Sacharidy sú dôležitým zdrojom energie. Vyššie organizmy ich získavajú potravou ako produkty zelených rastlín vznikajúcich v procese fotosyntézy.
Fotosyntéza (fotosyntetická asimilácia).
Fotosyntéza predstavuje súbor reakcií prebiehajúcich v chloroplastoch zelených rastlín, ktorýmisa premieňa voda a oxid uhličitý s využitím slnečnej radiácie na sacharidy. Ako vedľajší produkt sa uvoľňuje kyslík.
Proces fotosyntézy sa skladá z dvoch typov reakcií:
1.reakcie, ktoré priamo závisia od svetelnej energie (tzv. svetelná fáza)
2.reakcie, ktoré môžu prebiehaťza tmy (tzv. tmavá fáza)
Svetelná fáza fotosyntézy.
V tejto fáze fotosyntézy sa energia slnečného žiarenia premieňa na energiu chemickú, ktorá sa akumuluje v zlúčeninách bohatých na energiu. Uskutočňuje sa v dvoch pigmentových systémoch:
vo fotosystéme I, v ktorom je aktívnym chlorofyl a, kt. absorbuje fotóny s vlnovou dĺžkou 700 nm (označuje sa P700) a
vo fotosystéme II, ktorý obsahuje molekuly chlorofylu a aj b. Ich absorpčné maximum je asi 680 nm (P680).
Chlorofyly oboch systémov sú viazané na nosičové bielkoviny. Podstatou tejto fázy fotosyntézy je absorpcia fotónov slnečného žiarenia molekulami chlorofylu (zelené farbivo rastlín). Prostredníctvom týchto „zberačov“ je zhromaždená energia prenesená na molekulu chlorofylu a v tzv. reakčnom centre, čím sa dostane do excitovaného (vzbudeného) stavu. Základom tejto premeny je prechod do hladiny s vyššou energiou. Elektrón obohatený o energiu fotónu prijme od excitovanej molekuly aktívneho chlorofylu najbližší prenášač. Prijatím elektrónu sa ionizuje aj molekula prenášača (prijatím elektrónu sa redukuje a odovzdaním oxiduje). Primárny akceptor môže ďalej odovzdávať elektróny na ďaľšie prenášače (redoxné systémy), ktoré sú usporiadané do reťazca. Prenosom elektrónov na nižšiu energetickú hladinu dochádza k postupnému uvoľneniu energie, ktorá sa využíva na tvorbu ATP.
Pretože pri fotosyntéze je prenos elektrónov, pri ktorom vzniká ATP, vyvolaný absorpciou fotónu dopadajúceho na chlorofyl, nazýva sa tento dej získavania energie fotofosforylácia. Prebieha dvoma spôsobmi- cyklicky a necyklicky.
Cyklická fotofosforylácia.
Pri tomto procese sa molekuly chlorofylu P700 fotosystému I excitujú absorbovanými fotónmi slnečného žiarenia. Excitované elektróny sú prenášané na feredoxín cez komplex cytochrómov „b“ a „f“ a plastochinón späť na molekulu P700, ktorá sa tak regeneruje do pôvodného (redukovaného) stavu.
Necyklická fotofosforylácia.
Pri tomto procese spolupracujú oba fotosystémy I a II. P680 ožiarením prejde do excitovaného stavu. Akceptorom je látka povahy karotenoidov (označovaná symbolom Q). Elektróny sú prenášané cez systém prenášačov a zaplnia medzeru v molekule P700 fotosystému I, ktorý privedú do základného stavu. Uvoľnením elektrónov z excitovaného P680 a ich prechodom na P700 vznikne oxidovaná forma chlorofylu P680. K jeho regenerácii do pôvodného stavu sa využíva fotolýza vody:
H2O => (2 H+ + 2 e-) + 1/2 O2
Kyslík uniká do vzduchu. Dva elektróny doplnia chýbajúce elektróny dvom ionizovaným molekulám P680 a dva protóny spolu s dvoma elektrónmi, ktoré sa uvoľnili z dvoch excitovaných molekúl P680 sa využívajú na redukciu NADP+ za vzniku NADPH.
V prípade cyklickej aj acyklickej fotofosforylácie dochádza k vytvoreniu protónovému gradientu využiteľného pre syntézu ATP.
Produkty svetelnej reakcie- redukovaný kofaktor NADPH a ATP sú potrebné pre redukciu uhlíka v oxide uhličitom v tzv. tmavej fáze fotosyntézy.
Tmavá fáza fotosyntézy (Calvinov cyklus).
