Biochemia 17.11.2009 wyklad

Weglowodany budowa i metabolizm.

Weglowodany ( cukry/sacharydy ) → to zwiazki organiczne, o charakterze aldehydo-alkoholi lub keto-alkoholi, wielowodorotlenowych. Większość cukrow składa się z 3 pierwiastkow :

• wegla

• wodoru

• tlenu

,a stosunek ilosci wodoru do tlenu wynosi podobnie jak w wodzie 2:1. Jest to uzasadnieniem tej nazwy. Cukry pelnia wielefunkcji biologicznych :

1. są substratami eneregetycznymi dla większości organizmow;

2. tworza elementy strukturalne np. scian bakteryjnych, pancerzy skorupiakow i wlokien celurozowych roslin

3. są elementami skladowymi gliko-protein i gliko-lipidow.

Znane są rozne podzialy cukru w zaleznosci od :

• liczby atomow wegla w czasteczce cukru prostego ( monosacharydu )

• charakteru grupy funkcyjnej

• kierunku skrecalnosci swiatla spolaryzowanego

• typu pierscienia .

W odroznieniu od oligosacharydow i polisacharydow, monosacharydy nie ulegaja hydrolizie do zwiazkow prostrzych. W organizmie czlowieka wystepuja cukry przewaznie zawierajace od 3-7 atomow wegla.

1. Cukry trojweglowe to TRIOZY →

1. aldehyd D-glicerynowy

2. i jego izomer dihydroksy aceton

Wystepuja one w organizmie w postaci estrow fosforanowych, jako : aldehyd3-fosfo-glicerynowy i fosfodihydroksy aceton. Są to wazne metabolity posrednie w procesach rozpadu i biosyntezy innych cukrow.

2. Cukry czteroweglowe to TETROZY → należy do nich :

1. erytroza → wystepujaca tez w postaci estru fosforanowego. Jest ona waznym posrednikiem w przeksztalcaniu glukozy droga cyklu fosfopentozowego.

3. Cukry piecioweglowe to PENTOZY → najwazniejsze z nich :

1. ryboza

2. D-deoksyryboza

3. rybuloza

4. D-ksyloza

4. Cukry szescioweglowe to HEKSOZY → wystepuja najobficiej a w sród nich :

1. glukoza

2. galaktoza

3. mannoza

4. fruktoza

5. fukoza → nazywana deoksyheksoza

5. Cukry seidmio weglowe to HEPTOZY → są reprezentowane jedynie przez SEDOHEPTULOZE

Monosaharydy mogą być klasyfikowane wg roznych kryteriow :

1. liczba atomow wegla w czasteczce

2. charakter grupy czynnej

3. kierunek skrecalnosci swiatla spolaryzowanego

4. charakter pierscienia

Ad.2. Cukry których najwyzsza utleniona grupa funkcyjna jest grupa aldehydowa nosza nazwe aldos. A te których nawyzsza grupa funkcyjna jest grupa ketonowa nosza nazwe ketos. Np. aldehyd glicerynowy jest aldoza,a jego izomer dihydroksy aceton jest ketoza . Cukry z grupy aldos mają nazwy z koncowka OZA ,a cukry z grupy ketoz mają koncowke ULOZA. Wyjatek stanowi Fruktoza, która jest ketoza ,a ma nazwe z koncowka oza.

Ad.3. Izomeria monosaharydow. Wiele cukrow ,a szczegolnie heksozy i pentozy wystepuja w formie izomerow. Np. glukoza ,frukoza, mannoza i galaktoza mają identyczny wzor sumaryczny. C₆H₁₂O₆ ,ale inna budowe strukturalna. Są więc wzgledem siebie izomerami.

Cukry charakteryzuja się pewnymi szczegolnymi formami izomerii. A mianowicie :

• epimerion → jeżeli dwa monosacharydy roznia się polozeniem podstawnikow -H , -OH, przy jednym atomie wegla, zwyjatkiem wegla grupy karbonylowej. Są okreslane epimerami. A ta forma izomerii nosi nazwe epimerii. Np. glukoza i galaktoza są C⁴- epimerami ponieważ ich struktura rozni się jedynie polozeniem grupy -OH w pozycji C⁴. Glukoza i mannoza są C²- epimerami, roznia się polozeniem grupy -OH przy C²;

• enancjomerion → to forma izomerii polegajaca na wystepowaniu pewnych zwiazkow w dwupostaciach. Z których jedna jest zwierciadlanym odbiciem drugiej. Izomery takie nosza nazwe enancjomerow. Roznia się polozeniem podstawnikow przy weglach asymetrycznych. ( Czyli takich które mają 4 rozne podstawniki ) Enancjomerycznym forma cukru przypisano symbole D i L. W organizmie czlowieka zdecydowanie dominuja cukry szeregu D.

