2.1. Sacharidy Definice a rozdělení sacharidů Monosacharidy Struktury monosacharidů

Transkript

1 2.1. Sacharidy Definice a rozdělení sacharidů Termín sacharidy (glycidy) je souhrnným označením pro mono-, oligo- a polysacharidy. Název cukry je v obecné terminologii vyhrazen mono- a oligosacharidům. Nesprávné a tedy nepřípustné jsou názvy karbohydráty, uhlohydráty nebo uhlovodany, a to přesto, že se v medicínské literatuře dosud často vyskytují. Sacharidy jsou převažujícími organickými stavebními jednotkami rostlinných i živočišných těl (např. celulosy) a složkami jejich energetických zdrojů (např. škrobu nebo glykogenu). Zásadní úlohu při vzniku sacharidů má fotosyntéza zelených rostlin, která poskytuje glukosu. Glukosa se svými deriváty se potom uplatňuje ve vzájemné přeměně sacharidů a v řadě katabolických pochodů (glykolýza, kvašení, atd.). Monosacharidy, na rozdíl od oligo- a polysacharidů, nelze dále hydrolyticky štěpit na menší sacharidové složky. Oligosacharidy obsahují podle konvence 2 až 10 monosacharidů a polysacharidy obsahují 11 a více monosacharidových jednotek. Monosacharidy Struktury monosacharidů Na základě přítomnosti aldehydové nebo ketonové skupiny v molekule se monosacharidy dělí na aldosy a ketosy a podle počtu uhlíků od 3 výše se nazývají triosy (3 uhlíky), tetrosy (4 uhlíky), pentosy (5 uhlíků), hexosy (6 uhlíků), heptosy (7 uhlíků) a nonosy (9 uhlíků). Nejjednodušší aldotriosou je glyceraldehyd a podobně nejjednodušší aldoketosou je dihydroxyaceton. Od těchto sloučenin se odvozuje tzv. genetická řada aldos a ketos. V uhlíkovém řetězu váže jeden atom uhlíku kyslík a tvoří tak karbonylovou skupinu (>C O) sacharidu, zatímco ostatní uhlíkové atomy vážou hydroxylové skupiny ( OH ). Při znázornění sacharidů formou tzv. Fischerových oxo-vzorců je u aldos karbonylová skupina na začátku řetězce, u ketos je

2 tato skupina uvnitř řetězce. Začátek řetězce, tedy uhlík s pořadovým číslem 1, je na obrázku nejvýše. Asymetrické uhlíky (centra chirality), jsou označeny hvězdičkou. Podle uspořádání substituentů na asymetrickém uhlíku s nejvyšším pořadovým číslem se při tomto způsobu psaní vzorců rozeznávají dvě konfigurace sacharidů. U D řady se hydroxylová skupina na tomto asymetrickém uhlíku píše vpravo, u L řady se píše vlevo. Skutečná optická otáčivost roztoku dotyčného sacharidu, jak ji můžeme změřit refraktometrem, se označuje znaménky (+), směřuje-li doprava, nebo (-), směřuje-li doleva. Sacharidy, které se liší konfigurací pouze na jednom asymetrickém uhlíku, se nazývají epimery. Sacharidy, které se liší konfigurací na všech chirálních centrech, jsou pravé optické antipody (enantiomery). Optickými antipody jsou i analogické sacharidy D- a L-řady. Epimery i enantiomery jsou příklady optické isomerie. Aldohexosa (např. D-glukosa) a ketohexosa (např. D-fruktosa), které se liší strukturou atomů na 1. a 2. uhlíku, jsou zase příklady strukturní isomerie. Karbonylová skupina některých monosacharidů o delším řetězci (např. pentos a hexos) může reagovat s hydroxylovou skupinou své vlastní molekuly. Adicí hydroxylové skupiny se tak utvoří tzv. hemiacetalová vazba a tím kruhová, hemiacetalová (poloacetalová), struktura molekuly sacharidu. Uzavře-li se tato vazba mezi 1. a 4. uhlíkem, vznikne pětičlenný

