Sacharidy - vscht.czold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bc/metabolismus_sacharidu_a... · 2014-12-17 ·...
Transcript of Sacharidy - vscht.czold-biomikro.vscht.cz/vyuka/bc/metabolismus_sacharidu_a... · 2014-12-17 ·...
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
Centra chirality – aldohexosy 4 centra – 24 stereoisomerů
Monosacharidy – aldehydy nebo ketony polyhydroxylových alkoholů
se 3 – 8 atomy C
Odvozeny od glyceraldehydu nebo dihydroxyacetonu
aldohexosy
Ketohexosy pouze 3 centra chirality – 8 stereoisomerů
Ketosy – odvozeny od dihydroxyacetonu
CHO
C
CH2OH
HO H
CHO
C
CH2OH
H OH
CHO
C
CH2OH
HO H
CHO
C
CH2OH
H OH
L-glyceraldehydeD-glyceraldehyde
L-glyceraldehydeD-glyceraldehyde
Konfigurace D- a L-
D resp L sacharidy mají stejnou absolutní konfiguraci
asymetrického centra nejvíce vzdáleného od karbonylové skupiny
jako má D- resp. L-glyceraldehyd
D-glukosa L-glukosa
otevřené a cyklické formy monosacharidů, pyranosa, furanosa
H O
OH
H
OHH
OH
CH2OH
H
OH
H H O
OH
H
OHH
OH
CH2OH
H
H
OH
-D-glucose -D-glucose
23
4
5
6
1 1
6
5
4
3 2
H
CHO
C OH
C HHO
C OHH
C OHH
CH2OH
1
5
2
3
4
6
D-glucose
(linear form)
O C
H
R
OH
O C
R
R'
OHC
R
R'
O
aldehyde alcohol hemiacetal
ketone alcohol hemiketal
C
H
R
O R'R' OH
"R OH "R
+
+
CH2OH
C O
C HHO
C OHH
C OHH
CH2OH
HOH2C
OH
CH2OH
H
OH H
H HO
O
1
6
5
4
3
2
6
5
4 3
2
1
D-fructose (linear) -D-fructofuranose
Fischerova
projekce
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
činidlo –
měďnatý iont
v komplexu
kyseliny vinné
Tollensovo
činidlo –
stříbrný
kationt v
komplexu s
amoniakem
[Cu( -OOC-HCO--HCO--COO- )2]6-
redukující a neredukující sacharid, redukující a
neredukující konec řetězce
Aldehydová skupina – schopna redukovat slabá oxidační činidla
Oligosacharidy a polysacharidy – redukující konec- volná
aldehydická skupina
5
4
3 2
1
O
OH
OH
OHOH
CH2
6
OH
H H
H
H
O
OH
OHOH
CH2
OH
H
H
HH
OH
CH
1
CH2
CH 3
CH4
CH5
CH2
6
OH
OH
OH
OH
OH
O
Monosacharidy
glukosa – hroznový cukr, krevní cukr
-D-glukosa necyklická forma glukosy -D-glukosa
O
OH
OH
OH
OH
CH2
OH
H
H
H
H
O
OHOHOH
CH2
OH
H
HH
H
OH
-D -galaktosa (galaktopyranosa) -D-mannosa (mannopyranosa)
O
OH
OH
CH2
OH
CH2
OH
OH
H
H
H
-D-fruktosa (fruktofuranosa)
O
OHOH
CH2
OH
H
H
HH
OH
NH2
O
OH
OH
CH2
OH
H
H
HH
OH
NH C
O
CH3
O
OH
OH
OH
OH
C O
H
H
H
H
O
OH
OHOH
CH2
OH
H
H
HO
O
-D-glukosamin N-acetyl--D-galaktosamin -D-galakturonan D-glukono--lakton
--
O
OHOH
CH2
O
H
H
HH
OH
OH
PO
O
O
-D-glukosa-6-fosfát
Glykoproteiny
antigeny - krevní skupiny
Strukturní
polysacharidy
Strukturní
polysach.
Intermediáty metabolismu
Glykosidová vazba
R-OH + HO-R' R-O-R' + H2O
Např. dva monosacharidy nebo jiný alkohol tvoří glykosidy
aglykon
Oligo- a polysacharidy
O
OHOH
CH2
OH
H
H
HH
O
OH
H
R
-O-glykosidová vazba
O
OH
OH
CH2
OH
H
H
H
OH
OH
H
O
OH
OH
CH2
OH
CH2
OH
H
H
H
OLIGOSACHARIDY
-D-glukopyranosa -D-fruktofuranosa
sacharosa (12) neredukující
OH
OH
CH2OH
H
H
H
OHO
H
HOH
OH
CH2
OH
H
H
H
O
OH
H
OH
-D-galaktopyranosa -D-glukopyranosa
-D-laktosa vazba (14)
OH
OH
CH2
OH
H
H
H
OH
O
H
OH
OH
CH2
OH
H
H
H
O
OH
H
OH
H
OH
OH
CH2
OH
H
H
H
OH
O
H
OH
OH
CH2
OH
H
H
H
O
OH
H
OH
H
-D-glukopyranosa -D-glukopyranosa
-D-maltosa vazba (14) -D-glukopyranosa -D-glukopyranosa
-D-cellobiosa vazba (14)
POLYSACHARIDY
ZÁSOBNÍ POLYSACHARIDY:
- škrob (polyglukan, vazby (14)), rostlinný původ,
amylosa: nevětvený lineární polymer, rozp. ve vodě,
Mh 40 - 150 kDa, průměrně 20 %
amylopektin: větvený (vazby (16)) 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, (21) vazby), asi 30 jedn.
