Bài giảng Hóa sinh đại cương: Chương 1 - Giang Thị Phương Ly

Bài giảng Hóa sinh đại cương: Chương 1 - Giang Thị Phương Ly được biên soạn với các nội dung chính sau đây: Khái niệm, định nghĩa về glucid; Vai trò, chức năng và nhu cầu của glucid; Phân loại glucid; Cấu trúc và tính chất của một số glucid quan trọng;... Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng!

1

Phần I: Thành phần và cấu tạo của cơ thể sống

 Thành phần các loại hợp chất của cơ thể sống

 Cấu tạo và tính chất của Glucid

 Cấu tạo và tính chất của Lipid

 Cấu tạo và tính chất của Protein

 Cấu tạo và tính chất của Nucleic acid

 Enzym

 Vitamin

 Chất trợ sinh

2

Thành phần các loại hợp chất của cơ thể sống

 Trong cơ thể người trưởng thành (~70kg) có chứa khoảng

3 x 1027 nguyên tử và ít nhất khoảng 60 nguyên tố hóa học

 ở cấp độ nguyên tử cấu thành nên các cơ thể sống, giới

vô cơ và hữu cơ là thống nhất

3

Thành phần các loại hợp chất của cơ thể sống

 Các nguyên tố đa lượng (đại lượng):

 Khối lượng chất sống của cơ thể lớn hơn 10 -4 ( hay 0,01%)

 có 11 nguyên tố chiếm 99% khối lượng cơ thể là O, C, H, N, P, S,

Cl, Ca, K, Na, Mg

  C là ngtố hóa học đặc biệt quan trọng cấu trúc nên bộ khung của các đại phân tử

 Các nguyên tố vi lượng: I, F, Br, Si, Bo, Fe, Zn, Cu, Mn, Co,

Ni, Al, Ti, Sn, Mo, Pb… và siêu vi lượng: Vd, Rb, Cs, Li, Ba,

Sr, Ag, Cr,…

4

Vai trò các loại hợp chất của cơ thể sống

 Nước: chiếm 20-97% trọng lượng cơ thể sống, tồn tại dưới dạng

tự do và gel (hydrat hóa), Vai trò: dm, điều hòa pH, điều hòa thân nhiệt, tham gia chuyển hóa trong các phản ứng oxi hóa khử, thủy phân, cung cấp: H, O, H + , OH -

 Các hợp chất vô cơ: chiếm 4-5% trọng lượng khô, chủ yếu là ở các mô xương và mô nâng đỡ, ngoài ra còn có trong thành phần dịch bào để điều hòa áp suất thẩm thấu, điều hòa vận tải và chuyển điện tử

 Nhiều ngtố vi lượng là thành phần cấu trúc bắt buộc của hàng trăm hệ enzim xúc tác cho phản ứng hóa sinh trong tế bào

5

 Enzim: Làm tăng tốc độ đạt đến cân bằng cho phản ứng hóa sinh

 Vitamine: Hỗ trợ enzim trong xúc tác

 Hormon: Điều hòa chuyển hóa của cơ thể sống

 Các sản phẩm chuyển hóa trung gian

 Các chất chuyển hóa trung gian (oza, axit hữu cơ, rượu, amin,…)

 Các chất thải (CO2, Ure,…)

 Các chất trợ sinh (kháng sinh, chất tạo màu, tạo hương)

6

Chương 1: Glucid

Mục tiêu:

 Đ/n Glucid, monosaccharide, oligosaccharide, polysaccharide.

 P/biệt các dạng đồng phân D & L, α & β; cấu trúc vòng 5 cạnh furanose và vòng 6 cạnh pyranose của monosaccharide

 CTCT của các đường đơn phổ biến: ribose, deoxyribose, glucose, galactose, fructose.

 CTCT của một số đường đôi có tính khử và không có tính khử: saccharose, maltose, lactose, cellobiose.

 C/trúc và t/chất của polysaccharide thuần (tinh bột, glycogen và cellulose) và polysaccharide dị thể (hemicellulose, các peatin, mucopolysaccharide).

 L/kết glycosidic và l/kết hydrogen trong c/trúc p/tử glucid

7

 Glucid (hoặc Carbohydrat) gồm các loại chất bột, đường và chất xơ, là thành phần dinh dưỡng cơ bản, chiếm khối lượng lớn nhất và cung cấp năng lượng nhiều nhất trong khẩu phần ăn.