3 furanosový kruh (podle heterocyklické sloučeniny furanu), uzavře-li se mezi 1. a 5. uhlíkem, vznikne šestičlenný pyranosový kruh (podle heterocyklu pyranu). Cyklické struktury lze znázornit cyklickými Fischerovými vzorci, Haworthovými projekčními vzorci nebo konformačními vzorci. Uhlíkový atom karbonylové skupiny se vstupem do hemiacetalové vazby stává dalším asymetrickým uhlíkem a nazývá se anomerním uhlíkem. Podle konfigurace substituentů na tomto uhlíku se rozlišují α a β anomery sacharidů. Při rozpuštění monosacharidu ve vodě se ustavuje rovnováha mezi oběma anomery. Tomuto ději se říká mutarotace. Hemiacetalová hydroxylová skupina na anomerním uhlíku (na Obr v rámečku) snadno reaguje s hydroxylovou skupinou dalšího sacharidu nebo jiné sloučeniny za vzniku glykosidu (viz dále). Mezi pentosy patří arabinosa, xylosa, ribosa a lyxosa. L-arabinosa je přítomna v arabanech, pektinech a hemicelulosách. DL-arabinosa se vyskytuje v moči při pentosurii. D- xylosa je součástí polysacharidů dřeva a D-ribosa je složkou nukleových kyselin a nukleotidových koenzymů. Methylderiváty pentos, např. rhamnosa a fukosa, se vyskytují v rostlinných glykosidech.

4 Nejdůležitější hexosou je glukosa (dextrosa, hroznový cukr), která vzniká fotosyntézou zelených rostlin z CO 2 a H 2 O. Živočichové přijímají glukosu s rostlinnou potravou, hlavně ovocem, nektarem květů a tedy i medem, a endogenně ji produkují vzájemnou přeměnou glycidů. Glukosa je základní složkou lidské krve, likvoru a dalších extracelulárních tekutin, z nichž se transportuje do tkáňových buněk. Průmyslově se připravuje hydrolýzou sacharosy, škrobu nebo celulosy. Další aldohexosa, galaktosa, je součástí laktosy (mléčného cukru) a galaktanů. Fruktosa (levulosa, ovocný cukr) patří mezi ketohexosy a nachází se v ovoci, v nektaru květů a v medu. Jiná hexosa, sorbosa, je obsažena v jeřabinách. Připravuje se z ní kyselina askorbová a redukcí poskytuje sorbitol, který se používá jako náhradní sladidlo. Deriváty monosacharidů Mírnou oxidací aldos se jejich aldehydová skupina přeměňuje na karboxylovou a tím vznikají aldonové kyseliny. Takovou oxidací např. vzniká z glukosy glukonová kyselina. Uvnitř molekuly pak může karboxylová skupina reagovat s některou hydroxylovou skupinou, čímž se vytvoří vnitřní ester, nazývaný lakton. Dehydrolaktonem kyseliny gulonové (vznikající z aldohexosy gulosy) je askorbová kyselina, tj. vitamin C. Oxidací primárně alkoholové skupiny monosacharidů vznikají tzv. uronové kyseliny. Mohou také tvořit cyklické formy a jejich hemiacetalový hydroxyl umožňuje vznik glykosidové vazby. Nejvýznamnější uronovou kyselinou je glukoronová kyselina, která je součástí glykosaminoglykanů (mukopolysacharidů) a účastní se detoxikačních pochodů v organismu. Glykosidy odvozené od glukuronové kyseliny se nazývají glukosiduronáty (glukuronosidy).

