Hóa học carbohydrate (Carbohydrate chemistry)

1. Cấu trúc:

Carbohydrate về cơ bản là aldehyde hoặc ketone đa chức, cùng với các dẫn xuất của chúng. Công thức chung thường được biểu diễn là (CH$_2$O)$_n$, mặc dù không phải tất cả carbohydrate đều tuân theo công thức này. Chúng được phân loại dựa trên số lượng đơn vị đường (monomer):

• Monosaccharide: Là đơn vị đường đơn giản nhất, ví dụ như glucose (C$6$H${12}$O$_6$) và fructose (C$6$H${12}$O$_6$). Glucose tồn tại ở dạng mạch hở và dạng mạch vòng (pyranose).
  • Dạng mạch hở của glucose:

     H-C=O
     |
     H-C-OH
     |
     HO-C-H
     |
     H-C-OH
     |
     H-C-OH
     |
     CH$_2$OH

Lưu ý rằng glucose ở dạng mạch hở có thể tồn tại ở dạng D-glucose hoặc L-glucose tùy thuộc vào cấu hình của nhóm hydroxyl trên carbon bất đối xứng cuối cùng.

• Disaccharide: Được tạo thành từ hai monosaccharide liên kết với nhau bằng liên kết glycosidic, ví dụ như sucrose (glucose + fructose) và lactose (glucose + galactose). Liên kết glycosidic được hình thành giữa nhóm hydroxyl của một monosaccharide và carbon anomeric của monosaccharide khác.
• Oligosaccharide: Được tạo thành từ một số lượng nhỏ (từ 3 đến 10) monosaccharide.
• Polysaccharide: Được tạo thành từ nhiều monosaccharide liên kết với nhau, ví dụ như tinh bột (amylose và amylopectin) và cellulose. Tinh bột đóng vai trò dự trữ năng lượng trong thực vật, trong khi cellulose là thành phần cấu trúc chính của thành tế bào thực vật.

2. Tính chất:

• Độ tan: Monosaccharide và disaccharide thường tan trong nước do sự hiện diện của nhiều nhóm hydroxyl (-OH) có thể tạo liên kết hydro với nước. Polysaccharide thường ít tan hoặc không tan trong nước do kích thước phân tử lớn và cấu trúc phức tạp.
• Tính khử: Một số monosaccharide và disaccharide có tính khử do sự hiện diện của nhóm aldehyde hoặc ketone tự do (nhóm hemiacetal). Chúng có thể phản ứng với các tác nhân oxy hóa như thuốc thử Fehling và Tollens. Ví dụ, glucose có thể bị oxy hóa thành acid gluconic.
• Hương vị: Nhiều monosaccharide và disaccharide có vị ngọt. Độ ngọt của các loại đường khác nhau cũng khác nhau. Ví dụ, fructose ngọt hơn glucose.

3. Phản ứng:

Một số phản ứng quan trọng của carbohydrate bao gồm:

• Phản ứng thủy phân: Polysaccharide và oligosaccharide có thể bị thủy phân thành monosaccharide bằng axit hoặc enzyme. Ví dụ, tinh bột có thể bị thủy phân thành glucose.
• Phản ứng oxy hóa: Monosaccharide có tính khử có thể bị oxy hóa thành axit carboxylic. Như đã đề cập, glucose có thể bị oxy hóa thành acid gluconic.
• Phản ứng khử: Monosaccharide có thể bị khử thành rượu đa chức (alditol) bằng các tác nhân khử như NaBH$_4$.
• Phản ứng este hóa: Các nhóm hydroxyl của carbohydrate có thể phản ứng với axit carboxylic để tạo thành este.
• Phản ứng tạo glycosid: Monosaccharide có thể phản ứng với nhau để tạo thành disaccharide, oligosaccharide và polysaccharide thông qua liên kết glycosidic. Phản ứng này rất quan trọng trong việc hình thành các carbohydrate phức tạp.

