Chemie živin Vladimíra Kvasnicová
Energie v potravě SACHARIDY 60
/ :
LIPIDY 30
/
PROTEINY :
10
17 kJ/g
37 kJ/g
17 kJ/g
4 kCal/g
9 kCal/g
4 kCal/g
-CH(OH)-
CO2, H2O
-CH2-
-CH(NH2)-
CO2, H2O
CO2, H2O, NH3
Oxidace uhlíkaté kostry - jednotlivé kroky alkan
CH3-CH3
alken
CH2=CH2
alkohol
CH3-CH2-OH
aldehyd
CH3-CHO
karboxylová kys. CO2 + H2O
CH3-COOH 2 CO2 + 2 H2O
17 kJ/g
Sacharidy v potravě • převažuje škrob (75% suché hmotnosti obilovin, 65% v bramborách) 20% amylóza (nevětvená, stočená do spirály, 200 – 300 glc) 80% amylopektin (až 1000 glc, větvení na každé 20. -25. jednotce glukózy)
• glykogen v mase (větvení na každé 8. -10. jednotce glc) • „cukr“ = disacharid sacharóza (Glc-Fru) • mléčný cukr = disacharid laktóza (Gal-Glc) • vláknina = nestravitelné polysacharidy (celulóza, pektin)
Výskyt a funkce sacharidů v lidském těle • v potravě polysacharidy, disacharidy, monosacharidy • vstřebávají se jen monosacharidy, hlavní je glukóza • zdroj energie pro všechny tkáně • uloženy do zásoby ve formě glykogenu • přeměna různých monosacharidů mezi sebou • přeměna monosacharidů na různé deriváty sacharidů • složené molekuly: proteoglykany, glykoproteiny, glykolipidy • součást nukleových kyselin (ribóza, 2-deoxyribóza) • nadbytek sacharidů se přemění na zásobní tuk
GLUKÓZA – centrální postavení
chirální uhlík
Obrázky převzaty z knihy Harper´s Biochemistry a z http://www.vuw.ac.nz/staff/paul_teesdalespittle/organic/chiral_web/images/fig1_5d.gif (říjen 2007)
MONOSACHARIDY
glukóza
H
galaktóza
fruktóza
glucitol (cukerný alkohol)
H H
H
H kyselina glukuronová (cukerná kyselina)
ribóza
glyceraldehyd
dihydroxyaceton
(nejjednodušší sacharidy)
DISACHARIDY SALÁM • SAcharóza • LAktóza • Maltóza
POLYSACHARIDY • homopolysacharidy škrob, glykogen, celulóza, inulin • heteropolysacharidy glykoproteiny, proteoglykany
• rozvětvené • nerozvětvené
• zásobní škrob, glykogen, inulin • strukturní celulóza, proteoglykany
Chemická povaha, vlastnosti a reakce sacharidů • polární, rozpustné ve vodě, bohatě hydratované • polyhydroxyderiváty aldehydu nebo ketonu (karbonyl. slučeniny) • alkoholová i karbonylová skupina: oxidace / redukce (vznik cukerných kyselin nebo alkoholů) • aldehydová skupina: vazba na primární aminoskupiny proteinů (neenzymatická glykosylace = glykace proteinů) • tvorba glykosidové vazby (enzymatická glykosylace vazba na proteiny a lipidy přes -OH nebo -CONH2 skupinu ) • tvoří estery s kyselinou fosforečnou H3PO4
(meziprodukty metabolismu)
Glykovaný hemoglobin
fruktóza
http://www.medicographia.com/2010/01/advanced-glycation-end-products-ages-and-their-receptors-ragesin-diabetic-vascular-disease/
Cesta z trávicího traktu do tukové tkáně • do buňky vstupují usnadněnou difuzí (protein. přenašeč) • v krvi volně rozpuštěné, krevní cukr = glukóza • filtruje se v ledvinách, v proximálním tubulu se zpětně vstřebává (ledvinový práh pro Glc = 9 - 10 mmol/l) • rychlost nárůstu glykemie po jídle závisí na glykemickém indexu potravin, schopnosti vstřebání a funkci jater (glukostatická funkce jater), max. za 45 - 60 min. • rychlost poklesu glykemie závisí na inzulinu • glukózu využívají všechny buňky jako zdroj energie: oxidace na CO2 a H20 (anaerobně na laktát), nadbytek se přemění na glykogen nebo zásobní tuk
Obrázek převzat z Trends in Biochemical Sciences, reference edition, volume 6, str. 209. Elsevier/North-Holland Biomedical Press, 1981.