5 Náhradou jedné hydroxylové skupiny v molekule monosacharidu vodíkem lze odvodit deoxysacharidy. Deoxyribosa je součástí deoxyribonukleotidů, deoxygalaktosa se vyskytuje v mukopolysacharidech a také v buněčných mebránách, např. v membráně erytrocytu. Deriváty monosacharidů, které mají jednu hydroxylovou skupinu nahrazenu aminoskupinou (-NH 2 ), se nazývají aminosacharidy. Jejich aminoskupina bývá často navíc acetylována, tj. nese zbytek octové kyseliny (-COCH 3 ). Příkladem aminosacharidů jsou glukosamin (2-amino-2-deoxy-D-glukosa, GlcN) a galaktosamin (2-amino-2-deoxy-Dgalaktosa, GalN). Aminosacharidy jsou součástí glykosaminoglykanů a glykolipidů. Důležitými metabolity při syntéze a odbourávání sacharidodů jsou jejich estery s kyselinou fosforečnou: glukosa-1-fosfát (Glc-1-P), glukosa-6-fosfát (Glc-6-P), fruktosa-6- fosfát (Fru-6-P) a fruktosa-1,6-disfosfát (Fru-1,6-P). Oligosacharidy Disacharidy Monosacharidové jednotky se navzájem spojují tak, že reaktivní hemiacetalová hydroxylová skupina jednoho vytvoří anhydridovou vazbu s hemiacetalovou nebo jinou hydroxylovou skupinou jiného monosacharidu. Výsledkem je glykosidová vazba (acetalová vazba) mezi dvěma anomerními uhlíkovými atomy dvou molekul. Podle polohy původních hydroxylových skupin má i tato vazba polohu α nebo β. Tato skutečnost má zásadní význam pro rozpoznání sacharidu jako substrátu různými enzymy. Vznikne-li glykosid reakcí dvou monosacharidových hydroxylových skupin, z nichž alespoň jedna je hemiacetalová, hovoříme o O-glykosidech a produktem je sacharid obsahující pouze glycidové jednotky, tzv. hologlykosid. Reaguje-li hemiacetalový hydroxyl sacharidu s molekulou nesacharidové povahy, nazývá se výsledná sloučenina obecně heteroglykosid. Tak je tomu např. při reakci hemiacetalového hydroxylu s >NH skupinou purinové nebo pyrimidinové báze. Vzniká přitom N-glykosidová vazba, s níž se setkáváme v nukleosidech, jako jsou adenosin, guanosin, apod. Heteroglykosidy tedy obsahují část sacharidovou (glykosyl) a část nesacharidovou (aglykon), které jsou navzájem vázány O-glykosidovou nebo N-glykosidovou vazbou. Sloučeniny takového druhu se velmi často vyskytují i v rostlinné říši. Disacharidy se dělí na redukující a neredukující podle toho, zda mají nebo nemají volnou hemiacetalovou hydroxylovou skupinu odpovědnou za redukční vlastnosti molekuly. K redukujícím disacharidům náleží maltosa a isomaltosa, které obsahují dvě glukosové jednotky spojené O-glykosidovou vazbou α-(1-4); laktosa, obsahující glukosovou a

6 galaktosovou jednotku spojenou vazbou β-(1-4), a cellobiosa, která obsahuje také dvě glukosové jednotky, ale spojené vazbou β-(1-4). Disacharidy jsou bezbarvé, krystalické látky; mají různě intenzivní sladkou chuť a jsou rozpustné ve vodě. Disacharid maltosa (cukr sladový) je spolu s isomaltosou produktem trávení nebo hydrolýzy škrobu a glykogenu. Bakteriální trávení škrobu naklíčených obilních zrn je příčinou toho, že maltosa je hojně obsažena také ve sladu pro výrobu piva. Laktosa (cukr mléčný) je významný disacharid mléka savců. Cellobiosa je produkt enzymového štěpení celulosy. K neredukujícím disacharidům patří sacharosa a trehalosa. Sacharosa (cukr řepný) se nachází výhradně v rostlinách. Podstatou cukru, který se používá jako běžné sladidlo, je sacharosa připravená z cukrové řepy nebo cukrové třtiny. Molekula sacharosy se skládá z glukopyranosové a fruktofuranosové jednotky. Trehalosa (mykosa) je přirozeným disacharidem kvasinek, hub a součástí hemolymfy některých druhů hmyzu. Ostatní oligosacharidy Trisacharidy se skládají ze tří monosacharidových jednotek. Jejich příkladem je rafinosa, neredukující sacharid, který se vyskytuje také v cukrové řepě. Jedná se o galaktosid sacharosy složený ze zbytků glukosy, fruktosy a galaktosy. Jiné oligosacharidy bývají součástí glykolipidů a glykoproteinů (viz dále odstavec Heteropolysacharidy). K oligosacharidům lze přiřadit také nízkomolekulární produkty hydrolýzy škrobu a glykogenu, tzv. dextriny. Polysacharidy