8

Nguồn Glucid trong 100g thực phẩm

Bột nếp 78,7g Sắn khô

80,3g

Bún 25,7g Trứng 0,5-1g

Bột ngô 73g Miến 82,2g

Cá không đáng kể

9

1 Khái niệm, định nghĩa:

 Glucid là chất hữu cơ phổ biến ở động vật, thực vật và vi sinh vật.

 Ở thực vật: tỉ lệ glucid khá cao (80% - 90% trọng lượng khô) tồn tại ở dạng dự trữ (tinh bột) hoặc mô nâng đỡ (cellulose), được tổng hợp từ CO2, nước và năng lượng của ánh sáng mặt trời (hiện tượng quang hợp).

 Ở động vật: không quá 2%; người và đông vật không có khả năng quang hợp nên phải sử dụng nguồn glucid từ thực vật.

 Các nguyên tố cấu tạo nên glucid là C, H, O CTCT chung của glucid là Cn(H2O)n  glucid còn được gọi là hydrat carbon (cacbohydrat)

 Định nghĩa: Glucid là dẫn xuất có oxi của hydrocarbon thuộc loại rượu đa, tạp chức mà trong phân tử có nhóm carbonyl ở dạng tự do hay liên kết

10

2 Vai trò, chức năng và nhu cầu

 Glucid cung cấp 60% năng lượng của cơ thể sống, là thànhphần cấu trúc của mô và màng, có vai trò thông tin trong nhómmáu, kháng thể và một số cấu trúc đặc biệt khác.

 Chuyển hoá glucid liên quan chặt chẽ đến chuyển hoá chấtđạm và chất béo:

- Cung cấp đủ glucid theo nhu cầu sẽ làm giảm phân hủy protein đến mức tối thiểu

- Khi lao động nặng, nếu không đủ năng lượng từ glucid sẽ làm tăng phân hủy chất đạm.

 Nhu cầu Glucid phụ thuộc vào tiêu hao n/lượng, 1g4,1Kcal:

-Người lao động thể lực nhiều, nhu cầu cao và ngược lại.

-Người đứng tuổi và người già nhu cầu thấp hơn.

11

 Tạo kết cấu:

+Tạo sợi, tạo màng, tạo gen,tạo độ đặc, độ cứng, độ đàn hồi cho thực

phẩm như tinh bột, thạch và pectin trongmiến, giấy bọc kẹo, mứt quả, kem

đá

+Tạo ra được kết cấu đặc thù cho một số sản phẩm thực phẩm : như độ phồng nở của bánh phồng tôm, tạo bọt cho bia, độ xốp cho bánh mì vào tạo

độ chua cho sữa chua

+Tạo ra được những 'bao vi thể' để cố định enzim và cố định tế bào.

 Tạo chất lượng :

+Chất tạo ngọt cho thực phẩm (các đường).

+Tham gia tạo ra màu sắcvà hình thơm cho sản phẩm

 Tạo ra các chất lưu biến cho các sản phẩm thực phẩm : độ dai, độ trong, độ giòn, độ dẻo

+Có khả năng giữ được các chất thơm trong các sản phẩm thực phẩm.

+Tạo ẩm cũng như làm giảm hoạt độ nước làm thuận lợi cho quá trình gia công cũng như bảo quản.

12

3 Phân loại Glucid:

 Theo tính chất:

 Glucid tinh chế:

là các glucid đã được tinh chế và loại bỏ tối đa các chất thô kèm theo Tỉ lệ các glucid tinh chế trong thực phẩm càng cao, thực phẩm càng dễ tiêu hóa và nhanh chóng được sử dụng để cung cấp năng lượng cho cơ thể Glucid tinh chế cao có trong sản phẩm đường, bánh kẹo

 Glucid bảo vệ:

là các glucid thực vật dưới dạng tinh bột có kèm theo lượng cellulo không ít hơn 0.4%, vd: khoai tây, ngũ cốc nguyên hạt Nhóm Glucid này chậm tiêu và rất ít được sử dụng để tạo mỡ Sử dụng Glucid nhóm này tránh được các hậu quả như béo phì, tăng cholesterol trong máu, xơ vữa động mạch

 Theo cấu trúc hóa học

13

Phân loại glucid theo cấu trúc hóa học (theo mức độ phức tạp của

phân tử):

 Monosaccharide (đường đơn, ôzơ), tùy theo số nguyên tửcacbon chia thành các nhóm: triose, tetrose, pentose, hexose,heptose

