WĘGLOWODANY – WĘGLOWODANY – WŁAŚCIWOŚCI I METABOLIZMWŁAŚCIWOŚCI I METABOLIZM

RÓŻNE OBLICZA CUKRÓW…..

Cukier jest słodki i sprawia nam wiele przyjemności, tymczasem...

Jest postrzegany jako jedna z najważniejszych przyczyn plagi, jaka zalała świat, czyli nadwagi i otyłości. O tym problemie dyskutuje się pod każdą szerokością geograficzną. Warto zadać pytanie, jaką rolę w tym wszystkim odgrywają węglowodany.

2

CO ROZUMIEMY POD POJĘCIEM „CUKIER”?

• Cukier stołowy – inaczej sacharoza; otrzymywany z buraków lub trzciny cukrowej, wykorzystywany do słodzenia produktów (np. herbaty, ciast)

TYMCZASEM CUKRY TO…

• Węglowodany, czyli składniki pokarmowe, które powinny stanowić główne źródło energii w diecie człowieka;

• 1 g węglowodanów dostarcza 4 kcal energii (to mniej niż tłuszcze 1 g = 9 kcal );

• Zgodnie z zaleceniami żywieniowymi, co najmniej połowa dostarczanej energii powinna pochodzić z węglowodanów, w większości z węglowodanów złożonych.

JAK POWSTAJĄ CUKRY?

• W przyrodzie powstają głównie w wyniku fotosyntezy przeprowadzanej przez rośliny.

• Stanowią ok. 80% suchej masy roślin i jedynie ok. 1% suchej masy zwierząt.

WĘGLOWODANY

Węglowodany (inaczej cukry lub sacharydy) to organiczne połączenie węgla, wodoru i tlenu, przy czym stosunek wodoru do tlenu jest taki, jak w wodzie ─ stąd nazwa Cn (H2O)n. (glukoza ─ C6H12O6).

PODZIAŁ WĘGLOWODANÓW

MONOSACHARYDY - NOMENKLATURA

Monosacharydy zawierają od 3 do 7 atomów węgla w cząsteczce.

MONOSACHARYDY

3 CTRIOZY

5 CPENTOZY

6 CHEKSOZY

MONOSACHARYDY - NOMENKLATURA

TRIOZY

aldehyd glicerynowy dihydroksyaceton

MONOSACHARYDY - NOMENKLATURA

PENTOZY

ryboza deoksyryboza

MONOSACHARYDY - NOMENKLATURA

HEKSOZY

glukoza fruktozagalaktoza

GLUKOZA

D-GLUKOZA α-D-GLUKOPIRANOZA

β-D-GLUKOPIRANOZA

WŁAŚCIWOŚCI GLUKOZY

- Słodka, krystaliczna i bardzo dobrze rozpuszczalna w wodzie

- Ulega fermentacji alkoholowej

- Daje pozytywne wyniki w próbie Trommera i w próbie Tollensa (wykazuje własności redukujące wynikające z obecności grupy –

CHO )

WŁAŚCIWOŚCI GLUKOZY

- Inne łagodne utleniacze utleniają glukozę analogiczniej (np. woda bromowa)

- Silny ulteniacz (np. HNO3 ) utlenia glukozę do kwasu glukarowego)

- Tworzy estry (np. z H3PO4)

WŁAŚCIWOŚCI GLUKOZY

- Ulega redukcji wodorem w obecności katalizatora palladowego

FRUKTOZA

Zwana także cukrem owocowym, w stanie wolnym występuje w wielu owocach (łac. Fructus – owoc) oraz w miodzie. W stanie związanym występuje np. w cukrze buraczanym i niektórych

wielocukrach. Jest to substancja bezbarwna, znacznie słodsza od glukozy i bardzo dobrze rozpuszczalna w wodzie.

