Obecná a potravinářská biochemie pro bakalářské studium doc. Ing. Alexander Čegan, CSc. RNDr. Lucie Korecká, Ph.D.
Univerzita Pardubice Fakulta chemicko-technologická 2010
Obsah 1. Biochemie – historie a vývoj, základní pojmy.....................................................................................................5 1.1 Charakteristika živých systémů a jejich vztah s okolním prostředím.............................................................. 5 1.2 Látkové složení živých systémů............................................................................................................................. 6 1.3 Buňka – základní strukturní a funkční jednotka živých systémů..................................................................... 6 1.3.1 Prokaryotická buňka................................................................................................................................... 7 1.3.2 Eukaryotická buňka..................................................................................................................................... 7 2. Vnitřní prostředí – voda, minerály....................................................................................................................10 2.1 Voda a její role v organismu................................................................................................................................. 10 2.2 Minerální látky....................................................................................................................................................... 10 2.2.1 Makroelementy.......................................................................................................................................... 11 2.2.2 Mikroelementy........................................................................................................................................... 13 2.2.3 Stopové prvky............................................................................................................................................. 16 2.2.4 Toxické prvky............................................................................................................................................. 16 3. Aminokyseliny, peptidy, bílkoviny.....................................................................................................................17 3.1 Kódované aminokyseliny – základní funkce, význam v potravinách............................................................ 17 3.2 Peptidy - vznik peptidové vazby, biochemie peptidů, potravinářsky významné peptidy............................ 20 3.3 Proteiny – struktura, rozdělení proteinů podle funkce v organismu............................................................. 20 4. Enzymy................................................................................................................................................................24 4.1 Klasifikace enzymů, názvosloví a biochemický význam,................................................................................. 24 4.2 Aktivní centrum enzymů, alosterické místo...................................................................................................... 25 4.3 Chemie kofaktorů.................................................................................................................................................. 25 4.3.1 Kofaktory oxidoreduktáz . ....................................................................................................................... 25 4.3.2 Kofaktory transferáz . ............................................................................................................................... 26 4.4 Kinetika enzymových reakcí................................................................................................................................ 26 4.5 Látky ovlivňující činnost enzymů:....................................................................................................................... 29 4.6 Aktivní centra enzymů......................................................................................................................................... 30 4.6.1. Specifické působení enzymů.................................................................................................................... 30 5. Metabolismus bílkovin.......................................................................................................................................31 5.1 Trávení bílkovin – hydrolytické štěpení............................................................................................................. 31 5.2 Odbourávání aminokyselin.................................................................................................................................. 31 5.2.1 Transaminace............................................................................................................................................. 31 5.2.2 Dekarboxylace............................................................................................................................................ 31 5.2.3 Aldolové štepení........................................................................................................................................ 32 5.2.4 Oxidační deaminace . ............................................................................................................................... 32 5.2.5 Odbourávání uhlíkatých koster aminokyselin....................................................................................... 32 5.3 Biosyntéza aminokyselin...................................................................................................................................... 32 5.4 Proteosyntéza bílkovin.......................................................................................................................................... 33 6. Odbourávání amoniaku.....................................................................................................................................34 6.1 Metabolismus amoniaku...................................................................................................................................... 34 6.1.1 Asimilace amoniaku.................................................................................................................................. 34 6.1.2 Vylučování amoniaku............................................................................................................................... 34 6.2 Ornithinový cyklus................................................................................................................................................ 35 7. Nukleosidy, nukleotidy a nukleové kyseliny.....................................................................................................37 7.1 Struktura a funkce v organismu.......................................................................................................................... 37 7.2 Genetický kód a mutace....................................................................................................................................... 40 7.3 Genetická informace a její přenos....................................................................................................................... 40 8. Metabolismus nukleových kyselin a jejich bazí................................................................................................42 8.1 Odbourání nukleových kyselin............................................................................................................................ 42 8.2 Odbourání purinových bazí................................................................................................................................. 42 8.3 Odbourání pyrimidinových bazí......................................................................................................................... 43 8.4 Biosyntéza purinových bazí................................................................................................................................. 43 8.5 Biosyntéza pyrimidinových bazí......................................................................................................................... 44
9. Sacharidy.............................................................................................................................................................45 9.1 Monosacharidy – struktura, základní funkce, význam v potravinách........................................................... 45 9.2 Oligosacharidy a polysacharidy – struktura, funkce v organismu.................................................................. 47 10. Metabolismus sacharidů.....................................................................................................................................50 10.1 Trávení sacharidů – enzymatické štěpení........................................................................................................... 50 10.2 Glykolýza................................................................................................................................................................ 50 10.3 Pyruvát a jeho další osud v organismu............................................................................................................... 52 10.4 Pentózový cyklus.................................................................................................................................................... 53 10.5 Syntéza a degradace glykogenu............................................................................................................................ 56 10.6 Biosyntéza sacharidů............................................................................................................................................. 56 11. Lipidy...................................................................................................................................................................58 11.1 Lipidy – struktura, základní funkce, význam v potravinách........................................................................... 58 11.2 Lipoproteiny – struktura a funkce....................................................................................................................... 59 12. Metabolismus lipidů............................................................................................................................................61 12.1 Trávení lipidů – hydrolytické štěpení.................................................................................................................. 61 12.2 Odbourání mastných kyselin β – oxidací........................................................................................................... 61 12.3 Metabolismus glycerolu........................................................................................................................................ 63 12.4 Biosyntéza mastných kyselin................................................................................................................................ 64 13. Biologické oxidace...............................................................................................................................................66 13.1 Citrátový cyklus..................................................................................................................................................... 66 13.2 Glyoxylátový cyklus............................................................................................................................................... 68 13.3 Dýchací řetězec a oxidativní fosforylace............................................................................................................. 69 13.3.1 Chemiosmotická teorie vzniku ATP....................................................................................................... 69 13.3.2 Přenos protonů a elektronů v dýchacím řetězci..................................................................................... 69 14. Vitamíny – struktura, funkce, základní dělení..................................................................................................72 15. Látky s antioxidačním účinkem – funkce, základní dělení..............................................................................76 14.1 Bioflavonoidy......................................................................................................................................................... 76 14.2 Antioxidačně působící enzymy............................................................................................................................ 77 16. Hormony – endokrinní žlázy, základní funkce hormonů................................................................................78
1. Biochemie – historie a vývoj, základní pojmy Biochemie je přírodní věda, která se zabývá molekulami, jež jsou součástí živých buněk a organismů, a jejich chemickými reakcemi. Vychází z poznatků biologie, chemie, fyziky, fyziologie anatomie. Jako samostatná vědní disciplína se formovala na základě několika teorií. Buněčná teorie – v roce 1847 byla Schleidem a Schwannem formulována do 4 základních konstatování, a to že veškerou živou hmotu tvoří buňky, všechny buňky pocházejí z jiných buněk, informace potřebné k životu buňky a k produkci nových buněk se předávají z generace na generaci, a v buňkách probíhají chemické reakce zajišťující metabolismus buňky. Evoluční teorie – byla vyslovena v roce 1859 Darwinem a její myšlenkou je, že vývoj současných organismů probíhal selekčním způsobem, tj. přirozeným výběrem nejschopnějších jedinců Teorie dědičnosti – v letech 1865 – 1911 postupně na základě objevů Mendela, Morgana a dalších vysvětluje zákonitosti přenosu genetické informace obsažené v jaderných strukturách buněk Termín biochemie jako takový použil prvně, v roce 1903, Hoppe – Scyler, v samostatnou vědní disciplínu s teoretickým a experimentálním základem se však vyvinula až ve 30. letech minulého století. Je nepostradatelná pro veškeré vědy o životě. Biochemie nukleových kyselin je základem genetiky a opačně. Překrývá a doplňuje se s fyziologií, imunologií, farmakologií a farmacií, toxikologií, patologií. Biochemických postupů a metod využívají mikrobiologové, zoologové či botanici. Nezastupitelnou roli hraje biochemie v lékařství, kde umožňuje rozlišení zdraví a nemoci. V současnosti lze biochemii definovat jako vědu studující 4 základní problémy: 1. Látkové složení živých systémů – tato oblast biochemie se vyvinula z organické chemie a bývá označována jako statická biochemie. Studuje jednotlivé izolované součásti živých systémů z hlediska jejich struktury a zastoupení v jednotlivých organismech. 2. Vznik a další osud jednotlivých látek v buňkách – tato oblast nazývaná jako dynamická biochemie studuje látkovou přeměnu neboli metabolismus živých organismů. Sleduje tok hmoty a energie uvnitř živého systému nebo mezi systémem a jeho okolím. 3. Souvislost chemického dění v organismu s fyziologickými projevy – tato část nazývaná funkční biochemií studuje metabolické procesy s fyziologickými projevy živých objektů (biochemie trávení, nervové činnosti). 4. Způsob uspořádání jednotlivých molekulárních složek v živém jedinci – popisuje zákonitosti molekulové organizace živých systémů, organizace a řízení chemického dění, které v nich probíhá, vztahu mezi průběhem biochemických přeměn a uspořádáním základních buněčných struktur.
