Celiuliozė (pluoštas) yra augalinis polisacharidas, labiausiai paplitusi organinė medžiaga Žemėje.
Šis biopolimeras pasižymi dideliu mechaniniu stiprumu ir yra augalų atraminė medžiaga, formuojanti augalų ląstelių sienelę. Jis naudojamas popieriaus, dirbtinio pluošto, plėvelių, plastikų, dažų ir lakų, bedūmių miltelių, sprogmenų, kietojo raketinio kuro gamyboje, hidrolizinio alkoholio gamybai ir kt.
Celiuliozė dideliais kiekiais randama medienos audiniuose (40-55%), linų pluoštuose (60-85%) ir medvilnėje (95-98%).
Celiuliozės grandinės yra sudarytos iš β-gliukozės liekanų ir turi linijinę struktūrą.
9 pav
Celiuliozės molekulinė masė yra nuo 400 000 iki 2 mln.
10 pav
· Celiuliozė yra vienas griežčiausios grandinės polimerų, kuriame makromolekulių lankstumas praktiškai nepasireiškia. Makromolekulių lankstumas – tai jų gebėjimas grįžtamai (nepažeidžiant cheminių ryšių) pakeisti savo formą.
Chitino ir chitozano cheminė sudėtis skiriasi nuo celiuliozės, tačiau savo struktūra yra jai artima. Skirtumas tas, kad antrajame a-D-gliukopiranozės vienetų anglies atome, sujungtame 1,4-likozidiniais ryšiais, OH grupė pakeičiama –NHCH3COO grupėmis chitine ir –NH2 grupe chitozane.
Celiuliozės yra medžių ir augalų stiebų žievėje ir medienoje: medvilnėje celiuliozės yra daugiau nei 90 proc., spygliuočiuose – per 60 proc., lapuočių medžiuose – apie 40 proc. Celiuliozės pluoštų stiprumą lemia tai, kad juos sudaro pavieniai kristalai, kuriuose makromolekulės yra supakuotos lygiagrečiai viena kitai. Celiuliozė sudaro ne tik augalų pasaulio atstovų, bet ir kai kurių bakterijų struktūrinį pagrindą.
Cheminiu požiūriu chitinas yra poli( N- acetogliukozaminas). Štai jo struktūra:
11 pav
Gyvūnų pasaulyje polisacharidus „naudoja“ tik vabzdžiai ir nariuotakojai kaip atraminius, struktūrą formuojančius polimerus. Dažniausiai šiems tikslams naudojamas chitinas, kuris padeda sukurti vadinamąjį išorinį skeletą krabuose, vėžiuose ir krevetėse. Iš chitino deacetilinant susidaro chitozanas, kuris, skirtingai nei netirpus chitinas, tirpsta vandeniniuose skruzdžių, acto ir druskos rūgščių tirpaluose. Šiuo atžvilgiu, taip pat dėl vertingų savybių komplekso kartu su biologiniu suderinamumu, chitozanas turi didelių perspektyvų artimiausioje ateityje plačiai naudoti praktikoje.
Krakmolas yra vienas iš polisacharidų, kurie augaluose veikia kaip rezervinė maisto medžiaga. Gumbuose, vaisiuose ir sėklose yra iki 70% krakmolo. Gyvūnų saugomas polisacharidas yra glikogenas, kurio daugiausia randama kepenyse ir raumenyse.
Laikomo maistingo produkto funkciją atlieka šparaguose ir artišokuose esantis inulinas, suteikiantis jiems specifinį skonį. Jo monomerų vienetai yra penkių narių, nes fruktozė yra ketozė, tačiau apskritai šio polimero struktūra yra tokia pati kaip ir gliukozės polimerų.
Ligninas(iš lat. lignum- medis, mediena) - medžiaga, apibūdinanti sumedėjusias augalų ląstelių sieneles. Sudėtingas polimero junginys, randamas kraujagyslių augalų ir kai kurių dumblių ląstelėse.
Lignino molekulė
12 pav
Sumedėjusios ląstelių sienelės turi ultrastruktūrą, kurią galima palyginti su gelžbetonio struktūra: celiuliozės mikrofibrilės pasižymi panašiomis savybėmis kaip armatūra, o ligninas, turintis didelį gniuždymo stiprumą, atitinka betoną. Lignino molekulė susideda iš aromatinių alkoholių polimerizacijos produktų; pagrindinis monomeras yra koniferilo alkoholis.
Lapuočių medienoje lignino yra iki 20%, spygliuočių - iki 30%. Ligninas yra vertinga cheminė žaliava, naudojama daugelyje pramonės šakų.
Augalų kamienų ir stiebų tvirtumą, be celiuliozės skaidulų skeleto, lemia jungiamasis augalo audinys. Nemaža jo dalis medžiuose yra ligninas – iki 30 proc. Jo struktūra nebuvo tiksliai nustatyta. Yra žinoma, kad jis yra palyginti mažos molekulinės masės ( M~ 10 4) hiperšakotas polimeras, sudarytas daugiausia iš fenolio liekanų, orto padėtyje pakeistų -OCH3 grupėmis, para padėtyje -CH=CH-CH2OH grupėmis. Šiuo metu didžiulis kiekis ligninų yra sukauptas kaip celiuliozės hidrolizės pramonės atliekos, tačiau jų šalinimo problema neišspręsta. Atraminiai augalo audinio elementai yra pektino medžiagos ir ypač pektinas, kuris daugiausia randamas ląstelių sienelėse. Jo kiekis obuolių žievelėse ir citrusinių vaisių žievelių baltojoje dalyje siekia iki 30%. Pektinas priklauso heteropolisacharidams, tai yra kopolimerams. Jo makromolekulės daugiausia sudarytos iš D-galakturono rūgšties liekanų ir jo metilo esterio, sujungto 1,4-glikozidinėmis jungtimis.
