9.4.2011
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
1
9.4.2011
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
2
9.4.2011
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?
3
9.4.2011
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)
4
9.4.2011
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 – α (ukazuje dolu) a β (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
5
9.4.2011
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 OAc O O
OAc OAc
OAc OAc
HO H H H HO H H
H
H H HO H
OH OH H OH
NC
OH
H H HO H
OH OH H OH OH
OH
OH OH H OH H OH
HO
O
H H HO H
OH OH H OH OH
OAc H H AcO H
OAc OAc H OAc OAc
H
H
H H H H H
H H H H H
H
HO
O
H H HO H
OH OH H OH
O
OH
Glukonová kyselina
Glukarová kyselina
H
6
9.4.2011
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.
2. 3.
Plný název připojených jednotek v jejich pořadí jednotky Mezi jejich názvy určení spojených uhlíků Plný název posledního monosacharidu s volnou hemiacetalovou OH-skupinou
7
9.4.2011
Rozdělení cukrů •
Podle počtu jednotek – Monosacharidy – Oligosacharidy (do deseti jednotek) – Polysacharidy
•
•
– Aldosy – Ketosy
•
Podle cyklické formy
Podle anomerního uhlíku – –
α β
Podle počtu uhlíků – – – –
– Furanosy – Pyranosy
•
Podle umístnění karbonylu
•
Triosy Tetrosy Pentosy Hexosy
Podle reakce s Fehlingovým činidlem – Redukující – Neredukující
Zástupci sacharidů a jejich význam
8
9.4.2011
D-ribosa a D-deoxyribosa • • • •
Monosacharidy Pentosy Aldosy Ribosa – součást RNA a koenzymů • Deoxyribosa – základní stavební kámen DNA
HO
O
OH
OH OH D-Ribosa
HO
O
OH
OH 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
9
9.4.2011
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
10
9.4.2011
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
11
9.4.2011
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
12
9.4.2011
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 β-glykosidická vazba! – organismy ji neumí štěpit (výjimka přežvýkavci – symbiosa s mikroorganismy) Vláknina Výroba nitrocelulosy a acetátového hedvábí
13
9.4.2011
Inulin • Reservní polysacharid některých rostlin • Složen z fruktosových jednotek • Snáze stravitelný • Vhodný pro diabetiky
Chitin
• •
Strukturní polysacharid hmyzu Složen z Nacetylglukosaminu
14
9.4.2011
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 β-oxidace Krebsův cyklus Dýchací řetězec
15
9.4.2011
Adenosinfosfáty • Hlavní energetické platidlo organismu • AMP • ADP • ATP
NAD+
• Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech • Rozpustný
16
9.4.2011
FAD • Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech • Obvykle vázaný na enzym
Glykolysa
17
9.4.2011
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
18
9.4.2011
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).
19
9.4.2011
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
20
9.4.2011
Problém – Co s pyruvátem?
Fotosynthesa
21
9.4.2011
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
22
9.4.2011
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
23
9.4.2011
Jak se ze světla získává energie? Při aktivaci fotosystémů dojde k uvolnění elektronů
Elektron z fotosystému II je použit pro pohon protonové pumpy a současně doplňuje elektron fotosystému I
Fotosystém II doplňuje svůj elektron rozkladem vody
Existují dva fotosystémy
Elektron z fotosystému I může být použit pro pohon protonové pumpy, nebo na synthesu NADPH
Vzniklá protonová nerovnováha (gradient) je použita pro synthesu ATP stejně jako v dýchacím řetězci
Jak se ze světla získá energie?
24
9.4.2011
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
25
9.4.2011
Calvinův cyklus Asimilační fáze: -Váže se CO2 z ovzduší -Je třeba 3 molekuly CO2 pro synthesu glyceraldehydu-3fosfátu -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-3fosfátu postupným spojováním a rozpojováním vazeb získat zpět molekulu ribosy • Pro funkci je potřeba ATP ze světelné fáze
26
9.4.2011
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
27
