Sacharidy Sacharidy • Karbohydráty, uhlohydráty, glycidy nebo cukry • Nejrozsáhlejší třída biologicky aktivních molekul • Funkce • Zdroj energie • Zásobní látky • Stavební a podpůrná funkce • Složky nukleotidů, kofaktorů, glykoproteinů, glykolipidů • Prekurzory aminokyselin a lipidů • Antigeny na povrchu buněk Dělení podle počtu jednotek Sacharidy Monosacharidy (1 cukerná jednotka) Oligosacharidy (2-10 cukerných jednotek) Polysacharidy (11 a více jednotek) Disacharidy (2 cukerné jednotky) Oligosacharidy Monosacharidy • Základní jednotky sacharidů • Bezbarvé, krystalické látky, rozpustné ve vodě • Některé sladké = cukry • Podle počtu uhlíků • Diózy (2C) • Triózy (3C) • Tetrózy (4C) • Pentózy (5C) • Hexózy (6C) • Heptózy (7C) Chemické vlastnosti sacharidů • Polyhydroxyderiváty aldehydů = aldózy • Polyhydroxyderiváty ketonů = ketózy • Obecný vzorec Cm(H2O)n (neplatí např. pro deoxysacharidy a deriváty) C C C H HH H H H O C C C OH OHH H H H O Propanal Glyceraldehyd C C C H HH H H H O C C C H HH OH OH H O Aceton Dihydroxyaceton Stereoizomerie cukrů • Každý uhlík s OH skupinou je chirální = nese 4 různé substituenty • Pozice OH skupiny vůči ostatním substituentům se může měnit • Každý chirální uhlík dává vznik 2 stereoizomerům • Hexóza • 4 chirální uhlíky = 16 izomerů • 8 unikátních názvů, v D a L formě * * * * * * * * D a L forma • Optické izomery, enantiomery – zrcadlové obrazy • Rozdělení podle schopnosti stáčet rovinu polarizovaného světla • D – ve směru hodinových ručiček • L – proti směru hodinových ručiček • Většina sacharidů převažuje v D formě • Podle pozice OH skupiny na chirálním uhlíku s nejvyšší pořadovou hodnotou • D forma – OH na pravé straně • L forma – OH na levé straně Aldosy Ketosy Lineární a cyklická forma Lineární – Fisherova projekce Lineární a cyklická forma • Cyklická forma • Reakcí karbonylové skupiny s jednou OH skupinou • Kyslíkový můstek • Cyklus o 5 členech – furanosa • Cyklus o 6 členech – pyranosa Lineární a cyklická forma • Pro popis cyklických forem se používá Haworthova projekce • Cyklizací vzniká nový chirální uhlík (z původního karbonylového C) • OH skupina pod (α) nebo nad (β) rovinou nově vzniklého cyklu • Anomery Tlustá linka prezentuje atomy blíže pozorovateli, tenké jsou naopak vzdálenější. Funkční skupina nacházející se ve Fisherově projekci na pravé straně, je na Haworthově pod rovinou kruhu. O H OH H OHH OH H CH CH2OH OHO H H H H OH OH H OH OH CH2OH O H OH H OHH OH H CH CH2OH OHO OH H H H OH OH H OH H CH2OH Lineární a cyklická forma CHO CH2OH H OH OH H H OH H OH CH2OH OH H H OH H OH O CH2OH D-glukosa α-D-glukopyranosa β-D-glukopyranosa O H OH H OHH OH H CH CH2OH OHO OH H H H OH OH H OH H CH2OH CH2OH H OH OH H H OH H OH H O CH2OH H OH OH H H OH H H OH O OH CH2OH H OH OH H H H OH H O OH CH2OH H OH OH H H H H OH O O H OH H OHH OH H CH CH2OH OHO H H H H OH OH H OH OH CH2OH O H OH H OHH OH H CH CH2OH OHO OH H H H OH OH H OH H CH2OH CH2OH H OH OH H H OH H OH H O CH2OH H OH OH H H OH H H OH O OH CH2OH H OH OH H H H OH H O OH CH2OH H OH OH H H H H OH O Triosy Součásti metabolických drah v buňce Tetrosy Intermediáty sacharidového metabolismu Pentosy • Lyxosa • Součást bakteriálních glykolipidů • Xylosa • Součást hemicelulózy • Xylulosa • Arabinosa • Většina sacharidů převažuje v D formě, výjimkou je arabinóza, ta se častěji nachází v L formě. Cukr vyskytující se v celulóze nebo pektinu. • Ribosa • β-D-ribofuranóza je součásti kostry molekuly RNA, její deoxyforma zase DNA. Součást kofaktorů a molekul důležitých v energetickém metabolismu a buněčné signalizaci – NAD+, ATP, cAMP. D-lyxosa D-xylosa D-xylulosa L-arabinosa D-ribosa Hexosy Aldohexosy • Allosa, altrosa, gulosa, idosa a talosa se v přírodě běžně nevyskytují • Galaktosa • Méně sladký • Součást laktózy (galaktóza může být syntetizována matkou, ale většinou je utilizována molekula získaná z potravy) • Manosa • Součást glykoproteinů Aldohexosy • D-glukosa • Hroznový cukr • V přírodě nejrozšířenější aldohexosa • Vytvářena při fotosyntéze, opačná reakce je důležitým zdrojem energie • Stabilnější než galaktóza, méně se nespecificky váže k proteinům a lipidům • L-forma lze uměle syntetizovat, je stejně sladká jako D, ale enzymy ji nedokáží metabolizovat Ketohexosy • Psikóza • nulový energetický obsah, glykemická odezva nižší než sacharóza. • 70 % sladivost sacharózy • vhodné funkční vlastnosti – gelotvorná schopnost, příjemná chut a vůně, vysoké antioxidační vlastnosti • Sorbosa • Sladká nezkvasitelná ketohexosa • Meziprodukt syntézy vitaminu C • Tagatosa • Přírodní sladidlo, které se v malém množství vyskytuje v ovoci, kakau a mléčných výrobcích • Sladkostí dosahuje cca 92% sacharozy ale jen 38% její kaloričnosti Ketohexosy • Fruktosa • Ovocný cukr • Společně s glukózou a galaktózou vstřebáván přímo z potravy • Med, ovoce, kořenová zelenina • Sladší než klasický cukr (sacharóza) Disacharidy • Dvě monosacharidové podjednotky pojené glykosidickou vazbou • Dochází k uvolnění vody – kondenzační (dehydratační) reakce • Glykosidická vazba – kovalentní vazba cukru s jinou molekulou, která nemusí být jiný cukr • Molekula s glykosidickou vazbou = glykosid • Vazba přes: • Kyslík – O-glykosidická vazba • Dusík – N-glykosidická vazba • Síru – S-glykosidická vazba • Uhlík – C-glykosidická vazba Glykosidická vazba • Dvě konformace • α - glykosidická vazba je mezi uhlíky se stejnou stereometrií • β - glykosidická vazba je mezi uhlíky s odlišnou stereometrií (jeden pod a druhý nad rovinou kruhu) • Uvádí se, mezi kterými uhlíky došlo k vazbě Sacharosa • Řepný cukr • Složen z glukosy a fruktosy • Při trávení je rozložen na monosacharidy, až ty mohou projít přes střevní stěnu α-D-glukopyranosyl-(1→2)-β-D-fruktofuranosid Laktosa • Mléčný cukr, v mléce 2-8% • Složen z glakatosy a glukosy • Rozkládán enzymem laktáza – s věkem množství laktázy klesá • Laktosová intolerance – nedostatek laktázy, nerozložená laktosa je metabolizována střevní mikroflórou, dochází k produkci plynu β-D-galaktopyranosyl-(1→4)- α-D-glukopyranóza Maltosa • Sladový cukr • Tvořen 2 jednotkami glukosy • Vzniká enzymatickým rozkladem škrobu – např. ve sladině, nebo karamelizací sacharózy • Maltosová intolerance, podobně jako u laktosy α-D-glukopyranosyl-(1→4)-β-D-glukopyranóza Oligosacharidy • 3-9 cukerných jednotek • Často navázány na proteiny a lipidy – glykoproteiny, glykolipidy • O a N-glykosidické vazby Polysacharidy • Dlouhé řetězce monosacharidů • Zásobní (škrob, glykogen) nebo stavební (celulóza, chitin) molekuly • Často amorfní, špatně rozpustné • Špatně stravitelné polysacharidy – vláknina • Dokáže absorbovat cholesterol a cukry, brání jejich vstřebání Škrob • Jednotky glukózy • 2 odlišné molekuly • Amylosa • Amylopektin Amylosa • Lineární a helikální polymer glukózy • α-1,4-glykosidická vazba • 300-3000 jednotek glukózy • 20-30 % škrobu • Rezistentní vůči trávicím enzymům, je pro ně špatně přístupný • Prostorově zabírá méně místa Amylopektin • Rozvětvený polymer • α-1,4-glykosidická vazba, na každé 24.