rostlinný zásobní sacharid (čekanka, topinambur, jiřiny)
infuse pro diabetiky
- dextrany (polyglukany, především vazby (16))
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 (14)), rostlinný původ,
amylosa: nevětvený lineární polymer, rozp. ve vodě,
Mh 40 - 150 kDa, průměrně 20 %
amylopektin: větvený (vazby (16)) 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, (21) vazby), asi 30 jedn.
rostlinný zásobní sacharid (čekanka, topinambur, jiřiny)
infuse pro diabetiky
- dextrany (polyglukany, především vazby (16))
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 (14))
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 (14), částečně
methylestery, příčné vazby pomocí Ca2+ nebo Mg2+
v ovoci (džemy, marmelády)
Ostatní polyscharidy
Chitin (poly-N-acetylglukosamin, vazby (14))
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
Natažený pás
helix
Metabolismus sacharidů
Degradace:
Glykolysa (glykogenolysa)
Pentosový cyklus
Synthesa:
Glukoneogenese , synthesa polysacharidů
Calvinův cyklus (temná fáze fotosynthesy)
proteiny
aminokyseliny
polysacharidy
glukosa
lipidy
Glycerol + mastné kyseliny I. fáze
II. fáze
III. fáze
Katabolismus
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
Hormonální 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
Am
plif
ikace s
ignálu
Proteinkinasa – fosforylace proteinu (ATP)
Amplifikace signálu
Charakter kaskády – jedna molekula vyvolá
tvorbu velkého počtu dalších molekul
Enzym (substrát opět enzym)
Glykolysa
Lokalisace:
cytosol
I. Část vyžadující energii (ATP)
II.
Ště
pení
na 2
triosy
III. Č
ást
pro
dukující
energ
ii
(AT
P)
ATP = substrátová
fosforylace
glykogen glukosa
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
aerobní
aktivace glc -1 ATP
fru 1,6 bis P -1 ATP
oxidace GAP (2 NADH + H+) → +6 ATP
2 x substrátová fosforylace +4 ATP
ox.dekarboxylace pyr (2 NADH+ H+) +6 ATP
2 x CKC +24 ATP
Celkem 38 ATP
Pozor!!!
(Glyceron fosfátové kyvadlo 36 ATP)
anaerobní (fermentace)
aktivace glc -1 ATP
fru 1,6 bis P -1 ATP
oxidace GAP (2 NADH + H+) laktát,etOH
substrátová fosforylace +4 ATP
ox.dekarboxylace pyr (2 NADH+ H+) +6 ATP
2 x CKC +24 ATP
Celkem 2 ATP
→
Reakce glykolysy DGo'
kJ/mol DG
kJ/mol
Hexokinasa -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
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)
• 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 (glukoneogenese)
MK → glycerol
Některé aminokyseliny
Některé aminokyseliny, laktát
Glukogenese (není úplným zvratem glykolysy)
ΔG’ HK = 32,9
ΔG´ PFK = 26,4
ΔG’ PK = 26,4
fosfatasa
fosfatasa
Bypass I
Metabolismus glykogenu
-Aktivní formy monosacharidů pro synthesu polysacharidů NDP- X
- prekursor Glc-1-P
Větvící enzym (transferasa) :
Coriho 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
Pentosový cyklus
Sumárně: Glc-6-P + 12 NADP+ → 6 CO2 + 12 NADPH + H+
Oxidační fáze
Při přebytku
pentosafosfátů do
glykolýzy
Vznik pentosa
fosfátů a
minoritních
monosacharidů
C
C
CH2O
OHH
C
OHH
C
OHH
PO3
HO
Ribosa-5-fosfát
2-
Transketolasa
Ribulosa-5-fosfát
C
C
CH2O
OHH
C
HOH
PO3
CH2OHO
2-
+
Sedoheptulosa-7-fosfát
C
C
CH2O
OHH
C
OHH
C
OHH
PO3
C
HOH
CH2OHO
2-
Glyceraldehyd-3-fosfát
C
CH2O
C
HOH
CH2OHO
PO3
2-
+
Transketolasová reakce - příklad
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
Km glukokinasy = 10 mM
Km hexokinasy = 0,1 mM
Normální koncentrace glukosy v krvi 5 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
© Espero Publishing, s.r.o.
Světelné záření
Světlá
fáze
Temná
fáze
Struktura chlorofylu a
-CHO: chlorofyl b Fáze zachycení fotonu
(chlorofyly)
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
CO2 glukosa
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
Temná fáze fotosynthesy
- Calvinův cyklus
Ribulosa-1,5-bisfosfát
karboxylasa/oxygenasa
RuBisCO
1. Fixace CO2 2. fosforylace
3. Redukce
4.Synthesa
sacharidů
5. Regenerace
akceptoru CO2
ATP/NADPH = 3/2
Cyklická fotofosforylace
Regulace poměru ATP/NADPH - Cyklická fotofosforylace
Sumárně CC:
6CO2 + 18 ATP + 12 NADPH → C6H12O6 + 18 ADP + 12 NADP+
Rekapitulace:
6x
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)