Sacharidy (Štruktúra a biologická funkcia) rszághová Zuzana Ústav lekárskej chémie, biochémie a klinickej biochémie Lekárska fakulta Univerzita Komenského Bratislava 2020 Význam zdroj energie glukóza, glykogén, škrob štruktúrna funkcia spojivové tkanivo, membrány nukleové kyseliny rozpoznávacia funkcia cytoplazmové membrány receptory 1
Čajová lyžičkacukru málo aleboveľa??? 3670 kg 100 W 3,35 m 20 min 2
3670 kg 100 W 804 m 1,5 dňa Vlastnosti monosacharidov rozpustné vo vode nerozpustné v organických rozpúšťadlách a lipidoch neelektrolyty vo vode nedisociujú sladká chuť 3
Klasifikácia podľa funkčných skupín Polyhydroxyaldehydy -, - Polyhydroxyketóny -, >= aldehydová skupina Funkčné izoméry keto skupina D-glyceraldehyd Aldóza D-dihydroxyacetón Ketóza 4
Klasifikácia podľa počtu monosacharidových jednotiek MNSAARIDY LIGSAARIDY PLYSAARIDY triózy disacharidy, viac ako 10 tetrózy trisacharidy až monosacharidových pentózy dekasacharidy jednotiek hexózy (2-10 monomérov (glykányheptózy spojených homo, hetero-) októzy glykozidovou nonózy väzbou) triózy tetrózy pentózy hexózy heptózy októzy nonózy Klasifikácia monosacharidov podľa počtu uhlíkov 5
Izoméria sacharidov ptické izoméry (enantioméry) Počet izomérov = 2 n n = počet chirálnych uhlíkov D-glyceraldehyd L-glyceraldehyd 6
ptické izoméry (enantioméry) * * * * ptické izoméry (enantioméry) 6 12 6 * * * * 2 2 2 2 * * * * * * * * L - glukóza D - glukóza L - galaktóza D - galaktóza Rozdiel v pozícii všetkých sekundárnych - skupín Zodpovednosť za D- a L- klasifikáciu => posledný asymetrický uhlík táčajú rovinu polarizovaného svetla o rovnaký uhol, ale na opačnú stranu 7
8
Epiméry rôzne pozície jednej sekundárnej - 2 2 2 2 2 D-glukóza D-manóza D-galaktóza D-ribóza D-arabinóza 2 -epiméry Epiméry rôzne pozície jednej sekundárnej - 2 2 2 2 2 D-glukóza D-manóza D-galaktóza D-ribóza D-arabinóza 4 -epiméry 9
yklické monosacharidy = poloacetály (Reakcia tvorby poloacetálu všeobecne) R - = + R R - aldehyd alkohol R poloacetál yklické monosacharidy = cyklické poloacetály poloacetálový hydroxyl -= -- -- -- -- 2 - - -- -- -- - 2-10
Vyjadrovanie štruktúry monosacharidov poloacetálový hydroxyl 6 1 4 2 3 5 2 6 1 2 3 4 5 2 4 5 6 2 1 3 poloacetálový hydroxyl 2 D glukóza (Fischer) α D glukopyranóza (Tollens) α D glukopyranóza (aworth) 11
Tvorba cyklickej formy D-glukózy a D-fruktózy Enolizácia mechanismus tvorby izomérov 2 2 2 D -glukóza endiol forma D manóza (epimér) 2 2 D fruktóza (funkčný izomér) 12
Významné monosacharidy D Glukóza 2 najrozšírenejšia v prírode hroznový cukor stavebná jednotka maltózy, škrobu, glykogénu, celulózy fyziologická koncentrácia v krvi 3,3-5,5 mmol/l hormonálnareguláciaglykémie (inzulín a glukagón) zdroj energie (hlavne v mozgu a erytrocytoch) 2 D -galaktóza epimér glukózy opačná konfigurácia na -4 viazaná - v laktóze (disacharid) - súčasť glykoproteínov, glykolipidov 13
2 2 D fruktóza ovocný cukor najrozšírenejšia ketóza voľná med viazaná v sacharóze (disacharid) D -ribóza a D -2 -deoxyribóza pentózy stavebné jednotky nukleových kyselín 2 2 2 2 D- ribóza β-d- ribóza D-2-deoxyribóza β-d- 2-deoxyribóza 14