• cyklizacjon → cyklizacja cukrow stwarza dodatkowa mozliwosc izomerii, polegajaca na przechodzeniu cukrow z postaci lancuchowej ,w postac pierscieniowa. W postaci lancuchowej wystepuje mniej niż 1% cukrow. Większość cukrow wystepuje w formie pierscieniowej . Gdzie grupa aldehydowa lub ketonowa reagujac z grupa alkoholowa -OH ,tej samej czasteczki cukru tworzy pierscien HEMIACETALOWY lub HEMIKETALOWY. Jeżeli pierscien zawiera 6 czlonow ( 5C i 1 O₂) powstaly cukier jest piranoza , a jeżeli zawiera 5 czlownow ( 4 C i 1 O₂ ) jest furanoza.

• anomerion → anomeria , przejscie cukru z formy lancuchowej w forme pierscieniowa wiaze się z powstaniem nowego wegla asymetrycznego zwanego weglem anomerycznym. W pozycji C¹ aldozy lub C² ketozy. W zaleznosci od polozenia grupy -OH wzgledem plaszczyzny pierscienia powstajaca struktura może być dwojaka- alfa lub beta. Powstaja izomery zwane anomerami np. alfa-D-glukoza i beta-D-glukoza. Roznia się one skrecalnoscia optyczna i są rozrozniane przez enzymy specyficzne.

Polisacharydy np. glikogen i skrobia powstaja wylacznie z alfa-D-glukozy. A celuroza powstaje wylacznie z beta-D-glukozy. Cykliczne anomery alfa i beta cukrow w roztworze są w stanie roznowagi. W przypadku glukozy 64% stanowi beta-piranoza ,a 36% alfa-piranoza. Wzajemne przechodzenie formy alfa i beta zachodzi przez otwieranie pierscienia piranozowego.

Metabolizm Glikogenu .

Glukoza jest preferowanym substratem energetycznym dla wielu komorek .Przedewszystkim dla komorek mozgu i krwinek czerwonych i jedenym który może być przetwarzany w warunkach beztlenowych. Stezenie glukozy we krwi utrzymuje się na stalym poziomie i zmienia się w niewielkim zakresie od 70-100 mg/100 ml. Są trzy glowne zrodla glukozy w ustroju :

1. dieta

2. rozklad glikogenu

3. glukoneogeneza → odbudowywanie czsteczki glukozy z innych substratow

Utrzymanie stalego poziomu we krwi zapewnia mechanizm magazynowania nadmiaru glukozy w postaci glikogenu .Wyczerpanie zasobow glikogenu powoduje nasilenie glukoneogenezy.

Glikogen jest syntetyzowany w ustroju z alfa-D-glukozy w procesie glikogenogenezy. Zachodzi w cytozolu komorki i wymaga nakladu energii w postaci ATP potrzebnego do fosforylacji glukozy oraz energii w postaci UTP potrzebnego do wytwarzania UDP-glukozy. Glukoza jest fosforylowana przez heksokinaze do glukozo-6-fosforanu. Związek ten ulega izomeryzacji do glukozo-1-fosforanu przy udziale fosfoglukomutazy. Glukozo-1-fosforan wchodzi w reakcje z UTP odlacza się pirofosforan (PP). A na jego miejsce wchodzi glukozo-1-fosforan. Reakcje katalizuje pirofosforylaza UDP-glukozy. Reszta fosforanowa glukozo-1-fosforanu wytwarza wiazanie bezwodnikowe z reszta fosfrananowa UMP. Powstaje UDP glukoza, która laczy się z lancuchem glikogenu przy udziale syntazy glikogenowej wytwarzajac wiazanie alfa-1,4-glikozydowe. Enzym ten wydluza lancuch glikogenu. UDT-glukoza może być dolaczona tylko do startera. ( fragment lancucha glikogenu ).

