CUKRY

• Materiał zapasowy

• Źródło energii procesów biologicznych

• Ważna grupa produktów pośrednich procesów metabolicznych

• Mogą tworzyć: glikoproteiny, proteoglikany, glikolipidy

Potencjał informacyjny cukrowców jest związany:

• z liczbą grup hydroksylowych –OH zdolnych do tworzenia wiązań glikozydowych,

• konfiguracją grup –OH na atomach węgla C2-C4,

• anomerią wiązań na węglu C1,

• chemicznymi modyfikacjami grup hydroksylowych- fosforylacja, siarczanowanie, aminacja, acylacja.

PODSTAWOWE POJĘCIA

Węglowodany- są polihydroksyaldehydami, polihydroksyketonami lub związkami, które hydrolizują na takie związki. Reakcje chemiczne wynikają z obecności hydroksylowych, aldehydowych i ketonowych.

Aldehyd glicerynowy- najprostsza aldoza. Ma 1 niesymetryczny atom węgla i dlatego występuje w postaci dwóch enancjomerów.

Asymetryszny/chiralny atom węgla- ma cztery różne podstawniki.

Najbardziej utleniony atom węgla ma numer 1.

Litera D- opisuje aldehyd glicerynowy, w którym –OH jest po prawej stronie we wzorze rzutowym. Skręca płaszczyznę światła spolaryzowanego w prawo, a L w lewo.

Substancje optycznie czynne- skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego. Światło spolaryzowane w płaszczyźnie jest wiązką światła składającą się z promieni drgających w płaszczyznach równoległych.

• Związki skręcające płaszczyznę zgodnie z kierunkiem ruchów wskazówek zegara- prawoskrętne

• Przeciwnie do ruchu- lewoskrętne

Enancjomery- pary cząsteczek pozostających w stosunku do siebie jak przedmiot i jego lustrzane odbicie. Mają jednakowe właściwości fizyczne i chemiczne, jeśli badane są w chiralnym środowisku. Różnią się właściwościami optycznymi oraz biologicznymi. Organizmy żywe są układami chiralnymi.

Tylko monocukry szeregu D są syntezowane, metabolizowane i magazynowane przez organizmy zwierzęce i roślinne. W organizmach ssaków występują tylko dwa monosacharydy L:

• L- fruktoza

• Kwas L-iduronowy

• Są to składniki oligosacharydów i heteroglikanów

Mutarotacja- zmiana skręcalności płaszczyzny światła spolaryzowanego wodnych roztworów monosacharydów. Jest spowodowana wzajemnym przekształcaniem się anomerów alfa i beta do momentu ustalenia równowagi.

Anomery- dwa monosacharydy różniące się konfiguracją anomerycznego atomu węgla.

Tautomery- izomery strukturalne różniące się położeniem protonu i podwójnego wiązania. Formą pośrednią jest struktura endiolowa. W roztworach wodnych aldozy istnieją w równowadze z ketozami.

Epimery- izomery monosacharydów, które różnią się między sobą konfiguracją tylko jednej grupy –OH. Innej niż w węglu C1 w aldozach lub C2 w ketozach oraz innej niż przy ostatnim węglu asymetrycznym. Reakcja epimeryzacji zachodzi w środowisku zasadowym. W org żywych reakcję tę katalizują epimerazy.

WYBRANE REAKCJE CUKRÓW

.

CYKLIZACJA MONOSACHARYDÓW I POWSTAWANIE ANOMERÓW

• W roztworach wodnych cukry ulegają cyklizacji- tworzą struktury pierścieniowe

• Aldehydowa grupa może reagować z alkoholową- tworzy się hemiacetal

  • Grupa aldehydowa przy C1 w formie łańuchowej D-glukozy reaguje z grupą hydroksylową przy C5 tego samego monosacharydu

  • Tworzy się wewnątrzcząsteczkowy półacetal

  • Powstaje sześcioczłonowy pierścień

  • Sześcioczłonowy pierścień piranozowy nie jest planarny. Może przyjmować różne formy konformacyjne, najczęściej konformację krzesełkową.

  • Podstawniki mogą być rozmieszczone w pozycji aksjalnej lub ekwatorialnej

  • W beta-D-glukopiranozie wszystkie grupy hydroksylowe są ekwatorialne

POWSTWAWANIE ESTRÓW FOSFORANOWYCH CUKRÓW PROSTYCH

• Fosforylacja monosacharydów jest estryfikacją grup hydroksylowych

• W organizmie grupy fosforanowe wiążą się do grupy –OH najczęściej przy C1 lub przy ostatnim C6 w heksozach

• Estry fosforanowe cukrowców są reaktywnymi formami monosacharydów. Ich zasadniczym celem jest odzyskanie i zgromadzenie w organizmie energii z substratów węglowodanowych.

