Sacharidy Polyhydroxysloučeniny obsahující karbonylovou skupinu

Sacharidy Polyhydroxysloučeniny obsahující karbonylovou skupinu

o Tvoří strukturní molekuly (celulosa, chitin, pektiny, hemicelulosy atd.) o Jsou součástí nukleových kyselin o Pohotová energetická zásoba organismů (škrob, glykogen) o Základní živina heterotrofních organismů

SACHARIDY Předpokládané znalosti - POJMY: sacharidy, cukry, aldosy, ketosy monosacharidy, oligosacharidy, polysacharidy uhlohydráty, uhlovodany (fuj!!) otevřené a cyklické formy monosacharidů, pyranosa, furanosa stereoisomerie monosacharidů, Fischerovy a Haworthovy vzorce konfigurace, chiralita, optická aktivita, konformace optické antipody, enentiomery, diastereoisomery, epimery - a -anomery, mutarotace poloacetalový hydroxyl, glykosidová vazba (O-, N- a S-glykosidy) heteroglykosid = aglykon + glykosyl redukující a neredukující sacharid, redukující a neredukující konec řetězce triosy ... heptosy

Monosacharidy – aldehydy nebo ketony polyhydroxylových alkoholů se 3 – 8 atomy C

Odvozeny od glyceraldehydu nebo dihydroxyacetonu aldohexosy

Centra chirality – aldohexosy 4 centra – 24 stereoisomerů

Ketosy – odvozeny od dihydroxyacetonu

Ketohexosy pouze 3 centra chirality – 8 stereoisomerů

Konfigurace D- a LCHO

CHO H

C

OH

HO

L-glyceraldehyde

CHO H

C

OH

CH2OH

D-glyceraldehyde

H

CH2OH

CH2OH

D-glyceraldehyde

C

CHO HO

C

H

CH2OH

L-glyceraldehyde D-glukosa

D resp L sacharidy mají stejnou absolutní konfiguraci asymetrického centra nejvíce vzdáleného od karbonylové skupiny jako má D- resp. L-glyceraldehyd

L-glukosa

otevřené a cyklické formy monosacharidů, pyranosa, furanosa 1

H C

H O

+

R'

OH

R'

O

R

C

H

OH

HO H

R

aldehyde

alcohol

H

hemiacetal

2 3 4 5 6

R C

R O

+

"R

OH

"R

O

C

ketone

OH

5

H

R'

alcohol

hemiketal

C

OH

C

H

C

OH (linear form)

C

OH

CH2OH 6 CH2OH

O

H OH

OH

1

H

4

OH

2

5

H

H

H

3

Fischerova projekce

D-glucose

6 CH2OH

4

R'

CHO

OH

H OH

OH

H

1

2

3

H

OH

O

H

OH

-D-glucose

-D-glucose CH2OH

1

HO H H

2C

O

C

H

C

OH

C

OH

3

4 5 6

HOH2C 6

CH2OH

D-fructose (linear)

H

5

H

1 CH2OH

O

4

OH

HO

2

3

OH

H

-D-fructofuranose

Haworthova projekce

Epimery – sacharidy lišící se konfigurací na jediném atomu uhlíku

Cyklické struktury mají další centrum asymetrie na C1 - dvě anomerní formy α- OH na C1 je v opačné poloze vzhledem k rovině kruhu než CH2OH a druhý anomer je označován β Mutarotace – ve vodném roztoku 63,6% β a 36,4% α anomeru

Chemické vlastnosti monosacharidů Redukční vlastnosti – nositelkou redukčních vlastností je poloacetalová skupina, sacharidy se oxidují, redukce Fehlingova a Tollensova činidla, co vzniká?. Při oxidaci vznikají kyseliny aldonové (např. glukonová), aldarové, alduronové Může proběhnout i redukce, z glukosy glucitol = sorbit Fehlingovo [Cu( -OOC-HCO--HCO--COO- )2]6činidlo – měďnatý iont v komplexu kyseliny vinné Tollensovo činidlo – stříbrný kationt v komplexu s amoniakem

redukující a neredukující sacharid, redukující a neredukující konec řetězce Aldehydová skupina – schopna redukovat slabá oxidační činidla Oligosacharidy a polysacharidy – redukující konec- volná aldehydická skupina