- 30. glukose α-1,6-glykosidická vazba • Přístupnější, snadněji degradovatelný • 70 % škrobu Syntéza škrobu • Vyžaduje energii (v podobě ATP) 1. glukosa-1-P – fosfátová skupina zaměněna za ADP; enzym glukosa-1-fosfát adenylyltransferáza Syntéza škrobu 2. Enzym škrobová syntáza připojí glukosu-1-ADP na C4 uhlík rostoucího řetězce amylosy, vzniká α-1,4 glykosidická vazba Syntéza škrobu 3. Větvící enzym vytváří α-1,6-glykosidické vazby mezi řetězci Degradace škrobu • Enzymy amylázy • Hydrolýzy škrobu na kratší řetězce – di a trisacharidy • U lidí ve slinách a pankreatické šťávě • α a β-amylázy α-amylázy • Nasedá a štěpí náhodně • Amyláza – maltotriosa, maltosa • Amylopektin – maltosa, glukosa, dextrin • Produkovány slinnými žlázami a slinivkou břišní β-amylázy • Štěpí od konců, vzniká maltóza • Produkovány rostlinami, houbami a bakteriemi • Působí během dozrávání ovoce, proto je sladší Glykogen • Živočichové a rostliny • Uchovává glukózu a energii • Rychlý krátkodobý zdroj energie • Játra, svaly, erytrocyty, méně ledviny a neurony • Granula v cytoplasmě Glykogen • Struktura jako amylopektin, uspořádanější • α-1,4 – glykosidická vazba, řetězení po 8-12 glukosách α-1,6 – glykosidickou vazbou Glykogen v játrech • Vysoká hladina cukru v krvi → sekrece inzulinu → stimulace glykogensyntázy, která přidává molekuly glukosy ke glykogenu • Inzulin dává signál, že je dostatek živin a je možné je ukládat • Pokles glukosy v krvi → klesá sekrece inzulinu → produkce glykogenu se zastavuje • V případě potřeby je glykogen štěpen glykogenfosforylázou • Stimulováno glukagonem Glykogen ve svalech • Rychlý zdroj energie • Glykogen ze svalů nepřechází do krve, nemůže zásobovat jiné orgány • Fosfátová skupina na C6, molekula má záporný náboj, nedokáže opustit buňku • Svaly neprodukují enzym glykogen-6-fosfatázu Syntéza glykogenu 1. Glukosa je fosforylována na C6 enzymem glukokinázou 2. Fosfomutáza přenáší fosfátovou skupinu na C1 Syntéza glykogenu 3. Vyžaduje energii, v podobě UTP 4. UDP-glukózapyrofosforyláza zamění fosfátovou skupinu za UDP Syntéza glykogenu 5. Glukosa-1-UDP se kovalentně naváže na Tyr zbytek glykogeninu • Glykogenin má 2 podjednotky, každá poskytuje 1 Tyr 6. Glykogenin zprostředkuje navázání prvních několika glukózových jednotek Syntéza glykogenu 7. Hlavní enzym pro tvorbu glykogenu je glykogensyntáza 8. Po 8-12 glukosách přistupuje glykogen větvící enzym, který přenáší fragmenty o délce 6-7 glukos na C6 Degradace glykogenu • Glykogen je štěpen z C4 konce enzymem glykogenfosforylázou za vzniku glukosa- 1-fosfátu • Enzym štěpí glykogen po 4 jednotky od větvení • V játrech je glukosa-1-fosfát převedena na glukosa-6-fosfát, protože buňkám chybí enzym, který dokáže odstranit fosfát z C1 konce Degradace glykogenu • Odvětvovací enzym • Z místa větvení odstraní trisacharid • Přenese je na vedlejší lineární konec • Zbylá glukóza je odštěpena hydrolyticky α-1,6 glukosidázou • Glykogenfosforyláza má vyšší aktivitu než odvětvovací enzym – degradace je zpočátku velmi rychlá, pak se zpomaluje Celulosa • Lineární řetězce tisíců glukosových jednotek • β-1,4-glykosidická vazba • Řetězce stabilizovány vodíkovými můstky • Stavební polymer buněčné stěny u rostlin • Ve vodě