1.1
Charakteristika živých systémů a jejich vztah s okolním prostředím
Živé systémy (organismy) mají řadu specifických vlastností, které chybějí systémům neživým. Z pohledu biochemie jsou důležitými vlastnostmi:
Vztah k okolnímu prostředí
Neživé systémy mají k okolí vztah pasivní, živé systémy se k okolí chovají aktivně. Z okolí přijímají látky, které jsou nezbytné pro jejich existenci, chemickými pochody (metabolické pochody) je přeměňují a přebytečné odpadní produkty vylučují do okolního prostředí. Tento tok hmoty mezi organismem a prostředím a přeměnu energie označujeme jako látkovou přeměnu neboli intermediální metabolismus. Zatímco děje probíhající v neživém organismu vedou pouze k jeho základním změnám (tvar, podstata), chemické děje v živém organismu jeho změny nezpůsobují, ale umožňují jeho existenci. Každý živý organismus má schopnost komunikace s okolím, která je zprostředkována pomocí receptorů, jejichž prostřednictvím organismus přijímá určité signály, na různé úrovni dokonalosti je zpracovává a v některých případech signály do okolního prostředí i vysílá (dráždivost). Každý živý systém je schopný adaptace, což znamená, že je organismus ovlivňován vnějším prostředím, určitým způsobem na něj reaguje a určitým podmínkám je schopen se přizpůsobit.
Stálost vnitřního prostředí
Bez ohledu na podmínky vnějšího prostředí mají živé organismy schopnost udržovat své základní vlastnosti, mezi které patří teplota, pH, osmotický tlak, koncentrace složek, v určitém, velmi úzkém rozmezí hodnot. Tento jev je označován jako homeostáza. K zajištění homeostázy jim slouží celá soustava regulačních mechanismů, které se v systémech postupně vyvinuly.
Časově omezená existence
Živé systémy existují pouze po určitou dobu. Organismy vznikají rozmnožováním. Schopnost množení je vlastností pouze živých systémů. Rozmnožováním vzniklý útvar je obvykle tvarově a funkčně odlišný od rodičovských
organismů. Typické podoby získává v průběhu složitého procesu vývoje, tzv. ontogeneze. Jednotlivé druhy vznikly vývojem trvajícím miliardy let, během něhož nevyhovující druhy zanikly, tzv. fylogeneze. Intermediální metabolismus je složitou sítí chemických dějů, kterými organismus přijímá energii, stavební materiál a využívá je pro zajištění své existence. Plní několik základních úkolů, vlastností: zajišťuje energii a stavební materiál, zajišťuje výrobu složek pro organismus. Metabolické dráhy jsou nevratné a jsou regulované. Ve všech eukaryotních buňkách probíhají na specifických místech a metabolické pochody jsou provázeny velkou změnou Gibbsovy energie, která dává dané dráze, reakci, směr. Pokud jsou dva produkty navzájem metabolicky převeditelné, musí být dráha vedoucí od prvního k druhému produktu odlišná od dráhy, vedoucí od druhého k prvnímu. Existence nezávislých drah umožňuje kontrolu rychlostí obou pochodů. Na začátku je alespoň jedna reakce nevratná a směřuje první meziprodukt po dráze dál. Vše je regulováno enzymaticky, aby byla zajištěna nevratnost a substrát s produktem se nedostaly do rovnováhy. V organismech probíhají dva typy metabolických procesů. Prvním typem je katabolismus (disimilace), který zahrnuje procesy přijímání energie a stavebních materiálů, rozkladné procesy v závislosti na potřebách organismu. Rozklad složitých metabolitů na jednodušší produkty je exergonický proces, při kterém je energie uložena do ATP nebo NAD (P)H, ty jsou následně zdrojem energie pro anabolické procesy. Látky vstupující do metabolických procesů označujeme jako substráty. Druhým typem je anabolismus (asimilace, biosyntéza), kdy dochází ke vzniku nových, chemicky složitějších látek. V zásadě se jedná o opačné pochody katabolického děje. Jednoduché látky pro tvorbu složitějších označujeme jako prekurzory. Metabolické dráhy plnící současně katabolické i anabolické funkce označujeme jako amfibolické dráhy. K doplňování vyčerpaných meziproduktů metabolických drah slouží tzv. anaplerotické reakce. Všechny biochemické reakce probíhají ve vodném prostředí, za mírných podmínek (T, p, pH), mají specifický způsob regulace pomocí enzymů a jednotlivé reakce na sebe navazují. Látky vstupující do metabolických pochodů, stejně jako jejich přeměna na produkty, vykazují vysokou selektivitu a metabolické reakce jsou různě složité. Podle způsobu získávání energie, zdroje uhlíku a donoru elektronů můžeme organismy rozdělit na fototrofní, získávající energii při procesu fotosyntézy, při níž jsou molekuly CO2 a H2O přeměňovány na sacharidy a chemotrofní, získávající energii oxidací organických sloučenin (cukrů, tuků, bílkovin), získaných většinou z fototrofních organismů.
1.2
Látkové složení živých systémů
Všechny organismy jsou principiálně složeny ze stejných typů látek, většinou i ve velmi podobném zastoupení. Molekulové součásti živých systémů označujeme jako biomolekuly. Mezi biomolekuly patří voda a organické molekuly proteiny, sacharidy, lipidy a nukleové kyseliny. Voda tvoří 60 – 95% hmoty buněk, tkání a orgánů, je základním prostředím pro veškeré procesy v buňce, zajišťuje stálost vnitřního prostředí a podílí se na udržování konstantní teploty organismu. Bílkoviny jsou makromolekulární látky složené z aminokyselin, jsou to nejvíce zastoupené organické sloučeniny (50 - 80%) s řadou funkcí, jako jsou funkce stavební, transportní, katalytické, regulační a obranné. Nukleové kyseliny jsou biomakromolekuly, jejichž strukturu tvoří vzájemně propojené nukleotidy. Jejich funkcí je uchování, přenos a zabudování genetické informace v DNA a RNA. Sacharidy v podobě polyalkoholů s oxoskupinou mají vysoký obsah hlavně u rostlin. Fungují jako zdroj a zásoba energie, jejich funkce je i stavební. Lipidy, estery vyšších mastných kyselin a alkoholů nebo jejich derivátů jsou zdrojem a zásobárnou energie (TAG – triacylglyceroly), v podobě polárních lipidů pak plní stavební funkci jako složky membrán.
Struktura (konformace) biomakromolekul:
Primární struktura: určuje pořadí (sekvenci) jednotlivých monomerních jednotek, které biomolekulu tvoří, způsob jejich spojení, někdy je označována jako kovalentní struktura, vzhledem ke kovalentním vazbám, které ji tvoří. Sekundární struktura: charakterizuje vzájemný prostorový vztah sousedních nebo blízkých monomerních jednotek v jednotlivých úsecích řetězce, má většinou určité rysy pravidelnosti, na tvorbě se podílí vodíkové vazby, disulfidové vazby Terciární struktura: udává vzájemné prostorové pozice vzdálených částí řetězce a tím i tvar, postrádá rysy pravidelnosti, je tvořena elektrostatickými či hydrofobními interakceni Kvarterní struktura: pravidelné prostorové uložení molekulových podjednotek za tvorby velkých, vysoce symetrických útvarů
1.3
Buňka – základní strukturní a funkční jednotka živých systémů
Základní strukturní a funkční jednotkou živých systémů je buňka. Je to nejmenší část živých systémů, nesoucí vlastnosti, jako jsou samoreprodukce, metabolismus, adaptace.
Mikroorganismy (bakterie) jsou tvořeny jedinou buňkou, vyšší organismy jsou mnohobuněčné. Buňky vyšších organismů tvoří soubory (tkáně, orgány), které nesou speciální funkce. Buňky jsou různých tvarů a velikostí, bez ohledu na tyto rozdíly však existují dva typy, lišící se tvarem, velikostí, vnitřní strukturou a organizací.
