Hurá!   WikiSkripta jsou v novém! Vzhled ale není jediná věc, která se změnila, pod kapotou je novinek mnohem víc. Podívejte se na podrobnosti.

Chemie živin

Z WikiSkripta

Náplň podkapitoly

  1. Přehled živin – sacharidy
  2. Přehled živin – lipidy
  3. Přehled živin – proteiny


Přehled živin – sacharidy

Klasifikace a struktura

Sacharidy, také nazývané glycidy, jsou nejrozšířenější organické látky na Zemi. Jejich molekuly tvoří atomy kyslíku, uhlíku a vodíku. Z chemického hlediska se jedná o polyhydroxyaldehydy a polyhydroxyketony. Ve své molekule obsahují funkční aldehydové nebo ketoskupiny, a také větší počet hydroxylových skupin.

Klasifikace sacharidů

Podle počtu jednotek v molekule rozlišujeme:

  • monosacharidy – nemohou být dále hydrolyzovány na jednodušší jednotky;
  • oligosacharidy – hydrolýzou vytvoří 2–10 jednotek monosacharidů;
  • polysacharidy – hydrolyzující se na více než 10 monosacharidů.
Monosacharidy a oligosacharidy obecně nazýváme cukry. Synonymem pro polysacharid je slovo glykan.


Monosacharidy dělíme podle:

  • Počtu C-atomů: triózy, tetrózy, pentózy, hexózy.
  • Funkční skupiny: aldózy a ketózy.


Polysacharidy dělíme na:

  • Homopolysacharidy: jedná se o polymery tvořené stejným druhem monosacharidu. Příkladem je škrob, glykogen či celulóza.
  • Heteropolysacharidy: jsou to polymery tvořené více než jedním typem monosacharidu. Příkladem je hemicelulóza.


Struktura sacharidů

Strukturu molekuly sacharidu můžeme vyjádřit různými vzorci:

  • Lineární (Fischerův) vzorec;

Strukt vzorec L-threosa.PNG

  • Cyklický (Hawortův) vzorec, který vzniká vytvořením heterocyklické struktury.

Chitosan Haworth.gif

Cyklus může být:
šestičlennýpyranóza – podle podobnosti se šestiuhlíkatým pyranem;
pětičlennýfuranóza – podle podobnosti s pětiuhlíkatým furanem.
  • Tollensův vzorec popisuje tvorbu cyklické struktury ze vzorce lineárního. Ukazuje reakci hydroxylu s karbonylovou skupinou za vzniku tzv. poloacetalové (hemiacetalové) struktury.
Izomerie

Je to stav, kdy mají sloučeniny se stejným sumárním vzorcem jiné strukturní uspořádání atomů v molekule. U molekul sacharidů se setkáváme s následujícími druhy izomerie.

D- a L- řada
Označuje se podle pozice −OH skupiny na posledním chirálním uhlíku. Přiřazení k příslušné řadě vychází z podobnosti s výchozí sloučeninou sacharidové řady – glyceraldehydem. Skupina −OH se ve Fischerově vzorci nachází vpravo pro D- a vlevo pro L- izomery.
Monosacharidy, které se běžně vyskytují v organismu, patří do D- řady a enzymy, jež katalyzují jejich přeměny, jsou pro tyto izomery stereospecifické.


D- a L- izomery jsou zrcadlovými obrazy tzv. enantiomeryoptické izomery. Liší se znaménkem optické otáčivosti, neboli směru, ve kterém otáčejí rovinu polarizovaného světla.
Neplatí však obecně, že by D- řada byla pravotočivá a L- řada levotočivá.
Ekvimolární směs enantiomerů se nazývá racemická směs, nebo také DL směs, a optickou aktivitu nevykazuje.
V přírodě se vyskytují častěji D- izomery .
DL-Mannoheptulose.svg
Pyranózy a furanózy
Označují se podle podobnosti cyklické formy příslušného monosacharidu s cyklem pyranu nebo furanu. Glukóza v roztoku se vyskytuje z více než 99 % ve formě gluko-pyranózy, zbylá část molekul, méně než 1 %, se pak objevuje ve formě gluko-furanózy.
α- a β- anomery
Označují se podle polohy hemiacetálového nebo hemiketalového −OH v cyklu. Hemiacetaly vznikají reakcí aldehydové a alkoholové skupiny, hemiketaly reakcí keto- a alkoholové skupiny.
Pokud je −OH skupina orientována na stejnou stranu jako −OH skupina označující příslušnost k D- nebo L- řadě, jde o α-anomer. Pokud je −OH skupina orientována na stranu protilehlou, jedná se o β-anomer.
U D- řady má proto α-anomer −OH skupinu orientovanou pod rovinu kruhu.

