13.Metabolizm węglowodanów
Prof.dr hab. inż. Korneliusz Miksch
Silesian University of Technology, Gliwice, Poland
Environmental Biotechnology Department
Cukrowce
Węglowodanami nazywamy wielowodorotlenowe
aldehydy oraz wielowodorotlenowe ketony, a także
związki, z których takie hydroksyaldehydy lub
hydroksyketony można otrzymać w wyniku
hydrolizy.
" cukry które zawieraja w cząsteczce grupę
aldehydowa nazywane sÄ… aldozami,
" cukry zawierające grupę ketonową noszą ogólna
nazwÄ™ ketoz.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
" węglowodan, który nie ulega hydrolizie do
prostszych związków, nosi nazwę monosacharydu
(cukru prostego).
" węglowodan, którego cząsteczka hydrolizuje do
dwóch cząsteczek monosacharydu, nazywa się
disacharydem (dwucukrem).
" węglowodan, którego cząsteczka hydrolizuje do
wielu cząsteczek monosacharydów, nazywa się
polisacharydem (wielocukrem, cukrem złożonym).
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
Monosacharydy tworzą półacetale o budowie
pierścieniowej. Półacetale są uprzywilejowaną
formą istnienia monosacharydów w roztworach
i jedynÄ… ich formÄ… w stanie krystalicznym.
Strukturalne wzory cukrów, określające
przestrzenne rozmieszczenie podstawników,
sÄ… przedstawiane wzorami Hawortha.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
Według Hawortha - glukoza
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
Przy zamknięciu pierścienia powstaje nowy
asymetryczny atom węgla, ponieważ tam,
gdzie przedtem występowało C=O w
podwójnym wiązaniu, znajdują się teraz cztery
różne podstawniki. Wskutek tego możliwe są
dwie różne odmiany, które określa się jako
(alfa) i (beta). PrzechodzÄ… one Å‚atwo jedna w
drugÄ…, prawdopodobnie poprzez formÄ™
aldehydową, która jednak w stanie równowagi
występuje w znikomym stężeniu.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
Ä…-D(+)-glukoza (glukopiranoza)
²-D(+)-glukoza (glukopiranoza)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
Z szeregu pentoz najważniejsza jest ryboza, która
wchodzi w skład kwasów rybonukleinowych (RNA) i
kenzymów nukleotydowych.
R
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
Sposób zamykania pierścienia
W kwasach dezoksyrybonukleinowych (DNA) znajduje siÄ™ ryboza odtleniona
(dezoksy) i nie posiadająca tlenu na drugim węglu.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
Najbardziej rozpowszechnionÄ… z 16 aldoheksoz jest D(+)-
glukoza (cukier gronowy), a z ketoheksoz D(-)-fruktoza.
D(+)-glukoza
D(-)-fruktoza (fruktopiranoza)
(glikopiranoza)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
D(+)-glukoza -- > D-glukopiranoza
Rys.13.1 Przejście glukozy ze struktury liniowej w cykliczną
Przejście glukozy ze struktury liniowej w cykliczną D(+)-glukoza -- >
D-glukopiranoza
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
Model przestrzenny czÄ…steczki D-glukozy
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
Jeżeli cząsteczki cukrów prostych łączą się ze sobą, tak że jedna
czÄ…steczka cukru prostego Å‚Ä…czy siÄ™ z grupÄ… alkoholowÄ… drugiej
cząsteczki cukru, wówczas związki te nazywamy disacharydami
(dwucukrami). Najważniejszymi dwucukrami są: maltoza, laktoza,
sacharoza. W wyniku hydrolizy (+)-sacharozy pod wpływem
rozcieńczonego, wodnego roztworu kwasu lub enzymu inwertazy
powstają równe ilości D-(+)-glukozy i D-(-)-fruktozy.
C12H22O12 + H2O --> C6H12O6 (D-glukoza) + C6H12O6 (D-fruktoza)
Hydrolizie towarzyszy zmiana znaku skręcalności z dodatniego na
ujemny i dlatego proces ten nazywa się często inwersją (+)-
sacharozy, a otrzymana lewoskrętna mieszanina cukrów nosi
nazwÄ™ cukru inwertowanego.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
Model przestrzenny czÄ…steczki sacharozy
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
Polisacharydy (wielocukry) są związkami, których
każda cząsteczka jest zbudowana z wielu setek lub
nawet tysięcy jednostek monosacharydowych.
