BIOCHEMIA KOLOKWIUM NR 5

WD 7

CUKROWCE :

Grupa związków zróżnicowana pod względem budowy jak i funkcji. Należą do niej :

• Monosacharydy (cukry proste)

• Disacharydy (dwucukry)

• Oligosacharydy (tilkocukry)

• Polisacharydy

Cukrowce pełnią szereg ważnych funkcji a najważniejsze z nich to :

1. Są substancjami zapasowymi :

u zwierząt - glikogen

u roślin - sacharoza i skrobia

u bakterii - dekstran

2. Są substancjami strukturalnymi :

u zwierząt - chityna (składnik pancerzy skorupiaków, skrzydeł owadów)

u roślin i bakterii - celuloza (składnik ścian komórkowych)

3. Stanowią źródło energii, są substratem energetycznym

4. Są źródłem szkieletów węglowych dla wielu związków

kwasów tłuszczowych, aminokwasów, kwasów organicznych

5. Są składnikiem związków makroergicznych, koenzymów, kwasów nukleinowych, glikoprotein, glikolipidów

MONOSACHARYDY :

Cukry proste - wszystkie mają właściwości redukujące. Wśród nich są aldozy, ketozy. Przynależą do szeregu L lub D (większość D). Mają konfigurację α lub β. Najprostsze z nich to triozy :

• ALDEHYD GLICERYNOWY

• DIHYDROKSYACETON

DISACHARYDY :

• MALTOZA (zbudowana z dwóch cząsteczek α-D-glukozy połączonych wiązaniem α-1,4-glikozydowym)
  

• SACHAROZA (zbudowana z cząsteczki α-D-glukozy i β-D-fruktozy połączonych wiązaniem α-1,2-glikozydowym)

• LAKTOZA (zbudowana z cząsteczki α-D-glukozy i β-D-galaktozy połączonych wiązaniem β-1,4-glikozydowym)

• IZOMALTOZA (zbudowana z dwóch cząsteczek α-D-glukozy połączonych wiązaniem α-1,6-glikozydowym)

• CELOBIOZA (zbudowana z dwóch cząsteczek β-D-glukozy połączonych wiązaniem β-1,4-glikozydowym)

POLISACHARYDY :

• SKROBIA :

Zbudowana z dwóch form : amylazy i amylopektyny. Amylaza jest nierozgałęzionym polimerem zbudowanym z reszt α-D-glukozy połączonej wiązaniem α-1,4-glikozydowym. W amylozie spotyka się niewielką ilość wiązań poprzecznych α-1,6-glikozydowych (około 1%). Amylopektyna zbudowana jest z prostych łańcuchów (25-30 reszt glukozy) połączonych wiązaniami poprzecznymi α-1,6-glikozydowymi. Dlatego jest to polisacharyd rozgałęziony. Stosunek amylazy do amylopektyny wynosi 1 : 3.

• GLIKOGEN :

Polisacharyd zwierzęcy, który swoją budową przypomina amylopektynę, z tą różnicą, że więcej jest w nim wiązań α-1,6-glikozydowych. Proste łańcuchy w glikogenie zbudowane są z 8-10 reszt glukozy. Jest to bardziej rozgałęziony polisacharyd niż amylopektyna.

• CELULOZA :

Jest to nierozgałęziony polisacharyd głównie roślinny, zbudowany z cząsteczek β-D-glukozy, połączonych wiązaniami β-1,4-glikozydowymi. Jest to najbardziej rozpowszechniony polisacharyd, stanowi około 50% całej ilości węgla organicznego w biosferze. Proste łańcuchy tego polisacharydu ułożone są obok siebie, równolegle i połączone są wiązaniami wodorowymi (grupy -OH cząsteczek glukozy sąsiadujących łańcuchów). W ten sposób celuloza tworzy włókienka elementarne, o średnicy około 3.5 nm. Włókienka te łączą się w większe zespoły tworząc micele o średnicy około 20 nm. W micelach są duże przestrzenie, które wypełnione są przez hemicelulozę i ligniny dzięki takiej budowie celuloza wykazuje dużą trwałość (wytrzymałość mechaniczną i bardzo złą rozpuszczalność).

• DEKSTRAN :

Polisacharyd bakteryjny, w którym główny łańcuch zbudowany jest z cząsteczek α-D-glukozy, połączonych wiązaniami α-1,6-glikozydowymi. Dekstran posiada rozgałęzienia odcinki, które dołączone są do łańcucha głównego wiązaniami α-1,2-glikozydowymi, α-1,3-glikozydowymi, α-1,4-glikozydowymi.

• CHITYNA :

Polimer zbudowany z reszt N-acetyloglukozoaminy, połączonych wiązaniem β-1,4-glikozydowym. Jest to składnik strukturalny zrogowaciałych pancerzy owadów i skorupiaków.