1.3.1 Prokaryotická buňka
Prokaryota, z řeckého pro (před) a karyon (jádro), je označení pro evolučně velmi staré organismy. Řadíme sem malé, relativně primitivní buňky mikroorganismů a řas. Prokaryotická buňka (Obr. 1) je podstatně jednodušší a menší než buňka eukaryot. Její velikost (0,5 – 3 µm) odpovídá přibližně velikosti mitochondrií buněk vyšších organismů. Genetická výbava je soustředěná do jediného chromozomu, tvořeného jednou dvouvláknovou DNA a neobsahujícího bílkovinné složky (histony). Má jediný membránový systém složený z polysacharidů a tvoří pevnou buněčnou stěnu oddělující buňku od okolí, která obsahuje peptidoglykan. Jaderná oblast ani jiné části buňky nejsou ohraničené membránami. Může obsahovat plazmidy. Má – li bičík, tak prokaryotického (bakteriálního) typu. Nevytváří mnohobuněčné organismy, nanejvýše kolonie. Prokaryotické buňky se vyznačují rychlým růstem, jsou všudypřítomné, mají krátký čas plození a genetickou flexibilitu.
Obr. 1. Prokaryotická buňka [převzato z: http://micro.magnet.fsu.edu/cells/bacteriacell.html]
1.3.2 Eukaryotická buňka
Eukaryotický typ buněk mají veškeré organismy náležející do nadříše Eukaryota, tedy prvoci, živočichové, rostliny i houby. Nicméně, jejich buňky se mezi sebou navzájem liší. Eukaryotické buňky (Obr. 2) jsou oproti prokaryotickým buňkám evolučně vyspělejší, jsou 103 až 104 krát větší než buňky prokaryotické a také složitější. Jejich vnitřní uspořádání umožňuje stavbu a výživu výrazně větších buněk a je předpokladem pro mezibuněčnou spolupráci potřebnou u mnohobuněčných organizmů. Jsou rozdělené na tzv. kompartmenty a obsahují četné vnitřní membránové systémy a organely ohraničené membránami. Jednotlivé buňky nejsou většinou vzájemně odděleny pevnými buněčnými stěnami, jaké ohraničují buňky prokaryotické, ale flexibilní cytoplazmatickou membránou. Buňky nebývají v těsném kontaktu v důsledku existence odpuzujících se povrchových nábojů. Tím vzniká mezi buňkami ECT prostor. Uvnitř buňky potom prostor označujeme ICT prostor. Buňka je složitým systémem, který se skládá z organel s rozdílnými biologickými a biochemickýcmi funkcemi (Tab. 1).
Obr. 2. Eukaryotická buňka [převzato z: http://micro.magnet.fsu.edu/cells/animalcell.html]
Jádro Jádro je úložištěm genetické informace, je lokalizováno uprostřed buňky, ohraničeno dvojitou jadernou membránou s póry usnadňujícími transport makromolekul (RNA). V jádře je uložen chromatin (DNA), který se v době dělení buňky organizuje do formy chromozomů Jadérko Jadérko je struktura, která se nachází v jádře a jejíž funkcí je tvorba r-RNA (ribozomální RNA) a účast na regulaci buněčného dělení. Cytoplazma (cytosol) Tato kapalná výplň buňky obklopuje všechny organely a vytváří pro ně prostředí nutné pro jejich činnost. Je to vodný roztok, tvořený většinou z bílkovin – viskozní koloidní roztok, dalšími součástmi jsou RNA, lipidy, sacharidy a řada anorganických iontů. Z biochemických pochodů zde probíhá odbourávání glukózy pentózovým cyklem, anabolické pochody jako je syntéza mastných kyselin, aminokyselin Cytoskelet (cytoskeleton) Slouží k udržení tvaru buňky. Je to jakési bílkovinné „lešení“ tvořené sítí mikrotubulů a mikrofilament, umožňující pohyb organel. Hlavní složkou jsou aktin a tubulin Mitochondrie Tyto organely představují „elektrárnu buňky“, neboť v nich probíhají procesy uvolňující energii. Jejich velikost je 0,5 –3 µm, mají dvojitou membránu, z níž vnitřní membrána tvoří tzv. kristy a tvoří tak oddělené prostory. Vnější membrána umožňuje prostup menších molekul (do 10 000). Vnitřní výplň neboli matrix obsahuje enzymy nezbytné pro odbourávání živin. Obsahuje enzymy citrátového cyklu, b-oxidace mastných kyselin, velké množství bílkovin a vodu. Počet mitochondrií v buňce závisí na její energetické potřebě Endoplazmatické retikulum Patří mezi membránové komplexy, obvykle je uloženo v blízkosti jádra a sestává ze sploštělých váčků, jejichž vnitřní prostory jsou propojené do kanálků. Rozlišujeme hladké a drsné endoplazmatické retikulum. Drsné obsahuje přisedlé ribozomy, v nichž probíhá syntéza membránových lipidů a sekrečních bílkovin. Hladké neobsahuje ribozomy a podílí se na produkci lipidů a na modifikaci a transportu bílkovin tvořených v drsném ER Golgiho komplex: Jedná se o další membránový komplex, tvořený sekrečními váčky, v jejichž lumen probíhá připojení sacharidů a lipidů k bílkovinám, které jsou následně transportovány ve váčcích k membráně a exocytózou ven z buňky.
Lysozomy: Jsou to 0,25-0,5 µm útvary, které obsahují hydrolytické enzymy štěpící makromolekuly. Podílí se na „čištění organismu“ tím, že štěpí opotřebované molekuly pohlcené pinocytózou nebo fagocytózou (vakuoly). Při zániku buňky lysozomy prasknou a uvolní se enzymy, které buňku rozloží. Podobnými váčky jsou glyoxyzomy, v nichž probíhá glyoxylátový cyklus. Tab. 1 Biochemické procesy probíhající v jednotlivých buněčných organelách
Organela Mitochondrie Cytosol Jádro Golgiho aparát Drsné endoplazmatické retikulum Hladké endoplazmatické retikulum Peroxisomy, glyoxysomy
Funkce citrátový cyklus, oxidační fosforylace, dýchací řetězec, oxidace mastných kyselin, rozklad aminokyselin (ornitinový cyklus) glykolýza, pentosový cyklus, syntéza mastných kyselin, reakce glukoneogeneze, ornitinový cyklus replikace, transkripce DNA, úprava RNA posttranslační úprava proteinů, tvorba plasmatické membrány syntéza membránově vázaných a sekrečních proteinů a lipidů podíl na syntéze lipidů a steroidů oxidace za vzniku peroxidu vodíku, fotorespirace (glyoxylátový cyklus)
Literatura: 1. http://micro.magnet.fsu.edu (23. 3. 2010) 2. http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_es-002_v1/ebook.obsah.htm (23. 3. 2010) 3. Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A., Rodwell V.W.: Harperova biochemie, Nakladatelství H+H, 2002, ISBN10: 80-7319-003-6 4. Voet D., Voet J.G., Pratt Ch.W.: Fundamentals of biochemistry, Wiley 2008, ISBN 978-0-470-12930-2 5. Vodrážka Z.: Biochemie 1 – 3, Academia Praha, 1996 6. http://orion.chemi.muni.cz/e_learning/biochemie.htm (23. 3. 2010) 7. Alberts B., Bray D., Johnson A., Lewis J., Raff M., Roberts K., Walter P.: Zklady buněčné biologie, Espero Publishing, 2005, ISBN-10: 80-902906-2-0
2. Vnitřní prostředí – voda, minerály Vnitřní prostředím organismu rozumíme tekutinu, která je v kontaktu s jednotlivými buňkami, které z ní přijímají látky potřebné pro zajištění svých funkcí a naopak do ní vydávají látky, které jsou produktem metabolických dějů v buňce. Za fyziologických podmínek jsou v organismu udržovány stabilní podmínky v procesu homeostázy. V úzkém rozmezí hodnot jsou udržovány krevní tlak, osmotické poměry, hodnota pH tělních tekutin, tělesná teplota, koncentrace látek v buňkách a tělních tekutinách.