13 pav
Tarp pentozių svarbiausi yra polimerai arabinozė ir ksilozė, kurie sudaro polisacharidus, vadinamus arabinais ir ksilanais. Jie kartu su celiulioze lemia tipines medienos savybes.
Pirmiau minėtas pektinas priklauso heteropolisacharidams. Be to, yra žinomi heteropolisacharidai, kurie yra gyvūnų kūno dalis. Hialurono rūgštis yra akies stiklakūnio dalis, taip pat skystis, užtikrinantis slydimą sąnariuose (jos yra sąnarių kapsulėse). Kitas svarbus gyvūnų polisacharidas – chondroitino sulfatas – randamas audiniuose ir kremzlėse. Abu polisacharidai dažnai sudaro sudėtingus kompleksus su baltymais ir lipidais gyvūnų organizme.
Voverės
Baltymai (polipeptidai) yra biopolimerai, pagaminti iš sujungtų α-aminorūgščių liekanų peptidas(amido) jungtys.
Angliavandeniai- organinės medžiagos, kurių molekulės susideda iš anglies, vandenilio ir deguonies atomų, o vandenilis ir deguonis jose paprastai randami tokiu pačiu santykiu kaip ir vandens molekulėje (2:1).
Bendra angliavandenių formulė yra Cn (H2O) m t. y. atrodo, kad jie susideda iš anglies ir vandens, taigi ir klasės pavadinimas, turintis istorines šaknis. Jis pasirodė remiantis pirmųjų žinomų angliavandenių analize. Vėliau buvo nustatyta, kad molekulėse yra angliavandenių, kurių nurodytas santykis (2:1) nepastebimas, pavyzdžiui, dezoksiribozė - C 5 H 10 O 4. Taip pat žinomi organiniai junginiai, kurių sudėtis atitinka pateiktą bendrąją formulę, bet nepriklauso angliavandenių klasei. Tai apima, pavyzdžiui, formaldehidą CH 2 O ir acto rūgštį CH 3 COOH.
Tačiau pavadinimas „angliavandeniai“ prigijo ir dabar yra visuotinai priimtas šioms medžiagoms.
Angliavandeniai pagal savo gebėjimą hidrolizuotis gali būti skirstomi į tris pagrindines grupes: mono-, di- ir polisacharidus.
Monosacharidai- angliavandeniai, kurie nehidrolizuojasi (neskyla su vandeniu). Savo ruožtu, priklausomai nuo anglies atomų skaičiaus, monosacharidai skirstomi į triozes (kurių molekulėse yra trys anglies atomai), tetrozes (keturi anglies atomai), pentozes (penkias), heksozes (šešias) ir kt.
Gamtoje daugiausia yra monosacharidų pentozės Ir heksozės.
KAM pentozės apima, pavyzdžiui, ribozę - C 5 H 10 O 5 ir dezoksiribozę (ribozę, iš kurios „pašalintas deguonies atomas“) - C 5 H 10 O 4. Jie yra RNR ir DNR dalis ir nustato pirmąją nukleorūgščių pavadinimų dalį.
KAM heksozės turintys bendrąją molekulinę formulę C6H12O6, apima, pavyzdžiui, gliukozę, fruktozę, galaktozę.
Disacharidai- angliavandeniai, kurie hidrolizuojasi ir sudaro dvi monosacharidų molekules, tokias kaip heksozės. Bendrąją daugumos disacharidų formulę nėra sunku išvesti: reikia „pridėti“ dvi heksozės formules ir iš gautos formulės „atimti“ vandens molekulę - C 12 H 22 O 11. Atitinkamai galime parašyti bendrąją hidrolizės lygtį:
Disacharidai apima:
1. Sacharozė(paprastasis stalo cukrus), kuris hidrolizės metu sudaro vieną gliukozės ir fruktozės molekulę. Dideliais kiekiais jo yra cukriniuose runkeliuose, cukranendrėse (iš čia ir kilo pavadinimai runkelių arba cukranendrių cukrus), klevuose (Kanados pionieriai kasė klevų cukrų), cukranendriuose, kukurūzuose ir kt.
2. Maltozė(salyklo cukrus), kuris hidrolizuojasi ir susidaro dvi gliukozės molekulės. Maltozę galima gauti hidrolizuojant krakmolą, veikiant fermentams, esantiems salykle – daigintuose, džiovintuose ir maltuose miežių grūduose.
3. Laktozė(pieno cukrus), kuris hidrolizuojasi, sudarydamas gliukozės ir galaktozės molekules. Jis randamas žinduolių piene (iki 4-6%), mažai saldus, naudojamas kaip dražė ir farmacinių tablečių užpildas.
Skirtingų mono- ir disacharidų saldus skonis skiriasi. Taigi saldžiausias monosacharidas – fruktozė – yra 1,5 karto saldesnis už gliukozę, kuri laikoma standartu. Sacharozė (disacharidas) savo ruožtu yra 2 kartus saldesnė už gliukozę ir 4-5 kartus saldesnė už laktozę, kuri yra beveik beskonė.
Polisacharidai- krakmolas, glikogenas, dekstrinai, celiuliozė ir kt. - angliavandeniai, kurie hidrolizuojasi ir susidaro daug monosacharidų molekulių, dažniausiai gliukozė.
Norint gauti polisacharidų formulę, reikia „atimti“ vandens molekulę iš gliukozės molekulės ir užrašyti išraišką su indeksu n: (C 6 H 10 O 5) n, nes tai yra dėl vandens molekulių pašalinimo. kad gamtoje susidaro di- ir polisacharidai.