ROZKŁAD SKROBI, GLIKOGENU I DISACHARYDÓW W PRZEWODZIE POKARMOWYM :

Enzymy rozkładające cukry w przewodzie pokarmowym nazywamy enzymami trawiennymi amylolitycznymi. Wszystkie enzymy trawienne nalezą do klasy hydrolaz. Wśród najważniejszych enzymów trawiennych amylolitycznych wyróżniamy :

α-amylaza ślinowa i trzustkowa

α-1,6-glikozydaza

maltaza (α-1,4-glikozydaza)

laktaza (β-galaktozydaza)

sacharaza (inwertaza, β-fruktofuranozydaza)

glukoamylaza

α-amylaza jest endoglikozydazą i rozkłada wiązania α-1,4-glikozydowe wewnątrz łańcucha polisacharydowego. Początkowo produktami jej działania są dekstryny wysokocząsteczkowe, później dekstryny o coraz to niższych masach cząsteczkowych, a w końcu cząsteczki maltozy lub izomaltozy.

α-1,6-glikozydaza rozkłada wyłącznie wiązania α-1,6-glikozydowe, w tym przede wszystkim te, które są na skraju.

glukoamylaza rozkłada wiązanie α-1,4-glikozydowe od nieredukującego końca skrobi, dając zawsze jako produkt cząsteczkę glukozy i dekstrynę. Jest egzoglikozydazą. Jest to enzym wytwarzany przez mikroorganizmy, w tym też przez mikroflorę przewodu pokarmowego.

Wszystkie dwucukry są rozkładane przez wyżej wymienione enzymy

Β-amylaza jest enzymem, który rozkłada skrobię, jednak nie jest to enzym trawienny i nie funkcjonuje w przewodzie pokarmowym człowieka. Działa on w nasionach różnych roślin i rozkłada skrobię w trakcie kiełkowania. Znalazł on szerokie zastosowanie w przemyśle browarniczym, gorzelniczym. Enzym ten rozkłada skrobię hydrolizując co drugie wiązanie α-1,4-glikozydowe od nieredukującego końca cząsteczki skrobi. Produktem jego działania jest zawsze β-maltoza oraz dekstryna. Enzym ten zmienia konfigurację glukozy z α na β.

ROZKŁAD GLIKOGENU POZA PRZEWODEM POKARMOWYM :

W komórkach zwierzęcych, zwłaszcza w wątrobie i w mięśniach nadmiar glukozy magazynowany jest w formie glikogenu. Funkcja glikogenu w mięśniach polega na dostarczaniu energii podczas przedłużonego skurczu mięśni. W wątrobie zmagazynowany glikogen służy głównie utrzymaniu odpowiedniego poziomu glukozy we krwii. Glikogen występuje w formie ziaren.

W procesie rozkładu, w mięśniach i wątrobie biorą udział trzy enzymy :

fosforylaza glikogenowa (z klasy transferaz)

transferaza glikogenowa

α-1,6-glikozydaza (z klasy hydrolaz)

Fosforylaza glikogenowa katalizuje reakcje kolejnego usuwania reszt glukozowych od nieredukującego końca cząsteczki glikogenu, z jednoczesnym ufosforylowaniem odłączanej glukozy. Wymaga udziału fosforanu pirydoksalu.

Fosforolityczne odłączenie cząsteczki glukozy jest korzystne energetycznie, ponieważ oszczędzana jest 1 cząsteczka ATP. Może usuwać tylko te reszty glukozy, które są oddalone o więcej niż 4 cząsteczki glukozy od miejsca rozgałęzienia.

Zanim wkroczy α-1,6-glikozydaza, hydrolizująca wiązania poprzeczne (α-1,6-glikozydowe), trzy reszty glukozowe muszą być przeniesione z ramienia na rdzeń przez transferazę glikogenową.

Po rozerwaniu wiązań α-1,6-glikozydowych ponownie wkracza fosforylaza glikogenowa i odłącza kolejno cząsteczki glukozy (glukozo-1-fosforanu), do czasu gdy produktem końcowym jest ośmioglukozowy oligosacharyd.

Pozostałe w procesie fosforolizy cząsteczki glukozo-1-fosforanu przekształcane są w glukozo-6-fosforan pod wpływem fosfoglukomutazy.

Dalszy los glukozo-6-fosforanu zależny jest od rodzaju tkanki, w której ta przemiana przebiega :

w wątrobie glukozo-6-fosforan przekształcany jest w glukozę pod wpływem glukozo-6-fosfatazy, następnie glukoza dyfunduje do krwii.

w mięśniach, gdzie glikogen jest źródłem energii, powstały glukozo-6-fosforan wchodzi w przemiany glikolityczne.