α-D-FRUKTOZA β-D-FRUKTOZA

FRUKTOZAFRUKTOZA

IZOMERIA

ENANTIOMER OPTICAL EPIMER(D i L) ISOMER (mannoza i glukoza)

ANOMER ALDOSE-KETOSE

( i ) ISOMER

Każdy z cukrów prostych ma kilka grup hydroksylowych (-OH) i dodatkowo grupę:

- Aldehydową (-CHO) - nazywamy aldozami- Ketonową (-CO) - nazywamy ketozami

MONOSACHARYDY

• substancje bezbarwne, bezwonne

• przeważnie odznaczają się słodkim smakiem

• bardzo dobrze rozpuszczalne w wodzie

• wykazują aktywność osmotyczną

• odczyn obojętny

• W roztworach wodnych cząsteczki niektórych monosacharydów tworzą pierścienie.

• Między grupą aldehydową lub ketonową a jedną z grup hydroksylowych tworzy się mostek tlenowy, powodujący zamknięcie cząsteczki.

WYSTĘPOWANIE I ZNACZENIE

• RYBOZA

• DEOKSYRYBOZA

• GLUKOZA

• FRUKTOZA

OLIGOSACHARYDY• Powstają przez połączenie od 2 do 10 cząsteczek

cukrów prostych wiązaniem O- glikozydowym.

• Łącząc się z białkami lub lipidami tworzą związki wchodzące w skład błon komórkowych.

• Determinują grupy krwi, odgrywają rolę przy rozpoznawaniu się komórek.

disacharydy

• To produkty kondensacji dwóch cząsteczek cukrów prostych.

• Przykłady:Sacharoza= glukoza + fruktozaLaktoza = glukoza + galaktozaMaltoza = glukoza + glukoza

POLISACHARYDY• To związki zbudowane z dużej liczby

monosacharydów połączonych wiązaniami O- glikozydowymi.

• Mogą tworzyć łańcuchy proste lub rozgałęzione.• Wielocukry są nierozpuszczalne w wodzie – dzięki

temu mogą pełnić w organizmie funkcję zapasową lub budulcową.

POLISACHARYDY

ZAPASOWE BUDULCOWE

SKROBIA

GLIKOGEN

CELULOZA

CHITYNA

SKROBIA

AMYLOZA + AMYLOPEKTYNA

250-1000 reszt glukozowych

Mostki tlenowe zwrócone w tę samą stronę

Tworzy spiralnie zwinięty łańcuch

Ponad 600 cząsteczek glukozyŁańcuch posiada liczne odgałęzienia

boczne

SKROBIA

http://mymen3.w.interia.pl/cukry/11.html

GLIKOGEN

• Budowa chemiczna podobna do budowy amylopektyny.

• Tworzy go od 500 do 50 000 reszt glukozy.

GLIKOGEN W WĄTROBIE

GlukagonGlukagon

InsulinaInsulina

CELULOZA

• Cząsteczka utworzona z kilkuset do kilkutysięcy reszt glukozowych połączonych w długie, nierozgałęzione, równoległe do siebie łańcuchy.

• Sąsiadujące ze sobą cząsteczki glukozy są zwrócone mostkami tlenowymi raz w jedną, raz w drugą stronę – odporność na rozciąganie.

CELULOZA

CHITYNA

• Monomerem chityny jest glukozamina, której cząsteczka różni się od glukozy tym, że przy drugim atomie węgla zamiast grupy –OH znajduje się grupa aminowa – NH2

NH2

WYSTĘPOWANIE I ZNACZENIE

• SKROBIA

• GLIKOGEN

WYSTĘPOWANIE I ZNACZENIE

• CELULOZA

• CHITYNA

Przemiany monosacharydów

Glukozydazy Dzięki łączeniu się ze sobą cząsteczek cukrów

prostych za pomocą tzw. wiązania glikozydowego powstają bardziej złożone cząsteczki: dwucukry i wielocukry. Wiązana te podlegają rozkładowi przez enzymy amylolityczne (glukozydazy). Należą do nich:

- amylazy

- maltazy

- sacharazy

- laktazy

Trawienie węglowodanów

Trawienie węglowodanów rozpoczyna się w jamie ustnej. Ślina zawiera enzym trawiący wielocukry (np. skrobię) – amylazę ślinową (ptialina), która rozkłada skrobię (wielocukier) na krótsze fragmenty z odłączeniem maltozy (dwucukru).