Rozklad glikogenu

Rozklad glikogenu w watrobie i miesniach jest nazywany glikogenoliza i nie jest on odwroceniem jego biosyntezy. Wymaga udzialu innych enzymow. Dominujacym mechanizmem w rozkladzie glikogenu jest fosforoliza wiazan alfa-1,4 .Mechanizmem wspomagajacym jest hydrolityczny wiazan alfa-1,6 wystepujacy w miejscach rozgalezien czasteczki glikogenu. Hydrolityczny rozpad wiazn alfa-1,4 ma niewielki udzial w degradacji czasteczki glikogenu. Produktem fosforolizy jest glukozo-1-fosforan. A produktem hydrolizy jest wolna glukoza. fosforylityczny wizan glikozydowych alfa-1,4 polega na odlaczeniu kolejnych reszt glukozy od strony konca nie redukujacego w postaci glukozo-1-fosforanu. W reakcji tej zuwzywa się nieorganicznych fosforan Pi ,proces jest katalizowany przez fosforylaze glikogenowa. Enzym ten wystepuje w dwoch postaciach. Fosforylazyglikonenowej a ( aktywnej ) i fosforylazyglikonenowej b ( nieaktywnej). Fosforylacja enzymu b zachodzi z udzialem kinazy fosforylazy glikogenowej, która przeksztalca forme b w forme a. Odlaczenie reszt fosforanowych przez fasfataze zamienia forme aktywna a w forme nieaktywna b enzymu. Dzialanie enzymu ustaje , gdy lancuch glikogenu zostaje skrocony do 4 reszt glukozowych liczac od miejsca rozgalezienia.

Proces syntezy i rozkladu glikogenu jest precyzyjnie regulowany. W watrobie synteza glikogenu nasila się w okresie dobrego odzywiania. A degradacja w czasie glodzenia. W miesniach szkieletowych rozklad nasila podczas wysilku, a kumulacja podczas spoczynku. Metabolizm glikogenu pozostaje pod sciasla kontrola hormonalna. Insulina nasila proces glikogenogenezy. A adrenalina i glukagon pobudzaja glikogenolize.

Metabolizm glukozy

Przemiana glukozy do dwutlenku wegla i wody ( spalanie calkowite czasteczki ) jest procesem dwu etapowym. A uzyskana energia laczna z tych etapow jest rowna 38 czasteczek ATP

1. pierwszy etap tego metabolizmu to proces glikolizy, a produktem koncowym tej przemiany jest pirogronian

2. drugi etap to przemiana pierogronianu do dwutleku wegla i wody. Pirogronian ulega oksydacyjnej dekarboksylacji do acetylo~S-CoA. Reszty acetylowe tego związku są utleniane ( spalane) do dwutlenku wegla i wody w duzym cyklu krebsa, czyli cyklu kwasow trikarboksylowych.

W kazdym etapie przemiany glukozy(1 i 2 ) powstaje energia w postaci czasteczek ATP .

Ad.1. Proces glikolizy to przemiana glukozy do pierogronianu która przebiega przez 10 kolejno po sobie zachodzacych po sobie reakcjach. Pierwszy etap glikolizy obejmuje 5 reakcji zachodzacych kosztem nakladu energii powstajacej przez zurzycie dwoch czasteczek ATP .Drugi etap glikolizy to faza generacji ( odtwarzania ) energii prowadzaca do syntezy czterech czasteczek ATP . Zatem zysk energii netto w warunkach beztlenowych procesy glikolizy i w komorkach pozbawionych mitochondriow wynosi 2 czasteczki ATP . W przeliczeniu na jedna czasteczke glukozy. W procesie glikolizy powstaja tez dwie czsteczki NADH + H⁺ .w warunkach beztlenowych NADH + H⁺ jest wykorzystywany do reakcji redukcji pirogronianiu do kwasu mlekowego przy udziale enzymu dehydrogenazy mleczanowej .Przeksztalcenie glukozy w kwas mlekowy nosi nazwe glikolizy beztlenowej. Miesnie szkieletowe mają w prawdzie mitochondria jednak ilosc powstajacego NADH + H⁺ w reakcji z dehydrogenaza 3-fosforoaldehydowa w pracujacych miesniach przewyzsza mozliwosci jego utleniania przez mitochondria w lancuchu oddechowym. Prowadzi to do wzrostu stosunku NADH + H⁺ / NADH , co sprzyja redukcji pirogronianu do mleczanu. Dlatego wysilek fizyczny prowadzi do kumulacji mleczanu w miesniach powodujac ich zakwaszenie. Większość mleczanu przenika do krwi i przemieszcza się do innych tkanek i narzadow . W watrobie mleczan jest utleniany do pirogronianu ( cykl Corii ). Z którego w procesie glukoneogenezy odtwarza się w watrobie glukoza.

Utlenianie NADH + H⁺ przez lancuch oddechowy ( warunki tlenowe ) dostarcza dodatkowo energii rownej 3 czasteczka ATP. W związku z tym, ze w procesie glikolizy powstaja dwie czasteczki NADH + H⁺ , to zysk energetyczny netto w procesie glikolizy tlenowej jest wzbogacony dodatkowo o 6 czsteczek ATP.

Reakcje schematu glikolizy

---