Polysacharidy © Biochemický ústav LF MU (E.T.) 2008 1 Polysacharidy • biopolymery, až tisíce sacharid. jednotek • mezi monosacharidy je O-glykosidová vazba • nejsou sladké • většinou nejsou rozpustné ve vodě • jejich délka a složení může kolísat u jediného typu polysacharidu (nemají genetický kód jako proteiny) 2 Klasifikace polysacharidu Homopolysacharidy Heteropolysacharidy Obsahují jediný typ monosacharidu Obsahují více než jeden typ monosacharidu (škrob, glykogen, celulosa, inulin, agar ad.) (glykosaminoglykany, hyaluronová kyselina, glukofruktany ad.) 3 Biochemický význam polysacharidu • Zásoba energie (škrob, glykogen) • Strukturní funkce (celulosa, proteoglykany) • Součást glykoproteinů (rozlišovací funkce) (viz předn. Proteiny) • Ovliňují srážení krve (heparin) • Ovlivňují hospodaření s vodou (rotlinné gumy, slizy) 4 Homopolysacharidy 5 Škrob • lat. amylum, angl. starch • zásobní polysacharid rostlin • hlavní zdroj energie pro člověka • monosacharidovou podjednotkou je D-glukosa • ve vodě vytváří za horka koloidní roztok (škrobový maz) 6 Škrob je tvořen dvěma typy řetězců Amylosa Amylopektin 20-30 % 70-80 % nevětvený řetězec větvený řetězec 100-1000 D-glukosových zbytků 300-6000 D-glukosových zbytků vazby a-( 1 ® 4) vazby a-( 1 ® 4) a a-( 1 ® 6) 7 Struktura amylosy ho 8 Struktura amylopektinu Postranní řetězce obsahují 15-25 glukosových zbytků oh oh Ho o Větvení a-(1®6) nastává v průměru na každém 25 glukosovém zbytku 9 Škrob je hlavním zdrojem sacharidů v potravě • v ústech a v tenkém střevě je štěpen enzymem a-amylasou • a-amylasa štěpí a-(1®4) glykosidové vazby amylosa je štěpena na maltosu amylopektin je štěpen na dextriny Rozlišujte: amylasa x amylosa 10 Obsah škrobu v potravinách (průměrné hodnoty) Potravina Škrob (%) Pudinkový prášek 80 Mouka pšeničná 75 Rýže 75 Těstoviny 70 Rohlík 60 Luštěniny 60 Chléb 50 Celozrnné pečivo 40 Brambory 15 Banán 15 11 Glykogen • zásobní polysacharid živočichů a bakterií • struktura podobná amylopektinu, vazby a-(1®4) a a-(1®6) • větvení je četnější (5.-9. uhlík), boční řetězce jsou kratší • molekulová hmotnost vysoká (až 100 000 glukosových j ednotek) 12 Větvení glykogenu Zásoby glykogenu u člověka Játra 4-6 % hmotnosti jater vyčerpán za 24-36 hod Sval 1-2 % hmotnosti svalu slouží jako zdroj energie pro sval zásoba vydrží déle 14 Celulosa • strukturní polysacharid u rostlin • extracelulární lokalizace • monosacharidovou podjednotkou je D-glukosa • lineární polymer, vazby (3-(1®4) • 300-1500 glukosových jednotek • nerozpustná ve vodě, pevná 15 Geiuiosa 16 Mezi řetězci celulosy j sou intra- i inter- molekulární vodíkové vazby To vede k tvorbě vláken a svazků 17 Štěpení celulosy vazby p-( 1 ®4) nej sou štěpitelné a-amylasou V člověk a další savci neumí celulosu metabolizovat přežvýkavci mají v trávicím traktu bakterie, které produkují p-glukosidasy - mohou využívat celulosu jako zdroj glukosy Obsah celulosy v potravinách Potravina % celulosy Otruby 44 Ovesné vločky 10 Rybíz 9 Celozrnné pečivo 7 Luštěniny 6 Ořechy 6 Broskve, švestky 4-5 Chléb 4 Mrkev 3 Rohlík 1 Celulosa je hlavní součástí tzv. nerozpustné dietní vlákniny Nerozpustná (celulosa, lignin, hemicelulosa) Vláknina Rozpustná Pektiny, gumy, slizy, rozpustné hemicelulosy : 20 Vláknina potravy • angl. dietary fibre • „nevyužitelné sacharidy" • směs celulosy a dalších polymerů sacharidových i nesacharidových • vyskytuje se výhradně v rostlinné stravě • nepatří mezi živiny, je však důležité ji přijímat v dostatečném množství 21 Vláknina není metabolizována ani resorbována v tenkém střevě V tlustém střevě je většina rozpustné vlákniny zkvašena Nerozpustná vláknina prochází nerozložena 22 Zdroje vlákniny Rozpustná Nerozpustná Luštěniny Obilniny (oves, žito, ječmen) Některé ovoce (jablka, banány) Zelenina (brokolice, mrkev, brambory) celozrnná jídla Otruby Ořechy a semena Zelenina (květák, fazole, cuketa) Slupky některých druhů ovoce a rajčat Kolik vlákniny denně? ? 