Proces trawienia trwa do inaktywacji amylazy ślinowej w niskim pH.

Węglowodany nie są trawione w żołądku!!!

Cukier prosty

Trawienie węglowodanów W jelicie cienkim następuje dalszy proces trawienia cukrów. Nie

strawione wielocukry i krótkie łańcuchy wielocukrów (1) są rozkładane przy udziale amylazy trzustki (2) do maltozy (3).

Wszystkie dwucukry (maltoza, laktoza, sacharoza) – (3) znajdujące się w dwunastnicy zostają rozłożone przez odpowiednie enzymy jelita cienkiego (4) na cukry proste (glukoza, fruktoza, galaktoza) – (5).

I tak enzym maltaza rozszczepia maltozę na dwie cząsteczki glukozy, enzym sacharaza- rozkłada sacharozę na glukozę i fruktozę, a enzym laktaza- rozkłada laktozę na glukozę i galaktozę.

TRAWIENIE DISACHARYDÓW

SGLT1 - sodium-glucose linked transporter1

GLUT2 – glucose transporter 2GLUT5 – fructose/glucose transporter 5

Te przenośniki nie są regulowane przez insulinę

Enterocyt

TRANSPORT TRANSPORT GLUKOZY Z JELITA DO KRWIGLUKOZY Z JELITA DO KRWI

GLUT4 - Glucose transporter type 4

TRANSPORT GLUKOZY Z KRWI DO TRANSPORT GLUKOZY Z KRWI DO KOMÓREKKOMÓREK

GLIKOLIZA (szlak Embdena – Meyerhofa - Parnasa)

- proces enzymatycznego rozkładu cukrów do kwasu pirogronowego, którego celem jest pozyskanie energii pod postacią NADH i adenozyno-5'-trifosforanu. Substratami dla procesu mogą być: glukoza, fruktoza, mannoza, galaktoza i glicerol. Proces glikolizy może zachodzić zarówno w warunkach tlenowych, jak i beztlenowych, uważa się jednak, że glikoliza jest najstarszym ewolucyjnie procesem pozyskiwania energii z cukru; prawdopodobnie wykształcił się on jeszcze wtedy, gdy w atmosferze ziemskiej nie było tlenu. Enzymy glikolityczne można znaleźć zarówno u bakterii jak i u eukariotów. Jest to beztlenowy proces przemiany - (fermentacja)-głównie glukozy zachodzący w komórkach zwierząt i dostarczający energii w postaci ATP. To skomplikowany proces chemiczny w którym uczestniczy 11 enzymów.

W pierwszym etapie następuje fosforylacja (kosztem ATP) różnych sacharydów: heksoz, glikogenu, skrobi i ich rozkład z wytworzeniem aldehydu-3-fosfoglicerynowego.W drugim etapie zachodzą reakcje oksydo-redukcyjne (z udziałem dinukleotydu nikotynamidoadeninowego NAD) dostarczające energii, która jest częściowo magazynowana w cząsteczkach powstającego ATP oraz następuje wytworzenie kwasu pirogronowego.Przebieg I i II etapu glikolizy jest identyczny jak w fermentacji alkoholowej. Powstały kwas pirogronowy może ulegać różnym przemianom.W warunkach beztlenowych, np. podczas pracy mięśni, gdy następuje spadek stężenia tlenu w tkankach, zachodzi trzeci etap glikolizy: kwas pirogronowy ulega redukcji (przy udziale NADH) do kwasu mlekowego. NADH utleniony ponownie do NAD+ może ponownie brać udział w przemianie następnej cząstki heksozy w drugim etapie glikolizy.