Jednostki te, podobnie jak w disacharydach,
połączone są z sobą wiązaniami glikozydowymi,
które mogą ulec rozerwaniu w wyniku hydrolizy.
Do polisacharydów zaliczamy:
" skrobiÄ™
" glikogen
" celulozę (błonnik)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Cukrowce
Jedną z najważniejszych przemian, jakiej podlega cukry w
organizmach żywych jest glikoliza.
Proces ten może przebiegać w warunkach beztlenowych lub
przy dostatecznej ilości tlenu. Sumarycznie procesy te
możemy opisać równaniami:
Przemiana beztlenowa
C6H12O6 --> 2CH3CH(OH)COOH + 57kcal
Przemiana tlenowa
C6H12O6 + 6O2 --> 6CO2 + 6H2O + 677kcal
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
 Metabolizm węglowodanów-glikoliza
Glikoliza jest łańcuchem reakcji przekształcających
glukozÄ™ (cukier prosty) w pirogronian z jednoczesnÄ…
produkcjÄ… ATP.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
Metabolizm węglowodanów-glikoliza
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
 Metabolizm węglowodanów-glikoliza
Kolejne związki pośrednie na drodze od glukozy do
pirogronianu w szlaku glikolizy to:
1. glukozo-6-fosforan. Połączenie łańcucha
węglowego z grupą fosforanową tworzy wiązanie
wysokoenergetyczne. Przyłączenie grupy fosforanowej
do 6-go węgla glukozy wymaga zużycia 1 cząsteczki ATP.
Obecność grupy fosforanowej sprawia, że cząsteczka
łatwiej wchodzi w następne reakcje.
2. fruktozo-6-fosforan. Następuje przegrupowanie
atomów wewnątrz cząsteczki. 3. fruktozo-1,6-
dwufosforan. Następuje przyłączenie kolejnej grupy
fosforanowej kosztem następnej cząsteczki ATP.
4. gliceraldehydo-3-fosforan (2x). Następuje rozpad
łańcucha 6-węglowego na dwa łańcuchy 3-węglowe.
Wszystkie dalsze przemiany występują podwójnie w
stosunku do wyjściowej cząsteczki glukozy.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
 Metabolizm węglowodanów-glikoliza
5. 1,3-dwufosfoglicerynian (2x). Następuje
odłączenie dwóch atomów wodoru połączone z
przyłączeniem kolejnej grupy fosforanowej. Atomy
wodoru zostają przeniesione na NAD . Przyłączenie
grupy fosforanowej tym razem nie wymaga ATP.
6. 3-fosfoglicerynian (2x). Odłączenie grupy
fosforanowej sprzężone jest z odzyskiem ATP.
7. 2-fosfoglicerynian (2x). Następuje przeniesienie
grupy fosforanowej z węgla trzeciego na drugi.
8. fosfoenolopirogronian (2x). Następuje odłączenie
czÄ…steczki wody.
9. pirogronian (2x). Następuje odłączenie grupy
fosforanowej sprzężone z syntezą cząsteczki ATP.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
 Metabolizm węglowodanów-glikoliza
Sumarycznie szlak glikolizy można przedstawić
następującym równaniem:
C6H12O6 (glukoza) + 2 NAD + 2 ADP + 2 P ->
2C3H4O3 (pirogronian) + 2 NADH2 + 2 ATP
W szlaku glikolizy na początku zostają zużyte 2
cząsteczki ATP do przyłączania grup fosforanowych,
następnie jednak odzyskane są 4 cząsteczki. A
Ä…cznie
powstają więc 2 cząsteczki ATP oraz 2 cząsteczki
NADH2. Wodór z NADH2 może zostać
przetransportowany do łańcucha oddechowego.
Powstanie wtedy 6 czÄ…steczek ATP z 2 czÄ…steczek
NADH2.