Anomery se liší optickou otáčivostí.

Například při rozpouštění krystalického cukru dochází k ustálení rovnováhy mezi oběma anomery, mění se přitom optická otáčivost roztoku, jev se nazývá mutarotace.
Epimery
Liší se od sebe polohou jedné −OH skupiny v molekule.
Příkladem jsou glukóza a manóza.

Příklad epimerů

Aldózy a ketózy
Označují se podle odlišné funkční skupiny na 1. a 2. uhlíku molekuly.

Význam pro tělo

Struktura glykogenu

Sacharidy nejsou pro tělo esenciální a běžně se v něm syntetizují, např. z aminokyselin nebo glycerolu.

  • Monosacharidy a disacharidy představují důležitý zdroj energie. Jsou nezbytné zejména pro buňky mozku a erytrocyty.
  • Polysacharidy slouží jako zásobárna energie – glykogen u živočichů.

Sacharidy plní i strukturní funkce, například jako součást glykoproteinů a glykolipidů v membránách.

Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Architektura biologických membrán.

Klíčovou roli hrají i při syntéze nukleových kyselin nebo koenzymů. Jsou též součástí mezibuněčné hmoty, například v molekulách proteoglykanů.

Přehled sacharidů

Monosacharidy a disacharidy

Jedná se o bílé krystalické látky rozpustné ve vodě, neutrální povahy, které ve vodných roztocích nedisociují. Mají polární charakter a −OH skupiny způsobují jejich sladkou chuť i silnou hydrataci v roztoku.
Nejdůležitějšími monosacharidy v potravě jsou glukóza, fruktóza a galaktóza. Z disacharidů sacharóza α-Glc (1→2) β-Fru používaná jako sladidlo, řepný cukr, laktóza, β-Gal (1→4) β-Glc, přítomná v mléce a maltóza, α-Glc (1→4) β-Glc, přítomná ve sladu.
Cukerné alkoholy
Cukerné alkoholy vznikají redukcí karbonylové skupiny na skupinu hydroxylovou. Například glucitol, neboli sorbitol, který vzniká redukcí glukózy či fruktózy.


Šedý zákal diabetiků je způsoben dlouhodobě zvýšenou koncentrací glukózy, jež se v čočce redukuje na glucitol. Jeho odstraňování probíhá pomalu, a jelikož je silně osmoticky aktivní, mění osmolaritu čočky. Proteiny čočky (krystaliny) se v takovém prostředí srážejí a tvoří ložiska silně rozptylující světlo.
Polyhydroxyderiváty karboxylových kyselin
Vznikají oxidací monosacharidů. Při oxidaci slabým činidlem se oxiduje aldehydová skupina a vytvářejí se aldonové kyseliny. Silnější činidla oxidují nejen aldehydovou skupinu, ale i primární −OH skupiny na konci molekuly, takže vznikají dikarboxylové aldarové kyseliny. Oxidace pouze primární −OH skupiny aldóz v těle probíhá enzymaticky za vzniku uronových kyselin. Například z glukózy vzniká glukuronová kyselina, významné konjugační činidlo v játrech, které napomáhá vylučování ve vodě špatně rozpustných látek.
Deoxycukry
Vznikají redukcí hydroxylové skupiny sacharidu. Příkladem je deoxyribóza, důležitá složka nukleových kyselin.
Aminocukry
Vznikají náhradou hydroxylové skupiny za skupinu −NH2. Mezi důležité aminocukry v organismu patří například D-glukosamin, součást molekul mezibuněčné hmoty.
Estery
Vznikají esterifikací hydroxylové skupiny H3PO4. Například vznik glukóza-6-fosfátu z molekuly glukózy. Nebo H2SO4 součásti proteoglykanů.
Glykosidy