http://www.dieta.cz/pin/a42d60cf466844ea7ba3da35c38e167f/
Přehled metabolismu sacharidů katabolické dráhy • glykogenolýza (odbourávání glykogenu) • glykolýza: 1x glukóza → 2x pyruvát, 2x NADH, 2xATP • aerobně: pyruvát → acetyl-CoA → Krebsův cyklus → CO2 • anaerobně: pyruvát + NADH → laktát • pentózový cyklus: glukóza → CO2 + pentózy anabolické dráhy • glukoneogeneze (syntéza Glc z necukerných látek) • syntéza glykogenu • syntéza mastných kyselin (z acetyl-CoA) a zásob. tuků
graf ukazuje zdroj krevní glukózy v různém čase po jídle a při hladovění
Obrázek převzat z knihy Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, 1997. ISBN 0-471-15451-2
Množství glykogenu v játrech během dne
Obrázek převzat z knihy Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, 1997. ISBN 0-471-15451-2
GLYKOGEN
(Glc)n
(polysacharid: glukan)
OH
neredukující konec
redukující konec
Obrázek převzat z http://students.ou.edu/R/Ben.A.Rodriguez-1/glycogen.gif (říjen 2007)
Glykogen - struktura • větvený polymer glukózy (= glukan), na každé 8. – 10. Glc větev • α(1→4) vazby v lineárním řetězci, větev připojena α(1→6) • jeden redukující konec, ostatní konce neredukující (větve) • v buňce bývá na redukujícím konci kovalentně navázán na protein glykogenin (= enzym zahajující syntézu glykogenu) • glykogen je uložen v cytoplazmě buněk – bohatě hydratované glykogenové inkluze, histochemický průkaz PAS reakcí
• vyskytuje se v mnoha tkáních, nejvíce v játrech (10 % hmotnosti tkáně, 100 g celkem) a svalech (2 %, 400 g celkem) • kromě jater využívají ostatní tkáně glykogenové zásoby glukózy jen pro svou vlastní potřebu • jaterní glykogen je hlavním zdrojem krevní Glc na počátku hladovění
Monosacharidy • v buňce tvoří estery kyseliny forforečné („fosfáty“) • jejich uhlíkatá kostra je částečně oxidovaná : -CH(OH)(při oxidaci poskytnou méně energie než oxidace tuků) • zdroj energie: Glc, Fru, Gal / zásoba energie: glykogen • přeměna na další sacharidy (složky nukleotidů, glykoproteinů) nebo deriváty sacharidů (aminocukry, uronové kyseliny – v proteoglykanech) • přeměna na tuk (zásoba energie) • významné meziprodukty metabolismu: glyceraldehyd-3-fosfát dihydroxyacetonfosfát (DHAP) 1,3-bisfosfoglycerát
anhydridová vazba
Monosacharidy glukóza produkce energie (glykolýza) zásoba energie (glykogen nebo přeměna na tuk) přeměna na další sacharidy, např. ribózu (pentózový cyklus → kromě ribózy aj. sacharidů produkuje NADPH+H+)
přeměna na kyselinu glukuronovou (oxidace glukózy) fruktóza ribóza přeměna na glukózu produkce energie (glykolýza) syntéza nuklotidů zásoba energie (přeměna na tuk) galaktóza přeměna na glukózu nebo laktózu syntéza glykoproteinů a proteoglykanů
Glukóza • glykemie: 3,6 – 5,6 mM (nalačno) / až 10 mM (po jídle) • po jídle: glykolýza, syntéza glykogenu, přeměna na tuk • během hladovění: glykogenolýza, glukoneogeneze • ostatní přeměny glukózy podle potřeby (pentózový cyklus, přeměna na jiné monosacharidy a deriváty)