• Fosforanowe monocukry są silniejszymi kwasami niż kwas fosforowy.

• Ich ujemny ładunek zapobiega spontanicznemu przenikaniu przez dwuwarstwę lipidową błon komórkowych.

PRZENIESIENIE GRUPY FOSFORANOWEJ Z ATP NA AKCEPTOR CUKROWY

• Estry fosforanowe monocukrów powstają w reakcji przeniesienia grupy fosforanowej z ATP na grupę hydroksylową.

FOSFORYLACJA GLUKOZY

• Glukozo-6-fosforan powstaje w pierwszym etapie glikolizy.

• Aktywnym donorem grup fosforanowych jest ATP, który przenosi grupę resztę fosforanową na grupę –OH przy C1 i/lub C6.

• Reakcję katalizuje enzym heksokinaza. Wymaga do aktywności obecności Mg2+ lub Mn2+.

• Jony dwuwartościowych metali tworzą kompleks z ATP.

PRZESUNIĘCIE RESZTY FOSFORANOWEJ

• Grupa fosforanowa jest przemieszczana wewnątrz jednej cząsteczki z jednego atomu tlenu na drugi z udziałem mutazy

• Mutazy- enzymy katalizujące wewnątrzcząsteczkowe przesunięcia grup chemicznych, np. reszt fosforanowych.

• Jednym z końcowych etapów glikolizy jest przesunięcie reszty fosforanowej z 2-fosfoglicerynianu na 3-fosfoglicerynian. Reakcję katalizuje fosfogliceromutaza.

REAKCJE IZOMERACJI I EPIMERYZACJI MONOSACHARYDÓW

• REAKCJE IZOMERACJI CUKROWCÓW- przekształcenie ketozy w aldozę albo odwrotnie z pośrednią formą endiolową.

• W układzie biologicznym reakcja katalizowana jest przez izomerazę.

• W warunkach laboratoryjnych- zasadowe środowisko.

• W izomeracji glukozo-6-fosforanu 6-członowy pierścień piranozowy przekształca się w 5-członowy pierścień furanozowy fruktozo-fosforanu.

• REAKCJA EPIMERYZACJI- katalizują ją enzymy zwane epimerazami.

REAKCJA DEHYDRATACJI CUKROWCÓW

• Jest to np. reakcja odwodnienia 2-fosfoglicerynianiu.

• W warunkach lab. ogrzewanie cukrów z silnymi kwasami powoduje dehydratację monosacharydu

• Z pentoz powstaje furfural

• Z heksoz powstaje 5-hydroksymetylofurfural

REAKCJE UTLENIANIA MONOSACHARYDÓW

• Aldozy występują głównie w formie pierścieniowego hemiacetalu

• Beta-D-glukopiranoza- dominująca forma glukozy w roztworach wodnych. Jest ona w równowadze z niewielką ilością formy łańcuchowej D-glukozy z reaktywną grupą aldehydową

• Grupa aldehydowa D-glukozy ulega utlenieniu do karboksylowej pod wpływem wody bromowej. Produktem jest KWAS D-GLUKONOWY.

• Aby utlenić grupę aldehydową na C1 oraz pierwszorzędową grupę alkoholową na C6 potrzeba kwasu azotowego. Produktem jest KWAS D-GLUKAROWY, z grupami karboksylowymi na C1 i C6.

• Produktem enzymatycznego utleniania glukozy w organizmach jest KWAS D-GLUKURONOWY, z grupą karboksylową na C6. Może on tworzyć glukuronoidy z metabolitami ustrojowymi, które mają charakter hydrofobowy.

• Kwas salicylowy w formie salicylo-beta-D-glukuronopiranozyd wydalany jest z moczem

REAKCJA KONDENSACJI ALDOLOWEJ

• Są to reakcje związków karbonylowych

• Produktami są związki beta-hydroksykarbonylowe- aldole. Związki zawierające aldehydowe i alkoholowe).

ROZSZCZEPIENIE ŁAŃCUCHA CUKROWEGO

• Polega na zerwaniu związania węgiel-węgiel monosacharydu w reakcji odwrotnej do kondensacji aldolowej

• Jest to reakcja zachodząca w szlakach metabolicznych cukrowców

• Szkielety węglowe cukrowców powstałych w cyklu pentozofosforanowym mogą ulegać przekształceniu. Te reakcje są katalizowane przez: TRANSKETOLAZĘ i TRANSALDOLAZĘ.