Vznikají reakcí hydroxylové skupiny s:

  1. Alkoholem – vznik O-glykosidické vazby. Například vznik di- a polysacharidů, či vazba monosacharidů na proteiny přes aminokyseliny serin a threonin.
  2. Aminem – vznik N-glykosidické vazby. Příkladem je vazba na proteiny přes aspartát nebo vazba ribózy v nukleotidech.
Nejreaktivnější skupinou v molekule monosacharidu je anomerní skupina −OH.
Neredukujíci disacharidy vznikajú pokud se glykosidická vazba vytvoří mezi anomerními hydroxyly obou monosacharidů, jako například u sacharózy. Disacharid nereaguje s oxidačním činidlem.
Sacharóza
Redukující disacharid vzniká reaguje-li anomerní hydroxyl jednoho monosacharidu s jiným než anomerním hydroxylem druhého monosacharidu. Volné aldózy, monosacharidy, jsou redukující všechny, z disacharidů jsou redukující například laktóza či maltóza.
Aglykony jsou látky, které se vážou na monosacharidy prostřednictvím glykosidické vazby a samy sacharidy nejsou.

Polysacharidy a vláknina

Polysacharidy bývají látky amorfní a jsou buď ve vodě nerozpustné, nebo tvoří koloidní roztoky. Obecně se označují jako glykany. Mohou být tvořeny jen jedním typem monosacharidu, například glukózou jako u škrobu a glykogenu. Tyto polysacharidy pak označujeme jako glukany. Pokud monosacharid bude fruktóza, nazýváme tento polysacharid fruktan. Nebo jsou tvořeny různými monosacharidy a jejich deriváty, jako jsou glykosaminoglykany.
Zásobní polysacharidy jako škrob či glykogen jsou ve vodě částečně rozpustné, zatímco strukturní polysacharidy jako celulóza mají v struktuře mnoho intra- a intermolekulárních vodíkových můstků a jsou ve vodě nerozpustné.


Vláknina
Tvoří ji heterogenní skupina strukturních polysacharidů, které lidské enzymy nedokáží rozštěpit, a proto je nevstřebatelnou součástí potravy. Pro trávení je ovšem velmi důležitá – zvyšuje objem tráveniny, což urychluje střevní peristaltiku a škodlivé látky tak zůstávají v trávicím traktu kratší dobu. Současně na sebe váže některé cizorodé i endogenní látky, čímž zvyšuje jejich vylučování z organismu. Toto platí například pro žlučové kyseliny tvořené z cholesterolu – konzumace vlákniny tedy snižuje množství cholesterolu v organismu.

Vlákninu dělíme:

  1. Rozpustnou vlákninu (hemicelulóza, pektiny).
    Je štěpena bakteriemi tlustého střeva na mastné kyseliny s krátkým řetězcem, kyselina octová, propionová, máselná, jež jsou významným zdrojem energie pro kolonocyty.
Pektiny
  1. Nerozpustnou vlákninu (celulóza).
    Celulózu nedokážou rozštěpit ani bakteriální enzymy a z těla odchází nestrávená. Její význam spočívá ve zvyšování objemu tráveniny a podpoře peristaltických pohybů.
Stabilizace celulosy


Heteroglykosidy

Struktura proteoglykanů
Látky obsahující kromě sacharidové části i jiný typ sloučenin se nazývají aglykony. Patří sem:
  1. Proteoglykany
    Obsahují lineární dlouhé polysacharidové řetězce vázané na protein. Řetězce jsou tvořeny opakujícími se dimery aminocukr-uronová kyselina – ty se označují jako glykosaminoglykany (GAG).
  2. Glykoproteiny
    Glykoproteiny, čili proteiny na různých místech glykosylováné (O– nebo N– glykosidickou vazbou) krátkými větvenými molekulami oligosacharidů, na rozdíl od proteoglykanů neobsahují uronové kyseliny.
  3. Glykolipidy
    Glykolipidy, látky lipidové povahy mají v molekule jednu nebo několik monosacharidových jednotek.

Přehled živin – Lipidy

Klasifikace a struktura lipidů

Pro lipidy, skupinu chemicky i funkčně heterogenních látek, je společná nerozpustnost ve vodě – hydrofobnost, výborná rozpustnost v nepolárních rozpouštědlech a přítomnost alkoholů a mastných kyselin v molekule. V organizmu jsou často syntetizovány z acetyl-CoA.