Angliavandenių vaidmuo gamtoje ir jų svarba žmogaus gyvenimui yra nepaprastai didelė. Susidarę augalų ląstelėse dėl fotosintezės, jie veikia kaip energijos šaltinis gyvūnų ląstelėms. Tai visų pirma taikoma gliukozei.
Daugelis angliavandenių (krakmolo, glikogeno, sacharozės) atlieka saugojimo funkciją, maistinių medžiagų rezervo vaidmuo.
RNR ir DNR rūgštys, kuriose yra kai kurių angliavandenių (pentozė-ribozė ir dezoksiribozė), atlieka paveldimos informacijos perdavimo funkcijas.
Celiuliozė- augalų ląstelių statybinė medžiaga - atlieka šių ląstelių membranų rėmo vaidmenį. Kitas polisacharidas chitinas kai kurių gyvūnų ląstelėse atlieka panašų vaidmenį: sudaro nariuotakojų (vėžiagyvių), vabzdžių ir voragyvių išorinį skeletą.
Angliavandeniai galiausiai yra mūsų mitybos šaltinis: valgome grūdus, kuriuose yra krakmolo, arba šeriame jais gyvūnus, kurių organizme krakmolas virsta baltymais ir riebalais. Higieniškiausi drabužiai gaminami iš celiuliozės arba celiuliozės pagrindu pagamintų gaminių: medvilnės ir lino, viskozės pluošto, šilko acetato. Mediniai namai ir baldai statomi iš tos pačios celiuliozės, kuri ir yra medis.
Tos pačios celiuliozės pagrindu gaminamos fotografijos ir kino juostos. Knygos, laikraščiai, laiškai, banknotai – tai celiuliozės ir popieriaus pramonės produktai. Tai reiškia, kad angliavandeniai suteikia mums viską, ko reikia gyvenimui: maistą, drabužius, pastogę.
Be to, angliavandeniai dalyvauja kuriant sudėtingus baltymus, fermentus ir hormonus. Angliavandeniams taip pat priskiriamos tokios gyvybiškai svarbios medžiagos kaip heparinas (jis atlieka gyvybiškai svarbų vaidmenį užkertant kelią kraujo krešėjimui), agaras-agaras (gaunamas iš jūros dumblių ir naudojamas mikrobiologinėje bei konditerijos pramonėje – prisiminkite garsųjį pyragą „Paukščių pienas“).
Reikia pabrėžti, kad vienintelė energijos rūšis Žemėje (be branduolinės, žinoma) yra Saulės energija, ir vienintelis būdas ją kaupti, kad būtų užtikrintas visų gyvų organizmų gyvenimas, yra procesas. fotosintezė, kuris atsiranda gyvų augalų ląstelėse ir veda į angliavandenių sintezę iš vandens ir anglies dioksido. Būtent šios transformacijos metu susidaro deguonis, be kurio gyvybė mūsų planetoje būtų neįmanoma:
Monosacharidai. gliukozė
Gliukozė ir fruktozė- kietos bespalvės kristalinės medžiagos. Gliukozė, esanti vynuogių sultyse (iš čia ir pavadinimas „vynuogių cukrus“), kartu su fruktoze, kurios yra kai kuriuose vaisiuose ir vaisiuose (iš čia ir pavadinimas „vaisių cukrus“), sudaro nemažą medaus dalį. Žmonių ir gyvūnų kraujyje nuolat yra apie 0,1% gliukozės (80-120 mg 100 ml kraujo). Didžioji jo dalis (apie 70%) lėtai oksiduojasi audiniuose, kai išsiskiria energija ir susidaro galutiniai produktai - anglies dioksidas ir vanduo (glikolizės procesas):
Glikolizės metu išsiskirianti energija didžiąja dalimi patenkina gyvų organizmų energijos poreikius.
Gliukozės kiekio kraujyje viršijimas 180 mg 100 ml kraujo rodo angliavandenių apykaitos pažeidimą ir pavojingos ligos - cukrinio diabeto - išsivystymą.
Gliukozės molekulės struktūra
Gliukozės molekulės struktūrą galima spręsti remiantis eksperimentiniais duomenimis. Jis reaguoja su karboksirūgštimis, sudarydamas esterius, kuriuose yra nuo 1 iki 5 rūgšties liekanų. Į šviežiai gautą vario (II) hidroksidą įpylus gliukozės tirpalo, nuosėdos ištirpsta ir susidaro ryškiai mėlynas vario junginio tirpalas, t.y., įvyksta kokybinė reakcija į polihidroksilius alkoholius. Todėl gliukozė yra polihidroksilis alkoholis. Jei gautas tirpalas kaitinamas, vėl susidarys nuosėdos, tačiau šį kartą jos bus rausvos, t.y. įvyks kokybinė reakcija į aldehidus. Panašiai, jei gliukozės tirpalas kaitinamas amoniako sidabro oksido tirpalu, įvyks „sidabro veidrodžio“ reakcija. Vadinasi, gliukozė yra ir polihidroksilis alkoholis, ir aldehidas – aldehido alkoholis. Pabandykime išvesti struktūrinę gliukozės formulę. C 6 H 12 O 6 molekulėje yra šeši anglies atomai. Į kompoziciją įtrauktas vienas atomas aldehido grupė:
Likę penki atomai yra susieti su penkiomis hidroksi grupėmis.
