Sacharidy a polysacharidy (struktura a metabolismus) *Živočišné tkáně kolem 2 %, rostlinné 85-90 % *V buňkách rozličné fce: Ø Zdroj a zásobárna energie (glukóza, škrob, glykogen) Ø Výztuž a ochrana buňky (celulóza, chitin) Ø Složky různých biologicky aktivních látek (koenzymy, rozpoznávací glykoproteiny, hormony, antibiotika) *Vznikají v buňkách fotoautotrofních organismů asimilací CO[2] v přítomnosti H[2]O, přičemž se ve fotosystémech mění světelná energie na energii chemickou *Heterotrofní organismy získávají veškeré sacharidy od autotrofů a dokáží je pouze transformovat *Sacharidy se skládají z C, H, O, (jejich deriváty obsahují též P, N, případně S) *Monosacharidy ª Základem jejich molekuly je uhlíkový řetězec s 3 – 9 atomy C (triózy – nonózy) *Oligosacharidy ª di- až dekasacharidy *Polysacharidy (glykany) ª >11 spojených monosacharidů *Na atomy uhlíku se váží skupiny: alkoholická, aldehydická, ketonická (polyhydroxyaldehydy – aldózy, polyhydroxyketony – ketózy) Monosacharidy *Bezbarvé krystalické látky, dobře rozpustné v H[2]O, částečně i v zředěném C[2]H[5]OH, nerozpouštějí se v org.rozp *Mají víceméně sladkou chuť * Nejjednodušší ª glyceraldehyd (1 C*  2 stereoizomery) *Rozhodující poloha –OH skupiny na C* sousedícím s primární alkoholickou skupinou -CH[2]OH (D nebo L) Ø Sacharid s –OH skupinou na C* vlevo se označuje L Ø Sacharid s –OH skupinou na C* vpravo se označuje D Ø Sacharid stáčející RPS doleva ª má u názvu znaménko (-) Ø Sacharid stáčející RPS vpravo ª má u názvu znaménko (+) *Směs stejných množství optických antipodů ª racemát *LeBelův – van´t Hoffův vztah pro výpočet celkového počtu stereoizomerů n: n = 2^c c – počet asymetrických uhlíků v molekule *Pro znázornění struktury sacharidů se používají 3 druhy strukturních vzorců (Fischerovy lineární, Tollensovy projekční a Haworthovy perspektivní) *Tollens a Haworth ª předpoklad, že aldehydická nebo ketonická skupina reagují s hydroxylovou skupinou na téže molekule  přičemž vzniká hemiacetal resp. hemiketal (cyklické molekuly) *Cyklické molekuly jsou 5-členné nebo 6-členné kyslíkové heterocyklické sloučeniny  lze je považovat za deriváty furanu resp. Pyranu *Při vzniku hemiacetalu (hemiketalu) se na aldehydickém (ketonickém) uhlíku vytvoří další centrum asymetrie (α-forma, β-forma  anomery) * Molekuly monosacharidů mají svoji konformaci: Ø Furanózová forma  rovinný útvar Ø Pyranózová forma  židličková nebo vaničková konformace Triózy Degradace sacharidů *Postupné štěpení uhlíkové kostry + oxidace získaných fragmentů až na CO[2] + H[2]O (uvolní celou volnou energii molekuly) nebo se zastaví u některého ještě energeticky bohatého meziproduktu *Získaná energie se využije na ª endergonické rce Glykolýza * Anaerobní podmínky (svaly ^ mikroorganismy ª kys. mléčná ^ ethanol) â probíhá v cytoplasmě * Je proces degradace glukózy na kys. pyrohroznovou * Z ní se v anaerobních podmínkách tvoří kyselina mléčná (svalová glykolýza) nebo ethanol (alkoholová