Mastnými kyselinami se obvykle rozumí vyšší monokarboxylové kyseliny. Obsahují přibližně 8 a více atomů uhlíku, s typicky sudým počtem uhlíkových atomů (protože vznikají z acetyl-CoA). Pokud obsahují dvojné vazby, jsou zpravidla izolované a v cis-konfiguraci. Převahu mají kyseliny s délkou C16 a C18.

Klasifikace lipidů

Jednoduché lipidy

  • Acylglyceroly
  • Vosky

Složené lipidy

Struktura sfingolipidů

Jednoduché lipidy

Jednoduché lipidy jsou estery mastných kyselin a alkoholů. Jsou tvořené jen hydrofobní částí.

Acylglyceroly

Acylglyceroly (glyceridy) jsou estery vyšších mastných kyselin a glycerolu. Podle počtu molekul mastných kyselin navázaných na alkohol je dělíme na mono-, di- nebo triacylglyceroly. Největší význam pro nás mají triacylglyceroly, které jsou součást tuků – směsi tuhých triacylglycerolů, nebo olejů – směsi kapalných triacylglycerolů.

Triacylglycerol

Kyselou hydrolýzou acylglycerolů zpětně vznikají příslušné mastné kyseliny a glycerol.

Alkalickou hydrolýzou, zmýdelněním, vzniká glycerol a směs solí mastných kyselin – mýdla.

Vosky

Vosky jsou estery vyšších mastných kyselin a vyšších jednosytných alkoholů. Příkladem může být cetylalkohol s jedenácti uhlíkovými atomy, cerylalkohol s dvaceti dvěma uhlíky nebo myricylalkohol s třiceti atomy uhlíku.

Složené lipidy

Složené lipidy tvoří základní stavební prvek buněčných membrán. Řadíme mezi ně fosfolipidy, glykolipidy a lipoproteiny. Složené lipidy obsahují kromě hydrofobní části i složky hydrofilní. Označují se proto jako polární lipidy a tvoří micely a dvojvrstvy.

Fosfolipidy

Fosfolipidy obsahují ve své molekule zbytek kyseliny fosforečné H3PO4. Mezi fosfolipidy řadíme glycerolfosfolipidy a sfingofosfolipidy.

Fosfolipidová dvojvrstva
Glycerolfosfolipidy (fosfoacylglyceroly)

Základem glycerolfosfolipidů je molekula kyseliny fosfatidové, kterou tvoří glycerol esterifikovaný dvěma molekulami mastných kyselin a jednou molekulou H3PO4. Na fosfátovou skupinu kyseliny fosfatidové se může vázat další složka, např. cholin, serin, etanolamin apod. Nejpočetnější skupinou glycerolfosfolipidů jsou fosfatidylcholiny (lecitiny) a uplatňují se jako součást biologických membrán.

Mezi glycerolfosfolipidy dále patří fosfatidylethanolaminy (kefaliny), fosfatidylseriny a fosfatidylinositoly.
Sfingofosfolipidy
Sfingosin

Sfingofosfolipidy obsahují alkohol sfingosin, na který se váží další složky.

  • Sfingosin s navázanou mastnou kyselinou se nazývá ceramid.
  • Nejvýznamnější podskupinou jsou sfingomyeliny tvořené ceramidem s navázaným zbytkem kyseliny fosforečné a cholinem. Sfyngomyeliny se vyskytují například v nervové tkáni.
Glykolipidy

Glykolipidy obsahují jeden nebo více monosacharidů. Tyto monosacharidy jsou glykosidicky vázané na lipidovou součást molekuly mono- či diacylglycerolu nebo sfingosinu. Mezi glykolipidy řadíme cerebrosidy a gangliosidy.

  • Cerebrosidy jsou tvořeny molekulou ceramidu s navázanou galaktózou. Vyskytují se zejména v bílé hmotě CNS. Na cerebrosidy se může vázat H2SO4, pak je nazýváme sulfatidy.
  • Gangliosidy jsou tvořeny ceramidem, na který je navázaný oligosacharid, obvykle galaktóza a glukóza. Vyskytují se v gangliích nervových buněk a šedé hmotě CNS.
Lipoproteiny

Lipoproteiny jsou tvořeny kombinací lipidů a proteinů.

Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce [[1]].

.

Lipoproteinová částice

Esenciální mastné kyseliny

Lidský organismus dokáže molekulu mastné kyseliny desaturovat maximálně na pozici 9. uhlíku.
Pokud se dvojná vazba nachází dále, tělo ji vytvořit neumí a takové mastné kyseliny musíme přijímat v potravě a nazýváme je esenciální mastné kyseliny.

Kyselina linolová

Kyselina linolová je tvořena osmnácti uhlíky a dvěma dvojnými vazbami. Cis dvojné vazby jsou v polohách 9 a 12, a proto je označována jako ω-6.
Nachází se především v rostlinných olejích, například slunečnicovém. Má prozánětlivé účinky, stejně jako jiné ω-6 mastné kyseliny, a zvyšuje hladiny některých lipidů v plazmě.
Kyselina linolová se využívá při biosyntéze kyseliny arachidonové.

Kyselina arachidonová

Kyselina arachidonová je tvořena dvaceti uhlíky a čtyřmi dvojnými vazbami, také se jedná o ω-6 mastnou kyselinu. Funguje jako důležitý prekurzor biologicky aktivních látek – eikosanoidů (prostaglandiny, prostacykliny, leukotrieny a tromboxany).
Kyselina arachidonová

Kyselina α-linolenová

Kyselinu α-linolenovou tvoří osmnáct uhlíku a tři dvojné vazby. Cis dvojné vazby se nachází v polohách 9, 12 a 15, proto je označována jako ω-3. Nachází se především v rybách a mořských živočiších. Snižuje hladinu cholesterolu a TAG v těle a snižuje tak riziko kardiovaskulárních onemocnění, má i protizánětlivé účinky.

Význam lipidů pro tělo

Lipidy jsou nejredukovanější, a tedy energeticky nejbohatší živinou. Uplatňují se tak jako významný energetický substrát. Některé tkáně, jako např. mozek, je však v metabolismu běžně nedovedou využít. Pro svou hydrofobnost, díky které nevážou na rozdíl od sacharidů vodu, jsou nejefektivnější zásobárnou energie.
Tuky tvoří přibližně 15 % celkové hmotnosti u mužů, u žen je zastoupení vyšší kolem 20–25 %. Pro muže s průměrnou hmotností to představuje přibližně 10,5 kg TAG, jejichž oxidací můžeme získat kolem 400 000 kJ.


Další funkce
  • Strukturní funkce – tvoří například nezbytnou složku všech buněčných membrán.
  • Mechanická a ochranná funkce – podkožní tuk a tuk kolem orgánů izoluje tepelně a fyzikálně, myelinové pochvy neuronů izolují elektricky.
Myelinizovaný axon v elektronovém mikroskopu


Izoprenoidy

V organismu se nachází skupina látek, jejichž struktura se odvozuje od molekuly izoprenu – tvoří je dvě či více izoprenových jednotek.
Steroidy, deriváty triterpenoidů, obsahují šest izoprenových jednotek. Nejdůležitější zástupce steroidů, cholesterol, tvoří součást buněčných membrán, jeho deriváty (žlučové kyseliny, steroidní hormony) pak plní v organismu mnoho důležitých funkcí.

Přehled živin – proteiny

Klasifikace a struktura proteinů

Proteiny jsou makromolekulární organické látky tvořené řetězcem aminokyselin vzájemně spojených peptidovou vazbou. Ta spojuje jednoduchou kovalentní vazbou aminoskupinu jedné aminokyseliny a karboxylovou skupinu druhé aminokyseliny. Polykondenzací vzniká různě dlouhý řetězec aminokyselin ukončený na jedné straně volnou aminoskupinou, N-konec, a na straně opačné volnou karboxylovou skupinou, C-konec.
Peptidy představují oproti proteinům kratší řetězce aminokyselin (méně než 100) a mají molekulovou hmotnost pod 10 000.