Ir galiausiai, mes paskirstome vandenilio atomus molekulėje, atsižvelgdami į tai, kad anglis yra keturvalentė:
Tačiau nustatyta, kad gliukozės tirpale, be linijinių (aldehido) molekulių, yra ir ciklinės struktūros molekulių, kurios sudaro kristalinę gliukozę. Linijinių molekulių transformaciją į ciklines galima paaiškinti, jei prisiminsime, kad anglies atomai gali laisvai suktis aplink σ ryšius, esančius 109° 28′ kampu. Šiuo atveju aldehido grupė (1-asis anglies atomas) gali priartėti prie penktojo anglies atomo hidroksilo grupės. Pirmajame, veikiant hidroksi grupei, π-jungtis nutrūksta: prie deguonies atomo pridedamas vandenilio atomas, o hidroksi grupės deguonis, „praradęs“ šį atomą, uždaro ciklą:
Dėl šio atomų persitvarkymo susidaro ciklinė molekulė. Ciklinė formulė parodo ne tik atomų jungimosi tvarką, bet ir jų erdvinį išsidėstymą. Dėl pirmojo ir penktojo anglies atomų sąveikos prie pirmojo atomo atsiranda nauja hidroksi grupė, kuri erdvėje gali užimti dvi pozicijas: aukščiau ir žemiau ciklo plokštumos, todėl galimos dvi ciklinės gliukozės formos. :
A) α-gliukozės forma- hidroksilo grupės prie pirmojo ir antrojo anglies atomų yra vienoje molekulės žiedo pusėje;
b) β-gliukozės forma- hidroksilo grupės yra priešingose molekulės žiedo pusėse:
Vandeniniame gliukozės tirpale dinaminėje pusiausvyroje yra trys jos izomerinės formos – ciklinė α forma, linijinė (aldehido) forma ir ciklinė β forma:
Esant nusistovėjusiai dinaminei pusiausvyrai, vyrauja β forma (apie 63%), nes ji yra energetiškai pageidautina - ji turi OH grupes pirmame ir antrame anglies atomuose priešingose žiedo pusėse. α formoje (apie 37%) OH grupės tuose pačiuose anglies atomuose yra vienoje plokštumos pusėje, todėl ji energetiškai mažiau stabili nei β forma. Tiesinės formos dalis pusiausvyroje yra labai maža (tik apie 0,0026%).
Dinaminė pusiausvyra gali būti perkelta. Pavyzdžiui, kai gliukozė veikiama amoniako sidabro oksido tirpalu, jos linijinės (aldehido) formos kiekis, kuris tirpale yra labai mažas, nuolat pasipildo dėl ciklinių formų, o gliukozė visiškai oksiduojama į gliukoninę. rūgšties.
Gliukozės aldehido alkoholio izomeras yra ketono alkoholis - fruktozė:
Gliukozės cheminės savybės
Gliukozės, kaip ir bet kurios kitos organinės medžiagos, chemines savybes lemia jos struktūra. Gliukozė atlieka dvigubą funkciją – abi aldehidas, Ir polihidroksilis alkoholis, todėl jam būdingos tiek daugiahidročių alkoholių, tiek aldehidų savybės.
Gliukozės, kaip polihidrolio alkoholio, reakcijos.
Gliukozė kokybiškai reaguoja į polihidroksilius (galvokite apie glicerolį) su šviežiai paruoštu vario (II) hidroksidu, sudarydama ryškiai mėlyną vario (II) junginio tirpalą.
Gliukozė, kaip ir alkoholiai, gali sudaryti esterius.
Gliukozės, kaip aldehido, reakcijos
1. Aldehido grupės oksidacija. Gliukozė, kaip aldehidas, gali būti oksiduojama į atitinkamą (gliukono) rūgštį ir duoda kokybiškas aldehido reakcijas.
Sidabrinio veidrodžio reakcija:
Reakcija su šviežiai gautu Cu(OH) 2 kai šildomas:
Aldehido grupės sumažinimas. Gliukozė gali būti sumažinta iki atitinkamo alkoholio (sorbitolio):
Fermentacijos reakcijos
Šios reakcijos vyksta veikiant specialiiems baltyminio pobūdžio biologiniams katalizatoriams – fermentams.
1. Alkoholinė fermentacija:
jau seniai žmonių naudojo etilo alkoholiui ir alkoholiniams gėrimams gaminti.
2. Pieno rūgšties fermentacija:
kuri sudaro pieno rūgšties bakterijų gyvybinės veiklos pagrindą ir atsiranda rūgstant pieną, rauginant kopūstus ir agurkus, silosuojant žaliuosius pašarus.\
Gliukozės cheminės savybės – santrauka
Polisacharidai. Krakmolas ir celiuliozė.
Krakmolas- balti amorfiniai milteliai, netirpūs šaltame vandenyje. Karštame vandenyje išbrinksta ir susidaro koloidinis tirpalas – krakmolo pasta.
Krakmolas yra augalų ląstelių citoplazmoje rezervinės maistinės medžiagos grūdelių pavidalu. Bulvių gumbuose krakmolo yra apie 20 proc., kviečių ir kukurūzų grūduose – apie 70 proc., o ryžių grūduose – beveik 80 proc.
Celiuliozė(iš lot. cellula - ląstelė), išskirta iš natūralių medžiagų (pavyzdžiui, vatos ar filtravimo popieriaus), yra kieta pluoštinė medžiaga, netirpi vandenyje.
Abu polisacharidai yra augalinės kilmės, tačiau atlieka skirtingus vaidmenis augalų ląstelėse: celiuliozė atlieka statybinę, struktūrinę funkciją, o krakmolas – saugojimo funkciją. Todėl celiuliozė yra esminis augalo ląstelės sienelės elementas. Medvilnės pluošte yra iki 95% celiuliozės, linų ir kanapių pluoštuose - iki 80%, o medienoje apie 50%.
