WĘGLOWODANY WŁAŚCIWOŚCI I METABOLIZM

Transkrypt

1 WĘGLOWODANY WŁAŚCIWOŚCI I METABOLIZM

2 RÓŻNE OBLICZA CUKRÓW.. Cukier jest słodki i sprawia nam wiele przyjemności, tymczasem... Jest postrzegany jako jedna z najważniejszych przyczyn plagi, jaka zalała świat, czyli nadwagi i otyłości. O tym problemie dyskutuje się pod każdą szerokością geograficzną. Warto zadać pytanie, jaką rolę w tym wszystkim odgrywają węglowodany. 2

3 CO ROZUMIEMY POD POJĘCIEM CUKIER? Cukier stołowy inaczej sacharoza; otrzymywany z buraków lub trzciny cukrowej, wykorzystywany do słodzenia produktów (np. herbaty, ciast)

4 TYMCZASEM CUKRY TO Węglowodany, czyli składniki pokarmowe, które powinny stanowić główne źródło energii w diecie człowieka; 1 g węglowodanów dostarcza 4 kcal energii (to mniej niż tłuszcze 1 g = 9 kcal ); Zgodnie z zaleceniami żywieniowymi, co najmniej połowa dostarczanej energii powinna pochodzić z węglowodanów, w większości z węglowodanów złożonych.

5 JAK POWSTAJĄ CUKRY? W przyrodzie powstają głównie w wyniku fotosyntezy przeprowadzanej przez rośliny. Stanowią ok. 80% suchej masy roślin i jedynie ok. 1% suchej masy zwierząt.

6 WĘGLOWODANY Węglowodany (inaczej cukry lub sacharydy) to organiczne połączenie węgla, wodoru i tlenu, przy czym stosunek wodoru do tlenu jest taki, jak w wodzie stąd nazwa Cn (2O)n. (glukoza C612O6).

7 PODZIAŁ WĘGLOWODANÓW

8 MONOSACARYDY NOMENKLATURA Monosacharydy zawierają od 3 do 7 atomów węgla w cząsteczce. 3C TRIOZY MONOSACARYDY 5C PENTOZY 6C EKSOZY

9 MONOSACARYDY NOMENKLATURA TRIOZY aldehyd glicerynowy dihydroksyaceton

10 MONOSACARYDY NOMENKLATURA PENTOZY ryboza deoksyryboza

11 MONOSACARYDY NOMENKLATURA EKSOZY glukoza fruktoza galaktoza

12 GLUKOZA D-GLUKOZA α-dglukopiranoza β-dglukopiranoza

13 WŁAŚCIWOŚCI GLUKOZY - Słodka, krystaliczna i bardzo dobrze rozpuszczalna w wodzie - Ulega fermentacji alkoholowej - Daje pozytywne wyniki w próbie Trommera i w próbie Tollensa (wykazuje własności redukujące wynikające z obecności grupy CO )

14 WŁAŚCIWOŚCI GLUKOZY - Inne łagodne utleniacze utleniają glukozę analogiczniej (np. woda bromowa) - Silny ulteniacz (np. NO3 ) utlenia glukozę do kwasu glukarowego) - Tworzy estry (np. z 3PO4)

15 WŁAŚCIWOŚCI GLUKOZY - Ulega redukcji wodorem w obecności katalizatora palladowego

16 FRUKTOZA FRUKTOZA Zwana także cukrem owocowym, w stanie wolnym występuje w wielu owocach (łac. Fructus owoc) oraz w miodzie. W stanie związanym występuje np. w cukrze buraczanym i niektórych wielocukrach. Jest to substancja bezbarwna, znacznie słodsza od glukozy i bardzo dobrze rozpuszczalna w wodzie. α-d-fruktoza β-d-fruktoza

17 IZOMERIA ENANTIOMER (D i L) OPTICAL ISOMER ANOMER ( i ) EPIMER (mannoza i glukoza) ALDOSE-KETOSE ISOMER

18 Każdy z cukrów prostych ma kilka grup hydroksylowych (-O) i dodatkowo grupę: - Aldehydową (-CO) - nazywamy aldozami - Ketonową (-CO) - nazywamy ketozami

19 MONOSACARYDY substancje bezbarwne, bezwonne przeważnie odznaczają się słodkim smakiem bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie wykazują aktywność osmotyczną odczyn obojętny

20 W roztworach wodnych cząsteczki niektórych monosacharydów tworzą pierścienie. Między grupą aldehydową lub ketonową a jedną z grup hydroksylowych tworzy się mostek tlenowy, powodujący zamknięcie cząsteczki.