Významné reakcie sacharidov Esterifikácia s kyselinou fosforečnou xidácia Redukcia Tvorba glykozidovej väzby Reakcia s primárnymi amínmi Tvorba esterov s kyselinou fosforečnou R + P R P + 2 alkohol kyselina fosforečná fosforečný ester 15
Tvorba fosforečných esterov sacharidov v organizme kináza R + ATP R P sacharid fosforečný ester + ADP Reakcia vzniku glukóza-6-fosfátu hexokináza glukóza glukóza-6-fosfát 16
Významnéfosforečné estery monosacharidov 2 2-2 P 3 1 P 3 glukóza-1-fosfát (oriho ester) 6 2 fruktóza-6-fosfát (Neubergov ester) 2-6 2 P 3 6 2-2 P 3 2- glukóza-6-fosfát (Robisonov ester) 2-2 P 3 1 fruktóza-1,6-bisfosfát arl Alexander Neuberg (1877-1956) Robert Robison (1883-1941) arl Ferdinand ori (1896-1984) 17
2 2 Amino-deriváty monosacharidov N 2 D-glukózamín (GlcN) 2 N 3 N-acetylglukózamín (GNAc) 2 3 N 2 N k. neuramínová (NA) k. N-acetylneuramínová (NANA) Sialové kyseliny -N 2 substituované: acetyl glykolyl - substituované : acetyl laktyl sulfát fosfát red. +2 2 D-glukóza red. +2 2 * 2 D-glucitol Redukcia (hydrogenácia) monosacharidov 2 2 D-fruktóza red. +2 2 * 2 D-manitol 18
Zvyšujú osmotickýtlak črevného obsahu, ktorý je vyrovnaný prijímaním vody. Tým sa zmäkčí črevný obsah a zväčší jeho objem. Sacharidové alkoholy K bežne používaným sacharidom a sacharidovým alkoholom patria: Laktóza Laktulóza Sorbitol(Sorbit) Manitol Xylitol xidácia glukózy 2 D-glukóza ox. ox. 2 kyselina glukónová ox. ox. kyselina glukurónová kyselina glukárová 19
Vznik kyseliny glukurónovej (oxidácia glukózy) v organizme prešmyk 2 + P P P P 2 N N glukóza-1-p UDP-Glu fosforyláza UTP 2 PP i P P 2 N N UDP-glukóza 20
prešmyk 2 P P 2 UDP-glukóza N N 2 NAD + 2 NAD + 2 + P P 2 N N UDP-glukurónová kyselina Nobelova cena za chémiu 1970 -Luis Leloir za objav sacharidových nukleotidov a ich úlohy v biosyntéze sacharidov". 21
Funkcie kyseliny glukurónovej Detoxikácia aromatických zlúčenín Substrát pre syntézu kyseliny askorbovej Detoxikačná funkcia kyseliny glukurónovej - - R (xenobiotiká, liečivá..) UDP UDP UDP-glukuronát glukuronid R 22
Vylučovanie bilirubínu z organizmu biliverdínreduktáza hemoxygenáza UDPglukuronozyltransferáza diglukuronid bilirubínu- (bilirubín-diglukozidurinát) Kyselina askorbová štruktúra a reakcia tvorby 2 2 kyselina askorbová kyselina dehydroaskorbová + 2-2 -2 D-glukóza k.d-glukurónová k. L-gulónová γ-laktón k. L-askorbová k. L-gulónovej 23
Biologické funkcie kyseliny askorbovej Funkcia kofaktor hydroxyláz prolínhydroxyláza; lyzínhydroxyláza dopamín-β-hydroxyláza reduktant redukčné činidlo pre Fe(III) Fe(II) redukčné činidlo pre u(ii) u(i) redukcia nitrózo-zlúčenín na neaktívne metabolity redukciaorganických radikálov, ktoré vznikajú pri ionizujúcom žiarení lapač radikálov ( 2 -,, R) reakcia s radikálom vitamínu E ( E) Biologický význam biosyntéza kolagénu premena dopamínu na noradrenalín umožnenie resorpcie v črevách prechodné prvky sú v redukovanej forme potrebné v aktívnom mieste hydroxyláz eliminácia karcinogénnych účinkov antioxidačná funkcia antioxidačná funkcia regenerácia vitamínu E Reakcia s primárnymi amínmi R 1 + 2 N R - 2 R 1 N R aldimín R 1 + R 2-2 R 1 N R R 2 ketimín 24