glykolýza), přičemž se uvolňuje energie * Celý proces lze rozdělit na dvě etapy: • Přeměna výchozích sacharidů (hexózy, pentózy, polysacharidy) na triózy ª tato fáze nemá žádný energetický efekt • Oxidace trióz + akumulace části uvolněné energie * Glykolýzu katalyzuje 11 enzymů, které netvoří komplexy *V celém procesu se uplatňují 3 druhy rcí: Ø Přeměny uhlíkové kostry výchozího sacharidu na uhlíkovou kostru kys. mléčné nebo ethanolu Ø Aktivace anorganického fosfátu + tvorba ATP Ø Dýchací řetězec Mechanismus Ø Vstup glukózy přes buněčnou membránu (spec.trans.syst.) Ø Fosforylace Glukózy pomocí ATP ª Glukóza-6-fosfát (hexokináza) Ø Izomerizace Glukóza-6-fosfát ª Fruktóza-6-fosfát (fosfoglukoizomeráza) Ø Fosforylace Fruktóza-6-fosfát ª Fruktóza-1,6-bisfosfát (fosfofruktokináza) Ø Rozštěpení Fruktóza-1,6-bisfosfátu ª Glyceraldehyd-3-fosfát + dihydroxyacetonfosfát (aldoláza) Ø Vratná přeměna Glyceraldehyd-3-fosfát ª dihydroxyacetonfosfát (triózafosfátizomeráza) *ŽÁDNÁ ZÍSKANÁ ENERGIE ª SPOTŘEBOVÁNO 2 mol ATP Ø Oxidace Glyceraldehyd-3-fosfátu ª kyselina 1,3-bisfosfo glycerová (glyceraldehydfosfátdehydrogenáza + NAD^+) Ø Kyselina 1,3-bisfosfoglycerová ª kys. 3-fosfoglycerová (fosfoglycerátkináza) *Makroergická fosfátová vazba â tvorba ATP (z ADP) Ø Intramolekulové přeskupení: kys. 3-fosfoglycerová ª kys. 2-fosfoglycerová (fosfoglyceromutáza) Ø Dehydratace kys. 2-fosfoglycerové ª kys. Fosfoenolpyrohroznová (enoláza) Ø Přenos Pi z kys. Fosfoenolpyrohroznové ª kys. Pyrohroznová (pyruvátkináza) *Makroergická fosfátová vazba â tvorba ATP (z ADP) Ø Kys. Pyrohroznová se může dále měnit na ethanol nebo kys. Mléčnou *Ethanol: dekarboxylace kys. Pyrohroznové ª acetaldehyd (pyruvátdekarboxyláza + thiaminpyrofosfát) Ø Redukce acetaldehydu ª ethanol (alkoholdehydrogenáza), kde atomy H podkytuje NADH + H^+ vytvořený při oxidaci glyceraldehyd-3-fosfátu *Kys. Mléčná: redukcí kys. Pyrohroznové ª Kys. Mléčná (laktátdehydrogenáza), kde atomy H podkytuje NADH + H^+ vytvořený při oxidaci glyceraldehyd-3-fosfátu ---------------------------------------------------------------------------------------- *Tvorba kys. mléčné je pro organismus výhodná, â lze snadno převést zpět na kys. Pyrohroznovou (glukoneogeneze) *Pouze 3 rce glykolýzy jsou ireverzibilní: Glukóza + ATP ª glukóza-6-fosfát + ADP (hexokináza) Fruktóza-6-fosfát + ATP  fruktóza-1,6-bisfosfát + ADP (fosfofruktokináza) Fosfoenolpyruvát + ADP ª Pyruvát + ATP (pyruvátkináza) *Resyntéza glukózy z kys. pyrohroznové nemůže proběhnout obráceným procesem *Reakce díky své ireverzibilitě mají význam pro regulaci celého procesu *Z energetického hlediska je glykolýza málo účinná: Ø 2 – 3 mol ATP z 1 mol glukózy ª 3 – 5% účinnost oproti spálení až na CO[2] + H[2]O ª 2881 kJ (68 mol ATP) Citrátový cyklus, Krebsův cyklus, cyklus trikarboxylových kyselin, cyklus kyseliny citrónové *Aerobní buňky â úplná oxidace glukózy  CO[2] + H[2]O * Probíhá v mitochondriích (enzymy na vnitřní membráně) *Vyniká