4. Vai trò sinh học:

Carbohydrate đóng nhiều vai trò quan trọng trong các hệ thống sinh học, bao gồm:

• Nguồn năng lượng: Carbohydrate là nguồn năng lượng chính cho hầu hết các sinh vật. Glucose được oxy hóa trong quá trình hô hấp tế bào để tạo ra ATP, một dạng năng lượng sử dụng được cho tế bào.
• Dự trữ năng lượng: Tinh bột ở thực vật và glycogen ở động vật là dạng dự trữ năng lượng của carbohydrate.
• Cấu trúc tế bào: Cellulose là thành phần chính của thành tế bào thực vật, trong khi chitin là thành phần chính của bộ xương ngoài của côn trùng và giáp xác.
• Nhận diện tế bào: Glycoprotein và glycolipid trên bề mặt tế bào đóng vai trò trong việc nhận diện tế bào và truyền tín hiệu. Chúng hoạt động như các “dấu hiệu” trên bề mặt tế bào, cho phép các tế bào giao tiếp với nhau.

5. Ứng dụng:

Carbohydrate được sử dụng rộng rãi trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm:

• Thực phẩm: Đường, tinh bột và cellulose được sử dụng làm chất tạo ngọt, chất làm đặc và chất xơ. Các loại đường như sucrose và fructose được sử dụng rộng rãi để tạo vị ngọt cho thực phẩm và đồ uống. Tinh bột được sử dụng làm chất làm đặc trong súp, nước sốt và các sản phẩm thực phẩm khác. Cellulose được sử dụng làm chất xơ trong chế độ ăn uống.
• Dược phẩm: Heparin (một polysaccharide) được sử dụng làm thuốc chống đông máu. Một số carbohydrate khác cũng được sử dụng trong sản xuất thuốc và vắc-xin.
• Nông nghiệp: Cellulose được sử dụng làm chất phụ gia thức ăn chăn nuôi.
• Công nghiệp: Tinh bột được sử dụng trong sản xuất giấy, dệt may và chất kết dính.

6. Các dạng đồng phân của Carbohydrate:

Sự đa dạng của carbohydrate phần lớn đến từ tính chất đồng phân của chúng. Một số dạng đồng phân quan trọng bao gồm:

• Đồng phân cấu trúc: Các carbohydrate có cùng công thức phân tử nhưng khác nhau về cách sắp xếp các nguyên tử. Ví dụ, glucose, fructose và galactose đều có công thức C$6$H${12}$O$_6$ nhưng khác nhau về vị trí của các nhóm carbonyl và hydroxyl.
• Đồng phân lập thể (Stereoisomer): Các carbohydrate có cùng công thức phân tử và cấu trúc nhưng khác nhau về sự sắp xếp không gian của các nguyên tử. Điều này bao gồm:
  • Enantiomer: Các đồng phân là hình ảnh phản chiếu của nhau trong gương, ví dụ D-glucose và L-glucose. Hầu hết các đường tự nhiên tồn tại ở dạng D.
  • Diastereomer: Các đồng phân không phải là hình ảnh phản chiếu của nhau trong gương. Điều này bao gồm:
    • Epimer: Các diastereomer chỉ khác nhau về cấu hình tại một nguyên tử carbon bất đối xứng. Ví dụ, glucose và galactose là epimer tại C4.
    • Anomer: Các diastereomer khác nhau về cấu hình tại carbon anomeric (carbon carbonyl trong dạng mạch hở), tạo thành α- và β-anomer trong dạng mạch vòng.

7. Phân tích Carbohydrate:

Nhiều phương pháp được sử dụng để phân tích và xác định carbohydrate, bao gồm:

• Sắc ký: Các kỹ thuật sắc ký như sắc ký lớp mỏng (TLC), sắc ký khí (GC) và sắc ký lỏng hiệu năng cao (HPLC) được sử dụng để phân tách và định lượng các carbohydrate khác nhau.
• Phổ: Các kỹ thuật phổ như phổ hồng ngoại (IR) và phổ cộng hưởng từ hạt nhân (NMR) cung cấp thông tin về cấu trúc của carbohydrate.
• Các phản ứng hóa học: Các phản ứng đặc trưng như phản ứng Fehling và Tollens được sử dụng để xác định sự hiện diện của đường khử.