• glykogen: syntéza z UDP-glukózy • přeměna na galaktózu: z UDP-glukózy • přeměna na kys. glukuronovou: z UDP-glukózy
všechny přeměny glukózy vycházejí z glukóza-6-fosfátu
Fruktóza • zdroj: sacharóza (Glc-Fru): štěpena sacharázou ve střevě volná v ovoci („ovocný cukr“ = fruktóza) a medu
• část fruktózy se přeměňuje na glukózu už ve střevě, metabolizována je hlavně v játrech • fruktokináza (Fru-1-P), hexokináza (Fru-6-P) • aldoláza B (defekt: vrozená intolerance fruktózy) • fruktóza nezvyšuje produkci inzulinu, její vstup do buněk i
metabolismus je na inzulinu nezávislý • fruktóza aktivuje glykolýzu (glukokinázu) a sama je metabolizována rychleji než Glc (nejde přes PFK-1) • osud: glykolýza, lipogeneze; syntéza mannózy (pro glykoproteiny)
Sorbitol • cukerný alkohol vznikající redukcí karbonylové skupiny fruktózy nebo glukózy (alternativní název: glucitol) • glucitol jako umělé sladidlo (E420) se vstřebává v távicím traktu jen málo (polární látka) • enzym aldóza reduktáza (glukóza → sorbitol; NADPH): v mnoha tkáních, významný v játrech, sítnici, oční čočce, periferních
nervech a ledvinách (problémy u pacientů s hyperglykemií: osmoticky aktivní sorbitol zadržuje v buňkách vodu, změna osmolarity je příčinou šedého zákalu, periferní neuropatie a cévních problémů vedoucích k poškození ledvin a oční sítnice)
• sorbitol je dále oxidován na fruktózu sorbitol
dehydrogenázou (sorbitol → fruktóza; NAD+): významné v játrech a semenných váčcích (spermie získávají energii z Fru)
Galaktóza • koncentrace v krvi: 0 – 0,3 mM • zdroj: laktóza (Gal-Glc) štěpena laktázou ve střevě; vzniká i štěpením glykoproteinů a glykolipidů v lyzosomech
• syntéza: z glukózy (galaktóza je 4-epimer glukózy) • vstup do buněk je nezávislý na inzulinu • galaktokináza (Gal-1-P), v mnoha buňkách • galaktóza se přeměňuje hlavně v játrech na glukózu uridyltransferáza: Gal-1-P + UDP-Glc → UDP-Gal + Glc-1-P epimeráza: UDP-Gal → UDP-Glc
• defekt galaktokinázy nebo uridyltransferázy: galaktosemie • využití: glykoproteiny, glykolipidy, glykosaminoglykany, laktóza mateřského mléka
Mannóza • součást glykoproteinů (gp) • 2-epimer glukózy, ale nevzniká epimerací Glc, nýbrž z fruktózy (což je ketoizomer glukózy, >CO sk. v pozici 2) • syntéza: Fru-6-P ↔ Man-6-P (izomerace); mannóza se touto cestou může i odbourávat (Fru-6-P je meziprodukt glykolýzy)
• z jejího derivátu N-acetylmannózaminu a z pyruvátu vzniká kyselina neuraminová: její deriváty označované jako sialové kyseliny (Sia, NeuAc) jsou také součástí glykoproteinů (vázány na koncích oligosacharidových větviček gp, nejsou v rostlinných glykoproteinech); mají záporný náboj (-COO-), odpuzováním se navzájem „načechrávají“ strukturu glykoproteinu v prostoru • stárnoucí gp krevní plazmy ztrácejí tyto koncové struktury Sia a jsou tak rozeznány buňkami a odbourány