SYNTEZA GLIKOGENU :

W procesie tym uczestniczą 3 enzymy :

Pirofosforylaza UDP-glukozy :

Katalizuje reakcję syntezy aktywnej glukozy (UDP-glukozy)

Syntaza glikogenowa :

Przenosi reszty glukozy z UDP-glukozy na wydłużającą się cząsteczkę glikogenu od strony jego nieredukującego końca. Dla rozpoczęcia działania wymaga inicjatora tj. kompleksu białka - glikogenina z ośmioglukozowym oligosacharydem.

Enzym rozgałęziający :

Przenosi 8-20 glukozowe, proste odcinki do wnętrza cząsteczki zsyntetyzowanego glikogenu i przyłącza je wytwarzając wiązania α-1,6-glikozydowe. Musi zawsze występować aktywacja substratu kosztem związku makroergicznego. Powstaje aktywna glukoza.

Urydyna = Uracyl + β-D-ryboza

Glikoliza jest to ciąg reakcji przekształcania glukozy lub fruktozy w pirogronian z jednoczesnym wytworzeniem energii. Inne cukry nie mogą być bezpośrednio wchodzić w przemiany glikolityczne (muszą być przekształcone). Glikoliza przebiega w cytoplazmie wszystkich żywych organizmów. U człowieka glikoliza najintensywniej przebiega w cytoplazmie komórek mięśni szkieletowych.

Wczesne reakcje glikolizy (na etapie heksaz) wymagają 1 lub 2 cząsteczek ATP jako nakładu energetycznego, a w dalszych etapach (na etapie trioz) dostarczają 4 cząsteczek ATP, co daje zysk 2 lub 3 cząsteczek ATP w przeliczeniu na 1 cząsteczkę glukozy.

W warunkach tlenowych glikoliza jest etapem wstępnym dla cyklu Krebsa i łańcucha oddechowego. W warunkach beztlenowych (intensywnej pracy mięśni) pirogronian przekształcany jest w mleczan, a u drożdży (bakterii) w etanol.

Główne funkcje glikolizy :

wytwarzanie ATP na drodze fosforylacji substratu

wytwarzanie szkieletów węglowych do syntezy wielu związków np. aminokwasów, glicerolu, kwasów tłuszczowych

Synteza ATP w procesie glikolizy przebiega na drodze fosforylacji substratowej - energia potrzebna do syntezy ATP z ADP pochodzi z wiązań makroergicznych obecnych w substratach dwóch reakcji glikolizy. Reakcje :

Przekształcenie kwasu 1,3-bifosfoglicerynowego w kwas 3-fosfoglicerynowy.

Katalizator : kinaza fosfoglicerynianowa.

Przekształcenie fosfoenolopirogronianu w pirogronian.

Katalizator : kinaza pirogronianowa.

Powstający w glikolizie NADH w warunkach tlenowych regenerowany jest (utleniany) w łańcuchu oddechowym. W warunkach beztlenowych regenerowany jest w fermentacjach.

Reakcje glikolizy w większości są odwracalne. Tylko trzy z nich są nieodwracalne. Katalizowane przez :

heksokinazę :

fosfofruktokinazę :

kinazę pirogronianową :

W reakcji przekształcania aldehydu 3-fosfoglicerynowego w kwas 1,3-bifosfoglicerynowy ma miejsce przyłączenie reszty fosforanowej z utworzeniem wiązania makroergicznego. Energia do tworzenia tego wiązania pochodzi z utleniania grupy aldehydowej.

W reakcji katalizowanej przez enolazę dochodzi do przemiany niskoenergetycznego wiązania estrowego w wiązanie wysokoenergetyczne (endo-fosforanowe) obecne w fosfoendopirogronianie.

Najważniejszym punktem kontrolnym glikolizy jest reakcja katalizowana przez fosfofruktokinazę (enzym allosteryczny), której efektorem allosterycznym negatywnym jest : ATP, cytrynian, protony; a pozytywnym : AMP.

FERMENTACJA :

FERMENTACJA ALKOHOLOWA :

U drożdży i innych organizmów, w warunkach beztlenowych, pirogronian przekształcany jest w etanol. Reakcję tę katalizują 2 enzymy :

dekarboksylaza pirogronianowa

dehydrogenaza alkoholowa

Fermentacja alkoholowa znalazła szerokie zastosowanie w przemyśle browarniczym, gorzelniczym, winiarskim i piekarskim. Powstający CO₂ ma wpływ na pulchność ciasta.

FERMENTACJA MLECZANOWA :

Przebiega głównie u organizmów zwierzęcych i mikroorganizmów. Powstający kwas mlekowy zakwasza środowisko i powstrzymuje rozwój bakterii gnilnych, tworzy estry nadające przyjemny zapach.

Fermentacja mleczanowa znalazła szerokie zastosowanie w przemyśle spożywczym oraz w rolnictwie.