21 WYSTĘPOWANIE I ZNACZENIE RYBOZA DEOKSYRYBOZA GLUKOZA FRUKTOZA

22 OLIGOSACARYDY Powstają przez połączenie od 2 do 10 cząsteczek cukrów prostych wiązaniem O- glikozydowym. Łącząc się z białkami lub lipidami tworzą związki wchodzące w skład błon komórkowych. Determinują grupy krwi, odgrywają rolę przy rozpoznawaniu się komórek.

23 disacharydy To produkty kondensacji dwóch cząsteczek cukrów prostych. Przykłady: Sacharoza= glukoza + fruktoza Laktoza = glukoza + galaktoza Maltoza = glukoza + glukoza

24 POLISACARYDY To związki zbudowane z dużej liczby monosacharydów połączonych wiązaniami Oglikozydowymi. Mogą tworzyć łańcuchy proste lub rozgałęzione. Wielocukry są nierozpuszczalne w wodzie dzięki temu mogą pełnić w organizmie funkcję zapasową lub budulcową. POLISACARYDY ZAPASOWE BUDULCOWE SKROBIA CELULOZA GLIKOGEN CITYNA

25 SKROBIA AMYLOZA reszt glukozowych Mostki tlenowe zwrócone w tę samą stronę Tworzy spiralnie zwinięty łańcuch + AMYLOPEKTYNA Ponad 600 cząsteczek glukozy Łańcuch posiada liczne odgałęzienia boczne

26 SKROBIA

27 GLIKOGEN Budowa chemiczna podobna do budowy amylopektyny. Tworzy go od 500 do reszt glukozy.

28 GLIKOGEN W WĄTROBIE Glukagon Insulina

29

30

31

32 CELULOZA Cząsteczka utworzona z kilkuset do kilkutysięcy reszt glukozowych połączonych w długie, nierozgałęzione, równoległe do siebie łańcuchy. Sąsiadujące ze sobą cząsteczki glukozy są zwrócone mostkami tlenowymi raz w jedną, raz w drugą stronę odporność na rozciąganie.

33 CELULOZA

34 CITYNA Monomerem chityny jest glukozamina, której cząsteczka różni się od glukozy tym, że przy drugim atomie węgla zamiast grupy O znajduje się grupa aminowa N2 N2

35 WYSTĘPOWANIE I ZNACZENIE SKROBIA GLIKOGEN

36 WYSTĘPOWANIE I ZNACZENIE CELULOZA CITYNA

37 Przemiany monosacharydów

38 Glukozydazy Dzięki łączeniu się ze sobą cząsteczek cukrów prostych za pomocą tzw. wiązania glikozydowego powstają bardziej złożone cząsteczki: dwucukry i wielocukry. Wiązana te podlegają rozkładowi przez enzymy amylolityczne (glukozydazy). Należą do nich: - amylazy - maltazy - sacharazy - laktazy

39 Trawienie węglowodanów Trawienie węglowodanów rozpoczyna się w jamie ustnej. Ślina zawiera enzym trawiący wielocukry (np. skrobię) amylazę ślinową (ptialina), która rozkłada skrobię (wielocukier) na krótsze fragmenty z odłączeniem maltozy (dwucukru). Proces trawienia trwa do inaktywacji amylazy ślinowej w niskim p. Węglowodany nie są trawione w żołądku!!! Cukier prosty

40 Trawienie węglowodanów W jelicie cienkim następuje dalszy proces trawienia cukrów. Nie strawione wielocukry i krótkie łańcuchy wielocukrów (1) są rozkładane przy udziale amylazy trzustki (2) do maltozy (3). Wszystkie dwucukry (maltoza, laktoza, sacharoza) (3) znajdujące się w dwunastnicy zostają rozłożone przez odpowiednie enzymy jelita cienkiego (4) na cukry proste (glukoza, fruktoza, galaktoza) (5). I tak enzym maltaza rozszczepia maltozę na dwie cząsteczki glukozy, enzym sacharaza- rozkłada sacharozę na glukozę i fruktozę, a enzym laktaza- rozkłada laktozę na glukozę i galaktozę.

