1. Chemie živin

Náplň podkapitoly:

1. Přehled živin – Sacharidy
2. Přehled živin – Lipidy
3. Přehled živin – Proteiny

_

Přehled živin – Sacharidy

Klasifikace a struktura

Sacharidy (z latinského saccharum – cukr), také nazývané glycidy, jsou nejrozšířenější organický látky na Zemi. Jejich molekuly tvoří atomy kyslíku, uhlíku a vodíku. Z chemického hlediska se jedná o polyhydroxyaldehydy a polyhydroxyketony, což znamená, že ve své molekule obsahují kromě funkční aldehydové nebo ketoskupiny také větší počet hydroxylových skupin.

Klasifikace sacharidů

Podle počtu jednotek v molekule rozlišujeme monosacharidy (ty už nemohou být dále hydrolyzovány na jednodušší jednotky), oligosacharidy (hydrolýzou vytvoří 2-10 jednotek monosacharidů) a polysacharidy (hydrolyzující se na více než 10 monosacharidů). Monosacharidy a oligosacharidy obecně nazýváme cukry. Synonymem pro polysacharid je slovo glykan.

Monosacharidy můžeme dále dělit dle:

1) Počtu C-atomů: triózy, tetrózy, pentózy, hexózy atd.

2) Funkční skupiny: aldózy a ketózy

Polysacharidy můžeme dělit na:

1) Homopolysacharidy: jedná se o polymery tvořené stejným druhem monosacharidu. Příkladem je škrob, glykogen či celulóza

2) Heteropolysacharidy: jsou to polymery tvořené více než jedním typem monosacharidu. Příkladem je hemicelulóza

Strukturu molekuly sacharidu můžeme vyjádřit různými vzorci: 1) Lineární (Fischerův) vzorec

2) Cyklický (Hawortův) vzorec, který vzniká vytvořením heterocyklické struktury. Cyklus může být:

a) šestičlennýpyranóza (podle podobnosti se šestiuhlíkatým pyranem) b) pětičlenný furanóza (podle podobnosti s pětiuhlíkatým furanem)

3) Tvorbu cyklické struktury z lineárního vzorce popisuje Tollensův vzorec. Ukazuje reakci hydroxylu s karbonylovou skupinou za vzniku tzv. poloacetalové (hemiacetalové) struktury

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

1) D- a L- řada se označuje podle pozice OH- skupiny na posledním chirálním uhlíku. Přiřazení k příslušné řadě vychází z podobnosti s výchozí sloučeninou sacharidové řady – glyceraldehydem (OH- skupina 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. entantiomery, optické izomery) a mohou se lišit znaménkem optické otáčivosti (čili směru, ve kterém otáčejí rovinu polarizovaného světla). Neplatí však obecně, že by D- řada byla pravotočivá a L- řada levotočivá. Každá může být + (pravotočivá) nebo – (levotočivá). Ekvimolární směs entantiomerů (a tedy ekvimolární směs D- a L-izomeru) se nazývá racemická směs (nebo také DL směs) a optickou aktivitu nevykazuje.

2) Pyranózy a furanózy se označují 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.

3) α- a β- anomery se označují 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. Stáčí-li na stranu opačnou, 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.

4) Epimery se od sebe liší polohou jedné OH- skupiny v molekule.

Příkladem jsou galaktóza (4-epimer glukózy) a manóza (2-epimer).

5) Aldózy a ketózy se označují podle odlišné funkční skupiny na 1. a 2. uhlíku molekuly.

Význam pro tělo

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

Monosacharidy a disacharidy představují velmi důležitý zdroj energie nepostradatelný 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, klíčovou roli hrají i při syntéze nukleových kyselin nebo koenzymů. Jsou též součástí mezibuněčné hmoty, například v molekulách proteoglykanů.

Přehled sacharidů

1) Monosacharidy a disacharidy

Jedná se o bílé krystalické látky rozpustné ve vodě, neutrální povahy (ve vodných roztocích nedisociují). Mají polární charakter a OH- skupiny zapříčiňují 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 (stolní cukr), laktóza (β-Gal (1→4) β-Glc) přítomná v mléce a maltóza (α-Glc (1→4) β-Glc) přítomná ve sladu.

