Węglowodany są to aldehydy lub ketony, pochodne alkoholi wielowodorotlenowych. Dzielimy je na dwie grupy: aldozy i ketozy. Grupa ta (aldehydowa lub ketonowa) jest grupą funkcyjną. Pod względem ilości atomów węgla w cząsteczce możemy wyróżnić: triozy, pentozy, heksozy oraz heptozy. Istnieją inne cukry, ale nie są one biologicznie ważne (wyjątek - sedoheptulozo - 7 - fosforan). Pod względem ilości cząsteczek w całości cukry dzielimy na monosacharydy, które zawierają jedną cząsteczkę cukru, oligosacharydy (od 2 do 10 cząsteczek cukru) i polisacharydy (więcej niż 10 węglowodanów). Wśród oligosacharydów ważne biologicznie są disacharydy.
Cukry związane są wiązaniem glikozydowym (α lub β) między węglem pierwszym a czwartym, pierwszym a szóstym, pierwszym a drugim - są dosyć duże możliwości. Spośród biologicznie czynnych dwucukrów możemy wyróżnić: laktozę (glukoza + galaktoza), maltozę (glukoza + glukoza), sacharozę (glukoza + fruktoza). Glukoza występuje stale we wszystkich disacharydach!. Spośród wielocukrów możemy wyróżnić skrobię oraz glikogen. Skrobia zawiera wiązania α glikozydowe 1 4 i 1 6. Natomiast inny cukier, występujący w przyrodzie - celuloza, zawiera wiązania β - glikozydowe 1 4 i 1 6. W przeciwieństwie do skrobi i glikogenu, celuloza jest nierozpuszczalna w wodzie, nie jest też trawiona w przewodzie pokarmowym, ale jest potrzebna do prawidłowej perystaltyki jelit.
Podstawowe funkcje cukrów
Cukry pełnią funkcję strukturalną. Zmodyfikowane cukry są składnikiem szkieletu komórkowego, tworzą błony struktur komórkowych (ER, mitochondria), wchodzą w skład struktury błony cytoplazmatycznej. Najważniejszą funkcją jest funkcja metaboliczna - stanowią źródło energii, a także zapasowy materiał energetyczny w postaci glikogenu magazynowanego w wątrobie i mięśniach szkieletowych. Pełnią także inne funkcje razem z białkami, jako glikoproteiny (bilirubina, hormony steroidowe, pochodne witaminy D). Glikoproteiny te uczestniczą w transporcie substancji do komórek, uczestniczą też w rozpoznawaniu odpowiednich cząsteczek, które również zawierają składniki cukrowcowe, podobnie jak niektóre hormony (GH, LH, gonadotropina kosmówkowa). Tak więc podstawowe funkcje cukrów to: strukturalne, metaboliczne i komunikacja międzykomórkowa, transportowe, rozpoznawania receptorów, receptorowe i skład hormonów.
Głównym źródłem węglowodanów w pożywieniu są cukry złożone, a głównie - skrobia. Cukry proste, choć wchłaniają się bardzo szybko, spełniają mniejszą rolę i są spożywane w mniejszej ilości. Spośród cukrów złożonych, skrobia, glikogen (z mięśni - w mięsie, w wątrobie). Dwucukry - sacharoza (cukier trzcinowy), maltoza (miód), laktoza (w mleku). Jednocukry - glukoza i fruktoza (w produktach roślinnych - warzywa i owoce).
Tak więc asortyment jest dość ubogi.
Wielocukry i dwucukry ulegają trawieniu. Wielocukry ulegają praktycznie trawieniu przez jeden enzym - amylazę trzustkową. W organizmie występują dwie amylazy - ślinowa i trzustkowa. Są to pokrewne enzymy, działające na te same substraty i hydrolizujące te same produkty. Glikogen i skrobia są hydrolizowane do sacharozy i maltozy, a także do oligocukru.
Amylaza ślinowa pełni mniejszą rolę, choć jest bardziej aktywna. Jest ona aktywowana przez jony Cl-. U zwierząt (np. przeżuwacze) pełni ona główną rolę, natomiast u ludzi główną rolę pełni amylaza trzustkowa. Amylaza trzustkowa działa w pH ≈ 7, jest enzymem umiarkowanie aktywnym, hydroliza prowadzi głównie do powstania maltozy, izomaltozy, a także oligosacharydu. W jej wydzielaniu uczestniczą dwa hormony - cholecystokinina (pankreozymina), pobudzająca syntezę, oraz sekretyna, pobudzająca sekrecję tego enzymu do światła przewodu pokarmowego.
Disacharydazy, syntetyzowane w błonie jelit, nie są wydzielane do światła, ale są one związane z błoną: maltaza, rozkładająca maltozę, izomaltaza, rozkładająca izomaltozę, sacharaza rozkładająca sacharozę oraz laktaza, rozkładająca laktozę. Hydroliza jest tu całkowita, prowadzi do powstania cukrów prostych. Spośród innych cukrów prostych odgrywających rolę metaboliczną możemy wyróżnić mannozę.