nerozpustná Další složky buněčné stěny • Hemicelulosa • Rozvětvený polysacharid • 500-3000 jednotek • Xylosa, mannosa, galaktosa • Spojuje řetězce celulosy • Pektin • Lineární heteropolysacharid • Kyselina galaktouronová • Umožňuje prodlužování buněčné stěny a růst rostlin Další složky buněčné stěny • Ligniny • Organické polymery – polyfenoly • Výplň mezi celulosou, hemicelulosou a ligninem • Kovalentní vazba s celulosou • Zvyšují pevnost buněčné stěny • Stavební složka dřeva • Po celulose nejčastější organická sloučenina na Zemi Buněčná stěna Polyfenoly • Více než 1 fenolová jednotka • Chemické sloučeniny v rostlinách • Dělí se: • Hydrolyzovatelné taniny (estery kyseliny gallové a glukosy nebo jiných cukrů) • Fenylpropanoidy (lignany, flavonoidy, kondenzované taniny) Deriváty sacharidů - oxidace • Oxidace aldehydové skupiny → aldonové kyseliny • Glukosa → k. glukonová • Oxidace primární OH skupiny → uronové kyseliny • Glukosa → k. glukuronová • K. glukuronová – součást hyaluronanu, proteoglykanů; vazbou na organické látky zvyšuje jejich rozpustnost a umožňuje jejich vyloučení z těla Deriváty sacharidů - aminosacharidy • Záměnou OH skupiny za NH2 • Galaktosamin • Součástí hormonů (folikuly stimulující hormon, luteinizační hormon) • Hepatotoxický při vysokých koncentracích • Glukosamin • prekurzor N-glykosylovaných proteinů a lipidů • N-acetylglukosamin • Základní stavební jednotka chitinu a hyaluronanu Chitin • N-acetylglukosaminy spojené β-1,4-glykosidickou vazbou • Strukturně podobný celulóze • Aminoskupina vytváří více vodíkových můstků, je proto mnohem pevnější • Kutikula členovců Glykoproteiny • Proteiny s kovalentně navázanými oligosacharidy • N-glykosylace – vazba přes N asparaginu • O-glykosylace – přes O serinu, threoninu • C-glykosylace – přes C tryptofanu • Často sekretované nebo extracelulární části membránových proteinů Glykoproteiny • Muciny • Hlen, ochraňující epitely dýchací a trávicí soustavy • Umožňuje proteinům zadržovat vodu a brání proteolýze • Imunita • Rozpoznávací znaky pro leukocyty, protilátky… • Hormony, kolagen, transportní molekuly (např. transferrin), některé enzymy… • Krevní skupiny AB0 Proteoglykany • Obrovské molekuly s proteinovým jádrem obklopeným sacharidy • Sacharidy tvoří asi 95 % • Na proteinové jádro jsou navázány glykosaminoglykany (GAG) – nejčastěji keratan sulfát nebo chondroitin sulfát • Tvoří agregáty, přes kyselinu hyaluronovou Chondroitin sulfát • opakující se disacharid N-acetylglukosaminu sulfatovaného na C4 nebo C6 a kyseliny glukuronové • V chrupavkách • Molekula absorbuje vodu, dodává chrupavce pružnost Kyselina hyaluronová • Polysacharid složený z N-acetylglukosaminu a kyseliny glukuronové • V molekule až 25 000 jednotek • V mezibuněčné hmotě, pojivové, epiteliální a nervové tkáni, ve sklivci i v kůži • Proti infekci • Brání ukládání kolagenu při hojení – jizvení • Tlumič nárazů a lubrikant v kloubech Proteoglykany v kloubech • Proteoglykany ve formě sítě spolu s kolagenem • Navázáno mnoho molekul vody • Při zatížení je voda vytlačena • Záporně nabité skupiny GAG se odpuzují a mají snahu vrátit se do původního stavu Take home message • Stavební a zásobní látky • Součásti větších molekul • Dělení sacharidů • Počet jednotek • Povaha karbonylové skupiny • Počet uhlíků • Syntéza a degradace škrobu a glykogenu • Stereoizomery • Enantiomery (D, L) • Anomery (α, β) • Glykosidická vazba