Milada Teplá
KUDCH, PřF UK v Praze
email: milada.tepla@natur.cuni.cz
Biochemie - základní kapitoly
Buňka - úvod
Nukleové kyseliny a proteosyntéza
Přírodní látky
Trávení
Metabolismus
- Základní pojmy
- Metabolismus sacharidů
- Metabolismus triacylglycerolů
- Metabolismus bílkovin
- Citrátový cyklus
- Vztahy mezi metabolismy
- Lokalizace pochodů v buňce
- Dýchací řetězec
- Fotosyntéza
- Photosynthesis
- Electron Transport Chain
- Výukové materiály
Další informace
Přírodní látky: Sacharidy
Kapitoly:
1. Z čeho se skládají sacharidy a jaká je jejich funkce?
2. Jakou strukturu mají monosacharidy a jak je rozlišujeme?
3. V jaké formě se běžně sacharidy vyskytují?
4. Jak vznikají oligosacharidy?
5. Jak podle chemických vlastností rozdělujeme disacharidy?
6. Co jsou polysacharidy?
7. Které enzymy se podílejí na trávení sacharidů?
1. Z čeho se skládají sacharidy a jaká je jejich funkce?
Sacharidy jsou sloučeniny složené pouze z atomů uhlíku, vodíku a kyslíku takovým způsobem, že společný sumární vzorec pro všechny sacharidy je (CH2O)n, kde n ≥ 3.
Základní stavební složky sacharidů se nazývají monosacharidové jednotky a podle jejich počtu dělíme sacharidy na monosacharidy (1 monosacharidová jednotka), disacharidy (2 monosacharidové jednotky), oligosacharidy (méně než 10 monosacharidových jednotek) a polysacharidy (více než 10 monosacharidových jednotek).
Ve vodě rozpustné monosacharidy, disacharidy a některé oligosacharidy díky sladké chuti označujeme jako cukry.
Sacharidy slouží především jako zdroj energie, podílí se však i na struktuře mnoha složitějších látek.
2. Jakou strukturu mají monosacharidy a jak je rozlišujeme?
Podle počtu uhlíkatých atomů rozdělujeme monosacharidy na triosy (3C), tetrosy (4C), pentosy (5C), hexosy (6C) a heptosy (7C).
Podle orientace -OH skupiny na posledním stereogenním uhlíku ve Fischerově projekci rozlišujeme cukry na L-cukry a D-cukry. L-cukry ji mají orientovanou doleva, D-cukry doprava. V přírodě cukry D-řady značně převažují. L-cukry stáčí paprsky polarizovaného světla doleva, D-cukry doprava. Ovšem je zapotřebí si uvědomit, že L- a D- značení nesouvisí se stáčenlivostí polarizovaného světla (k tomu používáme stereodeskriptory + (stáčí polarizované světlo doprava) a - (stáčí polarizované světlo doleva)). (viz též animace Prostorové uspořádání glyceraldehydu).
Obr. 1: Prostorové uspořádání glyceraldehydu.
Monosacharidy dále rozdělujeme na aldosy a ketosy. Aldosy (např. glyceraldehyd) ve své struktuře obsahují aldehydovou skupinu, ketosy (např. dihydroxyaceton) obsahují ketonovou skupinu.
Obr. 2: Aldosy a ketosy.
Nejznámější a nejvýznamnější pentosy jsou D-ribosa a 2-deoxy-D-ribosa, které jsou nedílnou součástí DNA a RNA (viz Nukleové kyseliny a též animace Stavební jednotky nukleových kyselin).
Obr. 3: Fischerova projekce D-ribosy a 2-deoxy-D-ribosy.
Mezi hexosy patří např. glukosa a fruktosa. D-glukosa (hroznový cukr) je nejrozšířenější monosacharid. Poruchy řízení hladiny koncentrace D-glukosy v krvi se projeví jako nemoc diabetes mellitus. Rozklad D-glukosy (tzv. glykolýza – viz Metabolismus sacharidů) je jedním z hlavních zdrojů energie. D-fruktosa (ovocný cukr) je druhý nejrozšířenější monosacharid v přírodě. Nachází se např. v ovoci a medu.
Obr. 4: Fischerova projekce D-glukosy a D-fruktosy.
Fischerova projekce - tvorba vzorce: animace, https://youtu.be/4SpfZlA5mvk
3. V jaké formě se běžně sacharidy vyskytují?
Díky přítomnosti velmi reaktivní karbonylové skupiny a zároveň hydroxylové skupiny v molekule monosacharidů může proběhnout intramolekulární adice za vzniku hemiacetalu.
Viz animace: Cyklizace glukosy (animace, https://youtu.be/0poTdhyMTqI).