Krakmolo ir celiuliozės struktūra
Šių polisacharidų sudėtis gali būti išreikšta bendra formule (C6H10O5)n. Pasikartojančių vienetų skaičius krakmolo makromolekulėje gali svyruoti nuo kelių šimtų iki kelių tūkstančių. Kita vertus, celiuliozė turi žymiai didesnį vienetų skaičių, todėl jos molekulinė masė siekia kelis milijonus.
Angliavandeniai skiriasi ne tik molekuline mase, bet ir struktūra. Krakmolas pasižymi dviejų tipų stambiamolekulinėmis struktūromis: linijine ir šakota. Tos krakmolo dalies, kuri vadinama amiloze, mažesnės makromolekulės yra linijinės struktūros, o kito krakmolo komponento amilopektino molekulės – šakotos struktūros.
Krakmole amilozės dalis yra 10-20%, o amilopektino - 80-90%. Krakmolas amilozė ištirpsta karštame vandenyje, o amilopektinas tik išbrinksta.
Krakmolo ir celiuliozės struktūriniai vienetai statomi skirtingai. Jei krakmolo vienete yra likučių α-gliukozė, tada celiuliozė yra likutis β-gliukozė orientuotas į natūralų pluoštą:
Polisacharidų cheminės savybės
1. Gliukozės susidarymas. Krakmolas ir celiuliozė hidrolizuojami, kad susidarytų gliukozė, esant mineralinėms rūgštims, tokioms kaip sieros rūgštis:
Gyvūnų virškinamajame trakte krakmolas kompleksiškai hidrolizuojamas:
Žmogaus organizmas nėra pritaikytas virškinti celiuliozę, nes jame nėra fermentų, reikalingų ryšiams tarp β-gliukozės likučių celiuliozės makromolekulėje nutraukti.
Tik termitų ir atrajotojų (pavyzdžiui, karvių) virškinimo sistemoje yra mikroorganizmų, kurie gamina tam reikalingus fermentus.
2. Esterių susidarymas. Krakmolas gali sudaryti esterius dėl hidroksigrupių, tačiau šie esteriai nerado praktinio pritaikymo.
Kiekviename celiuliozės vienete yra trys laisvos alkoholio hidroksi grupės. Todėl bendrą celiuliozės formulę galima parašyti taip:
Dėl šių alkoholio hidroksi grupių celiuliozė gali sudaryti esterius, kurie yra plačiai naudojami.
Apdorojant celiuliozę azoto ir sieros rūgščių mišiniu, priklausomai nuo sąlygų gaunama mono-, di- ir trinitroceliuliozė:
Angliavandenių taikymas
Vadinamas mono- ir dinitroceliuliozės mišinys koloksilinas. Koloksilino tirpalas alkoholio ir dietilo eterio mišinyje – kolodijus – naudojamas medicinoje mažoms žaizdelėms sandarinti ir tvarsčiams ant odos klijuoti.
Kai koloksilino ir kamparo tirpalas alkoholyje išdžiūsta, paaiškėja celiuliozė- vienas iš plastikų, kuris pirmą kartą plačiai paplito žmogaus kasdienybėje (iš jo gaminamos foto ir kino juostos, taip pat įvairios plataus vartojimo prekės). Koloksilino tirpalai organiniuose tirpikliuose naudojami kaip nitrolakai. O į juos įmaišius dažiklių, gaunami patvarūs ir estetiški nitro dažai, plačiai naudojami kasdieniame gyvenime ir technologijose.
Kaip ir kitų organinių medžiagų, kurių molekulėse yra nitro grupių, visų rūšių nitroceliuliozė yra degi. Šiuo atžvilgiu ypač pavojinga trinitroceliuliozė- stipriausias sprogmuo. Piroksilino pavadinimu jis plačiai naudojamas ginklų sviediniams gaminti ir sprogdinimo operacijoms, taip pat bedūmių miltelių gamybai.
Su acto rūgštimi (pramonėje šiems tikslams naudojama galingesnė esterinanti medžiaga acto anhidridas) gaunami panašūs (di- ir tri-) celiuliozės ir acto rūgšties esteriai, kurie vadinami. celiuliozės acetatas:
Celiuliozės acetatas Jis naudojamas lakams ir dažams gaminti, taip pat naudojamas kaip žaliava dirbtinio šilko gamyboje. Norėdami tai padaryti, jis ištirpinamas acetone, o tada šis tirpalas išleidžiamas per plonas štampo skylutes (metalinius dangtelius su daugybe skylių). Tekančios tirpalo srovės pučiamos šiltu oru. Tokiu atveju acetonas greitai išgaruoja, o džiūstantis celiuliozės acetatas suformuoja plonus blizgančius siūlus, kurie naudojami verpalams gaminti.
Krakmolas, skirtingai nei celiuliozė, reaguodama su jodu suteikia mėlyną spalvą. Ši reakcija yra kokybiška krakmolui arba jodui, priklausomai nuo to, kokios medžiagos buvimą reikia įrodyti.