Klinické souvislosti • glykemická křivka (normální a snížená tolerance glc, DM) - oGTT • glykemický index (rychlost nárůstu glykémie po jídle) - GI • vláknina (rozpustná a nerozpustná) • glykace proteinů (glykovaný hemoglobin, fruktózamin) • glykosurie (ledvinný práh pro glukózu) • glykorachie (koncentrace glc v mozkomíšním moku) • laktátová acidóza (metabolická acidóza) • hemolytické anemie (při defektech enzymů glykolýzy a pent. cyklu) • metabolismus svalu (anaerobní a aerobní cvičení)
37 kJ/g
Tuky v potravě neutrální tuk (triacylglyceroly) a fosfolipidy obsahují: • nasycené = saturované mastné kyseliny (SFA) • mononenasycené mastné kyseliny (MUFA) • polynenasycené mastné kyseliny (PUFA) = esenciální FA omega-6 (ω-6, n-6) omega-3 (ω-3, n-3) - v rybím oleji: EPA, DHA
• trans-mastné kyseliny (TFA)
cholesterol • nachází se v živočišném tuku
Příklady složení různých olejů olivový
řepkový
slunečnic.
kokosový
olej
olej
olej
olej
máslo
sádlo
SFA
14:0 10% 16:0 26% 18:0 12%
14:0 1% 16:0 24% 18:0 14%
16:0 11% 18:0 2,5%
16:0 4% 18:0 1,5%
16:0 6% 18:0 4%
12:0 45% 14:0 17% 16:0 9%
MUFA
18:1 25%
18:1 42%
18:1 72%
18:1 59%
18:1 21%
18:1 7%
PUFA
18:2 2,5%
18:2 9%
18:2 8%
18:2 20%
18:2 63% 18:2 1,5%
PUFA
18:3 1,5%
18:3 1%
18:3 1%
18:3 10%
18:3
ω-6
ω-3
<0,5%
převzato z http://www.internimedicina.cz/pdfs/int/2009/12/05.pdf
18:3
<0,5%
Výskyt a funkce lipidů v lidském těle • v potravě převážně ve formě triacylglycerolů (TAG), také fosfolipidy, cholesterol a jeho estery • k trávení tuků je nezbytná žluč • vstřebávají se hlavně volné mastné kyseliny (FFA), 2-monoacylglyceroly (MAG) a cholesterol (CHOL) • TAG jsou hlavní zásobní formou energie (zásobní tuk v tukových buňkách), FFA jsou zdrojem energie pro buňky • fosfolipidy a cholesterol jsou součástí membrán • z cholesterolu vznikají steroidní hormony a žlučové kyseliny • z esenciálních mastných kyselin vznikají eikosanoidy
Chemická povaha, vlastnosti a reakce lipidů • strukturně velmi rozmanitá skupina látek • hydrolyzovatelné / nehydrolyzovatelné • špatně rozpustné ve vodě - nepolární nebo amfipatický charakter (polární + nepolární část molekuly) • pro transport krví potřebují přenašeč • izolační vlastnosti (mechanické, tepelné) • typickou reakcí je esterifikace (alkohol + kyselina) • vícenásobně nenasycené mastné kyseliny jsou náchylné k neenzymatické oxidaci (lipoperoxidace) • metabolicky se k lipidům řadí ketolátky (polární)
HYDROLYZOVATELNÉ LIPIDY
NEHYDROLYZOVATELNÉ LIPIDY
Obrázek převzat z knihy: J.Koolman, K.H.Röhm / Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition, Thieme 2005
Struktura lipidů
Obrázek převzat z http://courses.cm.utexas.edu/archive/Spring2002/CH339K/Robertus/overheads-2/ch11_lipid-struct.jpg (leden 2007)