TRANSKETOLAZA

• Przenosi jednostki dwuwęglowe

• Cukrem dostarczającym fragmenty dwu i trójwęglowe są zawsze ketozy, a akceptorem aldozy

TRANSALDOLAZA

• Przenosi trójwęglowy fragment z sedoheptulozo-7-fosforanu na aldehyd 3-fosfoglicerynowy reakcje te stanowią odwracalne przejście między szlakiem pentozo-

• Produktami reakcji są: fruktozo-6-fosforan i erytrozo-4-fosforan. –fosforanowym a glikolizą

REDUKCJA MONOSACHARYDÓW

• W wyniku redukcji (np. NaBH4) monosacharydów otrzymuje się ALDITOLE (polihydroksyalkohole)

• Produktem reakcji D-glukozy jest D-sorbitol

• Redukcja D-galaktozy D-galaktitol

Redukcja D-glukozy

• W ludzkim organizmie nasilona redukcja występuje w hiperglikemii

• Podwyższone stężenie sorbitolu w soczewce oka u cukrzyków może być jedną z przyczyn zaćmy cukrzycowej

• Produktem reakcji redukcji D-rybozy jest 2-rybitol (składnik wit. B12)

• Alkohole polihydroksylowe występują w glonach, grzybach, porostach.

WITAMINA C

1. Wyjściowym związkiem jest D-glukoza

2. Powstaje kwas glukuronowy

3. Kwas glukuronowy ulega wewnętrznej estryfikacji i redukcji

4. Powstaje gulonolakton III. W organizmie ludzkim nie ma oksydazy L-gulonolaktynowej, która katalizuje utlenienie gulanolaktonu do kwasu L-askorbinowego.

5. Endiolowa forma kwasu L-askorbinowego łatwo utlenia się do kwasu dehydro-L-askorbinowego WŁAŚCIWOŚCI REDUKUJĄCE WITAMINY

• Brak grupy karboksylowej, ale wit. C ma charakter kwasowy dzięki obecności grupy –OH przy C3

• Jest ważnym przeciwutleniaczem

• Kwas L-askorbinowy może działać jako antyoksydant, hamując syntezę nitrozoamin powstających w procesie trawienia

Wit C bierze udział w:

• biosyntezie kolagenu

• syntezie adrenaliny z tyrozyny na etapie działania beta-hydroksylazy dopaminowej

• syntezie kwasów żółciowych na etapie działania 7-alfa-hydrolazy

SYNTEZA I HYDROLIZA NAJWAŻNIEJSZYCH DISACHARYDÓW

• Dwa cukry proste połączone wiązaniem O-glikozydowym

• Wiązanie glikozydowe jest labilne- łatwo ulega hydrolizie

SACHAROZA

• Cukier roślinny

• Nieredukujący

• Zbudowana z: alfa-D-glukopiranozy i beta-D-fruktofuranozy

• Wiązanie: O-glikozydowe. Powstaje w reakcji transglikozylacji z udziałem enzymu

• Rozpad wiązania glikozydowego katalizuje sacharaza

• Sacharaza występuje na powierzchni komórek nabłonka jelita cienkiego

• Niedobór sacharazy- biegunki i wzdęcia

MALTOZA

• Redukująca

• Zbudowana z: alfa-D-glukopiranozy x2

• Wiązanie: 1,4-O-glikozydowe

• Występuje u roślin i zwierząt

• Jest to przejściowy produkt hydrolizy polisacharydów zbudowanych z glukozy

• Maltoza hydrolizowana jest do glukozy przez maltazę.

• Maltaza występuje w komórkach nabłonka jelita cienkiego.

LAKTOZA

• Redukująca

• Występuje w mleku

• Zbudowana z: beta-D-galaktopiranozy i alfa-D-glukopiranozy

• Wiązanie: 1,4-O-glikozydowe

• Syntez laktozy w gruczołach mlecznych katalizowana jest przez enzym syntazę laktozową

• Hydrolizę laktozy do cukrów prostych katalizuje laktaza

• U osób z niedoborem laktazy po spożyciu mleka w świetle jelita cienkiego gromadzi się laktoza, co prowadzi do gromadzenia się płynów w jelicie cienkim