 Oligosaccharide (đường nhỏ, 2-10 gốc đường đơn, oligôzơ):disaccharide, trisaccharide, tetrasaccharide

 Polysaccharide (đường đa, polyôzơ):

 Polysaccharide thuần:

 Polyhomosaccharide: gồm một loại ôzơ trong phân tử

 Polyheterosaccharide: gồm nhiều loại ôzơ trong phân tử

 Polysaccharide tạp:

 N-heteropolysaccharide: ngoài hợp chất ôzơ còn có hợp chất chứa N

 S-heteropolysaccharide: ngoài hợp chất ôzơ còn có hợp chất chứa S

14

4 Cấu trúc và tính chất của một số glucid quan trọng

4.1 Monosaccharide

4.2 Oligosaccharide

4.3 Polysaccharide

15

 Đồng phân lập thể: Số đồng phân phụ thuộc vào số ng/tử C bất đối (n) có trong phân tử và bằng 2 n

 Đồng phân D & L: là 2 đồng phân bất đối của nhau, cấu hình D đc quy đinh đối với trường hợp nhóm –OH của ng/tử C bất đối xa nhóm cacbonyl nhất nằm về phía bên phải, ngược lại có cấu hình L, đường đơn trong tự nhiên thường có dạng D

 Các ng/tử C bất đối làm cho ddịch đường có khả năng quay mặt phẳng a/sáng phân cực sang phải (+) hoặc sang trái (-); hhợp bằng nhau của các đồng phân D và L làm triệt tiêu hoạt tính quang học gọi là hhợp raxemic

 Đọc thêm: đồng phân, hình chiếu,

17

4.1.1 Cấu trúc mạch thẳng của các aldose và ketose

19

Mối quan hệ hóa học lập thể của các D- aldose thiên nhiên

Mối quan hệ hóa

học lập thể

của các D- ketose

thiên nhiên

26

 Chú ý các epime: chỉ khác nhau 1 trung tâm dị lập thể

27

4.1.2 Cấu trúc mạch vòng của các aldose và ketose

29

30

32

Một số dạng biểu diễn vòng 6 cạnh của các hexoses

34

Vòng 5 cạnh:

36

4.1.3 Vai trò sinh lý

Pentose Vai trò sinh lý

D-Ribose Tham gia cấu tạo axit nucleic và coenzim (ATP,NAD, NADP và

các flavoprotein), chất trung gian trong quá trình thoái biến glucose theo con đường oxi hóa trực tiếp

D-Ribulose Chất trung gian trong quá trình thoái biến glucose theo con

đường oxi hóa trực tiếp D-Arabinose Thành phần của glucoprotein

D-Xylose Thành phần của glucoprotein

D- Lixose Thành phần của lixoflavin được tách chiết từ tim người

D- Xilulose Chất trung gian trong quá trình thoái biến axit uronic

37

Vai trò sinh lý của một số furanose

Hexose Nguồn Vai trò sinh lý

D-Glucose Các dịch do thủy

phân tinh bột, đường saccharose, mantose, lactose

Là đường của cơ thể, được vận chuyển qua máu và là dạng sử dụng chính của các tổ chức sinh lí trong cơ thể, là đơn vị cấu tạo của nhiều disaccharide và polysaccharide

D-Fructose Mật ong, các dịch

thủy phân đường saccharose, inulin (trong actisô)

Có thể biến đổi thành đường glucose ở gan và ruột, do đó được cơ thể sử dụng

D- Galactose Thủy phân đường

lactose

Có thể biến đổi thành đường glucose ở gan và được chuyển hóa, tổng hợp ở tuyến vú để tạo đường lactose trong sữa mẹ, là thành phần của glucolipid và glucoprotein, có vai trò quan trọng trong màng tế bào hệ thần kinh trung ương

D-Mannose Thủy phân một số

Tính chất vật lý

 Tính tan: trong phân tử monosaccharide có mang nhiều nhómhydroxy phân cực mạnh có khả năng tạo lk hydrogen, do đóquyết định tính hòa tan và trạng thái tập hợp củamonosaccharide Đa số monosaccharide là những chất khôngbay hơi, dễ hòa tan trong nước, trong dimetylformamide,dimetylsulfoxide, hòa tan hạn chế trong alcol, pyridine, aceticaxit và không tan trong dm hữu cơ thông thường