Etaloninė medžiaga testui atlikti:
Mendelejevo lentelė
Tirpumo lentelė
Kaip ir kiti augaliniai pluoštai, medvilnė sudaryta iš 90% celiuliozės, kuri yra gliukozės polimeras ir yra pagrindinė augalų ląstelių sienelių sudedamoji dalis. Daugelis žmonių žodį „polimeras“ sieja su sintetiniais pluoštais ir plastikais, tačiau gamtoje taip pat yra daug polimerų. Šis žodis kilęs iš graikų kalbos: poli- „daug“ ir meros reiškia dalį arba vienetą, todėl polimeras yra daugelio vienetų derinys. Gliukozės polimerai, kitaip vadinami polisacharidais, gali būti klasifikuojami pagal jų atliekamą funkciją organizme. Struktūriniai polisacharidai, tokie kaip celiuliozė, suteikia audiniams ir sistemoms tvirtumo, o kaupimo polisacharidai yra gliukozės saugojimo forma. Struktūriniai polisacharidai susideda iš β-gliukozės vienetų, rezerviniai - iš α-gliukozės. Trečiame skyriuje minėjome, kad β struktūroje OH grupė ant anglies C1 yra virš gliukozės žiedo paviršiaus, o α struktūroje – žemiau žiedo paviršiaus.
β-gliukozės struktūra
α-gliukozės struktūra
Skirtumas tarp β- ir α-gliukozės gali atrodyti nereikšmingas, tačiau jis lemia itin svarbų polisacharidų, susidarančių iš vieno ir kito gliukozės vieneto, funkcijos skirtumą: OH grupė virš žiedo yra struktūrinė funkcija, žemiau žiedo. yra atsarginis. Chemijoje dažnai nutinka taip, kad iš pažiūros nedideli molekulės struktūros pokyčiai labai rimtai paveikia medžiagos savybes. α- ir β-gliukozės polimerai yra puikus pavyzdys.
Tiek struktūriniuose, tiek kaupiamuosiuose polisachariduose gliukozės vienetai yra sujungti vienas su kitu per vieno vieneto C1 anglies atomą ir gretimo vieneto C4 anglies atomą. Jungiant iš vienos pusės pašalinamas vandenilio atomas, o iš kitos pusės – OH grupė ir susidaro vandens molekulė. Šis procesas vadinamas kondensacija, o susidarę polimerai vadinami kondensaciniais polimerais.
Kondensacijos reakcija (vandens molekulės pašalinimas) tarp dviejų β-gliukozės molekulių. Laisvajame kiekvienos molekulės gale šis procesas gali būti kartojamas.
Kiekvienas laisvas molekulės galas gali vėl patekti į kondensacijos reakciją, dėl kurios susidaro išplėstos gliukozės vienetų grandinės, kuriose likusios OH grupės pasiskirsto aplink grandines.
Vandens molekulių pašalinimas tarp dviejų gretimų β-gliukozės molekulių C1 ir C4 atomų, kad susidarytų ilga celiuliozės polimerinė grandinė. Paveikslėlyje pavaizduoti penki gliukozės vienetai.
Celiuliozės grandinės atkarpos sandara. Deguonies atomai, sujungti su kiekvienu C1 atomu (pažymėti rodyklėmis), yra β padėtyje, ty kiekvienu atveju yra virš gliukozės žiedo paviršiaus kairėje.
Daugelis medvilnės savybių, dėl kurių ji sėkminga, yra dėl unikalios celiuliozės struktūros. Ilgos celiuliozės grandinės yra glaudžiai viena kitos, sudarydamos kietus, vandenyje netirpius pluoštus, sudarančius augalų ląstelių sieneles. Rentgeno spindulių difrakcijos analizė ir elektronų mikroskopija – pagrindiniai medžiagų fizinės struktūros tyrimo metodai – rodo, kad celiuliozės grandinės yra išsidėsčiusios ryšuliais. β jungties forma leidžia celiuliozės grandinėms glaudžiai susijungti. Šie ryšuliai susisuka ir suformuoja plika akimi matomus pluoštus. Ryšulių paviršiuje yra OH grupės, kurios nedalyvauja formuojant celiuliozės grandines, ir šios OH grupės geba pritraukti vandens molekules. Todėl celiuliozė gali sugauti vandenį, o tai paaiškina didelę medvilnės ir kitų celiuliozės gaminių sorbcijos gebą. Teiginys, kad „medvilnė kvėpuoja“, neturi nieko bendra su ventiliacija, o su jos gebėjimu sugerti drėgmę. Karštyje ant kūno pasirodęs prakaitas susigeria į drabužius iš medvilninio audinio, o jam išgaravęs kūnas vėsta. Drabužiai iš nailono ar poliesterio nesugeria drėgmės, prakaitas nepalieka kūno, patiriame diskomfortą.
Struktūrinio polimero chitino grandinės atkarpa, kuri yra moliuskų kiautų dalis. OH grupė prie C2 atomo kiekvienoje gliukozės liekanoje yra pakeista NHCOCH3 grupe.
Medvilnės laukas. Peter LeCoutere nuotrauka
Kito struktūrinio polisacharido pavyzdys yra chitinas, naudojamas krabų, krevečių ir omarų lukštams gaminti. Chitinas, kaip ir celiuliozė, yra β-polisacharidas. Nuo celiuliozės ji skiriasi tik pakaitu prie C2 anglies atomo kiekviename gliukozės vienete: vietoj OH grupės yra amido grupė (NHCOCH 3). Taigi chitino vienetas yra gliukozės liekana su NHCOCH3 grupe prie C2 anglies atomo. Ši molekulė vadinama N-acetilgliukozaminu. Ši informacija gali būti įdomi ne visiems, tačiau jei sergate artritu ar kokia kita sąnarių liga, šis pavadinimas jums turėtų būti žinomas. N-acetilgliukozaminas ir su juo susijęs junginys gliukozaminas (abu gaunami iš vėžiagyvių) yra geri vaistai nuo artrito. Matyt, šios medžiagos skatina sąnarių kremzlinio audinio pakeitimą.
