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
SACARIDY Předpokládané znalosti - PJMY: sacharidy, cukry, aldosy, ketosy monosacharidy, oligosacharidy, polysacharidy uhlohydráty, uhlovodany (fuj!!) otevřené a cyklické formy monosacharidů, pyranosa, furanosa stereoisomerie monosacharidů, Fischerovy a aworthovy vzorce konfigurace, chiralita, optická aktivita, konformace optické antipody, enentiomery, diastereoisomery, epimery - a -anomery, mutarotace poloacetalový hydroxyl, glykosidová vazba (-, 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 dvozeny od glyceraldehydu nebo dihydroxyacetonu aldohexosy Centra chirality aldohexosy 4 centra 2 4 stereoisomerů
Ketosy odvozeny od dihydroxyacetonu Ketohexosy pouze 3 centra chirality 8 stereoisomerů
Konfigurace D- a L- C C C C C 2 D-glyceraldehyde C C 2 L-glyceraldehyde C C C C 2 D-glyceraldehyde C 2 L-glyceraldehyde D-glukosa L-glukosa D resp L sacharidy mají stejnou absolutní konfiguraci asymetrického centra nejvíce vzdáleného od karbonylové skupiny jako má D- resp. L-glyceraldehyd
otevřené a cyklické formy monosacharidů, pyranosa, furanosa C + R' R' C R R aldehyde alcohol hemiacetal R R 6C 2 C 1 C 2 C 3 C 4 C 5 C 2 6 D-glucose (linear form) 6 C 2 Fischerova projekce C + "R "R C R' R' ketone alcohol hemiketal 4 5 3 2 -D-glucose 5 1 4 1 3 2 -D-glucose aworthova projekce 1 C 2 2 C 3 4 5 6 C C C C 2 2 C 5 6 4 3 D-fructose (linear) -D-fructofuranose 1 C 2 2
Epimery sacharidy lišící se konfigurací na jediném atomu uhlíku Cyklické struktury mají další centrum asymetrie na C1 - dvě anomerní formy α- na C1 je v opačné poloze vzhledem k rovině kruhu než C 2 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 činidlo měďnatý iont v komplexu kyseliny vinné Tollensovo činidlo stříbrný kationt v komplexu s amoniakem [Cu( - C-C - -C - -C - ) 2 ] 6-
redukující a neredukující sacharid, redukující a neredukující konec řetězce Aldehydová skupina schopna redukovat slabá oxidační činidla ligosacharidy a polysacharidy redukující konec- volná aldehydická skupina
Monosacharidy glukosa hroznový cukr, krevní cukr -D-glukosa necyklická forma glukosy -D-glukosa 6 2 C 5 4 1 3 2 1 C C 2 C 3 C 4 C 5 2 C 6 C 2 C 2 C 2 -D -galaktosa (galaktopyranosa) -D-mannosa (mannopyranosa)
C 2 C 2 -D-fruktosa (fruktofuranosa) Intermediáty metabolismu C 2 N 2 C 2 N C C 3 -D-glukosamin N-acetyl- -D-galaktosamin C -D-galakturonan C 2 D-glukono- -lakton Strukturní polysacharidy Glykoproteiny antigeny - krevní skupiny Strukturní polysach. - C 2 P - -D-glukosa-6-fosfát
ligo- a polysacharidy Glykosidová vazba R- + -R' R--R' + 2 Např. dva monosacharidy nebo jiný alkohol tvoří glykosidy C 2 R aglykon --glykosidová vazba
LIGSACARIDY C 2 C 2 C 2 C 2 C 2 -D-glukopyranosa -D-fruktofuranosa sacharosa (1 2) neredukující -D-galaktopyranosa -D-laktosa -D-glukopyranosa vazba (1 4) C 2 C 2 C 2 C 2 -D-glukopyranosa -D-glukopyranosa -D-maltosa vazba (1 4) -D-glukopyranosa -D-glukopyranosa -D-cellobiosa vazba (1 4)
PLYSACARIDY ZÁSBNÍ PLYSACARIDY: - 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
PLYSACARIDY ZÁSBNÍ PLYSACARIDY: - 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 PLYSACARIDY: - 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 Ca 2+ nebo Mg 2+ v ovoci (džemy, marmelády)
statní 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 - - 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 proteiny I. fáze aminokyseliny polysacharidy glukosa lipidy Glycerol + mastné kyseliny II. fáze III. fáze ETS
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
Amplifikace signálu ormonální regulace aktivity glykogenfosforylasy Receptor na plasmatické membráně Aktivace G proteinu (GTPasa) Aktivace adenylátcyklasy camp = druhý posel Aktivace proteinkinasy fosforylace (aktivace) fosforylasakinasy fosforylace (aktivace) fosforylasy b Štěpení glykogenu Proteinkinasa fosforylace proteinu (ATP)
Amplifikace signálu Charakter kaskády jedna molekula vyvolá tvorbu velkého počtu dalších molekul Enzym (substrát opět enzym)
III. Část produkující energii (ATP) II. Štěpení na 2 triosy Glykolysa Lokalisace: cytosol I. Část vyžadující energii (ATP) glykogen glukosa ATP = substrátová fosforylace
