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