41 TRAWIENIE DISACARYDÓW

42 TRANSPORT GLUKOZY Z JELITA DO KRWI Enterocy t SGLT1 - sodium-glucose linked transporter1 Te przenośniki nie są GLUT2 glucose transporter 2 regulowane przez insulinę GLUT5 fructose/glucose transporter 5

43 TRANSPORT GLUKOZY Z KRWI DO KOMÓREK GLUT4 - Glucose transporter type 4

44 GLIKOLIZA (szlak Embdena Meyerhofa - Parnasa) - proces enzymatycznego rozkładu cukrów do kwasu pirogronowego, którego celem jest pozyskanie energii pod postacią NAD i adenozyno-5'-trifosforanu. Substratami dla procesu mogą być: glukoza, fruktoza, mannoza, galaktoza i glicerol. Proces glikolizy może zachodzić zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych, uważa się jednak, że glikoliza jest najstarszym ewolucyjnie procesem pozyskiwania energii z cukru; prawdopodobnie wykształcił się on jeszcze wtedy, gdy w atmosferze ziemskiej nie było tlenu. Enzymy glikolityczne można znaleźć zarówno u bakterii jak i u eukariotów. Jest to beztlenowy proces przemiany - (fermentacja)-głównie glukozy zachodzący w komórkach zwierząt i dostarczający energii w postaci ATP. To skomplikowany proces chemiczny w którym uczestniczy 11 enzymów.

45 W pierwszym etapie następuje fosforylacja (kosztem ATP) różnych sacharydów: heksoz, glikogenu, skrobi i ich rozkład z wytworzeniem aldehydu-3-fosfoglicerynowego. W drugim etapie zachodzą reakcje oksydo-redukcyjne (z udziałem dinukleotydu nikotynamidoadeninowego NAD) dostarczające energii, która jest częściowo magazynowana w cząsteczkach powstającego ATP oraz następuje wytworzenie kwasu pirogronowego. Przebieg I i II etapu glikolizy jest identyczny jak w fermentacji alkoholowej. Powstały kwas pirogronowy może ulegać różnym przemianom. W warunkach beztlenowych, np. podczas pracy mięśni, gdy następuje spadek stężenia tlenu w tkankach, zachodzi trzeci etap glikolizy: kwas pirogronowy ulega redukcji (przy udziale NAD) do kwasu mlekowego. NAD utleniony ponownie do NAD+ może ponownie brać udział w przemianie następnej cząstki heksozy w drugim etapie glikolizy.

46

47 CO O O O Glukoza O O O O O O O C2O + ATP + ATP Etap 1: fosforylacja glukozy enzym: heksokinaza CO O 2 OPO3 O O O C2OPO3 O Glukozo-6-fosforan O O 2- + ADP + + O O + ADP + +

48 CO O Etap 2: O O izomeryzacja glukozy do fruktozy 2 OPO3 O O Glukozo-6-fosforan O O C2OPO3 2- O O Enzym: izomeraza glukozofosforanowa C2O O O O O C2OPO3-2 O3PO2C Fruktozo-6-fosforan 2- C2O O O O

49 C2O -2 O O Etap 3: O O C2O Fruktozo-6-fosforan C2OPO3 Druga fosforylacja fruktozy O3PO2C O O 2- + ATP Enzym: fosfofruktokinaza C2OPO3 2O O O O -2 O3PO2C O Fruktozo-1,6-difosforan C2OPO3 2- C2OPO3 2O O

50 C2OPO3 2O O Etap 4: Rozpad na 2 fragmenty trójwęglowe; O O -2 O3PO2C O Fruktozo-1,6-difosforan C2OPO3 2- C2OPO3 2O O Rozszczepienie wi¹ zania miêdzy 3-4 atomem wêgla C2O C O C2OPO3 2fosfodihydroksyaceton O C C O C2OPO3 2aldehyd 3-fosfoglicerynowy

51 Etap 5: Fragmenty trójwęglowe izomeryzują C2O C Izomeraza triozofosforanowa O C2OPO3 2fosfodihydroksyaceton O C C O C2OPO3 2aldehyd 3-fosfoglicerynowy

52 O C C C2OPO3 2- Etap 6: Odwodornienie i fosforylacja trójwęglowego fragmentu O aldehyd 3-fosfoglicerynowy NAD+ + Pi dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego NAD + + OPO3 2- O C C O C2OPO3 21,3-difosfoglicerynian