postupností oxidace a uvolňování energie Mechanismus Ø Oxidativní dekarboxylace kys. pyrohroznové ª aktivní kys. Octová - acetyl-Co A (multienzymový komplex) Ø Rce acetyl-Co A s kys. Oxaloctovou ª kys. Citronová Ø Izomerizace kys. Citronové ª kys. Izocitronová Ø Oxidace kys. Izocitronové ª kys. Oxaljantarová Ø Oxidační dekarboxylace kys. Oxaljantarová ª kys. α-ketoglutarová Ø Oxidační dekarboxylace kys. α-ketoglutarové ª Sukcinylkoenzym A Ø Dehydrogenace Sukcinylkoenzymu A ª kys. Jantarová Ø Oxidace kys. Jantarové ª kys. Fumarová Ø Hydratace kys. Fumarové ª kys. Jablečná *Oxidace kys. Jablečné ª kys. Oxaloctová â cyklus uzavřen *Při každé otáčce do cyklu vstupuje jedna molekula acetyl Co A, která se v cyklu zoxiduje na CO[2] + H[2]O ve 4 oxidacích (v 3 se jako přenašeč H uplatní NAD^+, v 1 FAD) *Citr. Cyklus patří i mezi amfibolické procesy  jeho meziprodukty jsou prekurzory jiných látek (např. aminokys) *Napojením citr. Cyklu na glykolýzu  úplná degradace např. glukózy, ale lze v něm dokončit degradaci jakéhokoliv jiného substrátu, která lze přeměnit na Acetyl-Co A (karboxykyseliny, aminokyseliny) Pentózový cyklus (hexózamonofosfátový skrat) *Přímá oxidace glukózy ª v buňkách tkání s intenzivním metabolismem (játra, kůra nadledvin, tuková tkáň, mléčné a pohlavní žlázy…) *V játrech až 30 % metabolizované glukózy tímto způsobem Mechanismus Ø D Dehydrogenace glukóza-6-fosfát ª 6-fosfoglukonolakton (glukóza-6-dehydrogenáza + NADP^+ + Mg^2+) Ø Karboxylace 6-fosfoglukonolakton ª kys. 6-fosfoglukonová (glukonolaktonáza + Mg^2+,^ Mn^2+, Co^2+) Ø Dehydrogenace a dekarboxylace kys. 6-fosfoglukonová ª ribulóza-5-fosfát (fosfoglukonátdehydrogenáza + NADP^+ + Mg^2+ - může katalyzovat fixaci CO2 na ribulóza-5-fosfát, čímž umožňuje vstup pentóz do metabolismu hexóz) Ø Izomerizace ribulóza-5-fosfát ª ribóza-5-fosfát + xylulóza-5-fosfát (ribózafosfátizomeráza + ribulózafosfátepimeráza) Ø Ribóza-5-fosfát + Xylulóza-5-fosfát ª sedoheptulóza-7-fosfát + glyceraldehyd-3-fosfát (transketoláza + thiaminpyrofosfát + Mg^2+) Ø Sedoheptulóza-7-fosfát + Glyceraldehyd-3-fosfát ª fruktóza-6-fosfát + erytróza-4-fosfát (transaldoláza) Ø Erytróza-4-fosfát + xylulóza-5-fosfát ª fruktóza-6-fosfát + glyceraldehyd-3-fosfát (transketoláza) Ø Izomerizace Glyceraldehyd-3-fosfátu ª fosfodioxyaceton (triózafosfátizomeráza) Ø Kondenzace fosfodioxyacetonu + glyceraldehyd-3-fosfát ª fruktóza-1,6-bisfosfát Ø Hydrolýza fruktóza-1,6-bisfosfátu ª fruktóza-6-fosfát (hexózabisfosfatáza) Ø Izomerizace fruktóza-6-fosfát ª glukóza-6-fosfát (glukzafosfátizomeráza) *Cyklus uzavřen *V cyklu obíhá 5 molekul glukóza-6-fosfátu a při každé otáčce do něj vstupuje 1 nová molekula glukóza-6-fosfátu, která se v něm celá zoxiduje *Sumární rovnice procesu: 6 glukóza-6-fosfát + 12 NADP^+ + 7H[2]O  5 glukóza-6-fosfát + 6 CO[2] + 12NADPH + H^+ + H[3]PO[4] [ ] *Teor. efekt pentózového cyklu  36 mol ATP/1 mol glukózy (1 H[2] = 3 ATP) â ve skutečnosti úlohou pentózového