Glykácia proteínov (neenzýmová) 2 D-glukóza + 2 N-proteín 2 N proteín 2-2 Amadoriho prešmyk 2 N ketoamín (fruktózamín, Amadoriho produkt) proteín aldimín (Schiffova zásada) Tvorba glykozidov Sach- + -R Sach- + -N-R - 2-2 Sach--R -glykozid Sach-N-R N-glykozid 25
Tvorba glykozidov R 1 + + R 2 R 2 sacharid R 2 R 1 hologlykozid (oligosacharidy) sacharid s voľnou poloacetálovou - skupinou + R 2 N 2 R 2 N R 1 N - heteroglykozid (väzba dusíkovej zásady a sacharidu v nukleotidoch) nesacharid R 2 R 1 - heteroglykozid (väzba sacharidovej zložky na Tyrzvyšok proteínu v glykokonjugátoch) Významné disacharidy 26
Maltóza ( sladový cukor ) slad, enzýmová hydrolýza škrobu v čreve 2 molekuly glukózy- α-1,4 glykozidová väzba 2 2 1 4 α α 1 4 α-d-glukopyranóza α-d-glukopyranóza MALTÓZA α-maltóza Laktóza( mliečny cukor ) galaktóza a glukóza, β-1,4 glykozidová väzba mlieko: kravské 4-6% materské 6% nižšia sladivosť než sacharóza 2 1 β β-d-galaktopyranóza 4 β 1 4 LAKTÓZA 2 α-d-glukopyranóza 27
Sacharóza ( repný cukor, trstinový cukor ) glukóza a fruktóza, α1-β2 glykozidová väzba konzumácia kryštalická forma 2 1 2 2 α1 β2 2 α-d-glukopyranóza β-d-fruktofuranóza 2 2 1 2 2 Relatívna sladkosť niektorých sacharidov najsladším monosacharidom je fruktóza sacharóza ( potravinársky cukor) -štandard pri udávaní sladkosti. Sladké sú aj cukorné alkoholy. Polysacharidy nie sú sladké. sacharid sladkosť sacharid sladkosť sacharóza 100 (ref.) xylóza 40 fruktóza 173 maltóza 32 invertný cukor 130 galaktóza 32 glukóza 74 rafinóza 23 sorbitol 48 laktóza 16 28
elobióza základná jednotka celulózy 2 molekuly glukózy, β-1,4 glykozidová väzba β-celobióza Polysacharidy omopolysacharidy (jeden typ monoméru) eteropolysacharidy (2 alebo viac typov monomérov) 29
omopolysacharidy Polyglukán (škrob, glykogén) Polygalaktán(agar) Polyfruktán (inulín) Škrob lat. amylum, angl. starch, gréc. amylo zásobný rastlinný polysacharid hlavný zdroj energie jednotky - D-glukózy vo vode pri vyššej teplote koloidný roztok rôzne počty monosacharidových podjednotiek 30
Štruktúra škrobu Amylóza Amylopektín Zastúpenie v škrobe 20-30 % 70-80 % Typ glykozidových väzieb α-1,4 väzby α-1,4 + α-1,6 väzby Štruktúra lineárna (helix) rozvetvená Rozpustnosť vo vode áno nie Produktyštiepenie amylázou maltóza maltóza a dextríny Amylóza 2 1 4 α 2 1 4 α 2 1 α 4 2 31
Amylóza Amylopektín 2 2 1 4 α α 1 4 2 1 α 2 1 4 α 2 1 α 4 6 2 32
Amylopektín Glykogén zásobný živočíšny polysacharid podobný amylopektínu v škrobe, ale viac vetvený α-1,4 + α-1,6 väzby výskyt v potrave je nízky (pečeň, konské mäso) 33
Štruktúraglykogénu Vetvenieglykogénu v čom výhodné?? 34
Glykogén v ľudskom organizme pečeň cca 4-6 % hmotnosti pečene zdroj glukózy precelý organizmus vyčerpanieza 12 18 hodín hladovania sval cca 1 % hmotnosti svalu zdroj glukózy iba presval zásoby na dlhší čas Rozdiely v enzýmovej degradácii Škrob Glykogén Pôvod exogénny endogénny Degradačný enzým amyláza, maltáza (črevo) fosforyláza (pečeň, sval) Typ reakcie hydrolýza fosforolýza Produkt glukóza glukóza-1-fosfát 35