2.1
Voda a její role v organismu
Hlavní složkou vnitřního prostředí organismu je voda, která je disociačním prostředkem většiny biologicky aktivních látek. Tvoří univerzální prostředí pro biologické děje, usnadňuje trávení, vstřebávání živin, přeměnu látek, podílí se na regulaci tělesné teploty. Voda je nekalorická živina!! Obsah vody v lidském organismu tvoří 45 – 70%, tzv. celková tělesná voda (CTV), v závislosti na několika faktorech, mezi které patří věk, stav hydratace organismu, pohlaví. S věkem klesá obsah vody v těle z přibližně 70% u kojenců na 45% u starých osob. U závislosti na pohlaví obecně platí, že ženy mají přibližně o 10% méně vody než muži, což souvisí s vyšším množstvím tuku v ženském těle. Voda v těle se dělí podle toho, zda se nalézá uvnitř buněk nebo mimo ně na intracelulární a extracelulární (Tab. 2). Intracelulární (nitrobuněčná) tělesná tekutina představuje vodnou fázi buňky, v níž probíhají příslušné biochemické děje. Tvoří přibližně 35% celkové tělesné vody. Hlavním kationtem intracelulární vody je K+, hlavními anionty jsou fosfáty. Extracelulární (mimobuněčnou) tělesná tekutina tvoří asi 25% z celkové tělesné vody a je transportním prostředím a rezervou tekutin v organismu. Hlavními kationty extracelulární (mimobuněčné) tekutiny jsou Na+, méně K+, Mg2+, Ca2+, hlavními anionty pak Cl-, HCO3-. Extracelulární voda je navíc tvořena plazmaticku tekutinou, tj. plasmou cirkulující v krevním oběhu (tvoří 4-5% z celkové tělesné vody) a intersticiální tekutinou, tj. mezibuněčnou tekutinou neboli lymfou (tvoří 10-15% z celkové tělesné vody), vyskytující se v lymfatickém systému. Tab. 2: Souhrnné rozdělení celkové tělesné vody v organismu
Celková tělesná voda (průměrný celkový obsah 60%) Intracelulární tekutina (35%) Extracelulární tekutina (25%) krevní plazma (4 - 5%) intersticiální tekutina a lymfa (15%) transcelulární tekutina (1,5%) (tekutina gastrointestinální soustavy, synoviální tekutina, cerebrospinální tekutina, šťávy žláz, tekutina oční bulvy) Voda v organismu je neustále vyměňována a za fyziologických podmínek je potřeba vody v organismu hrazena ze dvou zdrojů. Prvním je tzv. exogenní voda přijímaná potravou, která je hlavním zdrojem vody pro organismus. Denní příjem by měl činit až 3 litry, denní výdej vody je přibližně 2,5 l (1,5 l vyloučeno ledvinami ve formě moči, 500 ml dýcháním, zbytek stolicí a pocením). Druhým zdrojem je tzv. endogenní voda, která je produktem oxidačně – redukčních reakcí při metabolických dějích. Příjem tekutin je řízen fyziologickými impulsy (osmotické poměry vnitřního prostředí, změny objemu tekutin, suchost sliznice úst a hltanu), regulací CNS (úmyslná regulace) a v neposlední řadě hormonálně (antidiuretický hormon (ADH) hypofýzy, aldosteron kůry nadledvin)
2.2 Minerální látky Značný vliv na metabolismus vody mají minerální látky a stopové prvky. Pro lidský organismus jsou důležité, přestože jejich denní potřeba je velice nízká (řádově miligramy či mikrogramy). Vzhledem k tomu, že ovlivňují důležité biochemické pochody v našem těle, jsou pro organismus nepostradatelné. Organismus člověka si je nedovede sám vytvořit, musí je získat s běžnou potravou, případně prostřednictvím doplňků stravy. V případě minerálních látek nezáleží pouze na množství jejich příjmu, ale záleží i na formě jejich výskytu. Podle denní potřeby rozdělujeme minerální látky na mikroelementy, jejichž denní potřeba je nad 100 mg, mikroelementy s potřebou do 100 mg a stopové prvky, jejichž potřeba se pohybuje řádově v µg (Tab. 3). 10
Tab. 3: Rozdělení minerálních látek podle denní potřeby
makroelementy mikroelementy stopové prvky
denní potřeba nad 100 mg denní potřeba do 100 mg denní potřeba v řádu µg
Na, K, Mg, Ca, Cl, P, S Fe, Cu, Zn, Mn, I, Mo, Se, F, Cr, Co Si, V, Ni, Sn, Cd, As, Al, B
Podle fyziologického významu lze minerální látky dělit na esenciální, jejichž příjem je nezbytný pro zachování biologických funkcí, neesenciální, které jsou fyziologicky indiferentní a toxické (Tab. 4). Tab. 4: Rozdělení minerálních látek podle fyziologické funkce
Esenciální neesenciální Toxické
nutnost příjmu pro zachování biologických funkcí
Na, K, Mg, Ca, Cl, P, S, Fe, Zn, Mn, Cu, Ni, Co, Mo, Cr, Se, I, F, B, Si fyziologicky indiferentní Li, Rb, Cs, Ti, Au, Sn, Bi, Te, Br vykazují toxické účinky (inhibice důležitých enzymů) Pb, Cd, Hg, As
Jako esenciální označujeme prvky, které jsou přítomny ve všech zdravých tkáních těla, koncentrace takového prvku jsou ve stejných tkáních různých druhů podobné, jejich nepřijímání vede opakovaně k fyziologickým abnormalitám, ale opakovaným příjmem se stav organismu vrací do normálu. Úplné vyloučení prvku vede ke smrti organismu.
2.2.1 Makroelementy Sodík Sodík je jeden z hlavních minerálů v lidském těle, který hraje důležitou roli v hospodaření lidského těla s vodou, udržování homeostázy krve, udržování osmotického tlaku tekutin a vedení vzruchu po nervových buňkách. Sodný kationt je hlavním kationtem extracelulárního prostoru, kde je udržován enzymem Na+/K+ ATPásou, který je také nazýván sodíkodraslíková pumpa. Její hlavní funkcí je přenos tří sodných iontů z vně buňky za současného transportu dvou draselných iontů dovnitř buňky se vznikem elektrochemického gradientu na membráně, který je třeba pro transport dalších látek (glukóza, aminokyseliny, vápník, chloridy). Koncentrace sodíku v krvi je přísně hlídaným parametrem, který je lidským tělem důsledně korigován. Zvýšený příjem sodíku z potravy je spojen se zadržováním vody v těle, aby se zvýšená koncentrace sodíku ve zvýšeném objemu vody zředila. Ledviny při zvýšené koncentraci sodíku začnou sodík ve zvýšené míře vylučovat z těla ven a omezí vylučování vody z těla. Tento mechanismus je jednou z příčin zvýšeného krevního tlaku při nadměrné konzumaci soli, kde je sodík obsažen. Ledviny samozřejmě reagují i na stav opačný. Nízká koncentrace sodíku v krvi je spojena se sníženým vylučování sodíku ledvinami a omezením vylučování vody. Nedostatek sodíku se neprojevuje díky nadměrnému dennímu příjmu běžnou stravou Hlavním zdrojem sodíku v potravě je chlorid sodný ve formě kuchyňské soli nebo jako součást různých potravin. Mezi potraviny s největším obsahem soli patří uzeniny a slaná pečiva. Optimální denní příjem sodíku by měl být přibližně 3 g, ale hodnota příjmu obvykle dosahuje 8 g. Draslík Draslík patří mezi významné minerály lidského těla, který se podílí na udržování osmotického tlaku tělních tekutin, udržování acidobazické rovnováhy a je nezbytný pro správnou činnost svalu. Je nutný pro normální metabolizmus sacharidů a bílkovin i pro funkci některých enzymů. Draslík se zúčastňuje veškerých fosforylačních dějů v organizmu. Jeho obsah stoupá v buňkách, v nichž převládají anabolické (skladné) procesy, naopak katabolizmus je provázen zvýšenými ztrátami draslíku. Draslík se vyskytuje v těle intracelulárně. Nedostatek draslíku v těle může nastat například při dlouho trvajících průjmech, nadměrném pocení, dehydrataci či poruše funkce ledvin. Při nedostatku draslíku dochází k snížení příjmu potravy, zpomalení růstu, zhrubnutí vlasů a ojediněle i ke smrti. Dalšími příznaky nedostatku draslíku je svalová slabost, poruchy srdeční činnosti, útlum CNS a poškození ledvin. Pokud není poškozena funkce ledvin, není možné vyvolat předávkování draslíkem. Pouze při selhání ledvin, při pokročilé dehydrataci nebo po intenzivním šoku může dojít ke zvýšení draslíku v séru. Nadměrné množství draslíku působí diureticky, projevuje se útlumem srdeční činnosti a poruchami vegetativního nervstva. Doprovodnými projevy mohou být zmatenost, slabost, strnulost, brnění končetin a ochablost dýchacích svalů. Draslík je ve výživě běžně dostupný, jeho zdrojem v potravě je ovoce, zelenina, luštěniny, maso či cereální pečivo. Vápník Vápník se spolu s fosforem uplatňuje při mineralizaci kostí a zubů, v kostech se ukládá v průběhu osifikace chrupavky. V buňce je vápník nezbytný pro přenos signálů, správnou funkci bílkovin, regulaci permeability buněčných 11