cyklu není syntéza ATP, ale tvorba NADPH + H^+ na biosyntézy a pentóz na nukleosyntézu *Pentózový cyklus podobně jako glykolýza probíhá v cytoplazmě – oba procesy mají společné některé intermediáty a enzymy  lze je propojovat Glyoxylátový cyklus (cyklus kyseliny glyoxylové) *Probíhá v mikroorganismech a rostlinách (blízký citrátovému cyklu) Mechanismus *Kondenzace Acetyl-Co A + kyselina oxaloctová ª kys. Citronová *Dehydratace kys. Citronové ª kys. Cis-akonitová *Hydratace kys. Cis-akonitové ª kys. Izocitronová *Rozštěpení kys. Izocitronové ª kys. Jantarová + kys. Glyoxylová (izocitratáza) *Kys. Jantarová vstupuje do citrátového cyklu *Kys. Glyoxylová + Acetyl-Co A ª kys. Jablečná (malátsyntetáza) *Oxidace kys. Jablečné ª kys. Oxaloctová *Cyklus uzavřen *Glyoxylátový cyklus má velmi malý energetický efekt *Význam â tvorba meziproduktů důležitých v jiných procesech *Umožňuje propojit do metabolismu sacharidů acetyl-Co A pocházející z oxidace karboxylových kyselin (klíčení rostlin – odbourávání lipidů) *Vyšší živočichové nemají enzymy izocitratázu ani malátsyntetázu  nedisponují glyoxylátovým cyklem Odbourávání Fruktózy *Probíhá nejvíce v játrech (pro ostatní tkáně nevyužitelná) Mechanismus *Fosforylace fruktózy ª fruktóza-1-fosfát (fruktokináza) *Štěpení fruktóza-1-fosfát ª fosfodioxyaceton + glyceraldehyd (aldoláza) *Fosforylace glyceraldehydu ª glyceraldehyd-3-fosfát (triózakináza) *Glyceraldehyd-3-fosfát + Fosfodioxyaceton â vstup do glykolýzy *Inzulin metabolismus fruktózy neovlivňuje ! *V játrech dále dochází k přeměně fruktózy na glukózu Odbourávání galaktózy Mechanismus n Fosforylace galaktózy ª galaktóza-1-fosfát (galaktokináza) n Výměnná rce s UDP-glukózou ª UDP-galaktóza + glukóza-1-fosfát (haxóza-1-fosfáturidyltransferáza) Ø Epimerizace UDP-galaktózy na UDP-glukózu je vratná rce â uplatňuje se při tvorbě galaktózy z glukózy v mléčných žlázách *Přeměna galaktózy na glukózu ª především v játrech *UDP-galaktóza může poskytovat galaktózu při syntéze laktózy, proteoglykanů, glykoproteinů, glykolipidů Biosyntéza a přeměny sacharidů Fotosyntéza Fotosyntéza *Základní způsob tvorby organických látek při kterém se využívá světelná energie – jedna z forem asimilace CO[2]: n CO[2] + 2n H[2]O ª (CH[2]O)[n] + n H[2]O + 2n X kde X může být kyslík, síra nebo může i chybět *Když jako X vystupuje kyslík a n = 6 ª oxyg. fotosyntéza: 6 CO[2] + 12 H[2]O  C[6]H[12]O[6] + 6 H[2]O + 6 O[2] *Fotosyntézou vznikají sacharidy, z kterých se tvoří ostatní organické sloučeniny živé hmoty *Fotosyntetizující organismy přeměňují energii slunečního světla na energii chemickou *Fotosyntetický aparát je uložen v membráně, která tvoří vždy uzavřené prostorové útvary *Mezi vnitřním prostorem těchto útvarů a vnějším prostředím vznikají rozdíly koncentrace iontů a nábojů *Po přijetí světelného kvanta se chlorofyl excituje *Chlorofyl se vrací do základního stavu ª vyzářená energie se využije na přenos elektronu z jedné strany membrány na