Sacharidy a jejich metabolismus
description
Transcript of Sacharidy a jejich metabolismus
Sacharidy a jejich metabolismus
Cukry (Sacharidy)
• Co to je?– Organické látky, které obsahují karbonylovou
skupinu (C=O) a hydroxylové skupiny (-OH) vázané na uhlících
– Aldosy: karbonylová skupina na konci řetězce– Ketosy: karbonylová skupina uvnitř řetězce– Název cukrů obvykle končí koncovkou -osa
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
Cukry (Sacharidy)
• K čemu je to dobré?– Monosacharidy:
• Zdroj energie (glukosa, galaktosa)• Stavební částice DNA, RNA (ribosa, desoxyribosa)• Meziprodukty metabolických drah (glyceraldehyd,
dihydroxyaceton)– Oligosacharidy (2 – cca 25 jednotek):
• Zdroj energie (laktosa)• Součást proteinů, lipidů• Stavební hmota pojiv• Role v komunikaci buněk
– Polymerní sacharidy (více jednotek vázaných za sebou):• Stavební hmota (celulosa)• Úschova energie (škrob, glykogen)
Sacharidy - struktura
• Každý cukr obsahuje alespoň jedno chirální centrum
• Pokud uvažujeme pouze chirální centrum nejvíce vzdálené od karbonylového uhlíku, můžeme rozlišit dvě řady cukrů – L a D
• Přírodní cukry patří do řady D
Tvorba hemiacetalů – cyklické formy cukrů
• Sacharidy v roztoku obvykle nejsou přítomny ve své lineární formě, jak znázorněna Fischerovými vzorci
• Dochází k nukleofilnímu ataku hydroxylové skupiny na karbonyl – vznik hemiacetalu
• Podle orientace vzniklé hydroxylové skupiny rozlišujeme dva anomery – (ukazuje dolu) a (ukazuje nahoru)
• Každý anomer vykazuje určitou optickou rotaci. V roztoku se však projeví vratnost reakce a jednotlivé cyklické formy mezi sebou volně přecházejí, čímž se výsledná optická stáčivost postupně mění až na průměrnou hodnotu danou rovnovážným složením - mutarotace
Cyklické formy cukrů
• Podle vzdálenosti atakujícího hydroxylu vznikají dvě možné cyklické formy: furanosa (pětičlenná) a pyranosa (šestičlenná)
• Cyklické znázornění cukrů vyjadřuje Woodvardova projekce
Chemické vlastnosti sacharidů
OH
OH
H OH
H OH
OH H
H OH
NC
OH
O
H OH
H OH
OH H
H OH
OH
O
H OH
H OH
OH H
H OH
OH
OH
O
H OH
H OH
OH H
H OH
OH
O
H
H
H H
H H
H H
H H
H
HH
H
OH
H
H OH
H OH
OH H
H OH
OH
H
H
H
OAc
OAc
H OAc
H OAc
AcO H
H OAc
O
OAcOAcOAc
OAc
OAc
Glukonová kyselina
Glukarová kyselina
Chemické vlastnosti sacharidů
• Aldehydická skupina reaguje ochotně s měďnatými ionty za vzniku aldonových kyselin. Reakce vede ke změně modré barvy roztoku na oranžovou (Fehlingovo činidlo)
• Enzymově je možné převést glukosu za reakce s kyslíkem na lakton
Glykosidová vazba
• Dva monosacharidy je možno spolu spojit za současného odštěpení vody – glykosidová vazba
• Názvosloví:1. Plný název připojených
jednotek v jejich pořadí jednotky
2. Mezi jejich názvy určení spojených uhlíků
3. Plný název posledního monosacharidu s volnou hemiacetalovou OH-skupinou
Rozdělení cukrů
• Podle počtu jednotek– Monosacharidy– Oligosacharidy (do deseti jednotek)– Polysacharidy
• Podle cyklické formy– Furanosy– Pyranosy
• Podle anomerního uhlíku– –
• Podle umístnění karbonylu– Aldosy– Ketosy
• Podle počtu uhlíků– Triosy– Tetrosy– Pentosy– Hexosy
• Podle reakce s Fehlingovým činidlem
– Redukující– Neredukující
Zástupci sacharidů a jejich význam
D-ribosa a D-deoxyribosa
• Monosacharidy• Pentosy• Aldosy• Ribosa – součást RNA a
koenzymů • Deoxyribosa – základní
stavební kámen DNA
OHO
OH
OHOH
OHOOH
OH
D-Ribosa
D-Deoxyribosa
D-glukosa
• Aldosa• Hexosa• Hroznový, škrobový cukr, dextrosa• Nejrozšířenější přírodní monosacharid• Součást krve• Hlavní zdroj energie• Získávána při fotosynthese• Zdroj pro výrobu ethanolu, vitaminu C, kyseliny