Žinduoliai neturi virškinimo fermentų, galinčių skaidyti β jungtis struktūriniuose polisachariduose, todėl jie negali naudoti struktūrinių polisacharidų kaip maisto šaltinio, nepaisant to, kad augalų ląstelėse yra milijardai gliukozės vienetų celiuliozės pavidalu. Tačiau kai kurios bakterijos ir pirmuonys sintezuoja fermentus, kurie suskaido tokias jungtis ir gali atskirti polimerų grandines į jų sudedamąsias gliukozės molekules. Tokie mikroorganizmai nuolat gyvena kai kurių gyvūnų virškinimo sistemoje, todėl jų savininkai gali maitintis augalais. Pavyzdžiui, arklių bakterijos gyvena aklojoje žarnoje – didelėje juostelėje plonosios ir storosios žarnos sandūroje. Atrajotojai, tarp kurių yra karvės ir avys, turi keturių kamerų skrandį, kurio vienoje dalyje gyvena simbiotinės bakterijos. Karvės ir avys kartais atsikrato ir vėl kramto maistą – tai papildoma adaptacija, skirta β jungčių skilimo efektyvumui padidinti.
Triušiams ir kai kuriems kitiems graužikams pagalbinės bakterijos gyvena storojoje žarnoje. Kadangi didžioji dalis maisto pasisavinama plonojoje žarnoje, kuri yra prieš storąją žarną, tokie gyvūnai β jungčių skilimo produktus gauna valgydami savo ekskrementus. Kai maistinės medžiagos praeina per virškinimo sistemą antrą kartą, plonoji žarna absorbuoja gliukozę, išsiskiriančią pirmojo praėjimo metu. Tai gali atrodyti gana nemalonus būdas išspręsti OH grupės orientacijos problemą, tačiau ši sistema veikia gana gerai. Kai kurie vabzdžiai, įskaitant termitus, dailidės skruzdėles ir kitus medieną mintančius vabzdžius, taip pat turi mikroorganizmų, leidžiančių jiems maitintis celiulioze, o tai kartais sukelia pražūtingų padarinių žmonėms. Tačiau net ir mums, nesugebantiems virškinti celiuliozės, ji vis tiek yra svarbus maisto produktas. Faktas yra tai, kad augalinės skaidulos, susidedančios iš celiuliozės ir kitų nevirškinamų medžiagų, padeda perkelti maistą per virškinamąjį traktą.
Sandėliavimo polisacharidai
Mūsų organizme nėra fermento, galinčio suardyti β ryšius, tačiau yra virškinimo fermentas, kuris skaido α ryšius. O α jungtys, kaip matėme, randamos polisachariduose, tokiuose kaip krakmolas ir glikogenas. Vienas iš pagrindinių su maistu gaunamų gliukozės šaltinių – krakmolas – yra daugelio augalų šaknyse, gumbuose ir sėklose. Jį sudaro du šiek tiek skirtingi polisacharidai, kurie yra α-gliukozės polimerai. Nuo 20 iki 30% krakmolo sudaro amilozė - neišsišakojęs polisacharidas, susidedantis iš kelių tūkstančių gliukozės vienetų, sujungtų per vienos gliukozės liekanos C1 atomą ir gretimos liekanos C4 atomą. Vienintelis skirtumas tarp celiuliozės ir amilozės yra tas, kad pirmuoju atveju gliukozės likučiai yra sujungti β-ryšiu, o antruoju - α-ryšiu. Tačiau celiuliozės ir amilozės funkcijos visiškai skiriasi.
Amilozės grandinės atkarpa, susidaranti sujungus α-gliukozės likučius, kad išsiskirtų vandens molekulės. Alfa jungtis molekulėje reiškia, kad deguonies atomas (parodytas rodykle) yra po gliukozės žiedo, kuriame dalyvauja C1 atomas, paviršiumi.
Amilopektinas sudaro likusius 70 arba 80% krakmolo masės. Amilopektiną taip pat sudaro ilgos α-gliukozės grandinės, sujungtos per C1 ir C4 atomus, tačiau tai yra šakota molekulė, turinti kryžminius ryšius tarp C1 atomo vienoje gliukozės liekanoje ir C6 atomo kitoje liekanoje. Šie kryžminiai ryšiai atsiranda kas 20–25 gliukozės likučius. Milijonai gliukozės likučių tarpusavyje sujungtose grandinėse daro amilopektiną viena didžiausių gamtoje randamų molekulių.
Amilopektino struktūros dalis. Rodyklė rodo kryžminį ryšį tarp C1 atomo ir C6 atomo, dėl kurio susidaro šakota struktūra.
Krakmolo alfa ryšiai ne tik leidžia jį virškinti, bet ir yra atsakingi už kitas svarbias šios medžiagos savybes. Amilozės ir amilopektino grandinės sudaro sraigtus, o ne sandariai supakuotas linijines struktūras, kaip celiuliozėje. Vandens molekulės, turinčios pakankamai energijos, gali prasiskverbti į spiralės vidų, todėl krakmolas tirpsta vandenyje, bet celiuliozė ne. Kiekvienas žmogus, susidūręs su krakmolu, žino, kad jo tirpumas vandenyje priklauso nuo temperatūros. Jei kaitinate krakmolo suspensiją vandenyje, jos granulės pradeda sugerti daugiau vandens, o esant tam tikrai temperatūrai krakmolo molekulės atsiskiria, susidaro vandenyje pasiskirstęs ilgų siūlų tinklas (vadinamasis gelis). Drumsta suspensija tampa skaidresnė ir storesnė. Padažui tirštinti virėjai naudoja krakmolą, pavyzdžiui, miltus, tapijoką ir kukurūzų krakmolą.