druhou (proti spádu elektrochemického potenciálu) *Reakční centrum ª elektronová pumpa (energie světla) *Přenos elektronů přes membránu se uskutečňuje dvěma rozdílnými mechanismy: Ø Zdánlivý přenos protonu *Součástí rčního centra jsou přenašeče ^* Na jedné straně membrány odebírají elektron vnějšímu donoru ª do prostředí se uvolní proton H^+ *Na druhé straně membrány odevzdají elektron akceptoru a současně se na něj naváže H^+ z vnitřního prostředí *Přitom donor má pozitivnější oxidačně - redukční potenciál než akceptor *Rozdíl hodnot redoxních potenciálů je částí volné energie , která se uvolnila zachycením energie světelného kvanta *Vznikající rozdíl koncentrace H^+ se využije na tvorbu ATP Ø Skutečný přenos protonu *Elektron z rčního centra se odevzdává membránovému chinonu (spotřebuje se H^+ z prostředí na redukci CH.) *Redukovaný chinon prochází membránou *Na druhé straně se oxiduje – uvolňuje H^+^ do prostředí *Elektron mu však odebírá jiný přenašeč, z kterého se může dostat zpět do rčního centra *Tak dochází k cyklickému transportu elektronu, poháněnému energií světelných kvant *Přitom vzniká i protonový gradient *Skutečný a zdánlivý přenos protonů mohou být spřaženy za sebou, jestliže se chinonový derivát redukuje jedním a oxiduje druhým reakčním centrem Chlorofylová fotosyntéza (oxygenová) *Uskutečňují eukaryotické fotosyntetizující organismy (řasy, mechy, cévnaté vyšší rostliny a sinice) *Probíhá na dvou propojených rčních centrech (vnější donor elektronů H[2]O se oxiduje na O[2]) *Fotosyntetický aparát ª uvnitř tylakoidů ª uvnitř stroma chloroplastů *Rční centrum, v kterém se zachytává světelné kvantum (přeměna světelné energie na chemickou) + přidružené přenašeče elektronů = FOTOSYSTÉM *Fotosyntéza na rozdíl od sumární rce  složitý soubor rcí, rozdělený na 2 podsoubory: Ø Světelná fáze fotosyntézy  probíhá pouze při osvětlení Ø Temnotní fáze fotosyntézy  probíhá nezávisle na osvětlení Světelná fáze fotosyntézy * Během světelné fáze fotosyntézy probíhají 3 základní procesy: • Zachycení fotonů soustavou molekul barviv a jejich excitace • Fotochemická přeměna energie – přenos elektronu z primárního donoru na pimární akceptor (oddělení nábojů) a druhotné přesuny elektronů zprostředkované přenašeči a enzymy, přičemž nastává oxidace vnějšího donoru elektronů (H[2]O) a redukce vnějšího akceptoru elektronů (u eukaryotů NADP^+) • Syntéza ATP na úkor energie, která se uvolňuje při přesunech elektronů (bod b) *Výsledkem těchto procesů je vznik NADPH + H^+ a ATP *Fotosyntetický aparát eukaryotů obsahuje 2 systémy: Fotosystém I Ø Je excitován světelnými kvanty s λ 730 nm ^Ø Po přijetí světelného kvanta z excitovaného chlorofylu elektron nesoucí energii odebere systém přenašečů a přenese jej až na NADP^+, kde spojením s protony H^+ z fotolyzované H[2]O se vytvoří NADPH + H^+ ^ Ø Elektron chybějící chlorofylu fotosystému I poskytuje fotosystém II Fotosystém II Ø Je excitován světelnými kvanty o vlnové délce