2 NADH2 + O2 + 6 ADP + 6 P -> 2 NAD + 2 H2O + 6
ATP
A
ącznie więc na tym etapie spalania glukozy z 1
czÄ…steczki glukozy powstaje 8 czÄ…steczek ATP.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
 Metabolizm węglowodanów-cykl pentozowy(rybulozowy)
Cykl pentozowy ( szlak pentozofosforanowy,
rybulozowy) to utlenianie glukozy na innej drodze niż
szlak glikolityczny. Ma znaczenie w metabolizmie jako
z
ródło czynników redukujących do wytwarzania NADPH
oraz jako mechanizm syntezy i dostarczania pentoz
(cukrów pięciowęglowych). Sumarycznie z sześciu
czÄ…steczek glukozy wchodzÄ…cych do cyklu jedna podlega
całkowitemu utlenieniu, a pięć regeneruje się i ponownie
wchodzi w cykl. Cykl pentozowy poprzez zwiÄ…zki
trojwęglowe może łączyć się z cyklem Krebsa.
Przemiany w tym szlaku rozpoczynajÄ… siÄ™ od glukozo-6-
fosforanu, który na drodze różnych reakcji przekształca
się w pięciowęglowy cukier: rybulozo-5-fosforan,
odgrywający ważną rolę w reakcjach związanych z
fotosynteza, a także jest z
ródłem pentoz wchodzących w
skład nukleotydow i kwasów nukleinowych.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
 Metabolizm węglowodanów-cykl pentozowy(rybulozowy)
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
 Metabolizm węglowodanów-cykl pentozowy(rybulozowy)
Podobnie jak glikoliza, zachodzi on w całości w cytoplazmie komórki.
Zachodzące przemiany najlepiej prześledzić na przykładzie losów
trzech czÄ…steczek glukozy.
1. glukozo-6-fosforan (3x). (W skrócie: glukozo-6P). Reakcja jak w
glikolizie.
2. 6-fosfoglukonian (3x). Następuje odłączenie 2 atomów wodoru od
każdej cząsteczki i przeniesienie ich na NADP (7). Istotne jest, że wodór
jest przenoszony NADP, a nie na NAD.
3. rybulozo-5P (3x). Po dwa kolejne wodory zostajÄ… przeniesione na
NADP, odłączona zostaje też cząsteczka dwutlenku węgla CO2.
Rybuloza jest cukrem 5-węglowym, a więc należy do grupy pentoz.
(Ponieważ w cyklu tym fosforan jest przyłączony zawsze do ostatniego
węgla, cyferka w nazwach kolejnych cukrów pośrednich oznacza
również ilość atomów węgla w cząsteczce).
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
 Metabolizm węglowodanów-cykl pentozowy(rybulozowy)
4. ksylulozo-5P (2x), rybozo-5P (1x). Przegrupowania atomów
wewnÄ…trz czÄ…steczek.
5. ksylulozo-5P (1x), sedoheptulozo-7P (1x), gliceraldehydo-3P (1x).
Przegrupowania atomów pomiędzy tymi cząsteczkami.
6. ksylulozo-5P (1x), fruktozo-6P (1x), erytrozo-4P (1x). Dalsze
przegrupowania atomów pomiędzy cząsteczkami.
7. fruktozo-6P (2x), gliceraldehydo-3P (1x).
Dalsze przegrupowania atomów między cząsteczkami. Oba powstałe
związki są produktami pośrednimi glikolizy. Mogą więc ulec spaleniu
włączając się do tego cyklu. Mogą też zajść reakcje odwrotne do
glikolizy, czyli może nastąpić odbudowanie glukozo-6P, co powoduje
zamknięcie cyklu pentozowego. glukozo-6P może wtedy ponownie
wejść w reakcje tego cyklu.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
 Metabolizm węglowodanów-cykl Entnera Doudoroffa
W cyklu tym glukoza, po fosforylacji, podlega odwodorowaniu i powstaje
kwas 2-keto-3-dezoksy-6 - fosfoglukonowy. Ten ostatni rozpada siÄ™ na
kwas pirogronowy i aldehyd 3-fosfoglicerynowy. Te półprodukty mogą
następnie włączać się do cyklu Krebsa lub cyklu pentozowego.
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
 Metabolizm węglowodanów-cykl Entnera Doudoroffa
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl
 Metabolizm węglowodanów
Environmental Biotechnology Department, SUT http://kbs.ise.polsl.pl