Monosaccharide, hay còn gọi là đường đơn, là những hợp chất aldehyd hoặc ketone chứa một hoặc nhiều nhóm hydroxyl. Với ít nhất 3 nguyên tử cacbon trong phân tử, glyceraldehyd và dihydroxyacetone là hai ví dụ đơn giản nhất. Bạn có thể nhìn vào công thức của chúng dưới đây:
Glyceraldehyd có một nguyên tử cacbon không đối xứng (C*), với hai đồng phân D và L, trong khi dihydroxyacetone không chứa nguyên tử cacbon không đối xứng. Số lượng đồng phân cấu tạo của monosaccharide được tính theo công thức X = 2n (n là số nguyên tử cacbon không đối xứng trong phân tử).
Nếu số lượng cacbon trong phân tử monosaccharide là 4, 5, 6 hoặc 7, chúng sẽ được gọi lần lượt là tetrose, pentose, hexose và heptose. Dưới đây là một số công thức cấu tạo của một số monosaccharide phổ biến:
Khi đánh số các nguyên tử cacbon trong phân tử monosaccharide, bắt đầu từ cacbon của nhóm carbonyl của aldose hoặc cacbon ở đầu gần nhóm carbonyl của ketose.
Dựa vào vị trí của nhóm hydroxyl (OH) và hidro (H) ở nguyên tử cacbon không đối xứng có số thứ tự lớn nhất (cacbon không đối xứng ở xa nhóm carbonyl), chúng ta có thể xác định monosaccharide thuộc dạng D hoặc L. Các monosaccharide có khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang phải (+) hoặc sang trái (-).
Trong hóa sinh, hexose và pentose là hai loại đường quan trọng. Các ví dụ như fructosediphosphate (đường 1,6 fructosediphosphate) và ribose đã được nêu trên. Hexose và pentose có thể tồn tại ở dạng tuyến tính hoặc vòng. Theo đề xuất của Harworth, các phân tử đường được viết dưới dạng vòng. Chung ta có thể tưởng tượng một mặt phẳng nằm ngang có 6 hoặc 5 góc, ở những góc của nó sắp xếp ở phía trên hoặc phía dưới các chuỗi vuông góc với mặt phẳng. Ở dạng vòng, có một nhóm hydroxyl glycoside xuất hiện, nhóm này có khả năng tạo liên kết glycoside và có tính khử.
Nhóm hydroxyl glycoside là đặc trưng của các đường khử, nhóm này có thể nằm ở phía trên hoặc phía dưới mặt phẳng phân tử. Khi nằm dưới, ta gọi là dạng α, ví dụ như α-glucose, còn khi nằm trên ta gọi là dạng β. Glucose chủ yếu tồn tại ở dạng vòng 6 cạnh (pyranose), trong khi fructose và pentose tồn tại dưới dạng vòng 5 cạnh (furanose).
Một liên kết glycoside hình thành khi một nguyên tử hydrogen (H) trong phân tử được thay thế bằng một gốc đường (glycosyl), ví dụ như adenine được thay thế bằng gốc ribose (gốc đường của ribose).
Trong trường hợp này, nguyên tử N sẽ kết nối hai thành phần, được gọi là N-glycoside. Tương tự, S-glycoside và O-glycoside cũng có thể hình thành. Trong trường hợp đầu tiên, nguyên tử H của nhóm SH, trong trường hợp thứ hai, nguyên tử H của nhóm OH sẽ được thay thế bằng một gốc glycosyl.
Tính chất lý hóa đặc trưng của monosaccharide là khả năng hoạt quang, có nghĩa là khả năng làm quay mặt phẳng ánh sáng phân cực sang phải hoặc sang trái. Góc quay có thể được đo bằng máy phân cực kế.
Tính chất hóa học quan trọng của monosaccharide nằm ở những tính chất của nhóm chức aldehyd hoặc ketone, điển hình là tính khử.
a) Dưới điều kiện oxi hóa nhẹ sử dụng dung dịch clo, brom, iod trong môi trường kiềm hoặc dung dịch kiềm của các ion kim loại, nhóm chức aldehyd của monosaccharide bị oxi hóa. Các ion kim loại bị khử thành dạng có hóa trị thấp hơn hoặc trở thành kim loại tự do (ví dụ Cu2+ → Cu+, Ag+ → Ag0).
Khi sử dụng axit nitric đặc, cả hai nhóm aldehyd và alcohol bậc 1 trong monosaccharide đều bị oxi hóa và tạo thành acid chứa 2 nhóm carboxyl, gọi là saccharic acid.
b) Dưới tác dụng của chất khử, nhóm carbonyl của monosaccharide bị khử và tạo thành các polyol tương ứng. Phản ứng khử có thể được thực hiện bằng khí hydro và xúc tác kim loại như thủy ngân và natri. Ví dụ, fructose bị khử sẽ tạo thành hai polyol đồng phân là sorbitol và mannitol. Sorbitol cũng là sản phẩm của phản ứng khử glucose.
Trong sinh vật, glucose có thể bị khử và tạo thành polyol vòng, tạo ra inositol cùng với mezoinositol là yếu tố sinh trưởng của các mô thực vật nuôi cấy. Estephosphoric (phytin) của inositol là nguồn cung cấp phospho dự trữ trong hạt.
c) Phản ứng tạo este thường xảy ra với nhóm alcohol bậc 1, tức là nhóm OH glycoside của monosaccharide. Este phosphat của monosaccharide là những sản phẩm trung gian quan trọng trong nhiều quá trình trao đổi chất trong sinh vật.
d) Phản ứng của nhóm OH glycoside tạo thành các hợp chất glycoside. Nhóm OH glycoside có thể phản ứng với rượu và tạo thành este đường, gọi là glycoside. Tùy thuộc vào vị trí của nhóm OH, có thể tạo thành α- hoặc β- glycoside. Trong phân tử glycoside, phần không phải carbonhydrate được gọi là aglicon.
Có thể phân biệt các kiểu liên kết glycoside khác nhau:
- Liên kết O-glycoside: (G-C-O-A) gốc aglicon (A) kết hợp với carbonhydrate (G) qua O. Liên kết O-glycoside là dạng liên kết của đi-, tri-, oligo- và polysaccharide.
- Liên kết S-glycoside: (G-C-S-A) gốc aglicon (A) kết hợp với carbonhydrate (G) qua S.
- Liên kết N-glycoside: (G-C-N-A) gốc aglicon (A) kết hợp với gluxit (G) qua N.
- Liên kết C-glycoside: (G-C-C-A) gốc aglicon (A) kết hợp với carbonhydrate (G) qua C.
Liên kết glycoside không ổn định với acid, tương đối ổn định với kiềm. Dưới tác dụng của acid hoặc các enzym tương ứng, glycoside sẽ bị thủy phân thành monosaccharide và aglicon.
Như vậy, monosaccharide không chỉ có tính chất hóa học độc đáo mà còn có ý nghĩa quan trọng trong sinh học và hóa sinh.
