METABOLISMUS SACHARIDŮ © Biochemický ústav LF MU 2015 - (H.P.)

Sacharidy nejrozšířenější látky v přírodě jedna z hlavních živin pro lidské tělo - glukosa je esenciální pro mozek a erytrocyty funkce sacharidů: - zdroj energie - strukturní komponenta (př.pojivová tkáň, membrány, nukleové kyseliny) - signální funkce (antigenní determinanty)

Rozdělení sacharidů Monosacharidy: glukosa fruktosa galaktosa ribosa a deoxyribosa Oligosacharidy: 2-10 podjednotek monosacharidů vazba glykosidová (např. a-1,4 nebo b-1,4) sacharosa (glukosa+fruktosa) maltosa (glukosa+glukosa), laktosa (glukosa+galaktosa) Polysacharidy a-D-glukopyranosa D-glukosa -D-glukopyranosa

D – Glukosa nejrozšířenější sacharid v přírodě „hroznový cukr“ vázaná – v glykogenu, celulose, sacharose • koncentrace v krvi ( 3,9-5,5 mmol/l) hormonální regulace (inzulin, glukagon) esenciální pro mozek a erytrocyty součást intravenosních infusí O H C 2 4 4

Glukosa v potravinách Potravina Glukosa (%)a Glucopur Rozinky Med Hrozny Ovoce 100 50 30 6-10 1-5 a Průměrný obsah glukosy v %. 5 5

D-ribosa a D-2-deoxyribosa D – Galaktosa O H C 2 • epimer glukosy – opačná konfigurace na C-4 • vázaná - v laktose (disacharid), glykoproteinech, glykolipidech, proteoglykanech D – fruktosa O H C 2 • „ovocný cukr“ • nejrozšířenější ketosa • volná - v medu, ovoci • vázaná - v sacharose D-ribosa a D-2-deoxyribosa • pentosy • stavební jednotky nukleových kyselin 6

Disacharidy • nejvýznamnější oligosacharidy • dva monosacharidy spojené glykosidovou vazbou O-glykosidy O-glykosidy Vazba mezi anomerním hydroxylem jedné molekuly a hydroxylem druhé molekuly O H C 2 O H C 2 b-1,4 glykosidová vazba 7 7

Maltosa Laktosa Sacharosa • „sladový cukr“ • slad vznik – enzymatická hydrolýza škrobu v tenkém střevě 2 molekuly glukosy,  - 1,4 glykosidová vazba  - maltosa Laktosa • „mléčný cukr“ • galaktosa a glukosa, -1,4 glykosidová vazba • mléko : kravské 4-6 % lidské 6 % laktosa Sacharosa „cukr řepný, třtinový“ glukosa a fruktosa, b–2,1 glykosidová vazba sacharosa 8

Sladivost cukrů Sacharidy Synthetická sladidla Sacharosa Glukosa Fruktosa Laktosa 1,0 0,5 1,5 0,3 Glucitol Aspartama Sacharinb Neotamc 180 550 8000 a Aspartylfenylalanin-methylester (dipeptid) b Imid 2-sulfobenzoové kyseliny c N-(3,3-dimethylbutyl)aspartylfenylalanin-methylester (dipeptid) „Light výrobky“ 9 9

Polysacharidy • biopolymery (až tisíce monosacharidových jednotek) • monosacharidy spojené glykosidovou vazbou polysaccharidy nejsou sladké většina nerozpustná ve vodě, některé tvoří koloidy 10 10

Škrob • Hlavní zdroj energie pro člověka Zásobní polysacharid rostlin brambory, obilniny, banány, rýže, těstoviny • Škrob tvoří koloidní roztok ve vodě • Monosacharidová jednotka je D-glukosa • Složení škrobu: - amylosa (10-20%) -1,4 vazby, lineární řetězec rozpustný ve vodě - amylopektin (80-90%) -1,4 vazba a -1,6 vazba, rozvětvený řetězec nerozpustný ve vodě 11