CHO

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OH

O

H

HO

H

HO

H

OHOHH

H

OH

+ ATP + ATP

CHO

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OPO3 2-

O

H

HO

H

HO

H

OHOHH

H

OPO3 2-

+ ADP + H+ + ADP + H+

Glukoza

Glukozo-6-fosforan

enzym:heksokinaza

Etap 1:fosforylacjaglukozy

Etap 2:izomeryzacjaglukozy dofruktozy

CH2OH-2 O3POH2C

HO

HOO

CH2OH

O

HHO

OHH

OHH

CH2OPO3 2-

Fruktozo-6-fosforan

CHO

OHH

HHO

OHH

OHH

CH2OPO3 2-

O

H

HO

H

HO

H

OHOHH

H

OPO3 2-

Glukozo-6-fosforan

Enzym:izomerazaglukozofosforanowa

Etap 3:Drugafosforylacjafruktozy

CH2OH

HO

HO

-2 O3POH2C

CH2OH

O

HHO

OHH

OHH

CH2OPO3 2-

Fruktozo-6-fosforan

Enzym:fosfofruktokinaza

CH2OPO3 2--2 O3POH2C

HO

HOO

CH2OPO3 2-

O

HHO

OHH

OHH

CH2OPO3 2-

Fruktozo-1,6-difosforan

+ ATP

CH2OPO3 2--2 O3POH2C

HO

HOO

CH2OPO3 2-

O

HHO

OHH

OHH

CH2OPO3 2-

Fruktozo-1,6-difosforan

Rozszczepienie wi¹ zania miêdzy 3 - 4 atomem wêgla

CH2OH CH O

C O

CH2OPO3 2-

CH OH

CH2OPO3 2-

fosfodihydroksyaceton aldehyd 3-fosfoglicerynowy

Etap 4:Rozpad na2 fragmentytrójwęglowe;

Etap 5:Fragmentytrójwęgloweizomeryzują

CH2OH CH O

C O

CH2OPO3 2-

CH OH

CH2OPO3 2-

fosfodihydroksyaceton aldehyd 3-fosfoglicerynowy

Izomerazatriozofosforanowa

Etap 6:Odwodornieniei fosforylacjatrójwęglowegofragmentu

CH O

CH OH

CH2OPO3 2-

aldehyd 3-fosfoglicerynowy

dehydrogenazaaldehydu3-fosfoglicerynowego

NAD+ + Pi

NADH + H+

CO OPO3 2-

CH OH

CH2OPO3 2-

1,3-difosfoglicerynian

Etap 7:Utworzenie ATPZ ADP – odzysk energii. kinaza

fosfoglicerynianowa

CO OPO3 2-

CH OH

CH2OPO3 2-

1,3-difosfoglicerynian

ADP

ATP

CO O-

CH OH

CH2OPO3 2-

3-fosfoglicerynian

Etap 8:Izomeryzacja

fosfogliceromutaza

CO O-

CH OPO3 2-

CH2OH

2-fosfoglicerynian

CO O-

CH OH

CH2OPO3 2-

3-fosfoglicerynian

Etap 9:Odszczepieniecząsteczki wody enolaza

CO O-

CH OPO3 2-

CH2OH

2-fosfoglicerynian

CO O-

C OPO3 2-

CH H

fosfoenolopirogronian

Etap 10:Znów odzysk energii – powstaje ATP z ADP

kinazapirogronianowa

CO O-

C OPO3 2-

CH H

fosfoenolopirogronian

ADP

ATP

CO O-

C O

CH3

pirogronian

Bilans energetyczny glikolizy

Reakcja Przemiana ADP ATP

Glukoza glukozo-6-fosforan -1

Fruktozo-6-fosforan fruktozo-1,6-difosforan -1

2 cząsteczki 1,3-difosfoglicerynianu 2 cząsteczki 3-fosfogliceraynianu +2

2 cząsteczki fosfoenolopirogronianu 2 cząsteczki pirogronianu +2

NETTO +2

REGULACJA GLIKOLIZY

Pirogronian (C3) może być dalej przekształcany w etanol (C2) (drożdze), mleczan (w mięśniach w warunkach niedoboru tlenu) lub acetylokoenzym A (C2), który bierze następnie udział w cyklu kwasu cytrynowego (kwasów trójkarboksylowych) i tam ostatnie wiązanie węgiel – węgiel pęka, a wydzielona energia jest zużywana w innych procesach życiowych.