membrán a svalovou kontrakci. Hraje významnou úlohu při aktivaci a inhibici různých enzymů, aktivaci některých hormonů a v procesu srážení krve. V metabolismu tuků se uplatňuje jako emulgační činidlo. Deficit vápníku se projevuje především poruchami tvorby kostí. Může vést ke vzniku křivice (rachitidy) postihující především končetiny, ale i páteř, a to převážně u dospívajících lidí. U dospělých se nedostatek vápníku projevuje řídnutím kostí - osteoporózou, což hrozí především těhotným a kojícím ženám a starým lidem. Pro zabránění vzniku osteoporózy nestačí pouze zajistit dostatek Ca, ale je nutný optimální poměr s množstvím fosforu (1,2 – 2:1), navíc by měl být zajištěn i dostatečný přísun hořčíku a manganu. Nadměrný příjem vápníku vede k poklesu stravitelnosti a schopnosti organizmu vápník mobilizovat z tělesných zásob. Vysoký příjem vápníku vede také k poruchám minerálního metabolismu, nadměrnému vylučování fosforu a zvýšeným požadavkům na příjem celé řady dalších prvků. Nadbytek vápníku v potravě způsobuje nižší stravitelnost ostatních minerálních látek. Přirozenými zdroji vápníku jsou především mléko a mléčné výrobky, kvasnice, luštěniny, ořechy, a další potraviny. Vápník z potravin rostlinného původu bývá často hůře využitelný, z důvodu přítomnosti látek, které tvoří s Ca nevyužitelné komplexy. Organizmus není schopen v těchto případech Ca vstřebat a ten je vylučován stolicí z těla ven. Vstřebávání vápníku je ovlivněno řadou faktorů. Faktory zlepšující vstřebávání Ca jsou HCl, vitamin D, laktóza, růstové hormony, poměr Ca:P. Faktory omezující vstřebávání Ca pak např. nedostatek HCl a vitaminu D, vysoký příjem fosforu, vláknina či nadbytek tuku ve stravě. Fosfor Fosfor se spolu s vápníkem uplatňuje především při tvorbě kostí. Hraje významnou roli i v metabolismu bílkovin, tuků a cukrů, tvorbě vitamínů skupiny B a podílí se na přenosu energie. Fosfor je vázán ve specifických sloučeninách, které tělo používá k uchovávání energie, získané z rozkladu především cukrů a tuků. Mezi tyto látky řadíme fosfoenolpyruvát (glykolýza) či adenosintrifosfát. Metabolismus fosforu je úzce sepjat s činností růstového hormonu. Proto rostoucí děti mají obyčejně zvýšenou hladinu fosforu v krvi a vyžadují tudíž zvýšený příjem vápníku. Vyšší potřebu fosforu mají také těhotné a kojící ženy. Nedostatek fosforu se příliš nevyskytuje, neboť je hojně zastoupen v potravě a jeho denní příjem dosahuje až dvojnásobku potřebného množství. Okamžitý nedostatek v séru může vzniknout při vysokém příjmu cukrů a některých tuků v potravě, který je vyrovnán z kosterních zásob. Nedostatek fosforu může být prohlubován přebytkem vápníku v potravinách. Případný deficit vede k opožďování pohlavního vývoje, poruchám ovariálního cyklu, zvýšení embryonální mortality, hubnutí. Nedostatek fosforu zvyšuje vylučování vápníku močí a způsobuje odvápňování kostí. U člověka jsou do souvislosti s nízkým příjmem fosforu a vápníku dávány degenerativní změny kloubů, kloubních chrupavek, kostí končetin, pánve a páteře (osteoartróza). V důsledku přebytku fosforu a nesprávného poměru Ca/P dochází k tzv. fibrózní degeneraci kostí (osteodystrofii), která vzniká především jako důsledek podávání veganských diet. Dlouhotrvající nadbytek způsobuje snižování hladinu vápníku v séru. Vysoký příjem fosforečnanů v potravě snižuje využitelnost celé řady dalších prvků, zejména železa. Přirozenými zdroji fosforu jsou zrniny, olejniny, potraviny živočišného původu, kvasnice a další. Stravitelnost fosforu je ovlivněna přítomností iontů vápníku a hliníku, se kterými tvoří nerozpustné sloučeniny. Hořčík Hořčík je nezbytný pro tvorbu kostí, funguje při ní jako synergista vápníku a antagonista fosforu. Optimální poměr mezi Ca a Mg je 2 : 1 ve prospěch Ca. V procesu srážení krve má hořčík opačnou funkci než vápník (snižuje srážlivost krve a brání vzniku trombózy). Hořčík je součástí mnoha enzymů, často působí jako aktivátor těch enzymů, jejichž přirozeným inhibitorem je vápník. Vytěsňuje vápník z membránových receptorů, uvolňuje napětí a navozuje relaxaci až útlum. Nízký obsah hořčíku, nebo široký poměr hořčíku a vápníku způsobuje uvolňování acetylcholinu, zvyšuje nervosvalovou dráždivost a může vést až ke vzniku tetanie. Velké množství hořčíku vyvolává útlum CNS, vymizení reflexů a ochrnutí svalstva. Nachází se v kostech a zubech, svalech a pouze přibližně 1 % je obsaženo v extracelulární tekutině. Hořčík se vstřebává především z tenkého střeva, méně ze žaludku, tlustého a slepého střeva. Vylučuje se především močí, zčásti i potem. Příznaky nedostatku hořčíku jsou podmíněny poklesem jeho hladiny v krvi, jejíž příčinou může být snížený přísun hořčíku z potravy. Nedostatek vyvolává poruchy nervové činnosti projevující se zvýšenou dráždivostí až křečemi. Prvními příznaky nedostatku hořčíku bývají většinou křeče v dolních končetinách. Postupně se může objevit nepravidelnost srdeční činnosti a úzkostné stavy. Druhou závažnou příčinou, vyvolávající nedostatek hořčíku je stres. Hořčík je nezbytným prvkem pro činnost hypofýzy, která spouští hlavní obranné mechanismy, které mají důsledkům stresu čelit. 12
Naopak nadbytek hořčíku způsobuje ospalost, pokles příjmu potravy, omezuje stravitelnost a využitelnost vápníku. Zvýšený příjem hořčíku však tělo vyloučí ven a navíc dochází k výraznému zvýšení střevní peristaltiky a k vyvolání průjmů. Přirozenými zdroji hořčíku jsou olejniny, kukuřice, fazole, ovesné vločky, pšeničné klíčky, maso a vnitřnosti. Vhodným zdrojem Mg je rovněž minerální voda s vysokým obsahem hořčíku. Využitelnost hořčíku je však závislá na formě příjmu. Je-li přijímán ze živočišných potravin, je využitelnost poměrně vysoká, z rostlinných potravin je nižší. Vstřebávání hořčíku je podporováno glukózou, naopak velké dávky vápníku jeho stravitelnost snižují, podobně jako velké dávky hořčíku snižují stravitelnost Chlor Chloridové ionty se podílejí na udržování osmotické rovnováhy a na regulaci acidobazické rovnováhy. Chloridy jsou hlavním antagonistou bikarbonátů a směřují proti jejich koncentračnímu spádu, čímž se zúčastňují na tvorbě membránového potenciálu. Ve formě kyseliny chlorovodíkové hraje chlor významnou roli v procesu trávení. Nedostatek chloru snižuje vylučování kyseliny chlorovodíkové do žaludeční šťávy, což má za následek poruchu trávení bílkovin, inhibuje motilitu žaludku a posun tráveniny do střeva. Nadměrné ztráty chlóru (zvracení) mají za následek zvýšené uplatnění bikarbonátů a vznik metabolické alkalózy. Naopak nadbytek chloridových iontů snižuje koncentraci bikarbonátů a způsobuje okyselování organizmu - metabolickou acidózu. Přirozenými zdroji chloridů jsou potraviny živočišného původu a zelenina. Síra Je obsažena ve všech tkáních, především však v kůži, vlasech a chlupech. Jen malá část síry je v těle v anorganické formě, většina je vázána především v organických sloučeninách - v sirných aminokyselinách (cystin, cystein a methionin), glutationu, hormonu inzulínu a v některých vitamínech, jako jsou biotin a thiamin. Je důležitá pro syntézu biologicky aktivních látek a detoxikaci některých kovů a aromatických organických látek. Účastní se tvorby podpůrných tkání, chrupavek a kostí. Z hlediska výživy člověka má význam především organicky vázaná síra. Nedostatek síry se prakticky nevyskytuje, její příjem je většinou dostatečně zajištěn prostřednictvím bílkovin ve stravě. Jedním z příznaků eventuálního nedostatku metioninu v potravě je narušená struktura vlasů a jejich zvýšená lámavost. Následky nadměrného příjmu síry také nebývají u člověka pozorovány, ale projevují se negativním vlivem na sliznice zažívacího traktu, svojí reakcí s vápníkem v primární moči tvoří nerozpustný síran vápenatý a tím vytváří předpoklady pro vznik ledvinových kamenů. Příjem nadměrného množství síranů může být způsoben neúměrnou konzumací potravinových doplňků. Vysoký příjem síranů působí projímavě. Přirozenými zdroji síry jsou maso, vnitřnosti, tvrdé sýry, kukuřice, brukvovité rostliny, slunečnice, kvasnice a vejce.