Obsah škrobu v potravinách (průměrné hodnoty) Potravina Škrob (%) Pudinkový prášek Mouka pšeničná Rýže Těstoviny Rohlík Luštěniny Chléb Celozrnné pečivo Brambory Banán 80 75 70 60 50 40 15 ! ! ! 12

Glykogen • zásobní polysacharid v lidském organismu (játra, sval) ……… „živočišný škrob“ • glukosové jednotky • strukturně podobný amylopektinu: rozvětvené řetězce: vazby -1,4 a -1,6  větvení • významný zdroj glukosy  energie během postresorpční fáze Celulosa • nejrozšířenější organická sloučenina v rostlinách …….stavební polysach.rostlin • glukosové jednotky • lineární řetězec (vazba -1,4) • nerozpustná ve vodě hlavní komponenta vlákniny (zdroj celulosy: ovesné vločky, celozrnný chléb, luštěniny, zelenina, ovoce) celulosa v lékařství: obvazová vata, buničitá vata

Jaká je hlavní živina pro lidské tělo? SACHARIDY Využitelné sacharidy název zdroj v potravě škrob brambory, těstoviny, rýže, chleba,…… sacharosa cukr, sladké potraviny laktosa mléko, mléčné výrobky maltosa pivo glukosa součást sacharosy (sladké potraviny) fruktosa med, ovoce galaktosa součást laktosy (mléko, mléčné produkty) polysacharidy disacharidy monosacharidy

Jaký je význam nevyužitelných sacharidů? Nevyužitelné sacharidy vláknina Nevyužitelné sacharidy název Zdroj v potravě celulosa zelenina, luštěniny, ovesné vločky, celozrnné pečivo inulin artyčoky, kořeny a hlízy některých rostlin (topinambur, čekanka) 15

Vláknina nepatří mezi živiny, ale je nutné ji přijímat v dostatečném množství směs celulosy a dalších rostlinných biopolymerů, které nejsou enzymaticky hydrolyzovány v tenkém střevě. výskyt: výhradně rostlinná potrava rozdělení: - nerozpustná: celulosa, lignin, hemicelulosa - rozpustná: pektiny, rozpustná hemicelulosa význam vlákniny: podporuje střevní peristatiku, zvětšuje objem stolice přispívá k vylučování žlučových kyselin – nepřímá exkrece cholesterolu zpomaluje střevní absorpci požitých sachridů 16

Průměrný obsah celkové vlákniny (%) v některých potravinách Potravina (%) Otruby 44 Sušené fíky 19 Madle 15 Sušené švestky 14 Ovesné vločky 10 Borůvky 8 Celozrnné pečivo 7 Potravina (%) Luštěniny 6 Ořechy Švestky 4 Chléb běžný Mrkev 3 Jablka 2 Rohlík 1

ústa → žaludek → tenké střevo → portální žíla Trávení sacharidů polysacharidy (škrob) disacharidy Trávení: ústa → žaludek → tenké střevo → portální žíla 18 18

Ústa: Žaludek: slinná a-amylasa hydrolýza škrobu štěpení a-1,4 glykosidových vazeb produkty štěpení škrobu jsou dextriny (a maltosa) disacharidy jsou resistentní k a-amylase Žaludek: nízké pH – inaktivace slinné a-amylasy 19 19

Tenké střevo Portální žíla pankreatická a-amylasa hydrolýza a-1,4 glykosidových vazeb produkty štěpení: maltosa, isomaltosa, glukosa disacharidasy kartáčový lem enterocytů štěpení maltosy, sacharosy, laktosy produkty štěpení: monosacharidy absorpce monosacharidů transport (pasivní transport, sekundárně aktivní transport) Portální žíla transport do jater 20 20

Proč organismus nevyužívá celulosu jako zdroj energie ? a-amylasa štěpí a-1,4-glykosidovou vazbu b-1,4-glykosidovou vazbu ! 21 21

Nejvýznamnější sacharid v metabolismu GLUKOSA Glukosa 3,9-5,5 mmol/l (plasma) Hormonální regulace glukosy v krvi Glukagon zvyšuje hladinu glukosy v krvi Insulin snižuje hladinu glukosy v krvi 22 Glykemie = hladina glukosy v krvi 22

