprinsă o grupă largă de polizaharide cu greutate moleculară mare, care nu se dizolvă în apă, dar se dizolvă în soluţii alcaline. Hemicelulozele se găsesc în cantitate mare în părţile lemnoase ale plantelor: paie, seminţe, coji de nucă, ştiuleţi de porumb. O cantitate apreciabilă de hemiceluloze se găseşte în tărâţă. Hemicelulozele sunt hidrolizate de acizi mai uşor decât celuloza şi formează manoză, galactoză, arabinoză sau xiloză; de aceea, poartă denumirea corespunzătoare de manani, galactani, arabani sau xilani. 15 Gume şi mucilagii. Fac parte din această grupă polizaharidele de origine vegetală care sunt solubile în apă formând soluţii deosebit de vâscoase şi lipicioase. Sunt substanţe coloidale şi reprezentantul tipic al acestei grupe îl constituie gumele secretate de vişini, pruni, migdali în locurile cu leziuni de pe ramuri. Substanţele pectice. Substanţele pectice sunt compuşi macromoleculari de natură glucidică care se găsesc în cantităţi mari în fructe, rădăcini, frunze şi tulpinile plantelor În plante, substanţele pectice sunt prezente sub formă de protopectină insolubilă, care reprezintă o asociere a pectinei (acid poligalacturonic metoxilat ) cu galactani şi arabani, în peretele celular. Protopectina trece în pectină solubilă numai după prelucrare cu acizi diluaţi sau sub acţiunea unor enzime specifice – protopectinaza. Din soluţia apoasă, pectina solubilă este precipitată cu alcool sau cu acetonă 50%. Proprietatea caracteristică şi cea mai importantă a pectinei este capacitatea ei de a da un gel în prezenţa acizilor şi a zahărului. Această proprietate este utilizată pe larg în industria alimentară la obţinerea jeleurilor, gemurilor, marmeladei şi pastelor de fructe. Formarea gelului pectic se produce în prezenţa a 65–70% zahăr (zaharoză sau hexoze); o asemenea concentraţie corespunde unei soluţii saturate de zaharoză. În gelul format se găseşte 0,2-1,5% pectină, iar pH-ul optim este de 3,1-3,5. Pectina de diferite provenienţe se deosebeşte prin capacitatea ei de gelificare, după conţinutul de cenuşă şi după gradul de metoxilare*. Pectina solubilă ,adică acidul poligalacturonic metoxilat , are o masă moleculară de la 25.000 până la 360.000, iar un fragment din structura sa se prezintă astfel: Rest de pectină Prin acţiunea soluţiilor alcaline diluate sau a enzimei pectaza asupra pectinei, grupele metoxil se desfac uşor formându-se alcool metilic şi acid pectic liber, care reprezintă de fapt acidul poligalacturonic. Acidul pectic formează uşor săruri care se numesc pectaţi - compuşi insolubili. În prezenţa zahărului, acidul pectic nu este capabil să formeze geluri asemănător soluţiei de pectină. De aceea, în industria de obţinere a pectinei trebuie să se evite hidroliza pectinei, reacţie care ar determina diminuarea capacităţii sale de gelificare. Substanţele pectice au un rol important în timpul maturizării, păstrării şi prelucrării industriale a diferitelor fructe şi legume. În timpul dezvoltării fructelor, protopectina se formează în pereţii celulari şi se poate acumula în cantităţi mari (mere, pere, citrice). Coacerea fructelor este caracterizată de transformarea enzimatică a protopectinei insolubilă în pectină solubilă. Procesul continuă şi după recoltarea fructelor, în timpul păstrării lor în stare proaspătă. Această transformare determină înmuierea pulpei fructului şi formarea caracteristicilor specifice ale fructului copt. * Gradul de metoxilare = numărul de grupe carboxilice esterificate de la 100 unităţi de acid galacturonic. 