O ile wielocukry i dwucukry nie są wchłaniane w przewodzie pokarmowym, monocukry są wchłaniane za pomocą transportu ułatwionego i aktywnego. Transport ułatwiony dotyczy glukozy, fruktozy, galaktozy i mannozy i uczestniczą w nim transportery - glut5 i glut2 (5 - na rąbku szczoteczkowym, 2 - warstwa kontaktująca się z naczyniem krwionośnym). Spośród tych czterech monosacharydów, glukoza jest transportowana jest transportem aktywnym. Transport ułatwiony zachodzi zgodnie z gradientem stężeń, natomiast pozostałe cukry nie zostają wchłonięte (co wywołuje wzdęcia, zaburzenia jelitowe). Tylko glukoza wchłaniana jest całkowicie. System ten jest włączony gdy zostaną wyrównane stężenia. Transport aktywny wymaga przenośnika zależnego od Na+ (SGLT1). Transport glukozy następuje łącznie z jonami Na+ (kotransport). Wskutek transportu Na+ transportowana jest woda, co zwiększa objętość komórki i uruchamia transport Na+ na zewnątrz - jest to połączone z transportem na zewnątrz jonów K+ (czyli to zwykła pompa sodowo - potasowa, wymagająca energii).
W transporcie glukozy do krwioobiegu (głównie do układu żyły wrotnej), potrzebny jest transporter glukozy II. Glukoza jest rozpuszczalna w wodzie (podobnie jak fruktoza) i jest transportowana do komórek całego organizmu - najpierw do wątroby. Glukoza jest pobierana przez komórki za pomocą transportu ułatwionego. Biorą w tym udział związki: glut 1, 2, 3, 4, 5. Glut 1 - w wątrobie i trzustce szybki transport glukozy. Dzięki transporterom, glikoza dostaje się do komórki. Wolna glukoza może być wydzielona dzięki tym transporterom poza komórkę, dla wyrównania stężeń. Glut 4 występuje w tkance tłuszczowej i mięśniach szkieletowych - jest ona pobudzana przez insulinę.
Insulina powoduje przemieszczenie transportowanej glukozy z cytozolu na błonę komórkową (ale tylko glut 4!). Aby pozostać w komórce, glukoza musi zostać ufosforylowana. Jest ona ufosforylowana wyłącznie (!) na C6. Galaktoza i fruktoza są fosforylowane na C1. Fruktoza może też być fosforylowana na C6, ale nie jest to główna droga do zatrzymywania tego cukru w komórce. Estry nie przechodzą przez błonę komórkową i żeby zostały uwolnione, musi zadziałać fosfataza, znajdująca się w wątrobie i w nerce. Mięśnie szkieletowe nie posiadają takiej funkcji (brak fosfatazy).
Dostająca się do komórki glukoza zostaje ufosforylowana na C6. W procesie tym biorą udział dwa enzymy. Pierwszy - glukokinaza, posiadająca niewielkie powinowactwo do glukozy. Jest to enzym o wysokiej stałej Michaelisa, działa, gdy stężenie glukozy jest wysokie. Posiada ona jednak wysoką specyficzność substratową. Drugi - heksokinaza (działa również na fruktozę i mannozę, ale nie na galaktozę) - posiada wysokie powinowactwo do glukozy, niską stałą Michaelisa; działa wyłącznie wtedy, gdy stężenie glukozy jest niskie. Glukokinaza jest enzymem specyficznym dla wątroby.
Produktem reakcji jest glukozo - 6 - fosforan. Może się on przemieniać trzema drogami: w glikolizio (w warunkach beztlenowych lub tlenowych), cyklu pentozofosforanowym oraz w glukozo - 1 - fosforan, pod wpływem enzymu - mutazy i służy wtedy po aktywacji za pomocą UTP jako UTP - glukoza do syntezy glikogenu.
Reakcje glikolizy to 10 podstawowych etapów, przy czym mogą się one dzielić na fazę, gdy energia jest wykorzystywana i 5 faz, gdy energia jest tworzona. Produktem jest pirogronian (w warunkach tlenowych), który w warunkach beztlenowych zostaje zredukowany do mleczanu.
Dla niektórych tkanek glikoliza jest jedynym źródłem energii - erytrocyty, dla innych głównym - neurony (mogą utleniać ciała ketonowe). Inne tkanki mogą utleniać inne związki (np. kwasy karboksylowe).
Cykl pentozofosforanowy, dla którego substratem jest pentozo - 5 - fosforan, możemy podzielić na dwie fazy - oksydacyjną i nieoksydacyjną. W pierwszej z tej faz, glukozo - 6 - fosforan zostaje utleniony do 3 - keto - 6 - fosfoglutaminianu.
5 reakcji, gdy NADP jest utleniany i reszta reakcji.
Oba cykle przemian są zlokalizowane w cytozolu. Tam są również enzymy syntetyzujące kwasy tłuszczowe, a głównym zadaniem cyklu pentozo - 5 - fosforanowego jest produkcja zredukowanego NADP i rybozo - 5 - fosforanu dla syntezy nukleotydów - puryn i pirymidyn, czyli pośrednio związane z syntezą kwasów tłuszczowych. Jest też możliwość, że zredukowany NADP może reagować z NAD, redukować NAD, co prowadzi do powstania zredukowanego NAD i utlenionego NADP. Taki zredukowany NAD może przechodzić do mitochondriów i być utleniany w cyklu oddechowym, produkując ATP (transhydrogenaza - indukowana przez estrogeny).
Wykład z biochemii prof. Trzeciaka - 20.01.06
- 1 -
www.stomka.prv.pl