10-20 g ? 23 Význam vlákniny • podporuje střevní peristaltiku, zvětšuje objem stolice • váže žlučové kyseliny - nepřímá exkrece cholesterolu • podporuje sacharolytické (kvasné) procesy ve střevě • zpomaluje střevní absorpci požitých sacharidů (zplošťuje glykemickou křivku) • zpomaluje resorpci i jiných živin • nadbytek vlákniny však může škodit (zmenšená resorpce minerálů, vitamínů apod.) 24 Co je vhodnější pro diabetika: rohlík nebo chléb? Druh pečiva Škrob (%) Vláknina (%) Rohlík 60 1 Chléb (běžný) 50-55 3-5 Celozrnné (graham) 35-45 6-10 25 Oligofruktany, inulin • obsaženy v malých množstvích v ovoci a zelenině, v kořenech a hlízách některých rostlin (topinambury, čekanka, jakon, artyčoky) • monosacharidovou podjednotkou je fruktosa nasládlá chuť jsou rovněž součástí vlákniny jakon čekanka 26 Probiotika a prebiotika Probiotika Prebiotika živé mikroorganismy nestravitelné potravinové doplňky upravují složení střevní mikroflóry nepatogenní a netoxikogenní selektivně stimulují růst a/nebo životní aktivity laktobacilů a bifidobakterií v tlustém střevě přežívají v potravinách a vydrží průchod prostředím žaludku a tenkého střeva. nejčastěji laktobacily a bifidobakterie. 27 Dextrany • polysacharidy z D-glukosy, zvláštní větvení • ze sacharosy bakteriální přeměnou • molekulové hmotnosti 104-106 • náhražky krevní plazmy (ztráty krve, popáleniny) • synteticky upravené zesíťování - molekulární síta na gelovou filtraci 28 Struktura dextranu H .OH Dextran a zubní kaz • bakterie dutiny ústní (např. Streptococcus mutans) štěpí sacharosu na glukosu a fruktosu • bakteriální enzym dextrantransglukosylasa katalyzuje syntézu dextranu z glukosy • dextran je nerozpustný a rezistentní vůči slinné amylase a vytváří na zubech plaky • bakterie metabolizují fruktosu na kyselinu mléčnou (pKA = 3,86), která poškozuje zubní sklovinu 30 Heteropolysacharidy 31 Glykosaminoglykany • nevětvené heteropolysacharidy • j sou součástí proteoglykanů a peptidoglykanů • tvořeny opakujícími se disacharidovými jednotkami: [ glykosamin - uronová kyselina]- Glukosamin, galaktosamin Glukuronová, (často acetylovány) galakturonová, iduronová Specifické -OH skupiny sacharidů mohou být sulfatovány 32 Srovnání struktury glukosaminu a N-acetylglukosaminu HO O OH OH NH2 Glukosamin (GlcN) bazický HO O OH OH O NH- C C Ha N-acetylglukosamin (GlcNAc) nebazický SS Srovnání struktury glukosy a glukuronové kyseliny CH2OH O OH OH OH OH COOH O OH OH OH OH p-D-Glukosa p-D-Glukuronová kyselina (GlcUA) neutrální kyselá 34 Srovnání struktury a-D-glukuronové a ß-L- iduronové kyseliny COOH OH OH a-D-Glukuronová kyselina b-L-iduronová kyselina Jsou 5-epimery 35 HO O, S O O OH OH OH O OH OH OH NH SO-3 O NH-C \ HO CH3 -O3S O Příklady sulfatovaných monosacharidu O OH OH NH2 3e Hlavní typy glykosaminoglykanů (GAG) Heteroglykan Složení • hyaluronová kyselina • Glc-NAc, Glc-UA • chondroitin-4-sulfát • Gal-NAc-4-sulfát, Glc-UA • chondroitin-6-sulfát • Gal-NAc-6-sulfát, Glc-UA, • keratansulfát • Gal-NAc, sulfát • heparin • Glc-NAc, Glc/Ido-UA, sulfát • dermatansulfát • Gal-NAc, Glc/Ido-UA, sulfát 37 Heparin Kyselý glykosaminoglykan D-glukosamin L-iduronová D-glukosamin L-glukuronová sulfatovaný Získáván ze zvířecích zdrojů UH (UHF)- unfractioned heparin - neselektivní působení (MH 3-40 tisíc) LMWH - nízkomolekulární heparin (MH 4,5-6 tisíc) v 7 38 Pentasacharidový řetězec heparinu-vazebné místo pro ATIII HXOS03 coo- o -o (or-H) HXOS03 HXOSO 3 o. \ \OH O .OH -o O vOSO: o coo- .OH O. -o o OH O- KHCOCH, OH KHS03- OSO, KHS03" (nebo -S03") N-acetylglukosamin kyselina glukuronová N-sulfoglukosamin kyselina iduronová -6-O-sulfát 3,6-O-disulfát (2-O-sulfát) N-sulfoglukosamin 3,6-O-disulfát 39 Heparin • zabraňuj e srážení krve in vivo + in vitro • vytváří komplex s antitrombinem • je produkován žírnými buňkami • prevence a léčba trombóz, po IM, chirurgických výkonech, po náhradě srdečních chlopní apod. • příprava nesrážlivé krve pro laboratorní a transfůzní účely 40 Kyselina hyaluronová Hlavní GAG extracelulární matrix, není sulfatována HO COO O COO© 4< OH OO 1 GlcUA NHCOCH3 GlcNAc 41 Glykosaminoglykany jsou často součástí proteoglykanů | Proteoglykany • komplexy glykosaminoglykanů a specifických proteinů • obsah heteroglykanů až 95 %, řetězce 10-100 cukerných jednotek • nejčastěji O-glykosidová vazba mezi proteinem a glykanem, koncová sekvence Gal-Gal-Xyl • nachází se přednostně v extracelulární matrix živočichů 42 Proteoglykan chrupavky Kys. hyaluronová Spojovací protein Osový protein Heteroglykany Délka vlákna kys.hyaluronové je až 4000 nm Osové proteiny jsou asociovány s kyselinou hyaluronovou pomocí spojovacích proteinů, na osové proteiny se vážou glykany 43 Agrekan Hlavní proteoglykan chrupavky 100 GAG mím immmmwzís^asf. Protein jádra (core) Mr ~ 200 000 5-15% hmotnosti lis i — core protein chondroitín sulphate keratan sulphate f AM inked oligosaccharide 0-1 inked oligosaccharide 44 Agregáty agrekanu Spojovací protein Vazba agrekanu na hyaluronan za pomocí spojovacích proteinů agrekan hyaluronan 45 Význam proteoglykanů pro funkci chrupavky • Chrupavka se skládá z chondrocytů a mezibuněčné hmoty • Mezibuněčná hmota je tvořena sítí kolagenu (60%) obklopeného velkými proteoglykanovými agregáty. •Z heteroglykanů jsou přítomny kyselina hyaluronová, chondroitin-4-sulfát, chondroitin-6-sulfát a keratansulfát. 46 Vlastnosti chrupavky • Velké množství záporně nabitých zbytků (-COO-, -SO3-) uděluje proteoglykanům vysoký záporný náboj • Záporné náboje váží kationty kovů, které jsou osmoticky aktivní • GAG jsou proto silně hydratovány a zaujímají velký objem (103-104x větší než vlastní objem molekul) •Tato vlastnost způsobuje elasticitu a odolnost chrupavky vůči tlaku 47 Změna chrupavky po zátěži 48 Význam kloubní chrupavky Chrupavka na rozdíl od kosti je deformovatelná. Je schopna absorbovat mechanickou sílu a rovnoměrně ji přerozdělit Chrání tak kloub před mechanickým poškozením 49 Využití potravinových doplňků s glukosaminem a chondroitinsulfátem při léčbě osteoartritidy ? •Tyto látky mohou stimulovat tvorbu nové chrupavky. •Publikována řada studií o tom, že pomáhají udržovat zdravé funkce kloubů a jejich pohyblivost. •Není přesně známo, jakým mechanismem působí 50 Další funkce proteoglykanů • váží signální molekuly v extracelulární matrix (např. růstové faktory) • některé proteoglykany jsou součástí plazmatické membrány (ovlivňuj í mezibuněčnou komunikaci, buněčný růst, působí jako receptory) • j sou v bazální membráně ledvinných glomerulů • vyskytují se i intracelulárně 51