Cukry (Sacharidy) Sacharidy a jejich metabolismus. Co to je?

Transkript

1 Sacharidy a jejich metabolismus Co to je? Cukry (Sacharidy) Organické látky, které obsahují karbonylovou skupinu (C=O) a hydroxylové skupiny (-O) vázané na uhlících Aldosy: karbonylová skupina na konci řetězce Ketosy: karbonylová skupina uvnitř řetězce Název cukrů obvykle končí koncovkou -osa 1

2 Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá? Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá? 2

3 Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá? Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá? 3

4 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

5 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

6 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 NC O O O O O O O OAc OAc O OAc OAc O O O O O O O O O O O O O O O O O O Glukonová kyselina O O AcO OAc OAc OAc OAc OAc O O O O O O Glukarová kyselina 6

7 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 O-skupinou 7

8 Rozdělení cukrů Podle počtu jednotek Monosacharidy Oligosacharidy (do deseti jednotek) Polysacharidy Podle cyklické formy Furanosy Pyranosy Podle anomerního uhlíku α β Podle umístnění karbonylu Aldosy Ketosy Podle počtu uhlíků Triosy Tetrosy Pentosy exosy Podle reakce s Fehlingovým činidlem Redukující Neredukující Zástupci sacharidů a jejich význam 8

9 D-ribosa a D-deoxyribosa Monosacharidy Pentosy Aldosy Ribosa součást RNA a koenzymů Deoxyribosa základní stavební kámen DNA O O O O O D-Ribosa O O O O D-Deoxyribosa D-glukosa Aldosa exosa roznový, škrobový cukr, dextrosa Nejrozšířenější přírodní monosacharid Součást krve lavní zdroj energie Získávána při fotosynthese Zdroj pro výrobu ethanolu, vitaminu C, kyseliny citronové, mléčné, antibiotik 9

10 Aldosa exosa D-galaktosa Součást mléka a laktosy Výskyt v oligosacharidových řetězcích glykoproteinů D-Fruktosa Ovocný cukr, levulosa Ketosa exosa Patří mezi nejrozšířenější monosacharidy Nejsladší sacharid Vyskytuje se v ovoci a medu Součást sacharosy 10

11 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

12 Mléčný cukr Disacharid Složena z galaktosy a glukosy Výživa mláďat savců Laktosa Laktosová intolerance u některých dospělých Škrob Zásobní polysacharid rostlin Enzymovým, nebo kyselým štěpením se získává glukosa Dvě části: Amylosa linearní (Mr = ), vazby 1 4 Amylopektin větvený (Mr = ), vazby 1 4 a

13 Glykogen Zásobní polysacharid živočichů živočišný škrob Struktura obdobná amylopektinu Celulosa Strukturní polysacharid rostlin Bavlna, len, papír Až 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

14 Inulin Reservní polysacharid některých rostlin Složen z fruktosových jednotek Snáze stravitelný Vhodný pro diabetiky Chitin Strukturní polysacharid hmyzu Složen z N- acetylglukosaminu 14

15 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 = odbourávacíčást metabolismu ze složitých struktur se stávají jednoduché, které jsou následně rozloženy Poskytuje energii Glykolysa β-oxidace Krebsův cyklus Dýchací řetězec 15

16 lavní energetické platidlo organismu AMP ADP ATP Adenosinfosfáty NAD + Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech Rozpustný 16

17 FAD Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech Obvykle vázaný na enzym Glykolysa 17

18 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 C 3 -fragmentů -Zjednodušuje to zpracování glukosy Vznikající C 3 -fragmenty mezi sebou mohou přecházet Přípravná fáze buňku stojí 2 molekuly ATP 18

19 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 C 3 -fragment vede ke vzniku 2 molekul ATP -Celý proces tak dává vzniknout 2 molekul ATP (po odečtení přípravné fáze) K čemu je to dobré? Glykolysouzískávají 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 glykolysuobrátit a použít ji pro synthesu glukosy (proces se poté nazývá glukoneogenese). 19

20 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 P i 2 pyruvát + 2 NAD/ ATP Problém Jak regenerovat NAD +? Dýchací řetězec Mléčné kvašení Alkoholové kvašení 20

21 Problém Co s pyruvátem? Fotosynthesa 21

22 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, NADP a rozklad vody (konservování energie) Temnotní: získané ATP a NADP jsou využity pro tvorbu glukosy z oxidu uhličitého Světelná fáze slouží k přeměně svtelné energie na energii chemickou (ATP, NADP) Takto připravená energie je později využita pro synthesu glukosy Součástí světelné fáze je i rozklad vody (illovareakce), kdy dochází k uvolnění kyslíku Světelná fáze 22

23 V chloroplastech jsou barviva, která umí chytit světlo (absorbují ve viditelné oblasti) lavní 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? 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

24 Jak se ze světla získává energie? Při aktivaci fotosystémů dojde k uvolnění elektronů Existují dva fotosystémy Elektron z fotosystému I může být použit pro pohon protonové pumpy, nebo na synthesu NADP Elektron z fotosystému II je použit pro pohon protonové pumpy a současně doplňuje elektron fotosystému I 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? 24

25 Jak se rozkládá voda? Voda je rozkládána pomocí složitého komplexu v blízkosti fotosystému II Odpadním produktem rozkladu vody je kyslík Proces se nazývá illova reakce Temnotní fáze Slouží k synthese glukosy Jako výchozí materiál slouží ATP a NADP ze světelné fáze a oxid uhličitý z atmosféry Proces se nazývá Calvinův cyklus 25

26 Calvinův cyklus Regenerační fáze: -Výchozí ribosa musí být postupně regenerována -Spotřeba ATP ze světelné fáze Asimilační fáze: -Váže se CO 2 z ovzduší -Je třeba 3 molekuly CO 2 pro synthesu glyceraldehydu-3- fosfátu -Ten je posléze předán do glukoneogenese k synthese glukosy -Spotřeba ATP a NADP 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 26

27 C 4 -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 minimalisovalyztráty, 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 CO 2, který je ukládán v hloubi listu Ve dne probíhá světelné fáze, CO 2 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 CO O C 6 12 O O O 27