Metabolizmus glykogénu (syntéza a štiepenie) potrebná energia hexokináza ATP glukóza ADP glukóza-6-fosfát fosfoglukomutáza glukóza-6-p-fosfatáza UTP glukóza-1-fosfát UDP-glukóza glykogénsyntáza GLYKGÉN P i glykogénfosforyláza Metabolizmus glykogénu (syntéza a štiepenie) potrebná energia hexokináza ATP glukóza ADP glukóza-6-fosfát fosfoglukomutáza glukóza-6-p-fosfatáza SVAL glykolýza UTP glukóza-1-fosfát UDP-glukóza glykogénsyntáza GLYKGÉN P i glykogénfosforyláza 36
Nobelova cena za fyziológiu a medicínu v roku 1947 bola rozdelená: 1. arl Ferdinand ori a GertyTheresa ori "za objav priebehu katalytickej konverzie glykogénu" 2. Bernardo Alberto oussay "za objav účasti hormónu predného laloku hypofýzy v metabolizme sacharidov". elulóza najrozšírenejší rastlinný polysacharid jednotka = D-glukóza β-1, 1,4 glykozidové väzby lineárne, paralelné reťazce, stabilizované vodíkovými väzbami = dôsledkom je pevnosť a nerozpustnosť vo vode 37
elulóza ovocie, zelenina a obilniny elulóza v potrave vláknina -pre človeka nestráviteľná, keďže tráviace enzýmy človeka nie sú schopné štiepiť β-glykozidovú väzbu význam vlákniny -podporuje pohyb (peristaltiku) čriev a vyprázdňovanie čriev nevstrebáva sa a neprináša žiadny energetický zisk prežúvavci dokážu štiepiť celulózu pomocou baktérií v tráviacom trakte 38
elulóza Škrob Amylóza Amylopektín Glykogén Zdroj rastliny rastliny rastliny živočíšny Stav. jednotky β-glukóza α-glukóza α-glukóza α-glukóza Väzby 1-4 1-4 1-4 a 1-6 1-4 a 1-6 Vetvenie nie nie áno áno Štruktúra Tvar molekuly ETERPLYSAARIDY (heteroglykány) (derivsach--derivsach) n 39
ETERPLYSAARIDY zložené z viac druhov monosacharidov(derivátov derivátov) glykózaminoglykány(mukopolysacharidy, súčasť spojiva) výrazne kyslé(-, -S 3 ) lineárne polyméry vláknina potravy sacharidová zložka glykoproteínov Príklady derivátov monosacharidov prítomných v heteropolysacharidoch kyslý sacharid (urónová kyselina ) N-acetylovaný aminosacharid glukózamín acetylová skupina kyselina D-glukurónová kyselina L-idurónová 40
Kyselina hyalurónová- hlavný GAG (základný disacharid) 2 β 1 3 N 3 kyselina D-glukurónová N-acetylglukózamín β(1-3) glykozidová väzba n Kyselina hyalurónová(k) 1934 -Karl Meyer, John Palmer izolácia K zo sklovca kozy názov odvodený z gréckeho slova hyalos = sklo a urónového sacharidu 1942 -EndreA. Balász extrakcia a purifikácia K z kohútích hrebeňov. V 60. rokoch - objavil, že znižuje bolesť spôsobenú artritídou. 41
synoviálnatekutina, chrupavka odolnosť chrupavky voči tlaku koža ochrana pred UVB lúčmi, udržuje vlhkosť sklovecoka Kyselina hyalurónová (K) EM spojivového tkaniva v zuboch antimikrobiálnyúčinok, zvlhčenie tkanív ďasien, ochranný film na sliznici a ďasnách cca 15 g v ľudskom organizme denný obrat -30% -syntéza v plazmatickej membráne (hyaluronansyntetázy AS1, AS2 a AS3) Vedeli ste, že... zhruba 50 %kyseliny hyalurónovejvo vašom tele sa nachádza v koži a keď dosiahnete 50 rokov, môže sa zásoba kyseliny hyalurónovej znížiť o 50 %?... kyselina hyalurónováje vysoko "konzervovaná" molekula, čo znamená, že jej genetické zloženie je takmer presne rovnaké u 97% živočíšnych druhov- vrátane človeka?... kyselina hyalurónováje molekula, ktorá miluje vodu? Jedna molekula kyseliny hyalurónovej môže viazať vodu v množstve až 1000-násobku svojej hmotnosti (???) 42
