Uvod

Ugljikohidrati su najrasprostranjenija skupina organskih spojeva u prirodi. Osnovni su izvor energije za mišićni rad i sve ostale procese koji se zbivaju u organizmu.

U 18. stoljeću prosječna potrošnja saharoze bila je jedan kilogram godišnje po stanovniku. Uvođenjem novih načina proizvodnje, saharoza je postala jeftinija i svima dostupna. Njezina potrošnja stalno raste i, u nekim zemljama, godišnja potrošnja premašuje 50 kg po stanovniku.

Procesom fotosinteze, prema nekim procjenama, godišnje na Zemlji nastane 6 × 1011 t glukoze. Izračunajte koliko topline biljke vežu tijekom godine dana u procesu fotosinteze, ako standardna reakcijska toplina sinteze glukoze iznosi 2801,8 kJ mol–1. Napišite termokemijsku jednadžbu sinteze glukoze i nacrtajte entalpijski dijagram.

Zadano je:

m(C6H12O6) = 6 × 1011 t = 6 × 1017 g

M(C6H12O6) = 180,16 g mol–1

Traži se:

a) termokemijska jednadžba fotosinteze glukoze

b) Q = ?

c) entalpijski dijagram procesa fotosinteze

Postupak i rješenja:

a) [latex]6CO_2\left(g\right)\space +\space 6H_2O\left(l\right)\space \longrightarrow \space C_6H_{12}O_6\left(s\right)\space +\space 6O_2\left(g\right)\space \space \Delta _r\mathit{H}\degree =2801,8\space kJ\space mol^{-1}[/latex]

 

b)[latex]\mathit{Q}=\Delta _r\mathit{H}\degree \cdot \frac{\mathit{m}\left(C_6H_{12}O_6\right)}{\mathit{M}\left(C_6H_{12}O_6\right)\cdot \mathit{\nu }\left(C_6H_{12}O_6\right)}[/latex]

[latex]\mathit{Q}=2801,8\space kJ\space mol^{–1}\cdot \frac{6\times 10^{17}\space g}{180,16\space g\space mol^{–1}\cdot 1}[/latex]

[latex]\mathit{Q}=9,33\times 10^{18}\space kJ[/latex]

Monosaharidi

Monosaharidi su jednostavni ugljikohidrati opće molekulske formule:

[latex]C_{\mathit{n}}H_{2\mathit{n}}O_{\mathit{n}}[/latex]

U prirodi su najčešće heksoze glukoza i fruktoza. Glukoza je aldoza, a fruktoza je ketoza. Kombinacijom obaju načina podjele, glukozu označavamo kao aldoheksozu, a fruktozu kao ketoheksozu.

Stereokemija monosaharida

Molekule monosaharida imaju najmanje jedan, a najčešće više asimetričnih ugljikovih atoma. Najjednostavnija aldotrioza je gliceraldehid koja ima jedan stereogeni centar, pa ima dva stereoizomera. Jedan od njih ima apsolutnu konfiguraciju R, a drugi S.

1. Riješeni primjer
2. Riješeni primjer

U kemiji ugljikohidrata i aminokiselina još uvijek se koristi stariji način obilježavanja konfiguracije znakovima D i L. To su oznake relativne konfiguracije koja se dobije uspoređivanjem s dogovorno izabranom kiralnom molekulom gliceraldehida.

U Fischerovoj projekcijskoj formuli molekula D-gliceraldehida ima hidroksilnu skupinu na stereogenom centru smještenu s desne strane, a u L-gliceraldehida s lijeve strana.

Usporedbom, dogovorno, monosaharid pripada D-seriji ako mu je konfiguracija na predzadnjem ugljikovom atomu jednaka konfiguraciji D-gliceraldehida. Odnosno, usporedbom se određuje i pripadnost šećera L-seriji.

Svi šećeri u prirodi koji su važni u prehrani ljudi i životinja su D-konfiguracije.

3. Riješeni primjer

Nacrtajte Fischerove projekcijske formule enantiomera neke aldopentoze i podijelite ih na D i L monosaharide.

Svojstva monosaharida

Glukoza (grč. glykys = sladak), molekulske formule C6H12O6 je čvrsta kristalna bijela tvar, slatkog okusa i topljiva je u vodi. Izvor je energije za organizam. Nalazi se u voću, nektaru cvijeća, medu i u krvi sisavaca. Često se naziva grožđani šećer ili krvni šećer, ali i dekstroza jer zakreće ravninu polarizirane svjetlosti nadesno.

Pozorno pogledajte videozapis Topljivost glukoze i donesite zaključke o topljivosti glukoze u vodi.

Topljivost glukoze

U molekuli glukoze zastupljene su i aldehidna i hidroksilna skupina koje stupaju međusobno u reakciju dajući poluacetal prstenaste strukture. U otopini glukoze samo je 0,1 % molekula lančaste strukture.

Konverzija α-anomera preko otvorenog lanca u ß-anomer naziva se mutarotacija.