Nově vzniklá hydroxylová skupina se nazývá poloacetalový hydroxyl. Uhlíkový atom karbonylové skupiny u cyklické formy se stává novým stereogenním centrem. Můžeme tedy rozlišovat dva optické isomery tzv. anomery. Směřuje-li poloacetalový hydroxyl na stejnou stranu (nad či pod rovinu kruhu v Haworthových vzorcích) jako skupina –CH2OH (tj. skupina určující jedná-li se o D- či L- konfiguraci), jedná se o β-anomer. U α-anomerů je jejich orientace vzhledem k rovině kruhu opačná. Poté u D-monosacharidů poloacetalový hydroxyl v Haworthových vzorcích u β-anomerů směřuje nahoru, u α-anomerů směřuje dolů (u L-monosacharidů je tomu naopak).(citace Voet 2006)
Viz animace tvorba alfa/beta glukosy animace, https://youtu.be/FVloF5S94m8
V případě D-glukosy aldehydová skupina na prvním uhlíku může reagovat s hydroxylovou skupinou na pátém uhlíku. Výsledný cyklus se nazývá pyranosový (cyklus si lze představit jako derivát pyranu). V případě D-fruktosy ketoskupina na druhém uhlíku může reagovat s hydroxylovou skupinou na pátém uhlíku. Výsledný cyklus se nazývá furanosový (cyklus si lze představit jako derivát furanu).
Obr. 5: Vzorec molekuly pyranu a furanu.
Obr. 6: Tollensovy a Haworthovy vzorce vybraných monosacharidů - glukosy a fruktosy.
Obr. 7: Odvození cyklických forem u D-glukosy a L-glukosy.
4. Jak vznikají oligosacharidy?
Poloacetalový hydroxyl může reagovat s další hydroxylovou skupinou či aminoskupinou za vzniku O- nebo N-glykosidové vazby. Monosacharidy se mohou spojovat tak, že poloacetalový hydroxyl reaguje s hydroxylovou skupinou dalšího monosacharidu za současného odštěpení molekuly vody. Takto postupně vznikají nejen všechny oligosacharidy ale i polysacharidy.
Pokud vzniká glykosidová vazba reakcí poloacetálového hydroxylu s další hydroxylovou skupinou, vzniklá vazba se nazývá O-glykosidová vazba. Pokud vzniká glykosidová vazba reakcí mezi sacharidem a aminoskupinou, nazývá se N-glykosidová vazba.
5. Jak podle chemických vlastností rozdělujeme disacharidy?
Disacharidy rozdělujeme podle toho, zda mohou být dále oxidovány, na redukující a neredukující.
Mezi redukující disacharidy patří např. maltosa a laktosa. Oba disacharidy mají ve své struktuře volný poloacetalový hydroxyl. Neredukujícím disacharidem je např. sacharosa, která vznikla spojením dvou poloacetalových hydroxylů (viz animace Disacharidy).
Sacharosa (řepný cukr) vzniká spojením glukosy a fruktosy za vzniku glykosidové vazby mezi prvním uhlíkem glukosy a druhým uhlíkem fruktosy.
Obr. 8: Vznik disacharidu sacharosy z jeho podjednotek.
Maltosa (sladový cukr) vzniká spojením dvou glukos za vzniku glykosidové vazby mezi prvním uhlíkem jedné glukosy a čtvrtým uhlíkem druhé glukosy.
Obr. 9: Vznik disacharidu Maltosy z jeho podjednotek.
Laktosa (mléčný cukr) vzniká spojením glukosy a galaktosy za vzniku glykosidové vazby mezi prvním uhlíkem galaktosy a čtvrtým uhlíkem glukosy.
Obr. 10: Vznik disacharidu Laktosy z jeho podjednotek.
6. Co jsou polysacharidy?
Polysacharidy jsou přírodní látky, které vznikly spojením alespoň deseti monosacharidových jednotek. Polysacharidy jsou nejrozšířenějšími sacharidy v přírodě. Mezi nejvýznamnější polysacharidy patří škrob, glykogen a celulosa.
Obr. 11: Schéma nejvýznamnějších sacharidů.
Škrob je zásobní polysacharid rostlin složený z α-D-glukosových jednotek. Vyskytuje se ve dvou formách, v amylose a v amylopektinu. Amylosa má nerozvětvený řetězec a v roztoku jodu má modré zabarvení. Amylopektin má rozvětvený řetězec a v roztoku jodu má červenofialové zabarvení. K větvení řetězce dochází vytvářením glykosidových vazeb mezi prvním uhlíkem jedné glukosy a šestým uhlíkem druhé glukosy.
Obr. 12: Amylosa a amylopektin.
Glykogen je zásobní polysacharid živočichů. Je rezervní látkou uloženou především v játrech a ve svalech. Má větvenou strukturu. Je opět složený z α-D-glukosových jednotek.
Celulosa je stavební polysacharid rostlin. Podílí se na výstavbě buněčných stěn mikroorganismů. Celulosa je pro nás nestravitelná, ale přesto má v naší potravě velmi významné místo jako složka vlákniny(viz kap. 3.1). Je složená z β-D-glukosových jednotek.
Obr. 13: Celulosa.
7. Které enzymy se podílejí na trávení sacharidů?
Odbourávání oligosacharidů je založeno na hydrolytickém štěpení glykosidové vazby. K tomuto štěpení dochází již v ústech, kde se vyskytuje enzym α-amylasa, který štěpí amylosu. Štěpení maltosy na glukosu uskutečňuje enzym maltasa. Sacharosu štěpí enzym sacharasa. Sacharidy jsou převážně tráveny ve střevech. Glukosa a ostatní monosacharidy jsou vstřebávány do krevního řečiště a dále využívány (např. k syntéze glykogenu).
Obr. 14: Schéma trávení sacharidů.