V tejto fáze prebieha biosyntéza sacharidov z CO2 za prítomnosti NADPH a ATP účinkom enzýmu ribulóza-1,5- bisfosfátkarboxylázy. Má 3 zákl. stupne:
1. Fixácia CO2.
Primárnym akceptorom CO2 je ribulóza-1,5-bisfosfát. Vzniknutý produkt sa hydrolyticky štiepi na dve molekuly kyseliny 3- fosfoglycérovej. Pretože táto kyselina má vo svojej molekule tri atómy uhlíka, volajú sa rastliny, v ktorých sa takto ukladá uhlík C3 rastliny.
2. Redukcia kyseliny 3-fosfoglycérovej za vzniku hexózy.
Dve molekuly kys. fosfoglycérovej sa za účasti NADPH a ATP redukujú na glyceraldehyd-3-fosfát. Z jeho 1/6 sa syntetizujú sacharidy spätnými reakciami glykolýzy a z 5/6 vzniká ribulóza-1,5-bisfosfát.
3. Regenerácia akceptora CO2.
Tento stupeň tvorí súbor reakcií pentózového cyklu, zabezp. tvorbu ribulóza-5-fosfátu (z kt. za účasti ATP vzniká ribulóza-1,5-bisfosfát) a tak cyklus uzatvorí.
Katabolizmus sacharidov.
Všetky sacharidy prijaté potravou sa enzýmovými reakciami v organizme postupne menia na glukózu. Základná metabolická dráha pre rozklad glukózy sa nazýva glykolýza.
Trávenie sacharidov.
Sacharidy prijímané potravou môžeme rozdeliť na celulózu, škrob, sacharózu a laktózu. Pôsobením slinnej amylázy alfa sa škrob štiepi na dextríny. Kyslým pH v žalúdku je amyláza inhibovaná, ale pôsobením pankreatickej amilázy sa dextríny ďalej štiepia na molekuly maltózy a izomaltózy. V tenkom čreve sa potom:
sacharóza pôsobením sacharázy mení na molekulu D-glukózy a D-fruktózy,
laktóza pôsobením laktázy mení na molekulu D-glukózy a D-galaktózy,
maltóza pôsobením glukoamylázy mení na 2 molekuly D-glukózy,
izomaltóza pôsobením 1,6-glukozidázy mení na 2 molekuly D-glukózy,
celulóza sa neštiepi, ale zlepšuje peristaltiku čriev a celkovo napomáha tráveniu.
Glukóza sa potom vstrebáva do krvi, odkiaľ je transportovaná do pečene. V nej sa z 50% mení na glykogén a zostatok ide do orgánov celého tela (mozgu, myokardu a iných svalov a pod.)
Glykolýza.
Glykolýza predstavuje postupnosť 10 enzýmovo katalyzovaných reakcií, ktoré rozkladajú glukózu na dve molekuly kys. pyrohroznovej. Všetky prebiehajú v cytoplazme a enzýmy, ktoré ich katalyzujú, nie sú viazané na bunk. štruktúry. Celý proces môžeme rozdeliť na tri fázy:
1. Premena glukózy na glyceraldehyd-3-fosfát (vhodný donor vodíka).
Glukóza sama nie je donorom vodíkových atómov, a preto musí byť aktivovaná dvojnásobnou fosforyláciou s ATP. Táto fáza zahŕňa 4 reakcie:
a) fosforyláciu glukózy na glukóza-6-fosfát
b) izomerizáciu glukóza-6-fosfátu na fruktóza-6-fosfát
c) fosforyláciu fruktóza-6-fosfátu na fruktóza-1,6-bisfosfát
d) štiepenie fruktóza-1,6-bisfosfátu na glyceraldehyd-3-fosfát a dihydroxyacetónfosfát. Do ďalšej fázy vstupuje len
aldehyd, ale posúvaním rovnováhy odčerpaním glyceraldehyd-3-fosfátu zreaguje aj celý dihydroxyacetón.
2. Dehydrogenácia glyceraldehyd-3-fosfátu.
Je jediným oxidačným stupňom glykolýzy. Vzniká kys. fosfoglycérová.
3. Vznik kys. pyrohroznovej.
Táto fáza je ešte spoločná. Sledom reakcií sa z kys. fosfoglycérovej (za odštiepenia fosfátovej skupiny a jeho nadviazania na ADP, z kt. vzniká ATP) stáva kľúčový metabolit- kyselina pyrohroznová.
Ďalšie reakcie kys. pyrohroznovej závisia od podmienok a pôvodu organizmu. Za aeróbnych podmienok sa kys. pyrohroznová mení oxidačnou dekarboxyláciou na acetylkoenzým, ktorý ďalej vstupuje do citrátového cyklu. Za anaeróbnych podmienok sa kys. pyrohroznová redukuje na kys. mliečnu. Kvasinky za anaeróbnych podmienok premieňajú kys. pyrohroznovú dekarboxyláciou na acetaldehyd. Jeho redukciou vzniká etanol a tento dej nazývame alkoholové kvasenie.