Mezi důležité deriváty monosacharidů patří:

a) Cukerné alkoholy

Cukerné alkoholy vznikají redukcí karbonylové skupiny na skupinu hydroxylovou. Jako příklad lze uvést glucitol (neboli sorbitol), který vzniká redukcí glukózy či fruktózy.

Klinická korelace:

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.

b) 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, tak vznikají dikarboxylové aldarové kyseliny. Je možná i 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).

c) Deoxycukry

Rodí se redukcí hydroxylové skupiny sacharidu. Příkladem je deoxyribóza, důležitá složka nukleových kyselin.

d) Aminocukry

Tvoří se náhradou hydroxylové skupiny za NH2-skupinu. Mezi důležité aminocukry v organismu patří například D-glukosamin, součást molekul mezibuněčné hmoty.

e) Estery

Vznikají esterifikací hydroxylové skupiny H3PO4 (příkladem je vznik glukóza-6-fosfátu z molekuly glukózy) nebo H2SO4 (součásti proteoglykanů).

f) Glykosidy

Vznikají reakcí hydroxylové skupiny s:

1. alkoholem (O-glykosidická vazba): příkladem je vznik di- a polysacharidů či vazba monosacharidů na proteiny přes aminokyseliny serin a threonin.

2. aminem (N-glykosidická vazba): příkladem je vazba na proteiny přes aspartát nebo vazba ribózy v nukleotidech.

Látky, které se vážou na monosacharidy prostřednictvím glykosidické vazby a samy sacharidy nejsou, nazýváme aglykony.

Nejreaktivnější skupinou v molekule monosacharidu je anomerní OH- skupina. Pokud se glykosidická vazba vytvoří mezi anomerními hydroxyly obou monosacharidů, jako například u sacharózy, je vznikající disacharid neredukující (tj. nereaguje s oxidačním činidlem). Reaguje-li anomerní hydroxyl jednoho monosacharidu s jiným než anomerním hydroxylem druhého monosacharidu, je vznikající disacharid redukující. Volné aldózy (monosacharidy) jsou redukující všechny, z disacharidů jsou redukující například laktóza či maltóza.

2) 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 se pak označují jako glukany, fruktany atd.), nebo jsou tvořeny různými monosacharidy a jejich deriváty (např. 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.

Vlákninu tvoří 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 (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. Více informací o vláknině v: Podkapitole 9/3.

Vlákninu můžeme dělit na:

a) Rozpustnou vlákninu (hemicelulóza, pektiny) štěpenou bakteriemi tlustého střeva na mastné kyseliny s krátkým řetězcem (kyselina octová, propionová, máselná), jež jsou významným zdrojem energie pro kolonocyty.

b) Nerozpustnou vlákninu (celulóza), kterou nedokážou rozštěpit ani bakteriální enzymy a z těla odchází nestrávená. Její význam spočívá ve zvyšování objemu tráveniny a podpoře peristaltických pohybů.

3) Heteroglykosidy

Kromě molekul tvořených pouze sacharidy existují i látky obsahující kromě sacharidové části i jiný typ sloučenin – aglykony. Mezi tyto látky známé pod pojmem heteroglykosidy patří:

a) Proteoglykany

Proteoglykany obsahují lineární dlouhé polysacharidové řetězce (v molekule převažující) vázané na protein. Řetězce jsou tvořeny opakujícími se dimery aminocukrů-uronových kyselin – ty se označují jako glykosaminoglykany.

Proteoglykan-01

b) Glykoproteiny

Glykoproteiny, čili proteiny na různých místech glykosylováné (O- nebo N- glykosidickou vazbou) krátkými větvenými molekulami oligosacharidů, na rozdíl od proteoglykanů neobsahují uronové kyseliny.

c) Glykolipidy

Glykolipidy, látky lipidové povahy mají v molekule jednu nebo několik monosacharidových jednotek.