2.2.2 Mikroelementy Železo Primární úlohou železa v organizmu je přenos kyslíku, prostřednictvím hemoglobinu a uložení kyslíku pro potřebu svalového stahu, prostřednictvím myoglobinu. Železo je přítomno i v hemových enzymech - cytochromech, podílejících se na přenosu elektronů a některých detoxikačních reakcích. Je obsaženo i v některých nehemových enzymech a metaloproteinech. Oxidace železnatých iontů na trojmocný iont se účastní enzym ceruloplasmin. Tento enzym obsahuje v molekule měď, proto při jejím nedostatku může docházet k poruchám transportu železa a vzniku anemie. Malý deficit železa vede k nedostatečné funkci enzymů dýchacího řetězce a snižuje výkonnost organizmu. Větší deficit vede k poruchám erytropoezy, projevujícím se snížením počtu červených krvinek a nižším obsahem hemoglobinu v erytrocytech. Anemie se projevuje apatií, nápadnou bledostí, zpomalením růstu a změnami v krevním obrazu. Tomuto stavu lze předejít podáváním vysokomolekulárních sloučenin železa se stopami mědi. Nadměrný příjem železa je poměrně vzácný. Tento stav se může projevit u lidí s nadměrnou schopností vstřebávat Fe přes střevní stěnu. Tato anomálie může být dědičná, vyskytuje se však zřídka. Přirozenými zdroji železa je pro člověka zejména maso (především červené) a masné výrobky. Měď Významnou funkcí mědi je podíl na vstřebávání železa a jeho mobilizaci z tělesných rezerv. Je obsažena v enzymu ceruloplazminu. Měď se též podílí na inkorporaci železa do molekuly hemu. Je složkou řady enzymů, stimuluje glykogenezi a lipogenezi, je nutná pro tvorbu pigmentů a keratinu. Projevy nedostatku mědi ve výživě člověka se vyskytují pouze vzácně. Přítomnost mědi ve stravě člověka je dostatečná. Příznaky případného deficitu mědi je anemie, zpomalení růstu, pokles příjmu potravy, poruchy osifikace. Nedostatek mědi vyvolává i poruchy reprodukce. 13
Dlouhodobý nadbytek způsobuje zvýšené ukládání mědi do jater s následným rozvojem cirhózy. Nahromadění mědi v ledvinách poškozuje tubuly a vede to mimo jiné ke zvýšenému vylučování aminokyselin a peptidů, případně i glukózy. U lidí trpících tzv. Wilsonovou chorobou, způsobenou zvýšenou schopností vstřebávání mědi ve střevě, dochází ke zvýšení obsahu nevázané mědi v tkáních. Při této chorobě je buď snížená produkce ceruloplasminu nebo je snížena produkce bílkoviny, která měď váže. Tato nevázaná měď může tvořit abnormální vazby s bílkovinami, především v mozku a jatrech. Přirozenými zdroji mědi jsou obiloviny, luštěniny, brambory a potraviny živočišného původu. Zinek Zinek je nezbytný pro správnou funkci řady enzymů. Je součástí oční duhovky a je zapojen do fotochemických procesů vidění. Ovlivňuje metabolismus bílkovin, sacharidů, některých hormonů a regulaci imunitního systému, je součástí molekuly inzulínu. Zinek má nezanedbatelný vliv na reprodukci, zejména činnost varlat a vaječníků. Ovlivňuje vylučování gonadotropinů, androgenů a prostaglandinů. Podílí se na uvolňování prolaktinu a na kontrakcích děložního svalstva v průběhu porodu. Ovlivňuje také motilitu spermií a jejich schopnost penetrace do vajíčka. V kostech se, jako složka alkalické fosfatázy (ALP), zúčastňuje osifikace. Ovlivňuje keratinizaci sliznic, kůže a kožních derivátů. Biochemická aktivita Zn je spojená s udržováním normální hladiny vitamínu A v plasmě. Jeho funkce v játrech je spojena i s odbouráváním alkoholu. Zinek příznivě působí na hojení ran a zvyšuje účinnost některých hormonů. Nedostatek zinku snižuje syntézu bílkovin a vyvolává zpomalení růstu. Projevuje se šeroslepostí, poruchami imunity, záněty kůže, špatným hojením ran a narušenou osteogenezí. Nedostatek zinku vede v těhotenství ke zpomalení vývoje plodu a zvýšenému výskytu defektů plodu, dochází k deformacím kostí a obratlů. Nadměrný příjem zinku je poměrně vzácný, vyskytuje se především předávkováním přípravky s vysokým obsahem zinku. Otrava je vyvolána především antagonistickým vztahem zinku k železu a mědi, snižuje stravitelnost fosforu, způsobuje anemie a poruchy trávení. Přirozenými zdroji zinku jsou především zrniny, luštěniny, ořechy, semena slunečnice a dýně, kvasnice, maso, vejce. Mangan Působí jako kofaktor některých enzymů a metaloenzymů, je důležitý pro vývoj mezibuněčné hmoty kostí a chrupavek. Mangan významně ovlivňuje krvetvorbu a zasahuje do syntézy kyseliny askorbové. Nedostatek manganu vede k nedostatečné funkci enzymů obsahujících mangan. Důsledkem je zpomalení růstu, abnormality kostí, zvýšené ukládání tuků, dystrofie varlat a vaječníků. Nedostatek manganu brání účinnému zabudovávání vápníku do kostí. Při výraznějším, déle trvajícím nedostatku, může být tento proces tak silně narušen, že ani zvýšený přívod Ca v potravě nezajistí odpovídající zlepšení při léčbě osteoporózy. Další příznaky jsou poruchy nervového systému, narušení odbourávání cukrů a tuků. Nadměrný příjem manganu se v praxi nevyskytuje, ale způsobuje poruchy v metabolismu vápníku a hořčíku, což se může projevit patologickými změnami kostí a zubů, ale i zvracením, průjmy. Přirozenými zdroji manganu jsou rostlinné potraviny, zejména obilniny, olejniny a luštěniny, velice bohaté na mangan jsou borůvky a maliny, ale i ořechy. Jod Jód ve štítné žláze slouží k jodaci tyreoglobulinu a syntéze thyroidálních hormonů (thyroxinu a trijodthyroninu), jód nezachycený štítnou žlázou a uvolněný při dejodaci thyroidálních hormonů je vylučován především močí. Hladina jódu v moči je základním ukazatelem úrovně jeho příjmu a je využívána k zjištění případného deficitu. Jód sám o sobě není fyziologicky aktivní, teprve inkorporován do thyroxinu a trijodthyroninu má hormonální účinek. Hormony štítné žlázy jsou nezbytné pro činnost nervové, reprodukční a dalších tkání. Zvyšují v tělních buňkách rychlost oxidace a produkci tepla. Ovlivňují růst a vývoj, účastní se regulace metabolismu lipidů, proteinů a sacharidů. Nedostatek jódu se projevuje hypofunkcí štítné žlázy, sníženou syntézou a sekrecí thyroidálních hormonů a zvětšením štítné žlázy - strumou. Hypofunkce štítné žlázy se projevuje snížením metabolizmu sacharidů, tuků a bílkovin a produkce tepla. U dospělých lidí dochází k poruchám reprodukce, snížení výkonnosti a mentálním poruchám, pomalý puls. Osoby postižené hypotyreózou bývají obézní, mají zvýšenou hladinu cholesterolu, ale uvolňování mastných kyselin z tukové tkáně se snižuje. Projevy nedostatku jódu mohou být zvýrazněny deficitem selenu, zinku, hořčíku a dalších prvků. Nadměrná produkce hormonů štítné žlázy způsobuje onemocnění hyperthyreozu. I při tomto onemocnění se objevuje struma, není to však pravidlem. Objevují se stavy únavy, nervozita, úbytek na váze, zvýšená teplota s nadměrným pocením a zrychlení srdeční činnosti. 14