SZLAK PENTOZOFOSFORANOWY :

Ciąg reakcji utleniania glukozo-6-fosforanu do rybozo-5-fosforanu. Zachodzi w cytoplazmie, jest bardzo aktywny w tkance tłuszczowej, gruczołach mlecznych, korze nadnerczy, czyli w tkankach syntetyzujących kwasy tłuszczowe i steroidy z acetylo-CoA, natomiast mało aktywny w mięśniach szkieletowych.

Pełni dwie zasadnicze funkcje :

Dostarcza NADPH dla wielu szlaków biosyntetycznych, zwłaszcza do syntezy kwasów tłuszczowych.

Przekształca heksozy w pentozy. Rybozo-5-fosforan niezbędny do syntezy :

RNA

DNA

ATP

NAD⁺

FAD

Co-A

i innych związków makroergicznych.

Reakcje tego szlaku dzielimy na 3 etapy :

1. Utlenienie glukozo-6-fosforanu do rybulozo-5-fosforanu z wytworzeniem 2 cząsteczek NADP⁺

2. Izomeryzacja rybulozo-5-fosforanu w rybozo-5-fosforan

3. Przekształcenie rybozo-5-fosforanu we fruktozo-6-fosforan i aldehyd 3-fosfoglicerynowy.

Trzeci etap ten jest pomostem między szlakiem pentozofosforanowym a glikolizą. Odpowiadają za niego 2 enzymy :

transketolaza

transaldolaza

Reakcje katalizowane przez te dwa enzymy są odwracalne i dlatego końcowe produkty tego szlaku przemian mogą zmieniać się w zależności od metabolicznych potrzeb komórki :

Gdy komórka potrzebuje NADPH, a nie ma dużego zapotrzebowania na rybozo-5-fosforan, wówczas ten ostatni przekształcany jest w produkty pośrednie glikolizy i dalej przekształcany w pirogronian.

Gdy zapotrzebowanie organizmu na rybozo-5-fosforan jest większe niż na NADPH, wówczas transketolaza i transaldolaza działają w odwrotnym kierunku i przekształcają produkty pośrednie glikolizy (fruktozo-6-fosforan i aldehyd 3-fosfoglicerynow) w rybozo-5-fosforan. Transketolaza przenosi jednostki dwuweglowe, a transaldolaza jednostki trójwęglowe. Donorem przenoszonych grup zawsze jest ketoza a akceptorem aldoza.

GLUKONEOGENEZA :

Synteza glukozy z prekursorów niebędących cukrowcami, głównie z pirogronianiu, szczawiooctanu i mleczanu. Zachodzi głównie w wątrobie oraz warstwie korowej nerek. Z mniejszą intensywnością przebiega w mięśniach szkieletowych i sercowych. Proces te odgrywa ważną rolę podczas głodowania.

Glukoneogeneza nie jest odwróceniem glikolizy, chociaż wiele enzymów glikolitycznych bierze udział w tym procesie. Świadczy o tym :

Różna lokalizacja tkankowa tych procesów

Różna lokalizacja organellowa niektórych enzymów tych szlaków

Nakład energetyczny na syntezę glukozy jest kilkakrotnie wyższy od zysku z rozkładu glukozy

Ponieważ karboksylaza pirogronianowa działa w matrix mitochondrialnym, produkt jej działania - szczawiooctan - musi opuścić mitochondriom i dostać się do cytoplazmy. Jednak błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla szczawiooctanu i dlatego musi on przekształcić się w jabłczan.

Jabłczan bez problemu przenika do cytoplazmy przez błonę mitochondrialna i tam ponownie przekształca się w szczawiooctan. Za te dwie reakcje odpowiadają :

dehydrogenaza jabłczanowa mitochondrialna

dehydrogenaza jabłczanowa cytoplazmatyczna

Wśród czterech enzymów charakterystycznych dla glukoneogenezy :

jeden zlokalizowany jest w mitochondriom (karboksylaza pirogronianowa)

drugi w reticulum endoplazmatycznym (glukozo-6-fosfataza)

pozostałe dwa działają w cytoplazmie (karboksykinaza fosfonenolopirogronianowa / fruktozo-1,6-bifosfataza)

CYKL CORICHA :

W warunkach ograniczonego dostępu tlenu, zwłaszcza podczas intensywnej pracy mięśnie gromadzi się mleczan. Związek ten dyfunduje z mięśni do krwii, a później za jej pośrednictwem jest transportowany do wątroby i nerek.

W wątrobie pod wpływem dehydrogenazy mleczanowej przekształca się w pirogronian, który wchodzi w przemiany glukoneogenetyczne dostarczając glukozy. Glukoza jest uwalniana przez wątrobę do krwioobiegu i za pośrednictwem krwii dostarczana jest do wielu tkanek.

---