 Các dẫn xuất monosaccharide mà có nhóm OH bị thay thế dễbay hơi và có thể chưng cất

 Trong dung dịch chúng bị solvat hóa mạnh do tương tác lưỡngcực và tạo lk hydrogen vs dm nên dd có độ nhớt cao khó tạomầm tinh thể, kết tinh chậm yêu cầu phương pháp đặc biệt

 Có thể dựa vào độ tan để phân lập từng đồng phân α, β

40

Phản ứng oxi hóa: dưới tác dụng của các chất oxi hóa

(tùy điều kiện oxi hóa) sẽ nhận được các axit khác nhau

43

- Oxi hóa 1 nhóm chức

 Oxi hóa nhẹ bằng dung

dịch Clo, brom, iot trong

môi trường kiềm hoặc

bằng dung dịch kiềm của

các ion kim loại, nhóm –

CHO bị oxi hóa thành

axit, ion kim loại bị khử

C6 bị oxi hóa dưới tác dụng của xúc tác enzim

 Nếu bảo vệ nhóm OH glucoside trước khi oxi hóa (metyl hoặc acetyl hóa)  nhóm alcol bậc 1 bị oxi hóa tạo axit uronic

Đecacboxil hóa axit uronic của các hexose sẽ nhận được các pentose tương ứng, Vd decacboxil hóa axit glucuronic xilose

45

- Oxi hóa 2 nhóm chức:

 Dưới tác dụng của axit nitric, nhóm aldehyde và rượu đầumạch bị oxi hóa tạo aldaric axit

46

Phản ứng tạo osazon

48

Monosaccharide tác dụng với 3 mol phenylhydrazin

tạo phân tử osazon, các đồng phân epime đều cho cùng

loại osazone, osazone kết tinh có hình thể xác định

dùng để nhận biết các monosaccharide, các đồng phân

epime của aldose và ketose có cấu hình C3, C4, C5

giống nhau chúng có cùng 1 osazon vì khi tạo osazon

ko còn C bất đối tại C2 Bằng phổ IR thấy osazon bền

vì tồn tại hệ liên hợp và có lk H nội phân tử

(C-O…H-N)

Este hóa

49

Dưới tác dụng của xúc tác pyridine, anhydride acetic phản ứng với các nhóm OH của đường cho ta acetat este

Ete hóa

50

ở dạng vòng hóa, các nhóm OH của đường bị biến đổi thành OR bằng phương pháp tổng hợp Williamson, sản phẩm bền trong môi trường kiềm

51

Phản ứng Williamsson

Tổng hợp ete Williamson là một phản ứng hữu cơ, tạo

thành một ete từ một organohalide và rượu bậc nhất Phản ứng này đã được phát triển bởi Alexander Williamson năm

1850 Điển hình là nó liên quan đến phản ứng của một ion Ancoxit với một nhũ tương alkyl chính thông qua một

phản ứng SN2 Phản ứng này là rất quan trọng trong lịch sử của hóa học hữu cơ bởi vì nó đã giúp chứng minh cấu trúc của các ete.

Ví dụ:

Na+C2H5O− + C2H5Cl → C2H5OC2H5

Phản ứng của nhóm glycoside

53

Phản ứng của đường với rượu hoặc amine trong môi trường axit, đường tồn tại dạng cân bằng của α và β- hemiacetal, sản phẩm tạo thành sẽ là cả 2 anomer của acetal Phần liên kết không phải đường được goi là aglucon, sản phẩm được gọi là glucoside, các glucoside khá phổ biến trong tự nhiên

Phản ứng thế nhóm OH tạo heteroozit

54

 Thoái biến Ruff

 Thoái biến Wohl

 Thoái biến Weermann

 Oxi hóa cắt mạch bằng axit peiodic

 Lên men

55

 Axit periodic tác dụng với monosaccharide, mạch carbon

bị cắt đứt và tạo dialdehyde

56

4.1.5 Ký hiệu một số monosaccharide quan trọng theo IUPAC-IUB

Monosaccharide Ký hiệu Monosaccharide Ký hiệu

Glucose Glc Fructose Fru

Galactose Gal Ramnose Rha

Mannose Man Glucozamine GlcN

Ribose Rib N-Axetylglucozamine GlcNAc

Xylose Xyl Axit glucuronic GlcU

57

4 Cấu trúc và tính chất của một số glucid quan trọng

4.1 Monosaccharide4.2 Oligosaccharide4.3 Polysaccharide

61

4.2 Oligosaccharide

4.2.1 Định nghĩa, cấu trúc và danh pháp

4.2.2 Một số oligosaccharide phổ biến

62

4.2.1 Định nghĩa, cấu trúc và danh pháp:

 Định nghĩa: Là carbohydrate có 2-10gốc monosaccharide,

các gốc này lkết với nhau bằng lkết glycoside.Oligosaccharide phổ biến nhất là disaccharide (2 gốcmonosaccharide

 Cấu trúc: Lk giữa 2 monosaccharide có sự tham gia của nhómhydroxyl hemiaxetal của một phân tử monosaccharide ở dạngpyranose hay furanose với cấu hình α- hoặc β-, tùy thuộc vàonhóm hydroxyl nào của phân tử monosaccharide thứ 2 thamgia tạo lkết glycoside mà ta có thể chia thành:

 Đường có tính khử

 Đường không có tính khử

 Chú ý cấu hình anome nhóm OH ở C1

63

Có rất nhiều khả năng lket giữa hai phân tử đường , song phổ biến là các lk 11, 12, 14 và 16

Danh pháp

 Bắt đầu viết mạch từ đầu không khử phía trái

 Các dạng đồng phân được kí hiệu với các tiếp đầu ngữ (α-, D- )

 Cấu hình vòng được kí hiệu bằng đuôi piranose hoặc furanose

 Vị trí của cacbon tạo liên kết glicoside được ghi trong 2 dấu

 Đường có tính khử: phản ứng loại nước xảy ra giữa một nhóm hydroxyl glycosidic và một nhóm hydroxyl ancolic tạo lk monocacbonyl, trong trường hợp này nhóm hemiaxetal vẫn bảo tồn nên vẫn còn tính khử

66

 Đường không có tính khử: phản ứng loại nước xảy ra giữa

hai nhóm hydroxyl glycoside tạo liên kết dicacbonyl, trong trường hợp này cả hai monosaccharide đều mang nhóm axetal nên không còn khả năng mở vòng do đó không có tính khử

67

Tri &

Tetra

saccharide

Raffinose: Galactopyranosyl-(16)- α-D-Glucopyranosyl-

α-D-

(12)-β-D-fructofuranoside , là trisaccharide không có tính khử, xuất hiện trong

củ cải đường Tinh thể không có vị ngọt, không bền nhiệt, dễ thủy phân giải phóng gốc fructose dưới tác dụng của axit ở nhiệt độ cao, dưới tác dụng của enzim thủy phân hoàn toàn thành các monosaccharide

Stachiose: ko có tính khử,

tìm thấy phổ biến trong các cây họ đậu, tập trung trong hạt, củ, rễ

4 Cấu trúc và tính chất của một số glucid quan trọng

4.1 Monosaccharide4.2 Oligosaccharide4.3 Polysaccharide

69

4.3 Polysaccharide

 Polysaccharide thuần:

 Polyhomosaccharide: gồm một loại ôzơ trong phân tử

 Polyheterosaccharide: gồm nhiều loại ôzơ trong phân tử

• Tinh bột

• Glycogen

• Cellulose

72

 Trương phồng lên và tan 1 phần nhỏ trong nước nóng

 Là hỗn hợp của 2 polysaccharide: amylose và amylopectin

 Tỷ lệ amylose và amylopectin phụ thuộc vào từng loàithực vật

74

•Amilose: (  -D- glucose) n

 Dạng xoắn, tan trong nước

 Cho phản ứng màu với iod  xanh tím

 Liên kết α(14)

75

 Phân nhánh nhiều, điểm phân nhánh có lkết α(16)

glycosidic

 Đun nóng tạo thành hồ, cho màu tím đỏ khi tác dụng với iod

 Chiếm 75-85% trong tinh bột

76

•Amilopectin (  -D-glucose) n

77

Glycogen

 Là tinh bột động vật, chủ yếu hiện diện trong gan

(5%) và cơ (1%)

 Trọng lượng phân tử: 400.000 - 4.000.000

 Cấu tạo bởi 2.400-24.000 đơn vị glucose

 Liên kết hoá học chính:liên kết α glycosid 1,4 và liên

kết α glycosid 1,6

 Có nhiều mạch nhánh hơn amilopectin (gấp 3 lần)

 Tan trong nước nóng, cho màu đỏ tím hoặc đỏ nâu

với iot

79