_

Přehled živin – Lipidy

Klasifikace a struktura

Pro lipidy, skupinu chemicky i funkčně heterogenních látek je společná hydrofobnost (nerozpustnost ve vodě, a naopak výborná rozpustnost v nepolárních rozpouštědlech) a přítomnost alkoholů a mastných kyselin v molekule. Jejich biosyntéza v organismu často vychází z acetyl-CoA.

Mastnými kyselinami (MK) se obvykle rozumí vyšší monokarboxylové  kyseliny (obsahující přibližně 8 a více atomů C) 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
1) Jednoduché lipidy

Jednoduché lipidy jsou lipidy tvořené jen hydrofobní částí – jedná se o estery mastných kyselin a různých alkoholů.

a) Acylglyceroly (glyceridy)

Acylglyceroly jsou estery vyšších mastných kyselin a glycerolu. Podle počtu molekul MK navázaných na alkohol se může jednat o mono-, di- nebo triacylglyceroly. Největší význam pro nás mají triacylglyceroly, součást tuků (směsi tuhých triacylglycerolů) nebo olejů (směsi kapalných triacylglycerolů).

Kyselou hydrolýzou acylglycerolů zpětně vznikají příslušné mastné kyseliny a glycerol. Produktem alkalické hydrolýzy (tzv. zmydelnění) jsou glycerol a směs solí mastných kyselin – mýdla.

b) Vosky

Vosky jsou estery vyšších MK a vyšších jednosytných alkoholů, jako příklad slouží cetylalkohol s jedenácti uhlíkovými atomy, cerylalkohol s dvaceti dvěma C nebo myricylalkohol s třiceti atomy uhlíku. Vůči hydrolýze velice odolné vosky jsou proto pro nás nestravitelné.

2) 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 se schopností tvořit micely a dvojvrstvy.

a) Fosfolipidy

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

1. Glycerolfosfolipidy (fosfoacylglyceroly)

Základem glycerolfosfolipidů je molekula kyseliny fosfatidové, kterou tvoří glycerol esterifikovaný dvěma molekulami MK a jednou molekulou H3PO4. Na fosfátovou skupinu kyseliny fosfatidové se může vázat další složka, např. cholin, serin, ethanolamin apod. Nejpočetnější skupina glycerolfosfolipidů, tzv. fosfatidylcholiny (čili lecithiny), se uplatňuje jako součást biologických membrán.

Z dalších glycerolfosfolipidů můžeme zmínit fosfatidylethanolaminy (kefaliny), fosfatidylseriny (kefaliny) či fosfatidylinositoly.

2. Sfingofosfolipidy

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.

b) Glykolipidy

Glykolipidy obsahují jeden nebo více monosacharidů glykosidicky vázaných na lipidovou součást molekuly – mono- či diacylglycerol nebo sfingosin. Mezi glykolipidy řadíme cerebrosidy a gangliosidy.

1. Cerebrosidy

Jejich molekula se skládá z ceramidu s navázanou galaktózou. Vyskytují se zejména v bílé hmotě CNS. Na cerebrosidy se může vázat H2SO4, pak hovoříme o tzv. sulfatidech.

2. Gangliosidy

Molekula gangliosidu obsahuje na ceramid vázaný oligosacharid (obvykle tvořen galaktózou a glukózou). Místem jejich výskytu jsou ganglia nervových buněk a šedá hmota CNS.

c) Lipoproteiny

Lipoproteiny jsou tvořeny kombinací lipidů a proteinů. O jejich roli v lidském těle více pojednává Podkapitola 5/2.

Esenciální MK

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 – esenciální mastné kyseliny

Hlavní esenciální mastná kyselina, kyselina linolová (18:2, cis dvojné vazby v polohách 9 a 12, proto je označována jako ω-6), se nachází především v rostlinných olejích (například slunečnicovém). Kyselina linolová se využívá při biosyntéze kyseliny arachidonové (20:4, také ω-6 mastná kyselina), fungující jako důležitý prekurzor mnoha biologicky aktivních látek, tzv. eikosanoidů (prostaglandiny, prostacykliny, leukotrieny a tromboxany). Kyselina linolová (a jiné ω-6 mastné kyseliny) má skrze své působení prozánětlivé účinky a zvyšuje hladiny některých lipidů v plazmě. Kyselina α-linolenová (18:3, cis dvojné vazby v polohách 9, 12 a 15, proto je označována jako ω-3) se nachází především v rybách a mořských živočiších. Snižuje hladinu cholesterolu a TAG v těle a snižuje tak riziko kardiovaskulárních onemocnění, má i protizánětlivé účinky.