Stanovení glukosy v kapilární krvi GLUKOMETRY Accu-Chek® - Performa Nano Glukometr One touch Ultra Postup práce s glukometrem Další typy analyzátorů: Accutrend®Plus 23

Jaký je metabolicky nejvýznamější orgán v těle? JÁTRA Játra a sacharidy • zásobování ostatních tkání glukosou • metabolismus glukosy: degradace glukosy vznik energie tvorba prekurzorů pro syntézu různých molekul syntéza glykogenu v játrech glykogen zásoba glukosy degradace glykogenu v játrech glykogen doplňování hladiny glukosy v krvi syntéza glukosy v játrech glukoneogeneze doplňování hladiny glukosy v krvi 24 24

METABOLISMUS GLUKOSY Glykolýza Syntéza a odbourání glykogenu Pentosový cyklus Glukoneogeneze

Glykolýza Hlavní rysy glykolýzy hlavní metabolická dráha pro metabolismus glukosy lokalizace: cytoplasma • význam: produkce energie ve formě ATP produkce intermediátů pro ostatní metabolické dráhy zahrnuje metabolismus galaktosy a fruktosy typy: za aerobních podmínek: aerobní glykolýza za anaerobních podmínek: anaerobní glykolýza 26 26

Glykolýza glukosa pyruvát laktát acetyl-CoA schematicky Glc Glc-6-P fosforylace Glukosa-6-fosfát Glc-6-P pyruvát Pyr Anaerobní podmínky Aerobní podmínky laktát acetyl-CoA

Glukosa 2 Pyruvát ATP ATP 2 NADH 2 ATP 2 ATP 2 ATP Glukosa-6-P ADP ATP Glukosa Glukosa-6-P Fruktosa - 6 - P ATP ADP Fruktosa-1,6-bis P Glyceraldehyd -3 - P Dihydroxyaceton - P NAD+ 2 NADH Série reakcí 2 ATP 2 ATP Produkce energie 2 Pyruvát 2 ATP

Glykolýza glukosa pyruvát laktát acetyl-CoA schematicky fosforylace Glukosa-6-fosfát pyruvát Anaerobní podmínky Aerobní podmínky laktát acetyl-CoA 29

Anaerobní glykolýza pyruvát laktát glukosa Vznik laktátu: Anaerobní podmínky: NADH nemůže být reoxidováno v respiračním řetězci pyruvát LD laktát Vznik laktátu: LD pyruvát laktát NADH je reoxidováno v reakci katalyzované LD 30 30

V jakých buňkách probíhá anaerobní glykolýza? Vznik laktátu: v tkáních (buňkách) postrádajících mitochondrie př: erytrocyty v buňkách při nedostatečném přísunu kyslíku (hypoxie) v intenzivně pracujícím svalu (bílá svalová vlákna): intenzivní svalová činnost → akumulace laktátu → pokles intracelulárního pH → svalová bolest 31 31

Glykolýza glukosa pyruvát laktát acetyl-CoA schematicky fosforylace Glukosa-6-fosfát pyruvát Anaerobní podmínky Aerobní podmínky laktát acetyl-CoA

Aerobní glykolýza pyruvát acetyl-CoA ATP glukosa Aerobní podmínky: NADH je reoxidováno v respiračním řetězci (mitochondrie) pyruvát Přeměna pyruvátu na acetyl-CoA oxidativní dekarboxylace lokalizace: mitochondrie (matrix) multienzymový komplex: 3 enzymy a 5 kofaktorů kofaktory: thiamindifosfát, lipoová kyselina, CoA, FAD, NAD+ irreversibilní reakce acetyl-CoA CH3-CO-COOH + CoA-SH + NAD+ → CH3-CO-SCoA + CO2 + NADH + H+ pyruvát Acetyl-CoA Respirační řetězec Citrátový cyklus Respirační řetězec ATP ATP 33 33