8. Glycobiology:

Glycobiology là một lĩnh vực nghiên cứu tập trung vào vai trò của carbohydrate trong các quá trình sinh học. Nó nghiên cứu cấu trúc, sinh tổng hợp và chức năng của glycan (chuỗi carbohydrate) và glycoconjugate (carbohydrate liên kết với protein hoặc lipid). Glycobiology đóng vai trò quan trọng trong việc hiểu các quá trình như nhận diện tế bào, miễn dịch và phát triển.

• Lehninger Principles of Biochemistry, David L. Nelson, Michael M. Cox
• Organic Chemistry, Paula Yurkanis Bruice
• Carbohydrate Chemistry, Thisbe K. Lindhorst
• Essentials of Glycobiology, Ajit Varki et al.

Câu hỏi và Giải đáp

Làm thế nào mà cấu trúc vòng của glucose được hình thành từ dạng mạch hở?

Trả lời: Cấu trúc vòng của glucose được hình thành thông qua một phản ứng giữa nhóm aldehyde (C1) và nhóm hydroxyl (C5) trên cùng một phân tử glucose. Phản ứng này tạo ra một liên kết hemiacetal và hình thành một vòng sáu cạnh (pyranose). Có hai dạng đồng phân vòng, α-glucose và β-glucose, khác nhau ở vị trí của nhóm hydroxyl trên carbon anomeric (C1).

Sự khác biệt chính giữa amylose và amylopectin, hai thành phần của tinh bột, là gì?

Trả lời: Cả amylose và amylopectin đều là polymer của glucose. Tuy nhiên, amylose là một chuỗi tuyến tính của các đơn vị glucose được liên kết bởi liên kết α(1→4) glycosidic, trong khi amylopectin là một polymer phân nhánh với cả liên kết α(1→4) và α(1→6) glycosidic. Các liên kết α(1→6) tạo ra các điểm phân nhánh trong cấu trúc của amylopectin.

Tại sao cellulose không thể bị tiêu hóa bởi con người trong khi tinh bột thì có thể?

Trả lời: Cả cellulose và tinh bột đều là polymer của glucose, nhưng chúng khác nhau về loại liên kết glycosidic. Tinh bột chứa liên kết α(1→4) glycosidic, mà enzyme trong hệ tiêu hóa của con người có thể thủy phân. Cellulose, mặt khác, chứa liên kết β(1→4) glycosidic, mà con người không có enzyme để phá vỡ.

Vai trò của carbohydrate trong việc nhận diện tế bào là gì?

Trả lời: Glycoprotein và glycolipid, là protein và lipid được gắn với carbohydrate, nằm trên bề mặt tế bào và đóng vai trò như “dấu hiệu” phân tử. Các glycans này có thể được nhận diện bởi các protein khác, chẳng hạn như lectin, cho phép các tế bào tương tác với nhau và tham gia vào các quá trình như kết dính tế bào, truyền tín hiệu và phản ứng miễn dịch. Ví dụ, các kháng nguyên nhóm máu được xác định bởi các glycans cụ thể trên bề mặt tế bào hồng cầu.

Glycobiology có liên quan như thế nào đến việc phát triển thuốc mới?

Trả lời: Glycobiology đóng một vai trò quan trọng trong việc phát triển thuốc mới bằng cách cung cấp những hiểu biết về các tương tác carbohydrate-protein. Nhiều protein quan trọng trong các quá trình bệnh lý, chẳng hạn như protein bề mặt tế bào của vi khuẩn và virus, được glycosyl hóa. Bằng cách nhắm vào các tương tác carbohydrate-protein này, các nhà nghiên cứu có thể phát triển các loại thuốc mới để ngăn chặn nhiễm trùng, điều trị các bệnh tự miễn và nhắm mục tiêu các tế bào ung thư.