S nadměrným příjmem jódu se u člověka nesetkáváme. Přirozenými zdroji jodu jsou ryby, mořské řasy, minerální voda. Obsah jodu v rostlinách je závislý na jeho zastoupení v půdě. Molybden Molybden je součástí flavinových enzymů a některých metaloezymů, které se podílí na oxidačně - redukčních pochodech. Molybden je antagonistou mědi. Podporuje ukládání fluóru a tím zvyšuje pevnost kostí a zubů. Je důležitým růstovým faktorem pro střevní mikroflóru. Nedostatek molybdenu se v praxi neobjevuje. Případný deficit vede k potlačení funkce enzymů obsahujících molybden, zpomalení růstu, snížení plodnosti a zvýšení hladiny mědi v játrech. V důsledku nižšího ukládání fluóru v kostech může docházet k častějším zlomeninám. Nadměrný příjem molybdenu je častější než nedostatek, vede ke zvýšení hladiny kyseliny močové a dně. Nadbytek molybdenu brzdí resorpci mědi a tvorbu ceruloplazminu, což může vést k anemii. Přirozenými zdroji molybdenu jsou játra a jiné vnitřnosti, v menší míře maso, z potravin rostlinného původu to jsou obilné otruby, melasa, luštěniny a listy zeleniny. Selen Selen se podílí na funkci celé řady enzymů, spolu s vitamínem E se účastní syntézy koenzymu A. Vzhledem k chemické podobnosti selenu a síry dochází k nahrazení síry v některých peptidech a bílkovinách, při větším příjmu selenu může tento jev způsobit poruchy jejich funkcí. Selen je v malých množstvích nepostradatelný pro tkáňové dýchání. Nedostatek selenu vede k poškozování svalových buněk, nervového systému, jater a reprodukčních orgánů. Vede k snížení výkonnosti, poruchám reprodukce, výskytu myokarditid. Ve vyšších dávkách je selen vysoce toxický a karcinogenní, k otravám člověka může dojít při předávkování minerálními doplňky na bázi selenu. Otravy se projevují těžkými poruchami CNS, paralýzami, poruchami příjmu potravin a vypadáváním vlasů. Selen může nahrazovat síru ve všech molekulách, především aminokyselin methioninu a cysteinu, dochází k jeho kumulaci v organizmu a chronickým otravám. Přirozenými zdroji selenu jsou především mořské ryby. Výborným kumulátorem selenu jsou houby. Fluor Fluor je prvek nezbytný pro tvorbu kostí a zvláště pro tvorbu zubů, kde tvoří součást zubní skloviny. Naváže-li se F na anorganickou složku zubů, vzniká sloučenina s výrazně zvýšenou tvrdostí. Nedostatek fluoru se projevuje především sníženou kvalitou kostí a nedostatečnou pevností zubní skloviny a zvýšenou kazivostí zubů. Nadměrný přísun fluoru je nebezpečný, protože působí degeneraci kostí a zubů, která se projevuje měknutím kostí, křečemi v nohou a zvýšenou nervozitou. V přítomnosti F přestává pracovat enzym, odpovědný za ukládání vápníku a fosforu do kostí a zubů. Negativně ovlivňuje i některé další enzymy, uplatňující se v reakcích, které probíhají v mozku. Chrom Chrom hraje významnou roli v metabolizmu sacharidů (glukózy) a lipidů. Jako součást faktoru tolerance glukózy umožňuje správnou funkci inzulínu a udržení normální glykémie. Trojmocný chróm zesiluje účinek inzulínu při vstřebávání a využití glukózy. Má vliv na metabolismus nukleových kyselin a je součástí některých enzymů. Nedostatek chrómu má podobné následky jako nedostatek inzulínu. Důsledkem jeho deficitu je snížení schopnosti normálně metabolizovat sacharidy, snížení periferní citlivosti vůči inzulínu, celková únava, vyšší krevní tlak, vyšší hladina cholesterolu a cukru v krvi, zhoršení metabolismu bílkovin, nervové poruchy a může se projevit i snížení plodnosti u mužů. Nadbytek chromu předávkováním se nevyskytuje. Přirozenými zdroji chrómu jsou kvasnice, pšenice, zelenina a ovoce, mléko litru Kobalt Kobalt zasahuje do metabolismu bílkovin, cukrů a minerálních látek, je aktivátorem některých enzymů a významným faktorem optimálního využití jodu, při jeho nízké hladině v krvi, štítnou žlázou. Je součástí vitamínu B12. Nedostatek kobaltu vede k poklesu příjmu potravy, hubnutí. Nedostatek kobaltu vede ke snížení stravitelnosti železa a vzniku anemie. Vysoký příjem kobaltu vyvolává zpomalení růstu, poškození kostí a narušení plodnosti. Přirozenými zdroji kobaltu je především maso a vnitřnosti, ale i potraviny rostlinného původu, hlavně luštěniny. 15
2.2.3 Stopové prvky Křemík Křemík je obsažen v kostech. Vyskytuje se hlavně ve formě křemičitanů, což jsou chemicky velice stabilní a málo reaktivní sloučeniny. V některých rostlinách, zejména v kopřivách, je obsažena kyselina křemičitá, tato forma křemíku je pro organismus podstatně využitelnější. Vanad Vanad je důležitý pro regulaci mineralizace kostí a zubů. Denní potřeba je nižší než u chrómu. Hliník Je běžně rozšířen v přírodě, ale ze stravy se prakticky nevstřebává. Význam hliníku ve výživě se stále zkoumá, a to zejména vztah mezi zvýšenou hladinou v organismu a rozvojem Alzheimerovy choroby. Bor Bor, konkrétně jeho nedostatek, je spojován s narušením metabolismu makrominerálních látek a vitaminu D3.
2.2.4 Toxické prvky
Olovo a Kadmium Výskyt obou prvků v potravinách souvisí se znečištěním životního prostředí, zejména přítomností v ovzduší, vodě a půdě. Obsah v potravinách je velice nízký, naopak jejich hladiny jsou přísně sledovány, vyšší množství olova se vyskytuje v potravinách v konzervách. Resorbují se z potravy v gastrointestinálním traktu a plícemi, kumulují se v játrech, kde mohou způsobovat poškození. Při dlouhodobém působení může také docházet ke kumulaci v kostech, způsobují poškození nervového systému, srdce, mají teratogenní a karcinogenní účinky. Rtuť Vyskytuje se v půdě, vodě, v zubní lékařství, v potravinách je vysoký obsah v houbách, korýších, rybách. Tolerovatelná denní dávka je 50 µg, resorpce probíhá v gastrointestinálním traktu, kumuluje se v játrech, ledvinách, mozku, má teratogenní účinky.
Literatura: 1. http://video.upol.cz/dpx_enterprise_media_user/dpx/slidemedia/27/10_01.pdf (3.8.2010) 2. http://home.zf.jcu.cz/public/departments/koz/vyz/pred_04.pdf (15.10.2010) 3. http://medical.tym.cz/index.php?option=com_content&task=category§ionid=4&id=15&Itemid=28 (20.12.2010) 4. Velíšek J., Hajšlová J.: Chemie Potravin I., OSSIS, 2009 (ISBN 978-80-86659-15-2) 5. Vávrová J. a kol.: Vitamíny a stopové prvky (Encyklopedie laboratorní medicíny pro klinickou praxi), SEKK, Česká společnost klinické biochemie ČLS JEP, Praha 2007 (ISBN 978-80-254-1171-1) 6. Pánek J., Pokorný J., Dostálová J., Kohout J.: Základy výživy, Svoboda Servis 2002 (ISBN 80-86320-23-5) 7. Jabor A. a kol.: Vnitřní prostředí, Grada Publishing, Praha 2008 (ISBN 978-80-247-1221-5)
16
3. Aminokyseliny, peptidy, bílkoviny 3.1
Kódované aminokyseliny – základní funkce, význam v potravinách
Kódované aminokyseliny jsou hlavními dusíkatými látkami organismu. Při translaci se zabudovávají do polypeptidových řetězců bílkovin, proto jsou označovány jako aminokyseliny proteinogenní nebo bílkovinotvorné. Zabudování aminokyselin do peptidového řetězce při proteosyntéze je řízeno genetickým kódem (proto kódované). Patří sem 20 α-aminokyselin. Kromě glycinu, který není chirální, mají všechny kódované aminokyseliny konfiguraci L na uhlíku Cα. Dělí se do 8 základních skupin: - jednoduché (Gly, Ala, Val, Leu, Ile)
- s hydroxylem v postranním řetězci (Ser, Thr)
- se sirnou skupinou v postranním řetězci (Cys, Met)
- se dvěma karboxyskupinami (Asp, Glu)
17
- amidy dikarboxylových aminokyselin (Asn, Gln)
- zásadité aminokyseliny (Lys. Arg)
- aromatické aminokyseliny (Phe, Tyr, Trp)
- další (His, Pro)
Glycin jako jediná biogenní aminokyselina není opticky aktivní, neboť kvůli přítomnosti dvou vodíků na α uhlíku má rovinu symetrie (nemůže se tedy rozlišit D- a L-glycin). Z důvodu krátkého postranního řetězce se může glycin vázat na místa, na která jiné aminokyseliny ze sterických důvodů nemohou. Například pouze glycin může být vnitřní aminokyselinou kolagenové šroubovice. Slouží k syntéze jiných aminokyselin, je součástí hemoglobinu a cytochromů (enzymů důležitých ke tvorbě energie), vzniká z něj glukagon, který stimuluje tvorbu glykogenu, je jednou ze složek při tvorbě kreatinu. 18