Klasifikace proteinů

Proteiny můžeme dělit na dvě základní skupiny podle složení.
Jednoduché proteiny

Jednoduché proteiny obsahují řetězce tvořené jen aminokyselinami. Rozlišujeme:

  • Fibrilární proteiny – skleroproteiny
Fibrilární proteiny, ve vodě nerozpustné, plní zejména strukturní funkce. Jednotlivé peptidové řetězce jsou vzájemně propojeny příčnými vazbami tak, že tvoří paralelně probíhající vlákna. Příkladem fibrilárních proteinů jsou kolagen či keratin, vyskytující se v chlupech, kůži či nehtech.
Kolagenová vlákna I. typu (elektronový mikroskop)
  • Globulární proteiny – sféroproteiny
Řetězec globulárních proteinů má kulovitý tvar umožňující zabalení hydrofobních částí molekuly dovnitř. Jsou proto ve vodě rozpustné, např. albumin.
Složené proteiny

Složené proteiny obsahují kromě proteinové části i jinou neproteinovou strukturu. Rozlišujeme:

  • Glykoproteiny – obsahující glykosidicky vázaný sacharid;
  • Lipoproteiny – obsahující lipidy.


Struktura proteinů

V molekule proteinů můžeme rozlišit několik struktur:

Primární struktura
Primární struktura je podmíněna sekvencí aminokyselin v řetězci bílkoviny. Jejich pořadí čteme od N- k C-konci. Aminokyseliny řetězce jsou vzájemně spojeny peptidovými vazbami.
Sekundární struktura
Sekundární struktura je podmíněna vznikem vodíkových můstků mezi NH– a C=O skupinami peptidové vazby. Mezi nejčastější sekundární struktury patří alfa-helix a beta-skládaný list.
  • Alfa-helix
Řetězec bílkoviny je stočen do pravotočivé nebo levotočivé šroubovice s délkou jednoho závitu 3,6 aminokyselinových zbytků. Postranní řetězce vyčnívají směrem ven ze šroubovice.
Alfa-helix
  • Beta-skládaný list
Řetězce jsou dva, uspořádané rovnoběžně a antiparalelně. Vzájemně je stabilizují H-můstky.
Beta-skládaný list
Kromě těchto dvou sekundárních struktur se vyskytuje i mnoho jiných, například Zn-prst nebo Leu-zip.
Terciární struktura
Terciární struktura popisuje prostorové uspořádání molekuly podmíněné interakcemi mezi vedlejšími skupinami řetězce – elektrostatickými silami, H-můstky, SH-vazbami, nepolárními interakcemi apod.
Kvarterní struktura
Kvarterní struktura popisuje prostorové uspořádání podjednotek proteinů složených z více než jednoho řetězce. Podjednotky nejsou vzájemně spojeny peptidovými vazbami.
Denaturace je děj, při kterém dochází k narušení všech vyšších struktur proteinu kromě primární. Protein ztrácí svou funkčnost, jeho energetická hodnota ale zůstává zachována. Mezi příčiny mohou náležet vysoká teplota, změna pH nebo přítomnost solí těžkých kovů.

Aminokyseliny

Aminokyseliny jsou základní stavební složkou proteinů a peptidů. Obsahují nejméně jednu amino- (–NH2) a jednu karboxylovou (–COOH) skupinu.

Z hlediska biosyntézy je můžeme dělit na:

  1. Neesenciální, jež tělo dokáže syntetizovat: Gly, Ala, Pro, Ser, Tyr, Cys, Asp, Asn, Glu, Gln
  2. Esenciální, které musíme přijímat v potravě
  • větvené: Val, Leu, Ile
  • aromatické: Phe, Trp
  • zásadité (bazické): His a Arg (obě esenciální jen v dětství nebo v kritických stavech), Lys
  • s obsahem síry: Met
  • s OH−skupinou: Thr
Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Aminokyseliny.

Význam proteinů pro tělo

Význam proteinů pro lidské tělo je obrovský. Zároveň představují pro tělo jediný zdroj dusíku.

Searchtool right.svg Podrobnější informace naleznete na stránce Bílkoviny (1. LF UK, NT).

Plní funkce:

  • stavební – kolagen, elastin;
  • motorické – aktin, myosin;
  • informační – proteinové hormony;
  • obranné – imunoglobuliny, komplement, antigeny;
  • transportní – albumin, umožňují katalýzu (enzymy) a další.