• Objawy: wzdęcia, biegunka, nudności

FOSFOROLITYCZNE ROZSZCZEPIENIE GLIKOGENU

• Komórki zwierzęce magazynują glukozę w postaci glikogenu

GLIKOGEN

• Rozgałęziony polimer zbudowany z reszt glukozy

• Większość reszt połączona wiązaniem alfa-1,4-O-glikozydowym

• Rozgałęzienia polimeru w miejscu wiązań alfa-1,6-O-glikozydowych

• Magazynowany jest głównie w wątrobie i mięśniach szkieletowych

• Wątroba ma za zadanie utrzymania prawidłowego stężenia glukozy we krwi

• Do uwolnienia monosacharydu glikogen rozszczepiany jest automatycznie, co prowadzi do powstania glukozo-1-fosforanu

• Fosforylaza glikogenowa- katalizuje odcinanie reszt fosforylowanych reszt glukozowych z nieredukującego końca glikogenu

• Dodatkowe enzymy: transferaza i alfa-1,6-glukozydaza- przekształcają rozgałęziony glikogen w formę liniową

FUKOZA

• Jest to jedyna heksoza występująca w konfiguracji L

• Występuje w strukturach N- i O-glikanów, glikoprotein, glikolipidów błonowych oraz rozpuszczalnych

• Niewielkie jej ilości występują w wolnej formie w osoczu i moczu

• Jest syntezowana w cytoplazmie komórki z mannozy, która ulega wieloetapowemu przekształceniu z udziałem enzymów

KWAS SJALOWY

• Kwas 5-N-acetyloneuraminowy Neu5Ac

• Ma duży wpływ na konformację, rozpuszczalność, lepkość i ładunek glikoprotein

• Ujemny ładunek grup karboksylowych kwasów sjalowych jest odpowiedzialny za oddziaływania między komórkami, za wiązanie wody, cząstek o dodatkim ładunku

• Kwas sjalowy występuje w strukturach O- i N-glikanów na nieredukującym końcu struktur oligosacharydowych i glikoprotein i glikolipidów

ALFA-D-GLUKOZOAMINA I N-ACETYLO-BETA-D-GLUKOZAMINA

• Aminocukry- powstają w reakcji transmitacji monosacharydów, gdzie donorem grupy aminowej jest glutamina

• Większość aminocukrów org. Ludzkiego jest acetylowana

• Aktywnym donorem grup acetylowych jest acetylo-CoA

• Acetylowane aminocukry występują w oligosacharydowych jednostkach glikoprotein i w strukturach glikozoaminoglikanów

HEPARYNA

• Siarczan kwasu L-iduronowego + N-siarczan-6-O-siarczan-D-glukozaminy

• Wiązanie: O-glikozydowe

• Heparyna syntezowana jest w ustroju jako proteoglikan pozbawiony reszt siarczanowych

• W jego skład wchodzi glukozamina

• Glukozamina ulega deacetylacji i estryfikacji resztami siarczanowymi

• Reszty siarczanowe nadają heparynie ładunek ujemny

• Jest naturalnym czynnikiem zapobiegającym krzepnięciu krwi w naczyniach krwionośnych, działając hamująco na wszystkie jego etapy, głównie na fazę przejścia protrombiny w trombinę i jej działanie na fibrynogen.

KWAS HIALURONOWY

• Kwas D-glukuronowy + N-acetylo-D-glukozoamina

• Wiązanie: beta-1,3-glikozydowym

• Jest to jedyny nie siarczanowy glikozoaminoglikanem, który nie wiąże się kowalencyjnie z białkiem

USZKODZENIE PIERŚCIENI CUKROWYCH PRZEZ REAKTYWNE FORMY TLENU

• Wolne rodniki- aktywne formy tlenu. Grupy atomów lub cząsteczki posiadające jeden lub więcej niesparowanych elektronów.

• Najpowszechniejsze: wolne rodniki tlenowe- reaktywne formy tlenu RFT

• Niepełna redukcja tlenu prowadzi do powstania rodników hydroksylowych

• Najważniejszym źródłem metabolicznych rodników hydroksylowych jest mitochondrialny łańcuch oddechowy

• Czynniki generujące powstawanie rodników tlenowych

  • Promieniowanie UV

  • Promieniowania rentgenowskie

  • Ozon

  • Dwutlenek siarki

  • Tlenki azotu

  • Składniki dymu papierosowego

  • Zanieczyszczenia powietrza

GLUKURONOIDY

Glukuronidy − organiczne związki chemiczne z grupy glikozydów, pochodne kwasu glukuronowego.

Powstają one w wyniku połączenia cząsteczki kwasu glukuronowego z inną substancją wiązaniem glikozydowym. Hormony tarczycy, hormony sterydowe czy bilirubina są wydalane z organizmu w formie rozpuszczalnych w moczu glukuronidów.