Energetická bilance glykolysy v aerobním chemoorganotrofním organismu (-2ATP + 4ATP)
Přenos vodíků z cytosolického NAD do mitochondrií - malát aspartátové kyvadlo
Přenos vodíků z cytosolického NAD do mitochondrií - glycerolfosfátové kyvadlo (létací sval hmyzu) 1. Glycerol-3-fosfát dehydrogenasa katalysuje oxidaci NAD dihydroxyacetonfosfátem 2. xidace glycerol-3-fosfátu flavoproteindehydrogenasou FAD 2 3. Reoxidace FAD 2 dýchacím řetězci 2ATP
Mléčná fermentace, anaerobní metabolismus Laktátdehydrogenasa, LD
Ethanolová fermentace Alkoholdehydrogenasa
Porovnání aerobní a anaerobní glykolysy aerobní aktivace glc -1 ATP fru 1,6 bis P -1 ATP oxidace GAP (2 NAD + + ) +6 ATP 2 x substrátová fosforylace +4 ATP anaerobní (fermentace) aktivace glc fru 1,6 bis P oxidace GAP (2 NAD + + ) substrátová fosforylace -1 ATP -1 ATP laktát,et +4 ATP ox.dekarboxylace pyr (2 NAD+ + ) +6 ATP 2 x CKC +24 ATP ox.dekarboxylace pyr (2 NAD+ + ) +6 ATP 2 x CKC +24 ATP Celkem 38 ATP Celkem 2 ATP Pozor!!! (Glyceron fosfátové kyvadlo 36 ATP)
Regulace glykolysy Reakce glykolysy DG o ' kj/mol DG kj/mol exokinasa -20.9-27.2 Glc-6-P isomerasa +2.2-1.4 Fosfofruktokinasa -17.2-25.9 Aldolasa +22.8-5.9 Triosafosfát isomerasa +7.9 +4,4 Glyceraldehyd-3-P dehydrogenasa & fosfoglycerát kinasa -16.7-1.1 fosfoglycerát mutasa +4.7-0.6 Enolasa -3.2-2.4 Pyruvát kinasa -23.0-13.9
Regulace glykolysy Enzym Inhibitor Aktivátor 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. lavním 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 K = 32,9 fosfatasa ΔG PFK = 26,4 MK glycerol ΔG PK = 26,4 Některé aminokyseliny, laktát Některé aminokyseliny
Bypass I
Metabolismus glykogenu -Aktivní formy monosacharidů pro synthesu polysacharidů NDP- X - prekursor Glc-1-P
Větvící enzym (transferasa) :
Coriho cyklus
Pentosový cyklus 1. xidace glukosy za vzniku pentosafosfátu a redukčního činidla NADP 2. zajišťuje ribosa 5-fosfát pro synthesu nukleotidů a nukleových kyselin 3. Produkce NADP pro synthesu tuků a ostatní redukční procesy 4. přítomný především v tkáních s vysokou potřebou NADP rychle se dělící buňky (potřeba DNA) a pro syntézu tuků v adipocytech a jaterních buňkách, v erytrocytech pro redukci GSSG
Pentosový cyklus xidační fáze Vznik pentosa fosfátů a minoritních monosacharidů Při přebytku pentosafosfátů do glykolýzy Sumárně: Glc-6-P + 12 NADP + 6 C 2 + 12 NADP + +
Transketolasová reakce - příklad C C C 2 + C C C Transketolasa C C 2 + C C C C C 2 C C C C 2- C 2 P 3 C 2 P 3 2- C 2 P 3 2- C 2 P 3 2- Ribulosa-5-fosfát Ribosa-5-fosfát Glyceraldehyd-3-fosfát 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 K m glukokinasy = 10 mm K m hexokinasy = 0,1 mm
FTSYNTESA Nejdůležitější proces na Zemi Fixace 10 C 2 + 4 [] -C()- + 2 Potřebujeme: -energii: -redukční činidlo: ADP + P i + h ATP + 2 NADP+ + 2 D + h NADP + + + 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 -C: chlorofyl b (chlorofyly) Struktura chlorofylu a β-karoten
Reakční centrum a anténa fotosystému Espero Publishing, s.r.o.
Tok elektronů během fotosyntézy v thylakoidní membráně
Změny v redoxním potenciálu během fotosyntézy
Fotofosforylace glukosa C 2
ATP lze syntetizovat in vitro.
Cyklická fotofosforylace
Cyklická fotofosforylace
Calvinův cyklus V Calvinově cyklu se syntetizují hexosy z C 2 a vody Redukční činidlo NADP ze světlé fáze
Iniciační reakce fixace uhlíku RUBISC: 16 podjednotek, Mh 560 000 nejhojnější protein na Zemi, 40 x 10 6 tun
Temná fáze fotosynthesy - Calvinův cyklus 1. Fixace C 2 2. fosforylace Ribulosa-1,5-bisfosfát karboxylasa/oxygenasa 3. Redukce RuBisC 5. Regenerace akceptoru C 2 4.Synthesa sacharidů ATP/NADP = 3/2 Cyklická fotofosforylace
Regulace poměru ATP/NADP - Cyklická fotofosforylace
Rekapitulace: 6x Sumárně CC: 6C 2 + 18 ATP + 12 NADP C 6 12 6 + 18 ADP + 12 NADP +
Syntéza oligo- a polysacharidů
Fotorespirace Druhým substrátem RUBISC je 2, Produkce C 2 Lokalisace: chloroplasty, peroxisomy, mitochondrie Glykolát Glyoxylát Glycin x 2 Serin + C 2
C4 rostliny subtropické trávy (cukrová třtina, kukuřice..)
CAM rostliny (crasulacean acid metabolism)