38 ATP Energetická bilance anaerobní glykolýzy: 2 ATP Glukosa Pyruvát Laktát 38 ATP Energetická bilance aerobní glykolýzy: Glukosa Pyruvát acetyl-CoA citrátový cyklus NADH DŘ Sumárně aerobní glykolýza: Glukosa + 6 O2 + 38 ADP+Pi → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP

Jaký je průběh glykolýzy v kosterním svalu? Mírná práce (klid) Intenzivní práce Dostatečný přívod O2 Nedostatečný přívod O2 Aerobní glykolýza Anaerobní glykolýza Práce na kyslíkový dluh - tvorba laktátu - laktát →do krve→do jater→pyruvát Vytrvalostní běh Sprint červená svalová vlákna bílá svalová vlákna

Souhrn glykolýzy Aerobní glykolýza: dostatečný přívod kyslíku produkt: acetyl-CoA 38 ATP význam: produkce energie Anaerobní glykolýza: nedostatečný přívod kyslíku produkt: laktát 2 ATP význam: produkce energie ve specifických případech: tkáně za hypoxie buňky nemající mitochondrie (erytrocyty, leukocyty,..) při potřebě šetřit laktát pro glukoneogenezi 36 36

Vztah vitaminů k metabolismu sacharidů ? Viz. další přednáška

Glukoneogeneze glukosa glukoneogeneze glykolýza pyruvát glycerol Tkáňová lokalizace: játra, ledviny Kompartment buňky: cytoplasma Substráty: syntéza glukosy z nesacharidových sloučenin Syntéza glukosy de novo Význam: -syntéza glukosy během hladovění glukosa Schematicky: Glukosa-6-P glukoneogeneze glykolýza NE jednoduchá zpětná glykolýza reversibilní enzymové reakce, 3 irreversibilní reakce 3 nevratné reakce glykolýzy jsou nahrazeny jinými reakcemi (enzymy) pyruvát glycerol glukogenní aminokyseliny (př. alanin) laktát 38 38

Pentosový cyklus glukosa zdroj energie glukosa-6-P Pentosový cyklus Tkáňová lokalizace: většina tkání Kompartment:cytoplasma Schematicky: glukosa Význam zdroj energie Zdroj NADPH a pentos glukosa-6-P Pentosový cyklus Ribosa-5-fosfát NADPH   Redukční syntézy syntézy nukleových kyselin a nukleotidů 39 39

Metabolismus fruktosy Fruktosa Fruktosa-1-fosfát Zdroj fruktosy: Sacharosa HFCS-High-Fructose Corn Syrup Štěpení sacharosy: Tenké střevo Přeměny fruktosy: Játra Nezávislé na insulinu  Glykolýza Fruktosa „Rychlý“ zdroj energie Slazení fruktosou v současné době není doporučováno

GLYKOGEN Syntéza a odbourání • syntéza a odbourání glykogenu probíhá v řadě buněk. největší zásoby: játra a kosterní svalstvo. • kompartment buňky: cytoplasma • glykogen je zásobní forma glukosy v buňkách, je možno ji rychle uvolnit glykogen je zdroj energie glykogen je degradován, pokud glukosa klesne pod určitou hodnotu v krvi 41 41

Zásoby glukosy v těle Játra: cca 5-10 % hmotnosti jater (po jídle) Sval: cca 1-2% hmotnosti svalu, glykogen je degradován při svalové činnosti nebo stresu Zásoby glukosy v těle (cca 70 kg) Tkáň % hmotnosti tkáně Hmotnost tkáně (kg) Hmotnost glukosy (g) Játra 5.0 1.8 90 (glykogen) Sval 1 35 350 (glykogen) 42 42

Syntéza glykogenu Po jídle glykogeneze Glukosa Syntéza glykogenu • po jídle, aktivace insulinem Po jídle glykogeneze Glukosa Syntéza glykogenu Glukosa→ glukosa-6-P → glukosa-1-P → UDP-glukosa vznik lineárního řetězce s a-1,4-glykosidovými vazbami větvení (a-1,6-glykosidová vazba) glykogen 43 43