7 Homopolysacharidy Termín homopolysacharidy patří polysacharidům složeným z jediného druhu monosacharidových jednotek. Pro medicínu jsou nejdůležitější hexosany, skládající se z glukosy (glukany), fruktosy (fruktany), mannosy (mannany) nebo galaktosy (galaktany). K nim patří škrob, glykogen, celulosa, dextran, inulin, agar a další. Škrob je zásobním polysacharidem rostlin. Vyskytuje se v hlízách, cibulích, semenech a v dalších plodech a tkáních rostlin, a to v podobě tzv. škrobových zrn. Je nejvýznamnějším zdrojem sacharidů v lidské stravě. Nejde přitom o jednotnou látku. Škrob se skládá asi z 20 % z dlouhých nerozvětvených řetězců amylosy a zbytek tvoří kratší rozvětvené řetězce amylopektinu. Kromě toho obsahuje škrob také proměnlivé množství esterově vázané kyseliny fosforečné a další minoritní (necukerné) složky. Amylosa je vystavěna z glukopyranosových jednotek spojených vazbami α-(1-4)- glykosidovými. Řetězec obsahující průměrně 1000 jednotek je svinut do levotočivé šroubovice. Amylopektin se skládá také z glukopyranosových jednotek spojených vazbami α- (1-4)-glykosidovými, ale vždy po 20 až 24 jednotkách je připojen další řetězec pomocí α-(1-6)-glykosidové vazby. Glukopyranosových jednotek může být v molekule až několik tisíc a v prostoru tvoří globulární útvar. Působením živočišného enzymu α-amylasy (nebo neúplnou kyselou hydrolýzou) se škrob štěpí na maltosové jednotky a na fragmenty řetězců nazývané dextriny. Tyto fragmenty se různě zbarvují jodem: škrob a dextriny o delším řetězci se barví modře (amylodextriny), nižší dextriny se barví červeně (erythrodextriny) a nejmenší fragmenty se nebarví vůbec (achrodextriny). Glykogen je zásobní polysacharid živočišných buněk strukturou podobný amylopektinu. U člověka je ho nejvíce v jaterních a svalových buňkách. Glukopyranosové

8 jednotky jsou spojeny vazbami α-(1-4)-glykosidovými, ale větvení řetězců vazbami α-(1-6)- glykosidovými se opakuje už po 3 až 7 jednotkách. Těch je 3 až 5 tisíc v molekule, která v prostoru zaujímá globulární tvar a má relativní hmotnost 10 až 20 milionů. Glykogen se štěpí α-amylasou stejně jako škrob na maltosové jednotky a dextriny. Celulosa je nejrozšířenější rostlinný polysacharid. Její glukosové jednotky jsou spojeny β-(1-4)-glykosidovými vazbami do lineárních řetězců, které se pomocí vodíkových můstků sdružují v různě velké micely. Pro lidský organizmus je celulosa nestravitelná, neboť jeho enzymy nedokáží tuto glykosidovou vazbu štěpit. Bakterie přítomné v zažívacím traktu býložravců produkují enzymy celulasy, které celulosu štěpí na celobiosu a dále na glukosu, jež se resorbuje. Celulosa je základní surovinou pro velký počet průmyslových odvětví, např. pro papírenství, zpracování dřeva, textilní průmysl apod. Polysacharid inulin je fruktan rostlinného původu. Vždy několik desítek jeho fruktofuranosových jednotek je spojeno vazbami β-(2-1)-glykosidovými. Inulin se používá k funkčním zkouškám ledvin, protože se z cirkulace vylučuje výhradně glomerulární filtrací. Agar je další rostlinný polysacharid, galaktan, izolovaný z mořských řas. Skládá se z agarosy a agaropektinu. Gel připravený z agaru se používá v potravinářství a jako základ pevných kultivačních půd v mikrobiologii. Agarosový gel slouží v biochemii k separaci makromolekul elektroforetickými a chromatografickými technikami. Polysacharid dextran je produktem mikroorganismů. Je to lineární glukan, jehož jedno tky jsou spojeny vazbami α-(1-6)-glykosidovými, u některých druhů také vazbami α-(1-4)- nebo α-(1-3)-glykosidovými. Upravené dextrany se používají také k separaci molekul v biochemii. Heteropolysacharidy Molekuly heteropolysacharidů jsou polymery, jejichž monomery se skládají z jednotek