Problemski zadatak

Proučite rotirajuće trodimenzijske modele α-D-glukoza i ß-D-glukoza i uočite razliku u položaju hidroksilne skupine na anomernom atomu ugljika.

Karbonilna skupina aldoze može se oksidirati blagim oksidansima (Fehlingov, Tollensov i Trommerov reagens) u karboksilnu skupinu te nastaje glukonska kiselina. Ugljikohidrati koji daju pozitivnu reakciju s ovim reagensima nazivaju se reducirajući šećeri.

1. Pokus

Fotografija prikazuje ukapavanje prozirne tekućine u epruvetu kapaljkom.

Test reakcije na glukozu

Ovakve se reakcije koriste za dokazivanje glukoze u laboratorijskim uvjetima. Postoji više takvih reakcija, a neke od njih su Trommerova rekacija, Fehlingova reakcija i Tollensova reakcija. Sve se temelje na sposobnosti glukoze da reducira kation metala iz karakterističnog reagensa, a da se glukoza oksidira u kiselinu.

Upute za dokazivanje glukoze Trommerovim reagensom pronaći ćete na mrežnom mjestu 4.

Fruktoza, molekulske formule C6H12O6 je bijela čvrsta tvar topljiva u vodi. Topljivost fruktoze u vodi je bolja od topljivosti glukoze. Po okusu je fruktoza slađa od glukoze i saharoze. Fruktoza se nalazi u voću i medu pa je njezin drugi naziv voćni šećer. Poznata je i pod nazivom levuloza jer zakreće ravninu polarizirane svjetlosti ulijevo.

Problemski zadatak

Istražite zašto se šesteročlani prsten monosaharida naziva piranoza, a peteročlani furanoza. Na osnovi imena glukopiranoza koji predstavlja šesteročlani ciklički oblik glukoze imenujte piranozni oblik galaktoze te furanozni oblik fruktoze.

Med je prirodna smjesa glukoze i fruktoze. Pored ova dva monosaharida med sadrži brojne vrijedne sastojke. Istražite na stručnim stranicama nutritivna svojstva meda i zašto je njegovo korištenje u prehrani zdravo.

Galaktoza je aldoheksoza i od glukoze se razlikuje po konfiguraciji na C-4 atomu. Ona je sastavni dio disaharida laktoze. Galaktoza je reducirajući šećer.

Disaharidi

Glikozidnom je vezom povezan C-1 atom iz glukoze s C-2 atomom fruktoze. Zbog toga saharoza nema hidroksilnu skupinu na anomernom ugljikovom atomu i nije reducirajući šećer.

Koristeći rotirajući trodimenzijski model molekule saharoze, uočite da je konfiguracija na anomernom centru α u odnosu na glukozu, a β u odnosu na fruktozu. 

Hidrolizom glikozidne veze, od molekule saharoze nastaje po jedna molekula monosaharida glukoze i fruktoze. Dobivena smjesa naziva se invertni šećer. Ime mu dolazi od činjenice da nastala smjesa zakreće ravninu polarizirane svjetlosti u suprotnom smjeru od saharoze. Više o invertnom šećeru potražitena mrežnom mjestu 5.

Proširite vidike

Neki ljudi pokazuju netoleranciju na laktozu zbog čega u prehrani koriste zamjene u obliku bademovog ili sojinog mlijeka. Zašto dolazi do pojave netolerancije na laktozu pročitajte na mrežnom mjestu 6.

Problemski zadatak

Na stručnim mrežnim stranicama istražite koja su svojstva disaharida maltoze i celobioze. 

Polisaharidi

Škrob je biljni polisaharid i služi kao izvor pričuvne energije. U stanicama biljaka molekule škroba oblikuju škrobna zrnca. Sjemenke i gomolji pojedinih biljaka naročito su bogati škrobom te se stoga i koriste u prehrani (žitarice, grah, grašak, krumpir).

Škrobna zrnca u krumpiru

Amilopektin koji čini gotovo četiri petine škrob, od amiloze se razlikuje razgranatom strukturom. U amilopektinu  su glukozne jedinice povezane α(1,4)-glikozidnom vezom čineći lance koji su međusobno povezani α(1,6)-glikozidnom vezom.

Topljivost škroba

Škrob možemo dokazati Lugolovom otopinom (otopinom joda u kalijevu jodidu). Reagens ima početnu žutosmeđu boju, a u dodiru sa škrobom mijenja boju do tamnoplave, ovisno o količini škroba u uzorku.

Testiranje namirnica na škrob

Jednadžba hidrolize škroba:

[latex]\left((C_6H_{10}O_5\right)_{\mathit{n}}\left(H_2O\right))+\left(\mathit{n}-1\right)H_2O\longrightarrow \mathit{n}C_6H_{12}O_6[/latex]

Hitin se od opisanih polimera razlikuje po prisutnosti amino skupine na C-2 atomu glukozne jedinice. Prisjetite se gdje ste sve u biologiji spominjali hitin. Istražite kako izgleda dio strukture hitina te koja kemijska i fizička svojstva ima.