Mladšia pokožka Staršia pokožka hlboké vrásky hyaluronan a voda elastín kolagén oxytalan fibroblast kapilára eparín 1916 náhodný objav Jay McLean (druhák medik) + jeho profesor William owell hepar = pečeň (izolácia z pečene psa) 43
eparín (kys. D-glukurónová + N-acetyl-D-glukózamín; kys. D-glukurónová + N-sulfo-D-glukózamín...atď) antiagregačnéčinidlo činidlo v krvi in vivo+ in vitro pripravený zo živočíšnych orgánov prevencia a liečbatrombózy, po IM, počaschirurgických zákrokov, atď. = antitrombotický účinok príprava nekoagulovanejkrvi krvi pre laboratórne použitie a transfúziu = antikoagulant Glykokonjugáty sacharidová časť a nesacharidová časť Sacharid + R glykokonjugáty 44
Glykokonjugáty Glykolipidy(sacharidová časť + sfingozín/dag) Proteoglykány(sacharidová časť + proteín) Glykoproteíny(sacharidová časť + proteín) Proteoglykány obsahujú cca 95% sacharidového podielu D-konformáciamonomérovsacharidov (niektoré výnimkyk.l-idurónová, L-arabinóza,...) vysoké množstvá viazanej 2 S 4 polyaniónovýcharakter vysoká viskozita biologický lubrikant vysoká elasticita vplyv vody a iónovej rovnováhy stabilizujúca a podporná funkcia 45
Proteoglykány chondroitínsulfát Proteoglykán keratansulfát väzobný (spájací) proteín kostra z hyalurónovej kyseliny väzobný (spájací) proteín kostra z hyalurónovej kyseliny core proteín 46
Význam proteoglykánov súčasť spojivových tkanív (kosti, chrupavka, koža, rohovka, žily) absobujú vodu -gél (zodpovedné sú sulfátové skupiny a glukurónová kyselina) chrupavka kolagén vyplnený proteoglykánmi, stabilita voči tlaku proteoglykán pripojený monomér väzobný proteín monomér kolagénové vlákno kyselina hyalurónová 47
Rozdiely medzi glykoproteínmia proteoglykánmi Glykoproteíny Proteoglykány sacharidový reťazec krátky (2-10 jednotiek) dlhý hetero polysacharid disacharidy neopakujú sa opakujú sa negatívny náboj reťazca môže a nemusí byť áno sacharidové zastúpenie variabilné (4-85 %) viac ako 95 % ochorenia spojené s poruchou metabolizmu oligosacharidózy mukopolysacharidózy Glykoproteíny 48
Glykoproteíny glykoproteíny krvnej plazmy - proteíny s rôznou funkciou - napr. ceruloplazmín, plazminogén, protrombínalebo imunoglobíny+ niektoré sú súčasťou membránových receptorov alebo majú funkciu hormónov glykoproteíny mucínového typu - napr. v mukóznej tekutine z epitelových buniek (sacharidová časť = sialové kyseliny - kyselina neuramínová, N-acetylneuramínová) Glykoproteíny -glykozidová väzba N-glykozidová väzba 49
Glykoproteíny Funkcie oligosacharidového reťazca : zvyšujepolarituproteínu vplývanarozpustnosťa elektrickýnáboj mározpoznávaciufunkciu-receptory prispievak stabilizáciištruktúry podieľasanaochranepredproteolýzou vplývanabiologickýpolčasproteínu Receptor pre LDL 50
Biologická membrána Sacharidy a tvorba zubného kazu 51
Sacharidy a tvorba zubného kazu SAARID plus BAKTÉRIA (z plaku) tvorí KYSELINU KYSELINA plus ZDRAVÝ ZUB tvorí ZUBNÝ KAZ Sacharidy a tvorba zubného kazu Znižovanie kariogenicity Disacharidy Deštruktívne sacharóza maltóza laktóza Monosacharidy glukóza fruktóza galaktóza Polysacharidy ukorné alkoholy škrob - konvertuje sa na maltózu slinnou amylázou sorbitol manitol xylitol protektívny 52