Význam 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 (20-25%). Pro muže s průměrnou hmotností to představuje přibližně 10,5 kg TAG, jejichž oxidací můžeme získat kolem 400 000 kJ.

Kromě energetické funkce mají lipidy i významnou strukturní funkci. Tvoří například nezbytnou složku všech buněčných membrán. Dále můžeme zmínit mechanickou a ochrannou funkcipodkožní tuk a tuk kolem orgánů izoluje tepelně a fyzikálně, myelinové pochvy neuronů izolují elektricky.

Lipidy jsou též významným rozpouštědlem některých látek (vitaminy rozpustné v tucích) a jsou výchozí látkou pro syntézu mnoha pro tělo významných látek – eikosanoidy, steroidní hormony, žlučové kyseliny apod.

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

Proteiny jsou makromolekulární organické látky tvořené řetězcem aminokyselin (AK) 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:

1) Jednoduché proteiny

Jednoduché proteiny obsahují jen řetězce tvořené aminokyselinami. Rozlišujeme fibrilární a globulární proteiny.

a) Fibrilární proteiny (skleroproteiny)

Fibrilární proteiny, ve vodě nerozpustné, plní zejména strukturní (stavební) funkce. Jednotlivé peptidové řetězce jsou vzájemně přepojeny příčnými vazbami tak, že tvoří paralelně probíhající vlákna. Příkladem fibrilárních proteinů jsou kolagen (součást pojivové tkáně) či keratin (vyskytující se v chlupech, kůži či nehtech).

b) Globulární proteiny (sféroproteiny)

Globulárními proteiny rozumíme takové proteiny, jejichž řetězec má kulovitý tvar umožňující zabalení hydrofobních částí molekuly dovnitř. Jsou proto ve vodě rozpustné. Jako příklad lze uvést kupříkladu albumin.

2) Složené proteiny

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

a) Glykoproteiny obsahující glykosidicky vázaný sacharid

b) Metaloproteiny obsahující iont kovu (Fe, Cu), například ferritin nebo transferin

c) Chromoproteiny obsahující jako prostetickou skupinu pigment, například hemoglobin, cytochromy či myoglobin

d) Nukleoproteiny obsahující navázané nukleové kyseliny

e) Lipoproteiny obsahující lipidy

V molekule proteinů můžeme rozlišit několik struktur:

1) 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.

2) 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.

a) 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.

b) Beta-skládaný list

Řetězce jsou dva, uspořádané rovnoběžně a antiparalelně. Vzájemně je stabilizují H-můstky.

Kromě těchto dvou sekundárních struktur se vyskytuje i mnoho jiných, například Zn-list nebo Leu-zip.

3) Terciární struktura

Terciární struktura popisuje prostorové uspořádání molekuly podmíněné interakcemi mezi vedlejšími skupinami řetězceelektrostatickými silami, H-můstky, SH- vazbami, nepolárními interakcemi apod.

4) 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 (AK)

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

a) větvené: Val, Leu, Ile

b) aromatické: Phe, Trp

c) zásadité (bazické): His a Arg (obě esenciální jen v dětství nebo v kritických stavech), Lys

d) s obsahem síry: Met

e) s OH-skupinou: Thr

Význam pro tělo

Význam proteinů pro lidské tělo je obrovský. Plní funkce stavební (kolagen, elastin, …), motorické (aktin, myosin, …), informační (proteinové hormony), obranné (imunoglobuliny, komplement, antigeny), transportní (albumin), umožňují katalýzu (enzymy) a jiné. Představují pro něj současně jediný zdroj dusíku.

_

Autor podkapitoly: Petra Lavríková

cc-by-sa