Strukturní složky lipidů • alkoholy glycerol (a) sfingosin (b) cholesterol (c) inositol (d)
a)
b)
c)
d)
• karboxylové kyseliny s dlouhým řetězcem (= mastné kyseliny) The figures are adopted from http://en.wikipedia.org (April 2007)
Doporučený článek:
http://www.internimedicina.cz/pdfs/int/2009/12/05.pdf Kyselina: mravenčí octová propionová máselná valerová kapronová kaprylová kaprinová laurová myristová palmitová stearová olejová linolová linolenová arachidová arachidonová behenová eruková lignocerová nervonová
Převzato z knihy: J.Koolman, K.H.Röhm / Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition, Thieme 2005
Volné mastné kys. (FFA)
Esterifikované mastné kyseliny
ω-9 =
triacylglycerol (TAG) nebo triglycerid
ω-6 ω-3
9
9
18
kyselina olejová
18
kyselina linolová
12
18
18
kys. alfa-linolenová kys. gama-linolenová kys. eikosapentaenová (EPA) kys. arachidonová k. dokosahexaenová (DHA)
Mastné kyseliny (FA) • saturovaný tuk obsahuje více saturovaných (nasycených) FA
(více energie: -CH2-CH2-) • desaturovaný tuk: monoenové / polyenové mastné kyseliny (méně energie – částečně oxidovaný řetězec: -CH=CH-) • • • •
FA FA FA FA
s krátkým řetězcem (SCFA): méně než 6 uhlíků se středně dlouhým řetězcem (MCFA): 6 – 12 uhlíků s dlouhým řetězcem (LCFA): více než 12 uhlíků s velmi dlouhým řetězcem (VLCFA): více než 22 uhlíků
• sudý počet uhlíků v molekule (syntetizovány z C-2 prekurzoru) • oddělené cis dvojné vazby: -CH=CH-CH2-CH=CHDoporučený článek: http://www.internimedicina.cz/pdfs/int/2009/12/05.pdf
Mastné kyseliny (FA) • v buňkách jsou vázány na Koenzym A → „acyl-CoA“ vazebné místo
• redukovanější uhlíkatý řetězec než sacharidy: -CH2• FA tvoří složky triacylglycerolů a fosfolipidů, jsou součástí esterů cholesterolu (= hydrolyzovatelné tuky) • FA slouží jako zdroj energie (β-oxidace) nebo tvoří zásobu energie ve formě triacylglycerolů = neutrální tuk • FA mohou být přeměněny na ketolátky a eikosanoidy
Cesta z trávicího traktu do tukové tkáně • do krve se vstřebávají jen kratší mastné kyseliny (FA), krví putují vázané na albuminu • dlouhé FA se v enterocytech reesterifikují (na TAG a fosfolipidy) a krví putují jako součást lipoproteinů • po jídle jsou lipidy v krvi přítomny ve formě chylomikronů (vznikají v enterocytech, odkud se dostávají nejprve do lymfy) a VLDL (vznikají v játrech) • na endotelu cév je přítomna lipoproteinová lipáza, která z TAG v lipoproteinech vyštěpuje FA, které se pak usnadněným transportem dostávají do buněk • v tukové buňce: reesterifikace FA na TAG (tuk. kapénky); při hladovění jsou TAG štěpeny hormonsenzitivní lipázou • při hladovění jsou FA přenášeny krví vázané na albuminu
animace: http://www.wiley.com/college/fob/quiz/quiz19/19-5.html Obrázek převzat z knihy Grundy, S.M.: Atlas of lipid disorders, unit 1. Gower Medical Publishing, New York, 1990.