Monosacharidy glukosa – hroznový cukr, krevní cukr -D-glukosa

1 HC

6 H2C OH H

5

4

O

HO

2

3

1 4

OH

HC

OH

HC

OH

5 H2C 6

OH

H

O OH

H

H2C OH O

H

H OH

H

H

O

H

OH

OH HO

H

HO

H

OH H

H

OH HO

OH

OH

H2C OH

H2C OH HO

O

HC OH 2 HO CH 3

H

H

OH

-D-glukosa

necyklická forma glukosy

OH

-D -galaktosa (galaktopyranosa)

H

H

 -D-mannosa (mannopyranosa)

OH O

CH2

H

OH

H

HO

OH

CH2 OH

H

Intermediáty metabolismu

-D-fruktosa (fruktofuranosa) H2 C OH

H2C OH O

H OH HO

OH

OH

H H

H

O

HO

NH2

OH

H HN

C

O

HO

OH

H

H H

H2C OH

O C O

H CH3

Strukturní polysacharidy

N-acetyl--D-galaktosamin Glykoproteiny antigeny - krevní skupiny

O

OH

H

H

HO OH

H

-D-galakturonan

HO

H

OH

O

-D-glukosamin

O

H

H

D-glukono--lakton

Strukturní polysach.

O -O P O H2C

O

H HO

O

OH

OH

H H

H

OH

-D-glukosa-6-fosfát

Oligo- a polysacharidy Glykosidová vazba R-OH + HO-R'  R-O-R' + H2O Např. dva monosacharidy nebo jiný alkohol tvoří glykosidy HO

CH2

R O

H H OH

aglykon

O

H H

HO H

OH

-O-glykosidová vazba

OLIGOSACHARIDY H2C H

H2C

OH

OH

O H

HO

H OH

H

H H

O OH

H

O

CH2

H

HO CH2

HO

CH2 OH

-D-glukopyranosa

-D-fruktofuranosa sacharosa (12) neredukující

H2C OH H

H

H

H H

HO

OH

H H

H

OH

OH

O H

H

OH

H

H

OH

OH

-D-galaktopyranosa -D-glukopyranosa -D-laktosa vazba (14) H2C OH

O H

H

OH

H

H

OH

OH

H

O

O

O H

H

HO

H H

H

OH

H

H

OH

H OH

-D-glukopyranosa -D-glukopyranosa -D-maltosa vazba (14)

H

H2C OH

O H

H

H2C OH O

OH

H

H

OH

O O

HO

OH

OH

OH

-D-glukopyranosa -D-glukopyranosa -D-cellobiosa vazba (14)

POLYSACHARIDY

ZÁSOBNÍ POLYSACHARIDY: - škrob (polyglukan, vazby (14)), rostlinný původ, amylosa: nevětvený lineární polymer, rozp. ve vodě, Mh 40 - 150 kDa, průměrně 20 % amylopektin: větvený (vazby (16)) po 20 - 30 jedn.) průmyslová surovina (modifikované škroby, dextriny) - glykogen, "živočišný škrob" podobný amylopektinu, častěji větvený jaterní buňky (20 %), svalové (1 %), rychlý obrat - inulin (polyfruktan, (21) vazby), asi 30 jedn. rostlinný zásobní sacharid (čekanka, topinambur, jiřiny) infuse pro diabetiky - dextrany (polyglukany, především vazby (16)) původ: mikroorganismy a řasy využití: chromatog. materiál, infuse - agarosy a carrageenany (polygalaktany) kultivační půdy, nosič při elektroforese, imobilisace buněk, potravinářství ,