citronové, mléčné, antibiotik
D-galaktosa
• Aldosa• Hexosa• Součást mléka a laktosy• Výskyt v oligosacharidových řetězcích
glykoproteinů
D-Fruktosa
• Ovocný cukr, levulosa• Ketosa• Hexosa • Patří mezi nejrozšířenější monosacharidy• Nejsladší sacharid• Vyskytuje se v ovoci a medu• Součást sacharosy
Sacharosa
• Řepný, třtinový cukr• Disacharid• Neredukující cukr!• Patří mezi nejběžnější sacharidy• Rostlinami využíván pro transport
sacharidů do kořenů a jako zásobní sacharid
• Získáván z řepy cukrovky a cukrové třtiny
Maltosa
• Sladový cukr• Disacharid• Vzniká při enzymovém
štěpení škrobu• Význam při výrobě piva
Laktosa
• Mléčný cukr• Disacharid• Složena z galaktosy a
glukosy• Výživa mláďat savců• Laktosová intolerance u
některých dospělých
Škrob• Zásobní polysacharid rostlin• Enzymovým, nebo kyselým štěpením se získává glukosa• Dvě části:
– Amylosa – linearní (Mr = 40 000 – 150 000), vazby 1→4– Amylopektin – větvený (Mr = 50 000), vazby 1→4 a 1→6
Glykogen
• Zásobní polysacharid živočichů – živočišný škrob
• Struktura obdobná amylopektinu
Celulosa
• Strukturní polysacharid rostlin• Bavlna, len, papír• Až 10 000 glukosových jednotek• Na rozdíl od škrobu a glykogenu zde -glykosidická vazba! – organismy ji
neumí štěpit (výjimka přežvýkavci – symbiosa s mikroorganismy)• Vláknina• Výroba nitrocelulosy a acetátového hedvábí
Inulin
• Reservní polysacharid některých rostlin
• Složen z fruktosových jednotek
• Snáze stravitelný• Vhodný pro diabetiky
Chitin
• Strukturní polysacharid hmyzu
• Složen z N-acetylglukosaminu
Úvod do metabolismu
Metabolismus• Metabolismus = soubor všech
chemických dějů v organismu– Anabolismus = výstavbová část
metabolismu – z jednoduchých výchozích látek se vystavují složité struktury
• Spotřebovává energii• Fotosynthesa• Glukoneogenese• Replikace, transkripce, translace
– Katabolismus = odbourávací část metabolismu – ze složitých struktur se stávají jednoduché, které jsou následně rozloženy
• Poskytuje energii• Glykolysa• -oxidace• Krebsův cyklus• Dýchací řetězec
Adenosinfosfáty
• Hlavní energetické platidlo organismu
• AMP• ADP• ATP
NAD+
• Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech
• Rozpustný
FAD
• Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech
• Obvykle vázaný na enzym
Glykolysa
Co to je?
• Způsob, jak postupně odbourat glukosu za zisku energie
• Dvě části:– Přípravná– Zisková
• Konečným produktem je pyruvát
• Probíhá v cytosolu buněk
Co je na tom zajímavé?
Vstupující glukosa je fosforylována:- Fosfát funguje jako kotva- Brání úniku glukosy z buňky
Glukosa je přeměněna na fruktosu:-Přeměna zaručuje vznik dvou C3-fragmentů-Zjednodušuje to zpracování glukosy
Vznikající C3-fragmenty mezi sebou mohou přecházet
Přípravná fáze buňku stojí 2 molekuly ATP
Co je na tom zajímavé?
Pro další průběh je třeba NAD+:-Pokud by v buňce došly zásoby NAD+, zastavil by se metabolismus glukosy-NAD+ je tedy nutné po glykolyse regenerovat
Při glykolyse vzniká ATP:-Každý C3-fragment vede ke vzniku 2 molekul ATP-Celý proces tak dává vzniknout 2 molekul ATP (po odečtení přípravné fáze)
K čemu je to dobré?
• Glykolysou získávají energii anaerobní organismy, zatížené svaly a červené krvinky
• Je to universální cesta odbourávání cukrů – všechny cukry jsou převedeny na glukosu a následně odbourány za zisku energie
• Prakticky celý proces může běžet oběma směry, pokud je tedy nadbytek energie, je možné glykolysu obrátit a použít ji pro synthesu glukosy (proces se poté nazývá glukoneogenese).