Odbourání glykogenu Hladovění, stres, svalová činnost • probíhá: - hladovění (játra) - svalová činnost (sval) - stres (játra, sval) • aktivace hormonální (glukagon, adrenalin) • fosforolytické štěpení -1,4 glykosidových vazeb enzymem fosforylázou Hladovění, stres, svalová činnost fosforolýza Odbourání glykogenu Glukosové jednotky 44 44

Odbourání glykogenu v játrech a v svalu Fosforolytické štěpení a-1,4-glykosidové vazby Odstranění a-1,6-větvení játra: glukosa-6-P → glukosa glukosa-1-P glukosa–6-P sval: glukosa-6-P Přeměny glukosa-6-P Glukoso-6-fosfatasa játra, ledviny glukosa-6-P glukosa Enzym glukoso-6-fosfatasa je pouze v játrech a ledvinách, nenachází se ve svalech. 45 45

Význam degradace glykogenu - játra vs. sval Glukosa v krvi je doplňována pouze štěpením jaterního glykogenu, nikoliv štěpením svalového glykogenu. Štěpení svalového glykogenu poskytuje glukosu-6-P, která je dále metabolizována přímo v buňce (glykolýzou). 46 46

Hormonální regulace Syntéza glykogenu Odbourání glykogenu • stimulace inzulinem • játra: stimulace glukagonem adrenalinem (hladovění, stres) • sval: stimulace adrenalinem (svalová práce, stres) 47

Hormonální regulace metabolismu glukosy INZULIN Snižuje glukosu v krvi Stimulace glykolýzy Inhibice glukoneogeneze Zvyšuje syntézu glykogenu GLUKAGON Zvyšuje glukosu v krvi Stimuluje glukoneogenezi Zvyšuje odbourání jaterního glykogenu Anabolické účinky „Stresové“ hormony: Adrenalin (zvyšuje odbourání glykogenu) Kortizol (zvyšuje glukoneogenezi z AK)

Přeměny glukosy v buňkách a jejich význam Pochod Význam glykolýza glukoneogeneze syntéza glykogenu glykogenolýza pentosový cyklus syntéza derivátů zisk energie, přeměna acetylCoA na mastné kyseliny doplnění glukosy při nedostatku tvorba zásob glukosy zdroj pentos, zdroj NADPH, glykoproteiny, 49 49

Schema metabolických drah glukosy glukosa pouze v játrech (a ledvinách) NADPH syntéza glykogenu glykogen (játra, svaly) pentosy (DNA, RNA ...) pentosový cyklus glukosa-6-P glykogenolýza glykolýza glukoneogeneze fruktosa pyruvát laktát anaerobní glykolýza oxidační dekarboxylace (nevratná !) mastné kyseliny lipidy acetyl-CoA citrátový cyklus + dýchací řetězec CO2 + H2O + energie

Metabolismus glukosy po jídle Inzulin CNS JÁTRA glykogen glukosa ERYTROCYTY Acetyl-CoA glukosa MK STŘEVO glukosa glukosa glykogen MK SVAL TG TUKOVÁ TKÁŇ

Metabolismus glukosy v postresorpční fázi Glukagon CNS JÁTRA glykogen glukosa ERYTROCYTY glukosa STŘEVO MK MK SVAL TG TUKOVÁ TKÁŇ

Metabolismus glukosy při hladovění Glukagon CNS JÁTRA glykogen glukosa ERYTROCYTY glukosa glukoneogeneze proteiny STŘEVO AK MK MK SVAL TG TUKOVÁ TKÁŇ

Patologické stavy při poruše metabolismu sacharidů Diabetes mellitus: (téma další přednášky) Jiné poruchy v metabolismu sacharidů (např. deficit enzymů – disacharidas)

Jiné poruchy v metabolismu sacharidů (Př. deficience disacharidas) Nedostatek laktasy laktosa (při nedostatku laktasy) je fermentována bakteriemi produkce plynů (CO2, CH4, H2) jsou pozorovány symptony laktosové intolerance. Laktosová intolerance Symptomy laktosové intolerance: nadýmání diarrhoea křeče bolesti břicha 55 55