→

Škrob - amylopektin

POLYSACHARIDY

ZÁSOBNÍ POLYSACHARIDY: - škrob (polyglukan, vazby (14)), rostlinný původ, amylosa: nevětvený lineární polymer, rozp. ve vodě, Mh 40 - 150 kDa, průměrně 20 % amylopektin: větvený (vazby (16)) po 20 - 30 jedn.) průmyslová surovina (modifikované škroby, dextriny) - glykogen, "živočišný škrob" podobný amylopektinu, častěji větvený jaterní buňky (20 %), svalové (1 %), rychlý obrat - inulin (polyfruktan, (21) vazby), asi 30 jedn. rostlinný zásobní sacharid (čekanka, topinambur, jiřiny) infuse pro diabetiky - dextrany (polyglukany, především vazby (16)) původ: mikroorganismy a řasy využití: chromatog. materiál, infuse - agarosy a carrageenany (polygalaktany) kultivační půdy, nosič při elektroforese, imobilisace buněk, potravinářství

STAVEBNÍ POLYSACHARIDY: - celulosa (polyglukan, vazby (14)) buněčné stěny rostlin a některých mikroorganismů nejrozšířenější organická látka na Zemi - hemicelulosy (obsahují glukosu, xylosu, galaktosu, mannosu, arabinosu, uronové kys.) "spojovací tmel" stavebního materiálu rostlinných pletiv (dřevo: celulosové fibrily, hemicelulosy, pektiny, glykoproteiny, lignin = málo definovaná aromatická org. makromolekulární struktura)

Pektiny - polygalakturonová kyselina, vazby (14), částečně methylestery, příčné vazby pomocí Ca2+ nebo Mg2+ v ovoci (džemy, marmelády)

Ostatní polyscharidy Chitin (poly-N-acetylglukosamin, vazby (14)) korýši, želvy, hmyz, některé mikroorganismy Glykosaminoglykany = mukopolysacharidy -extracelulární kyselé polysacharidy: hyaluronová kys. (glukuronát), mureiny (muramát) chondroitinsulfáty, dermatansulfáty, keratansulfáty, heparin - antikoagulans Glykoproteiny - O- a N-glykoproteiny

Sekundární struktura polysacharidů helix Natažený pás

Metabolismus sacharidů Degradace: Glykolysa (glykogenolysa) Pentosový cyklus

Synthesa: Glukoneogenese , synthesa polysacharidů Calvinův cyklus (temná fáze fotosynthesy)

Katabolismus I. fáze

proteiny

polysacharidy

aminokyseliny

glukosa

II. fáze

III. fáze

ETS

lipidy Glycerol + mastné kyseliny

Zdroje glukosy: Zásobní polysacharidy vlastního organismu Polysacharidy, oligosacharidy a monosacharidy získané potravou

Štěpení škrobu a dalších: glykosidasy - α-amylasa, β-amylasa, amyloglukosidasa odvětvující enyzmy (pullulanasy, R-enzymy) Štěpení glykogenu: fosforolyticky

Fosforolytické štěpení glykogenu - glykogenolysa

Hormonální regulace aktivity glykogenfosforylasy

Receptor na plasmatické membráně Aktivace G proteinu (GTPasa) Aktivace adenylátcyklasy → cAMP = druhý posel Aktivace proteinkinasy →

Amplifikace signálu

fosforylace (aktivace)

Proteinkinasa – fosforylace proteinu (ATP)

fosforylasakinasy

→

fosforylace (aktivace) fosforylasy b

Štěpení glykogenu

Amplifikace signálu Charakter kaskády – jedna molekula vyvolá tvorbu velkého počtu dalších molekul Enzym (substrát opět enzym)

Glykolysa

I. Část vyžadující energii (ATP)

Lokalisace:

ATP

= substrátová fosforylace

glukosa

II. Štěpení na 2 triosy

glykogen

III. Část produkující energii (ATP)

cytosol

Energetická bilance glykolysy v aerobním chemoorganotrofním organismu (-2ATP + 4ATP)