do 700 nm Ø I zde excitovaný elektron chlorofylu přebírají přenašeče, které jej následně přenesou na fotosystém I Ø Elektronové nenasycení chlorofylu fotosystému II zapříčiňuje fotolýzu H[2]O, při které se uvolňuje O[2], protony H+ a elektrony: 4 H[2]O ª 4 H^+^ + 4 OH^- 4 OH^-  4 (OH•) + 4 e^- 4 (OH•)  2 H[2]O + O[2] Ø Lokalizace jednotlivách systémů přenašečů je taková, aby se při uvedených rcích se oddělovaly náboje na obou stranách membrány tylakoidu Ø vzniká rozdíl elektrochemických potenciálů â hnací síla tvorby ATP Fixace CO[2] (Temnostní fáze fotosyntézy) *Jsou známy 3 způsoby utilizace CO[2] ª rozdělení rostlin: Ø C[3] – středně produktivní (jsou nejprozkoumanější – obilniny, cukrová řepa, některé tropické – rýže, sója bavlník, bambus a většina stromů) Ø C[4] velmi produktivní Ø CAM (Crasslacean acid metabolism, Crassulaceae – čeleď hrubolisté) – málo produktivní Calvinův – Benssonův cyklus – 3 fáze: Ø Karboxylační fáze – specifická pro fotosyntézu Ø Fosforylace Ribulóza-5-fosfátu ª Ribulóza-1,5-bisfosfát, na úkor ATP světelné fáze (fosforibulózakináza) Ø Karboxylace Ribulóza-1,5-bisfosfátu ª 2-karboxy-3-keto-D-arabinitol-1,5-bisfosfát (ribulózabisfosfátkarboxyláza = RuBPkáza = Karboxydismutáza = Rubisco, tento enzym – nejrozšířenější protein na Zemi, v zelených listech 0,1–1 %) Ø Hydrolýza 2-karboxy-3-keto-D-arabinitol-1,5-bisfosfátu ª 2 molekuly kyseliny 3-fosfoglycerové *Redukční fáze – reakce glykolýzy Ø Fosforylace kyseliny 3-fosfoglycerové ª Kys.-1,3-bisfosfoglycerová (fosfoglycerátkináza) Ø Redukce Kys.-1,3-bisfosfoglycerové ª Glyceraldehyd-3-fosfát (NADH + H^+, je produktem světelné fáze fotosyntézy) Ø Izomerizace části glyceraldehyd-3-fosfátu ª Fosfodioxyaceton Ø Kondenzace Glyceraldehyd-3-fosfátu + Fosfodioxyacetonu ª Fruktóza-1,6-bisfosfát Ø Defosfatace Fruktóza-1,6-bisfosfát ª Fruktóza-6-fosfát Ø Izomerizace Fruktóza-6-fosfát ª Glukóza-6-fosfát *Regenerační – reakce pentózového cyklu Ø Glyceraldehyd-3-fosfát + Fruktóza-6-fosfát ª Erytróza-4-fosfát + Xylulóza-5-fosfát (transketoláza) Ø Erytróza-4-fosfát + Fosfodioxyaceton ª Sedoheptulóza-1,7-bisfosfát (aldoláza) Ø Defosfatace Sedoheptulóza-1,7-bisfosfát ª Sedoheptulóza-7-fosfát (fosfatáza) Ø Glyceraldehyd-3-fosfát + Sedoheptulóza-7-fosfát ª Xylulóza-5-fosfát + Ribóza-5-fosfát (transketoláza) Ø Xylulóza-5-fosfát ª Ribulóza-5-fosfát (ribulózafosfátepimeráza) Ø Ribóza-5-fosfát ª Ribulóza-5-fosfát (ribulózafosfátizomeráza) *Cyklus uzavřen *Při utilizaci 1 molekuly CO[2] se spotřebují 2 molekuly NADPH + H^+ a 3 molekuly ATP, jejichž syntéza ve světelné fázi vyžaduje 8 – 12 světelných kvant *Rostliny uskutečňující fixaci CO[2] uvedeným způsobem ª C[3] rostliny â primárním produktem asimilace CO[2] je tříuhlíková kys. 3-fosfoglycerová *70 – 85 % asimilovaného CO[2] se spotřebuje na tvorbu Ribulóza-5-fosfátu *Zbytek na karboxylaci kyselin ª dikarboxylové kyseliny  jsou výchozími látkami na biosyntézu dalších karboxylových kyselin *C[4] rostliny -