Gyvūnų audiniuose cukrus kaupiamas glikogeno pavidalu, daugiausia susidarančio kepenų ir skeleto raumenų ląstelėse. Glikogenas labai panašus į amilopektiną, tačiau jame dažnesni kryžminiai ryšiai tarp C1 ir C6 atomų – kas dešimt gliukozės likučių. Dėl to molekulė yra labai šakota. Tai labai svarbu gyvūnams, ir štai kodėl. Tiesi grandinė turi tik du galus, o šakota grandinė, susidedanti iš tiek pat gliukozės vienetų, turi daug daugiau galų. Kai reikia greitai pasisemti energijos, vienu metu iš kelių galų galite atskirti kelis gliukozės likučius. Augalai, skirtingai nei gyvūnai, neturi staigiai eikvoti energijos bėgdami nuo plėšrūnų ar vaikydami grobį, todėl energijos kaupimas žemašakojo amilopektino ir tiesios grandinės amilozės pavidalu puikiai tinka lėtesniems medžiagų apykaitos procesams augaluose. Šis nedidelis cheminis skirtumas, susijęs tik su kryžminių ryšių skaičiumi, net ne rūšimi, yra vieno iš svarbiausių augalų ir gyvūnų skirtumų pagrindas.
Krakmolo (amilozės ir amilopektino) ir glikogeno polisacharidinių grandinių šakojimosi pobūdis. Kuo labiau išsišakojęs polimeras, tuo daugiau grandinės galų turi fermentas ir tuo greičiau išsiskiria gliukozė.
Susijusi informacija.
Polisacharidai gautas monosacharidų polikondensacijos būdu. Bendroji formulė ( C 6 H 10 O 5)n. Paprasčiausi atstovai yra krakmolas ir celiuliozė.
Krakmolas susidaro fotosintezės metu ir nusėda šaknyse bei sėklose. Tai balti milteliai, netirpūs šaltame vandenyje, bet karštame vandenyje sudaro koloidinį tirpalą.
Krakmolas- natūralus polimeras, sudarytas iš likučių α - gliukozė. Jis gali būti dviejų formų: amilozės ir amiopektino.
amilozė yra linijinis polimeras, tirpus vandenyje, kuriame gliukozės liekanos yra susietos per 1 ir 4 anglies atomus.
Linijinė polimero grandinė susukama į spiralę. Amilozės ir jodo kompleksas suteikia mėlyną spalvą. Ši reakcija yra kokybiška jodo aptikimui.
Amilopektinas netirpsta vandenyje ir yra šakotas:
Polisacharidų cheminės savybės.
Kaitinamas rūgščioje aplinkoje, krakmolas hidrolizuojamas. Galutinis produktas yra gliukozė:
Ši reakcija yra pramoninės svarbos.
Celiuliozė.
Celiuliozė yra pagrindinis augalų ląstelių produktas. Mediena gaminama iš celiuliozės, o medvilnė ir linai – beveik 100 % celiuliozės. Tai natūralus polimeras:
Cheminės celiuliozės savybės.
1. Celiuliozė kaitinama rūgščioje aplinkoje hidrolizuojama. Galutinis produktas yra gliukozė.
2. Būdinga esterių susidarymo reakcija:
Celiuliozės trinitratas yra sprogi medžiaga, iš jo gaminamas parakas.
(C 6 H 10 O 5) n
(n svyruoja nuo 100 iki kelių tūkstančių)
Svarbiausi atstovai
Celiuliozė, krakmolas, glikogenas
Celiuliozės struktūra
Celiuliozė (pluoštas) yra labiausiai paplitęs polisacharidas. Medieną sudaro maždaug 50 % celiuliozės, o medvilnė ir linai yra beveik gryna celiuliozė.
Celiuliozės makromolekulės susideda iš daugybės (nuo kelių šimtų iki 10-14 tūkst.) β-gliukozės liekanų, susietų (β-1,4-glikozidiniais ryšiais. Biotinis celiuliozės fragmentas:)
Struktūrinis celiuliozės vienetas:
Cheminės celiuliozės savybės
1. Hidrolizė (rūgščioje terpėje)
2. Kompleksinių fermentų susidarymas
(Celiuliozės trinitratas yra bedūmių miltelių pagrindas.)
(Celiuliozės triacetatas – žaliava acetatinio pluošto gamybai)
3. Degimas
(C 6 H 10 O 5) n + 6nO 2 → 6nCO 2 + 5nH 2 O
Krakmolo struktūra
Krakmolas yra augalinis polisacharidas, susidedantis iš dviejų frakcijų: amilopektino ir amilozės.
Amilozės makromolekulės turi linijinę struktūrą ir susideda iš daugybės α-gliukozės liekanų, sujungtų α-1,4-glikozidiniais ryšiais. Amilozės molekulinė masė svyruoja nuo 150 tūkst. iki 500 tūkst.
Amilozės biozės fragmentas:
Amilopektino makromolekulės yra labai šakotos ir susideda iš amilozės fragmentų (apie 20 monosacharidų liekanų), tarpusavyje sujungtų α-1,6-glikozidinėmis jungtimis. Molekulinė masė 10 6 -10 9.
Amilopektino makromolekulės fragmentas:
Cheminės krakmolo savybės
1. Hidrolizė (rūgštinė arba fermentinė)
2. Kokybinė reakcija į krakmolą
(C 6 H 10 O 5) n + I 2 → Amilozės adsorbcijos kompleksas su jodu yra mėlynas.
Glikogenas
Tai gyvulinis polisacharidas, kurio struktūra panaši į amilopektiną, tačiau skiriasi nuo jo daugiau išsišakojusių grandinių, taip pat didesne molekuline mase.