Přenos vodíků z cytosolického NADH do mitochondrií - malát aspartátové kyvadlo

Přenos vodíků z cytosolického NADH do mitochondrií - glycerolfosfátové kyvadlo (létací sval hmyzu)

1. Glycerol-3-fosfát dehydrogenasa katalysuje oxidaci NADH dihydroxyacetonfosfátem

2. Oxidace glycerol-3-fosfátu flavoproteindehydrogenasou → FADH2

3. Reoxidace FADH2 dýchacím řetězci →

2ATP

Mléčná fermentace, anaerobní metabolismus

Laktátdehydrogenasa, LDH

Ethanolová fermentace

Alkoholdehydrogenasa

Porovnání aerobní a anaerobní glykolysy

anaerobní (fermentace)

aerobní aktivace glc fru 1,6 bis P oxidace GAP (2 NADH + H+) → 2 x substrátová fosforylace

-1 ATP -1 ATP +6 ATP +4 ATP

aktivace glc fru 1,6 bis P oxidace GAP (2 NADH + H+) substrátová fosforylace

-1 ATP -1 ATP laktát,etOH +4 ATP

ox.dekarboxylace pyr (2 NADH+ H+) +6 ATP 2 x CKC +24 ATP

ox.dekarboxylace pyr (2 NADH+ H+) +6 ATP 2 x CKC +24 ATP

Celkem

Celkem

Pozor!!! (Glyceron fosfátové kyvadlo

38 ATP

36 ATP)

2 ATP

Regulace glykolysy

Reakce glykolysy

Hexokinasa Glc-6-P isomerasa

DGo' kJ/mol

DG kJ/mol

-20.9

-27.2

+2.2

-1.4

Fosfofruktokinasa

-17.2

→

-25.9

Aldolasa

+22.8

-5.9

+7.9

+4,4

-16.7

-1.1

fosfoglycerát mutasa

+4.7

-0.6

Enolasa

-3.2

-2.4

-23.0

-13.9

Triosafosfát isomerasa Glyceraldehyd-3-P dehydrogenasa & fosfoglycerát kinasa

Pyruvát kinasa

Regulace glykolysy Enzym

Aktivátor

Inhibitor

hexokinasa

Glc-6-P

-

fosfofruktokinasa

ATP, citrát

ADP,AMP,cAMP, fru-1,6-bisP, Fru-2,6-bisP

Pyruvátkinasa

ATP

PEP, fru-1,6-bisP

Katabolismus ostatních sacharidů - většina je přeměněna na intermediáty glykolysy

Metabolismus sacharidů Degradace: Glykolysa (glykogenolysa) Pentosový cyklus

Synthesa: Glukoneogenese , synthesa polysacharidů Calvinův cyklus (temná fáze fotosynthesy)

Glukogenese (glukoneogenese) • • • •

•

Syntéza glukosy z necukerných prekurzorů: Glycerol, aminokyseliny (uhlíkatý řetězec glukogenních aminokyselin při hladovění) a laktát. Hlavním místem glukogeneze jsou játra, malé množství v ledvinách, něco málo v mozku, kosterních svalech a srdečním svalu. Denní spotřeba glukosy mozkem u dospělého člověka je 120 g, což je většina celkové spotřeby (160 g). V tělních tekutinách je 20 g glukosy a zásoba ve formě glykogenu je 190 g. Celkově je v těle zásoba glukosy asi na jeden den.

Glukogenese (není úplným zvratem glykolysy) fosfatasa

ΔG’ HK = 32,9

fosfatasa

ΔG´ PFK = 26,4

MK → glycerol

ΔG’ PK = 26,4 Některé aminokyseliny Některé aminokyseliny, laktát

Bypass I

Metabolismus glykogenu

-Aktivní formy monosacharidů pro synthesu polysacharidů NDP- X - prekursor Glc-1-P

Větvící enzym (transferasa) :