Přehled metabolismu lipidů katabolické dráhy • lipolýza: TAG → mastné kyseliny + glycerol • beta-oxidace: mastná kyselina → acetyl-CoA → Krebs.cyk. (játra: acetyl-CoA → syntéza ketolátek → transport do jiné tkáně: ketolátky → acetyl-CoA → Krebsův cyklus → CO2)
• odbourávání cholesterolu: cholesterol → žlučové
kyseliny
anabolické dráhy • syntéza mastných kyselin: acetyl-CoA → mastná kyselina • esterifikace: syntéza TAG, fosfolipidů, esterů cholesterolu • syntéza signálních molekul: esenciální mastné kyseliny → eikosanoidy (C20) cholesterol → steroidní hormony
Cholesterol živočišný steroidní alkohol – patří mezi izoprenoidy (derivát triterpenů) málo rozpustný ve vodě (C27, jedna –OH skupina) celková koncentrace cholesterolu v krvi: 2,9 – 5,0 mM v krvi je transportován v lipoproteinech: hlavně v LDL a HDL (jako tzv. LDL-cholesterol a HDL-cholesterol - poměr v krvi: 2,5/1) • LDL vzniká v oběhu z VLDL, který obsahuje tuky syntetizované v játrech, tj. LDL transportuje cholesterol směrem z jater
• • • •
k periferním tkáním • HDL přenáší cholesterol z periferie do jater, podílí se na esterifikaci cholesterolu (enzym: LCAT) a jeho přenosu do jiných lipoproteinů • estery cholesterolu jsou hydrofóbnější než volný cholesterol –jsou uloženy v jádře lipoproteinů, zatímco volný cholesterol se nachází v jejich povrchové vrstvě • cholesterol je součástí membrán všech buněk • je substrátem pro syntézu steroidních hormonů (glukokortikoidů, mineralokortikoidů, androgenů, estrogenů, progesteronu, kalcitriolu → v buňkách je skladován ve formě esterů v tukových kapénkách) a žlučových kyselin (v této formě je cholesterol částěčně z těla vylučován)
Klinické souvislosti • porucha trávení lipidů - při uzávěru žlučových cest (chybí žluč, která je nezbytná pro emulgaci tuků)
• ketoacidóza - následek zvýšené plazmatické koncentrace FFA (v játrech se tvoří více ketolátek než je tělo schopno využít)
• familiární hypercholesterolémie - genetický defekt LDL-receptorů (hromadí se LDL v plazmě; incidence u nás: 1:500)
• ateroskleróza - souvisí s vysokou koncentrací LDL-cholesterolu (náchylný k lipoperoxidaci i glykaci, ve stěně cév je pak vychytáván makrofágy - vytváří se tak pěnové buňky plné cholesterolu)
• lipoprotein (a) = Lp(a) - podle hustoty se řadí mezi LDL, ale obsahuje navíc plazminogenu podobný apoprotein (a), který je kovalentně navázaný na apoB-100; není rozpoznáván LDL-receptory
(zvýšená koncentrace je dána geneticky, je vysoce proaterogenní)
• HDL brání oxidaci LDL, přebírají a odstraňují oxidované složky z LDL (enzym paraoxonáza; HDL také chelatují přechodné kovy)
proteiny
N → NH3
17 kJ/g
→ urea,
S → H2SO4 → sulfáty
Proteiny v potravě • živočišné proteiny (všechny aminokyseliny) • rostlinné proteiny (menší zastoupení: Met, Lys, Trp) • esenciální aminokyseliny: větvené - Val, Leu, Ile aromatické - Phe, Trp zásadité - His, Arg, Lys obsahující sekundární -OH skupinu - Thr obsahující sulfidovou skupinu - Met
Aminokyseliny (AMK) • obsahují další prvky: dusík (všechny AMK), síru (Cys, Met) při odbourávání AMK vzniká NH3 (a H2SO4)
NH3 je toxický pro mozek ⇒ detoxikován je přeměnou na ureu → vyloučena močí (urea = močovina)
• AMK jsou primárně využívány k proteosyntéze • další využití: syntéza dusíkatých látek (hem, nukleotidy, signální molekuly – hormony, neurotransmitery) přímá produkce energie (Krebsův cyklus) nebo nepřímá produkce energie při hladovění: po přeměně na glukózu (glukoneogeneze) uložení energie do zásoby po přeměně na tuk (TAG)
• využití AMK jako zdroje energie spotřebovává energii , protože je potřeba detoxikovat amoniak !
Proteinogenní aminokyseliny