9 různý ch sacharidů a sacharidových derivátů. Nejdůležitější z nich, glykosaminoglykany, jsou složeny z hexosaminů glukosaminu nebo galaktosaminu a z uronové kyseliny. Mezi glykosaminoglykany patří hyaluronová kyselina, chondroitinsulfáty, keratansulfát, dermatansulfáty a heparin. Hyaluronová kyselina se u živočichů nachází v mezibuněčné hmotě. Nejvíce je jí v kůži, v oční rohovce a sklivci, v synoviální (kloubní) tekutině a v pupečníku. Je typickou součástí buněčných stěn mikrobů. Jiné mikroorganismy a také např. včely a hadi tvoří enzym hyaluronidasu, který hyaluronovou kyselinu hydrolyzuje, a tím usnadní prostup mikroorganismu nebo toxinu do tkání. Monomer hyaluronové kyseliny obsahuje kyselinu glukoronovou a N-acetylglukosamin spojené vazbami (1-3)-glykosidovými a monomery navzájem jsou spojeny vazbami (1-4)-glykosidovými. Také chondroitinsulfát a keratansulfát jsou součástí mezibuněčné hmoty, hlavně ve vazivu, v chrupavkách, vlasech a nehtech. Stavebními jednotkami monomeru chondroitinsulfátu jsou glukuronová kyselina a N-acetylgalaktosamin. Na 4. nebo 6. uhlíku galaktosaminu je navíc navázán sulfát. Keratansulfáty jsou složeny z galaktosy a z N- acetylglukosaminu nebo N-acetylgalaktosaminu s navázanými sulfátovými skupinami jako u chondroitinsulfátu. V mezibuněčné hmotě kůže se nachází dermatansulfát, který obsahuje iduronovou kyselinu (a N-acetylgalaktosamin. Heparin je glykosaminoglykan, jenž se tvoří a skladuje v žírných buňkách, hlavně v játrech a v plicích. Je aktivátorem lipoproteinové lipasy a působí antikoagulačně. Jeho monomer se skládá z glukuronové nebo iduronové kyseliny (vzniklé mírnou oxidací aldehydové skupiny idosy) a glukosaminu. Obě stavební jednotky přitom obsahují sulfátové

10 skupiny, které dodávají molekule výrazně kyselý charakter. Dlouhé řetězce glykosaminoglykanů se v orgánech a tkáních našeho organismu váží na proteiny pomocí O-glykosidové vazby, kdy s hydroxyskupinami serinu tvoří tzv. proteoglykany. Jiná skupina heteroproteinů obsahuje kratší oligosacharidové řetězce vázané O- glykosidovou vazbou na serin, threonin nebo lysin, nebo N-glykosidovou vazbou na amidovou skupinu asparaginu. Jsou to glykoproteiny. Charakteristický je pro ně vyšší podíl sacharidů (> 4 %). Glykoproteinovou povahu mají aglutinogeny erytrocytů, určující specifitu krevních skupin. Mezi glykoproteiny patří velký počet enzymů a hormonů lidského organismu. V globulinech krevní plazmy kolísá podíl sacharidů mezi 10 až 20 %, v kyselém α 1 -glykoproteinu (orosomukoidu) je to 40 %. V mukózních sekretech (mukoproteinech, mucinech, mukoidech), v kloubní tekutině a v mezibuněčné hmotě kostí, šlach a chrupavek se vyskytují glykoproteiny obsahující až 80 % podílu sacharidů. Viskozitu a další fyzikálně chemické vlastnosti glykoproteinů do značné míry určuje i přítomnost specifické stavební složky, jíž je N-acetylneuraminová kyselina (sialová kyselina). Literatura: 1. Schneiderka, P., Bezdíčková, D., Jirsa, M. et al. Stanovení analytů v klinické biochemii. I. část. Praha : Karolinum, 1999, 153 s., ISBN Voet, D., Voetová, J.G. Biochemie. Praha : Victoria Publishing, 1995, 1325 s., ISBN Murray, R.K., Granner, D.K., Mayes, P.A., Rodwell V.W. Harperova biochemie. Jinočany : Nakladatelství H&H, 1998, 872 s., ISBN