Coriho cyklus

Pentosový cyklus 1. Oxidace glukosy za vzniku pentosafosfátu a redukčního činidla NADPH 2. zajišťuje ribosa 5-fosfát pro synthesu nukleotidů a nukleových kyselin 3. Produkce NADPH pro synthesu tuků a ostatní redukční procesy 4. přítomný především v tkáních s vysokou potřebou NADPH – rychle se dělící buňky (potřeba DNA) a pro syntézu tuků v adipocytech a jaterních buňkách, v erytrocytech pro redukci GSSG

Pentosový cyklus Oxidační fáze

Vznik pentosa fosfátů a minoritních monosacharidů

Při přebytku pentosafosfátů do glykolýzy

Sumárně: Glc-6-P + 12 NADP+

→

6 CO2 + 12 NADPH + H+

Transketolasová reakce - příklad

O O O

C

CH 2OH

HO

C

H

H

C

OH

+ 2-

CH 2O PO 3

Ribulosa-5-fosfát

C

H

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH

Transketolasa

O HO

2-

CH 2O PO 3

Ribosa-5-fosfát

C C

CH 2OH H 2-

CH 2O PO 3

Glyceraldehyd-3-fosfát

+

C

CH 2OH

HO

C

H

H

C

OH

H

C

OH

H

C

OH 2-

CH 2O PO 3

Sedoheptulosa-7-fosfát

Propojení glyko(geno)lýzy a pentosového cyklu

Pool hexosafosfátů

Fruktosa-1,6-bisfosfát

Metabolismus sacharidů - shrnutí

Regulace hladiny krevní glukosy insulinem

Regulace hladiny glc v krvi jaterní glukokinasou Normální koncentrace glukosy v krvi 5 mM

Km glukokinasy = 10 mM Km hexokinasy = 0,1 mM

FOTOSYNTHESA Nejdůležitější proces na Zemi Fixace 10 CO2 + 4 [H]  -CH(OH)- + H2O Potřebujeme: -energii:

ADP + Pi + h ATP + H2O

-redukční činidlo:

NADP+ + H2D + h NADPH + H+ + D (D = donor)

Chloroplast

© Espero Publishing, s.r.o.

Srovnání mitochondrie s chloroplastem

© Espero Publishing, s.r.o.

Reakce fotosyntézy v chloroplastech Světelné záření

Světlá fáze

Temná fáze

© Espero Publishing, s.r.o.

Fáze zachycení fotonu (chlorofyly) Struktura chlorofylu a

β-karoten

-CHO: chlorofyl b

Reakční centrum a anténa fotosystému

© Espero Publishing, s.r.o.

Tok elektronů během fotosyntézy v thylakoidní membráně

Změny v redoxním potenciálu během fotosyntézy

glukosa Fotofosforylace

CO2

ATP lze syntetizovat in vitro….

Cyklická fotofosforylace

Cyklická fotofosforylace

Calvinův cyklus V Calvinově cyklu se syntetizují hexosy z CO2 a vody

Redukční činidlo – NADPH ze světlé fáze

Iniciační reakce fixace uhlíku

RUBISCO: 16 podjednotek, Mh 560 000 nejhojnější protein na Zemi, 40 x 106 tun

1. Fixace CO2

2. fosforylace

Temná fáze fotosynthesy - Calvinův cyklus Ribulosa-1,5-bisfosfát karboxylasa/oxygenasa

3. Redukce

RuBisCO

5. Regenerace akceptoru CO2 4.Synthesa sacharidů

ATP/NADPH = 3/2

Cyklická fotofosforylace

Regulace poměru ATP/NADPH - Cyklická fotofosforylace

Rekapitulace:

6x

Sumárně CC: 6CO2 + 18 ATP + 12 NADPH → C6H12O6 + 18 ADP + 12 NADP+

Syntéza oligo- a polysacharidů

Fotorespirace Druhým substrátem RUBISCO je O2, Produkce CO2 Lokalisace: chloroplasty, peroxisomy, mitochondrie Glykolát Glyoxylát

Glycin x 2

Serin + CO2

C4 rostliny subtropické trávy (cukrová třtina, kukuřice..)

CAM rostliny (crasulacean acid metabolism)