Jak to vyjádřit lidsky?
• Glykolysa je proces, kdy organismus tráví glukosu a získává tím energii
• Dá se vcelku vyjádřit jako:
– Glukosa + 2 NAD+ + 2ADP + 2 Pi → 2 pyruvát + 2 NADH/H+ + 2 ATP
Problém – Jak regenerovat NAD+?
• Dýchací řetězec
• Mléčné kvašení
• Alkoholové kvašení
Problém – Co s pyruvátem?
Fotosynthesa
Co to je?• Proces, při kterém je v rostlinách a
některých mikroorganismech využívána energie slunečního záření pro tvorbu cukrů
• V rostlinách probíhá ve specialisovaných organelách buněk zelených částí – chloroplastech
• Probíhá ve dvou fázích:– Světelné: energie světla je využita
pro tvorbu ATP, NADPH a rozklad vody (konservování energie)
– Temnotní: získané ATP a NADPH jsou využity pro tvorbu glukosy z oxidu uhličitého
Světelná fáze• Světelná fáze slouží k
přeměně svtelné energie na energii chemickou (ATP, NADPH)
• Takto připravená energie je později využita pro synthesu glukosy
• Součástí světelné fáze je i rozklad vody (Hillova reakce), kdy dochází k uvolnění kyslíku
Jak se chytá světlo?• V chloroplastech jsou barviva, která
umí „chytit“ světlo (absorbují ve viditelné oblasti)
• Hlavní podíl tvoří chlorofyly• Vše je ve spojení s proteiny
uspořádáno do lapacích komplexů – antén, které fungují jako „past na světlo“
• Past funguje na principu energetického vybuzení elektronu a postupném předávání vzniklého vzruchu mezi anténami
Jak se chytá světlo?• Energie je pomocí elektronů
předávána až do středu „pasti“, kde je umístněno reakční centrum
• Reakční centrum je molekula fotosystému
• Po doputování vzruchu do reakčního centra je proces fotosynthesy zahájen
Jak se ze světla získává energie?
Při aktivaci fotosystémů dojde k uvolnění elektronů
Elektron z fotosystému I může být použit pro pohon protonové pumpy, nebo na synthesu NADPH
Elektron z fotosystému II je použit pro pohon protonové pumpy a současně doplňuje elektron fotosystému I
Existují dva fotosystémy
Fotosystém II doplňuje svůj elektron rozkladem vody
Vzniklá protonová nerovnováha (gradient) je použita pro synthesu ATP stejně jako v dýchacím řetězci
Jak se ze světla získá energie?
Jak se rozkládá voda?• Voda je rozkládána pomocí složitého komplexu v blízkosti fotosystému II• Odpadním produktem rozkladu vody je kyslík• Proces se nazývá Hillova reakce
Temnotní fáze
• Slouží k synthese glukosy
• Jako výchozí materiál slouží ATP a NADPH ze světelné fáze a oxid uhličitý z atmosféry
• Proces se nazývá Calvinův cyklus
Calvinův cyklus
Asimilační fáze:-Váže se CO2 z ovzduší-Je třeba 3 molekuly CO2 pro synthesu glyceraldehydu-3-fosfátu-Ten je posléze předán do glukoneogenese k synthese glukosy-Spotřeba ATP a NADPH ze světelné fáze
Regenerační fáze:-Výchozí ribosa musí být postupně regenerována-Spotřeba ATP ze světelné fáze
Recyklace ribosy
• Chemicky komplexní děj
• Cílem je z glyceraldehydu-3-fosfátu postupným spojováním a rozpojováním vazeb získat zpět molekulu ribosy
• Pro funkci je potřeba ATP ze světelné fáze
C4-rostliny, aneb jak na to jdou kaktusy a kukuřice
• V teplých krajích by rostliny ztrácely při fotosynthese mnoho vody díky pórům, kterými je vyměňován kyslík a oxid uhličitý
• Aby se minimalisovaly ztráty, rostliny mají jinou anatomii listů a fotosynthesa je rozdělena jak časově, tak prostorově
• V noci, když je okolní vzduch vlhký a studený, jsou póry otevřené a přijímají CO2, který je ukládán v hloubi listu
• Ve dne probíhá světelné fáze, CO2 je uvolněn a fixován do glukosy
Jak to vyjádřit lidsky?
• Fotosynthesa je proces, kterým rostliny vyrábí za pomoci Slunce cukr a kyslík
• Celková rovnice procesu:
– 6 CO2 + 12 H2O → C6H12O6 + 6 O2 + 6 H2O