Sacharidy a jejich metabolismus

1. Sacharidy a jejich metabolismus

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

3. Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?

4. Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?

5. Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?

6. Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?

7. Cukry (Sacharidy) - Jak to vypadá?

8. 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)

9. 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

10. 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 – a (ukazuje dolu) a b (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

11. Cyklické formy cukrů • Podle vzdálenosti atakujícího hydroxylu vznikají dvě možné cyklické formy: furanosa (pětičlenná) a pyranosa (šestičlenná) • Cyklické znázornění cukrů vyjadřuje Woodvardova projekce

12. Chemické vlastnosti sacharidů Glukonová kyselina Glukarová kyselina

13. 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

14. Glykosidová vazba • Dva monosacharidy je možno spolu spojit za současného odštěpení vody – glykosidová vazba • Názvosloví: • Plný název připojených jednotek v jejich pořadí jednotky • Mezi jejich názvy určení spojených uhlíků • Plný název posledního monosacharidu s volnou hemiacetalovou OH-skupinou

15. Rozdělení cukrů • Podle počtu jednotek • Monosacharidy • Oligosacharidy (do deseti jednotek) • Polysacharidy • Podle cyklické formy • Furanosy • Pyranosy • Podle anomerního uhlíku • a • b • Podle umístnění karbonylu • Aldosy • Ketosy • Podle počtu uhlíků • Triosy • Tetrosy • Pentosy • Hexosy • Podle reakce s Fehlingovým činidlem • Redukující • Neredukující

16. Zástupci sacharidů a jejich význam

17. D-ribosa a D-deoxyribosa • Monosacharidy • Pentosy • Aldosy • Ribosa – součást RNA a koenzymů • Deoxyribosa – základní stavební kámen DNA D-Ribosa D-Deoxyribosa

18. D-glukosa • Aldosa • Hexosa • Hroznový, škrobový cukr, dextrosa • Nejrozšířenější přírodní monosacharid • Součást krve • Hlavní zdroj energie • Získávána při fotosynthese • Zdroj pro výrobu ethanolu, vitaminu C, kyseliny citronové, mléčné, antibiotik

19. D-galaktosa • Aldosa • Hexosa • Součást mléka a laktosy • Výskyt v oligosacharidových řetězcích glykoproteinů

20. D-Fruktosa • Ovocný cukr, levulosa • Ketosa • Hexosa • Patří mezi nejrozšířenější monosacharidy • Nejsladší sacharid • Vyskytuje se v ovoci a medu • Součást sacharosy

21. 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

22. Maltosa • Sladový cukr • Disacharid • Vzniká při enzymovém štěpení škrobu • Význam při výrobě piva

23. Laktosa • Mléčný cukr • Disacharid • Složena z galaktosy a glukosy • Výživa mláďat savců • Laktosová intolerance u některých dospělých

24. Škrob • Zásobní polysacharid rostlin • Enzymovým, nebo kyselým štěpením se získává glukosa • Dvě části: • Amylosa – linearní (Mr = 40 000 – 150 000), vazby 1→4 • Amylopektin – větvený (Mr = 50 000), vazby 1→4 a 1→6

25. Glykogen • Zásobní polysacharid živočichů – živočišný škrob • Struktura obdobná amylopektinu

26. Celulosa • Strukturní polysacharid rostlin • Bavlna, len, papír • Až 10 000 glukosových jednotek • Na rozdíl od škrobu a glykogenu zde b-glykosidická vazba! – organismy ji neumí štěpit (výjimka přežvýkavci – symbiosa s mikroorganismy) • Vláknina • Výroba nitrocelulosy a acetátového hedvábí

27. Inulin • Reservní polysacharid některých rostlin • Složen z fruktosových jednotek • Snáze stravitelný • Vhodný pro diabetiky

28. Chitin • Strukturní polysacharid hmyzu • Složen z N-acetylglukosaminu

29. Úvod do metabolismu

30. 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 = odbourávací část metabolismu – ze složitých struktur se stávají jednoduché, které jsou následně rozloženy • Poskytuje energii • Glykolysa • b-oxidace • Krebsův cyklus • Dýchací řetězec

31. Adenosinfosfáty • Hlavní energetické platidlo organismu • AMP • ADP • ATP

32. NAD+ • Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech • Rozpustný

33. FAD • Oxidačně-redukční činidlo v živých organismech • Obvykle vázaný na enzym

34. Glykolysa

35. Co to je? • Způsob, jak postupně odbourat glukosu za zisku energie • Dvě části: • Přípravná • Zisková • Konečným produktem je pyruvát • Probíhá v cytosolu buněk

36. 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 C3-fragmentů • Zjednodušuje to zpracování glukosy Vznikající C3-fragmenty mezi sebou mohou přecházet Přípravná fáze buňku stojí 2 molekuly ATP

37. 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 C3-fragment vede ke vzniku 2 molekul ATP • Celý proces tak dává vzniknout 2 molekul ATP (po odečtení přípravné fáze)

38. K čemu je to dobré? • Glykolysou získávají 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 glykolysu obrátit a použít ji pro synthesu glukosy (proces se poté nazývá glukoneogenese).

39. 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 Pi → 2 pyruvát + 2 NADH/H+ + 2 ATP

40. Problém – Jak regenerovat NAD+? • Dýchací řetězec • Mléčné kvašení • Alkoholové kvašení

41. Problém – Co s pyruvátem?

42. Fotosynthesa

43. 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, NADPH a rozklad vody (konservování energie) • Temnotní: získané ATP a NADPH jsou využity pro tvorbu glukosy z oxidu uhličitého

44. Světelná fáze • Světelná fáze slouží k přeměně svtelné energie na energii chemickou (ATP, NADPH) • Takto připravená energie je později využita pro synthesu glukosy • Součástí světelné fáze je i rozklad vody (Hillova reakce), kdy dochází k uvolnění kyslíku

45. Jak se chytá světlo? • V chloroplastech jsou barviva, která umí „chytit“ světlo (absorbují ve viditelné oblasti) • Hlavní 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

46. 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

47. Jak se ze světla získává energie? Elektron z fotosystému I může být použit pro pohon protonové pumpy, nebo na synthesu NADPH Při aktivaci fotosystémů dojde k uvolnění elektronů Existují dva fotosystémy Elektron z fotosystému II je použit pro pohon protonové pumpy a současně doplňuje elektron fotosystému I Vzniklá protonová nerovnováha (gradient) je použita pro synthesu ATP stejně jako v dýchacím řetězci Fotosystém II doplňuje svůj elektron rozkladem vody

48. Jak se ze světla získá energie?

49. Jak se rozkládá voda? • Voda je rozkládána pomocí složitého komplexu v blízkosti fotosystému II • Odpadním produktem rozkladu vody je kyslík • Proces se nazývá Hillova reakce

50. Temnotní fáze • Slouží k synthese glukosy • Jako výchozí materiál slouží ATP a NADPH ze světelné fáze a oxid uhličitý z atmosféry • Proces se nazývá Calvinův cyklus