53 OPO3 2- O C Etap 7: Utworzenie ATP Z ADP odzysk energii. C O C2OPO3 21,3-difosfoglicerynian ADP kinaza fosfoglicerynianowa ATP O- O C C O C2OPO3 23-fosfoglicerynian

54 O- O C Etap 8: Izomeryzacja C O C2OPO3 23-fosfoglicerynian fosfogliceromutaza O- O C C OPO3 2- C2O 2-fosfoglicerynian

55 O- O C C OPO3 2-2-fosfoglicerynian C2O Etap 9: Odszczepienie cząsteczki wody enolaza O- O C C OPO3 2- fosfoenolopirogronian C

56 O- O Etap 10: C Znów odzysk energii powstaje ATP z ADP C OPO3 2- fosfoenolopirogronian C ADP kinaza pirogronianowa ATP O- O C C O C3 pirogronian

57

58 Bilans energetyczny glikolizy Reakcja Glukoza Przemiana ADP glukozo-6-fosforan Fruktozo-6-fosforan -1 fruktozo-1,6-difosforan -1 2 cząsteczki 1,3-difosfoglicerynianu 2 cząsteczki 3-fosfogliceraynianu +2 2 cząsteczki fosfoenolopirogronianu 2 cząsteczki pirogronianu +2 NETTO +2 ATP

59 REGULACJA GLIKOLIZY

60

61 Pirogronian (C3) może być dalej przekształcany w etanol (C2) (drożdze), mleczan (w mięśniach w warunkach niedoboru tlenu) lub acetylokoenzym A (C2), który bierze następnie udział w cyklu kwasu cytrynowego (kwasów trójkarboksylowych) i tam ostatnie wiązanie węgiel węgiel pęka, a wydzielona energia jest zużywana w innych procesach życiowych.

62 GLIKOLIZA BEZTLENOWA

63 Energia, jaką komórka uzyskuje przy rozpadzie glukozy na dwa fragmenty (pęka jedno wiązanie) jest zmagazynowana w dwóch utworzonych cząsteczkach ATP. Tymczasem w warunkach dostępu tlenu zachodzi dalsza przemiana kwasu pirogronowego. Traci on jeden węgiel i przemienia się w dwu węglowy fragment C2. Ten fragment w postaci ugrupowania acetylowego (C3CO) przyłącza się do specjalnego nośnika, jakim jest koenzym A. Powstaje w ten sposób acetylo-koenzym A (acetylo-coa), który dostarcza grupę acetylową do innego układu, w którym to ostanie pozostałe z glukozy wiązanie C-C ulegnie rozerwaniu. W istocie znaczenie acetylo-coa jest bardziej ogólne, bo te grupy acetylowe pochodzą także z rozkładu kwasów tłuszczowych innego rodzaju pożywienia dla komórki.

64 Dekarboksylacja kwasu pirogronowego O- O CoA C C O + CoA + NAD+ C O + CO2 + NAD C3 C3 N2 acetylo-coa pirogronian N S C C N -merkaptoamina O C3 C C C C O O O C3 N O P O O- P O O O O reszta kwasu pantotenowego O O P O- CoA O- N N

65 Reakcja katalizowana przez dehydrogenazę pirogronianową

66 Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej (PD) składa się z trzech białek o różnych aktywnościach. Zwróć uwagę na 5 różnych kofaktorów tego złożonego procesu. Pirogronian Acetylo-CoA

67 Kwas Liponowy pełni tu funkcję ramienia przenoszącego pozostałą po dekarboksylacji pirogronianu resztę hydroksyetylową, pomiędzy podjednostkami E1 i E3, katalizującymi kolejne etapy reakcji fragment pirgronianu Utleniony Liponian Tiamina

68 STRUKTURA 3D KOMPLEKSU ENZYMATYCZNEGO PD E3 E3 E1 E2 E1 E1 E3

69 REAKCJE PD TPP thiamine pyrophosphat e

70 REGULACJA AKTYWNOŚCI PD

71 PRZEMIANY MONOSACARYDÓW glikogen

72 CYKL PENTOZOFOSFORANOWY

73 GALAKTOZA

74 FRUKTOZA

75 Szkodliwość fruktozy Glukoza Insulina Głód Fruktoza Nadmiar Rak trzustki Cukrzyca Otyłość Choroby układu krążenia Leptyna Stłuszczenie narządów Sytość

76 SORBITOL Nadmiar Zaćma Zespół jelita drażliwego

77 SACAROZA

78 LAKTOZA

79

80 MALTOZA/IZOMALTOZA