16 Poliglucide din alge şi bacterii Agarul este un polizaharid care se găseşte în unele alge marine ce aparţin genurilor Gelidium, Gracilaria, Pterocladia. În apă rece, agarul este insolubil, dar se solubilizează la cald. Prin răcire, soluţiile apoase de agar se transformă în gel. Sub aspect structural, agarul este un amestec de două polizaharide: agaroză şi agaropectină. Agaroza este formată din resturi de D-galactoză şi de 3,6-anhidro-L-galactoză legate între ele prin legături α-(1→3) şi β-(1→4) glicozidice sub formă liniară. Agaropectina este alcătuită din lanţuri formate din resturi de D-galactopiranoză, legate (1→3) β-glicozidic, din care unele sunt esterificate cu H2SO4. Agarul se utilizează în industria alimentară pentru obţinerea diferitelor jeleuri, paste, gemuri, a ciocolatei, a îngheţatei. Se foloseşte şi în practica microbiologică, pentru obţinerea mediilor de cultură solidificate. Carrageenanul este un polizaharid care se extrage din unele alge roşii. Este alcătuit din resturi de galactopiranoză legate α-(1→3) şi β-(1→4) prin legături glicozidice; o mare parte din resturile de galactopiranoză sunt esterificate la carbonul 4 cu acid sulfuric. Are o structură ramificată şi este alcătuit din componente cu masă moleculară diferită – de la 350.000 până la 700.000. Carrageenanul are proprietăţi gelifiante şi este utilizat în industria alimentară ca stabilizator la obţinerea îngheţatei, a cremelor-desert, dressing-urilor şi maionezelor. Alginaţii sunt sărurile acidului alginic care este un polizaharid ce se găseşte în pereţii celulari ai unor alge ce aparţin genurilor Macrocystis, Laminaria şi Fucus. Acidul alginic este analog acidului pectic, însă este alcătuit din resturi de acid D-manuronic şi acid L-guluronic legate prin legături β-glicozidice. Acidul alginic şi sărurile sale, mai ales alginatul de sodiu, sunt larg utilizaţi în calitate de emulgatori şi stabilizatori la obţinerea îngheţatei şi a diferitelor emulsii. Xantanul este un heteropolizaharid produs prin polimerizarea în condiţii aerobe a glucozei, zaharozei sau amidonului de către bacteria Xanthomonas Campestris. Molecula de xantan este formată din resturi de -glucopiranoză şi are structura de bază asemănătoare celulozei, dar la fiecare al doilea rest de glucoză sunt ataşate lanţuri scurte care fac ca xantanul să fie solubil în apă , dând soluţii coloidale. Nu este hidrolizat în tractul digestiv. Este folosit pentru obţinerea produselor dietetice hipocalorice, ca agent de îngroşare, gelificare şi emulsionare. Dextranul este un polizaharid care se formează din zaharoză sub acţiunea unor specii diferite de Leuconostoc. Este solubil în apă. Lanţurile principale din moleculele de dextran pot avea o structură liniară sau ramificată şi sunt alcătuite din resturi de α-glucopiranoză legate (1→6), fără sau cu rare ramificaţii legate (1→3) şi formate din 1-2 resturi de glucoză. În industria alimentară are aceleaşi utilizări ca xantanul. În fabricile de zahăr , dextranul, produs prin acţiunea lui Leuconostoc mezenteroides de infecţie în zeama de difuziune , perturbă procesul tehnologic, îndeosebi operaţia de cristalizare. Structura lanţului principal al moleculei de dextran se poate reprezenta schematic în felul următor: 17  H OH H OH HO HO OH H OH H H O H O O CH2 H O H CH2 H O H CH2 H O H H O H H O H H H H OH H O CH2 OH H O CH2 OH H HO O HO HO H OH H OH H OH Rest de moleculã de dextran 2.3.2.3.Polizaharide ce conţin aminozaharuri Aceste substanţe, în stare liberă, se numesc mucopolizaharide (sau glicozaminoglicani) şi sunt specifice regnului animal. Sunt constituite din glucozamină sau galactozamină şi acizi uronici. Mucopolizaharidele sunt substanţe de structură ale ţesuturilor sau sunt componente ale substanţelor mucoase din organisme. Ele pot fi o parte constitutivă a unor proteine conjugate numite glicoproteide sau mucoproteide. Mucopolizaharidele dau soluţii vâscoase şi au rol important în organismele animale întrucât îndeplinesc funcţia de cimentare a celulelor ţesutului conjunctiv şi de protecţie a unor ţesuturi. Se împart în acide (acid hialuronic, acid condroitinic, heparină) şi neutre. Material peluat din: Segal R. 2006. Biochimia produselor alimentare, Editura Academica, Galaţi (pag. 20-58) 18