GLIKOLIZA BEZTLENOWAGLIKOLIZA BEZTLENOWA

Energia, jaką komórka uzyskuje przy rozpadzie glukozy na dwa fragmenty (pęka jedno wiązanie) jest zmagazynowana w dwóch utworzonych cząsteczkach ATP.

Tymczasem w warunkach dostępu tlenu zachodzi dalsza przemiana kwasu pirogronowego.

Traci on jeden węgiel i przemienia się w dwu węglowy fragment C2. Ten fragment w postaci ugrupowania acetylowego (CH3CO) przyłącza się do specjalnego nośnika, jakim jest koenzym A. Powstaje w ten sposób acetylo-koenzym A (acetylo-CoA), który dostarcza grupę acetylową do innego układu, w którym to ostanie pozostałe z glukozy wiązanie C-C ulegnie rozerwaniu.

W istocie znaczenie acetylo-CoA jest bardziej ogólne, bo te grupy acetylowe pochodzą także z rozkładu kwasów tłuszczowych – innego rodzaju „pożywienia” dla komórki.

Dekarboksylacja kwasu pirogronowegoDekarboksylacja kwasu pirogronowego

CO O-

C O

CH3

pirogronian

+ CoA + NAD+ + CO2 + NADH

CoA

C O

CH3

acetylo-CoA

N

NN

N

NH2

O

OHO

HHHH

OPO

O-

O

P O-

O-

O

P

O

O-

CC

CH3

CH3

CCN

H

OH

O

H

CCHS

H

H

H

H

H

H

O

-merkaptoamina reszta kwasu pantotenowego

CoA

Reakcja katalizowana przez dehydrogenazę pirogronianową

Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej (PDH) składa się z trzech białek o różnych aktywnościach.

Zwróć uwagę na 5 różnych kofaktorów tego złożonego procesu.

Pirogronian

Acetylo-CoA

Kwas Liponowy pełni tu funkcję ramienia przenoszącego pozostałą po dekarboksylacji

pirogronianu resztę hydroksyetylową, pomiędzy podjednostkami E1 i E3, katalizującymi kolejne etapy

reakcjifragment pirgronianu

Utleniony Liponian

Tiamina

STRUKTURA 3D KOMPLEKSU STRUKTURA 3D KOMPLEKSU ENZYMATYCZNEGO PDH ENZYMATYCZNEGO PDH

E3E3E3E3

E3E3

E1E1

E1E1

E1E1

E2E2

TPP – thiamine pyrophosphate

REAKCJE PDH REAKCJE PDH

REGULACJA AKTYWNOŚCI PDHREGULACJA AKTYWNOŚCI PDH

PRZEMIANY MONOSACHARYDÓW

glikogen

CYKL PENTOZOFOSFORANOWYCYKL PENTOZOFOSFORANOWY

GALAKTOZA

FRUKTOZAFRUKTOZA

Szkodliwość fruktozySzkodliwość fruktozy

Glukoza

Fruktoza

Nadmiar

Insulina Leptyna Sytość

Głód

Otyłość

Rak trzustkiCukrzyca

Choroby układu krążenia

Stłuszczenie narządów

SORBITOLSORBITOL

Zaćma

Nadmiar

Zespół jelita drażliwego

SACHAROZASACHAROZA

LAKTOZALAKTOZA

MALTOZA/IZOMALTOZA