Alanin je hlavní součástí pojivových tkání, klíčovou látkou metabolismu glukózy, umožňuje dodávat svalům energii z aminokyseliny. Alanin je vůbec nejobvyklejší aminokyselinou v proteinech. Kromě výstavby proteinů se také podílí na dopravě amoniaku ze svalů do jater a na glukoneogenezi Valin je esenciální α-aminokyselina s nepolárním postranním řetězcem. Ovlivňuje absorpci některých nervových přenašečů v mozku podobně jako tryptofan, fenylalanin a tyrosin. Leucin je jednou z dvaceti základních proteinogenních aminokyselin. Patří mezi esenciální aminokyseliny a musí být proto přijímán v potravě. Je např. výchozí látkou enkefalinu (omezuje bolesti podobně jako endorfiny), konkuruje tyrosinu, fenylalaninu a tryptofanu jako výchozí látka k syntéze nervových přenašečů, urychluje hojení pokožky a zlomenin kostí. Isoleucin patří také mezi esenciální aminokyseliny. Je aminokyselinou, kterou mohou svaly využít k pokrytí zvýšené energetické potřeby, suplementace chrání svaly před odbouráváním. Serin je neesenciální, glukoplastická aminokyselina, jejíž L-forma je aminokyselina biogenní, je jedna ze základních stavebních složek proteinů. Je běžnou a důležitou součástí mnoha bílkovin, ve fosfoproteinech je jeho hydroxy skupina esterifikována zbytkem kyseliny fosforečné, v O-glykoproteinech je to serin, na jehož postranní řetězec je navázaný řetězec oligosacharidů. Serin tvoří aktivní místo enzymů, především tzv. serinových proteáz. V metabolických drahách se serin uplatňuje jako substrát při biosyntéze purinů a pyrimidinů, je prekurzorem syntézy glycinu, cysteinu. Je důležitý při tvorbě energie, posiluje paměť a nervové funkce, je důležitý při tvorbě imunoglobulinů a protilátek. Threonin je esenciální glukoplastická aminokyselina, její L-forma je aminokyselina biogenní, jedna ze základních stavebních složek proteinů. Threonin je součástí bílkovin a často podléhá potranslačním modifikacím, ve fosfoproteinech je jeho hydroxylová skupina fosforylována zbytkem kyseliny fosforečné, v O-glykoproteinech je jeho postranní řetězec navázaný řetězec oligosacharidů. Je důležitou složkou kolagenu, jeho nedostatek způsobuje ukládání tuku v játrech, snížená hladina se vyskytuje u vegetariánů. Cystein je v přírodě se vyskytující aminokyselina, která ve své molekule obsahuje thiolovou skupinu –SH. Podílí se významně na struktuře bílkovin (tvoří disulfidové můstky) a na udržení přiměřeného oxidačně-redukčního prostředí v buňce. Chrání organismus před jedy, účinky alkoholu, tabáku, proto je používán při léčbě otrav. Methionin je esenciální aminokyselinou, je první aminokyselinou v proteinu, ke které se další aminokyseliny připojují při proteosyntéze. Kyselina asparagová je biogenní aminokyselina. Obsahuje karboxylovou skupinu, je tudíž kyselá, polární a hydrofilní. V organismu se vyskytuje ve formě své konjugované zásady, která se nazývá aspartát. Kromě úlohy v metabolismu je také substrátem pro mnoho biochemických pochodů, je intermediátem ornitinového cyklu a jedním z hlavních substrátů pro syntézu purinových i pyrimidinových bází. U rostlin a mikroorganismů je též prekurzorem při syntéze esenciálních aminokyselin methioninu, threoninu, isoleucinu a lysinu. Kyselina glutamová je glukogenní neesenciální aminokyselina. Její soli se nazývají glutamáty a jsou běžně využívané v potravinářském průmyslu. Kyselina L-glutamová se uplatňuje v řadě reakcí, zejména při přenosu aminoskupin mezi jinými aminokyselinami. Biochemický význam souvisí i s oxidační deaminací kyseliny glutamové působenim enzymu glutamátdehydrogenázy. Kyselina glutamová se podílí též na metabolismu tuků. Hraje důležitou roli v detoxikaci amoniaku v organizmech. Podílí se na přenosu iontů draslíku mezi krví a mozkovou tkání. Kromě toho je kyselina glutamová prekurzorem biosyntézy neesenciálních aminokyselin glutaminu a prolinu. Asparagin je jednou ze základních proteinogenních aminokyselin. Glutamin je nejhojněji se vyskytující neesenciální aminokyselina. Kromě své úlohy jako součást proteinů má důležitou úlohu také při detoxikaci amoniaku a udržování dusíkové rovnováhy v organismu. Hraje klíčovou roli v imunitním systému, je důležitým zdrojem energie pro ledviny, střeva a játra. Lysin je pro člověka jednou z esenciálních aminokyselin. L-lysin je nezbytným stavebním prvkem pro všechny bílkoviny v těle. Hraje důležitou roli při vstřebávání vápníku, při tvorbě svalové tkáně. Nízké hladiny brzdí syntézu bílkovin ve svalech a pojivových tkáních, působí proti virům, je potřebný k tvorbě karnitinu, stimuluje tvorbu kolagenu, chrupavek a pojiv. Arginin patří mezi tzv. semiesenciální aminokyseliny, je esenciální jen v době růstu. Arginin je součástí bílkovin, je intermediátem ornitinového cyklu, ve kterém je syntetizována močovina, zvyšuje hladinu oxidu dusíku podporujícího růst svalů, zvyšuje uvolňování inzulinu, glukagonu a růstových hormonů, je významnou složkou svalového metabolismu, řídí uvolňování, transport a ukládání http://www.aminokyseliny.cz/dusíku v těle, zpomaluje úbytek svalů po námaze, prospívá při rehabilitaci zranění, tvorbě kolagenu, zvyšuje obranyschopnost organismu. Fenylalanin patří mezi kódované esenciální glukogenní i ektogenní aminokyseliny, zlepšuje náladu, zvyšuje bdělost, pomáhá při léčení deprese, používá se při terapii bolesti, hlavní surovina k tvorbě kolagenu, potlačuje chuť k jídlu. 19
Tyrosin je neesenciální aminokyselina, může být snadno fosforylován a fosforylace tyrosinu může ovlivnit funkce proteinů. Je prekurzorem nervového přenašeče dopaminu, adrenalinu a noradrenalinu, hormonů štítné žlázy (trijodtyroninu a tyroxinu), růstových hormonů a melaninu. Tryptofan se řadí k nepolárním, aromatickým aminokyselinám. Patří mezi esenciální aminokyseliny. Je prekurzorem nervového přenašeče serotoninu, používá se k léčení nespavosti, stresu, úzkosti a deprese. Histidin je jednou z nejběžnějších přírodních aminokyselin přítomných v proteinech. Ve výživě je u člověka považován histidin za esenciální aminokyselinu, ale většinou jen u dětí. Je výchozí látkou pro syntézu nervového přenašeče histaminu. Prolin je jednou ze základních dvaceti proteinogenních aminokyselin, v případě prolinu by ale bylo správnější označení iminokyselina, protože -NH2 skupina na α-uhlíku je zacyklená s postranním řetězcem za tvorby iminu. Hraje roli při tvorbě pojivové tkáně a stavbě srdečního svalu, je hlavní součástí kolagenu.
3.2 Peptidy - vznik peptidové vazby, biochemie peptidů, potravinářsky významné peptidy Peptidy vznikají kondenzací jednotlivých aminokyselin za vzniku peptidové vazby (Obr.11). Jedná se o zvláštní typ amidové vazby, která vzniká reakcí karboxylové skupiny jedné AK s aminoskupinou druhé AK za odštěpení vody. Hydrolýza peptidové vazby je exergonní proces, na rozdíl od syntézy peptidové vazby, která je procesem endergonním. Podle počtu aminokyselin zapojených do polypeptidového řetězce hovoříme o oligopeptidech (2-10), polypeptidech (11-100) a proteinech (101 a více).
Peptidy plní v organismech mnoho různých funkcí: působí jako hormony (od tripeptidů až po vysokomolekulární proteohormony), antibiotika, rostlinné jedy (např. z muchomůrek), kofaktory enzymů (viz glutathion) atd. Z významných peptidů lze zmínit: Glutathion, což je tripeptid složený z aminokyselin glutaminu, cysteinu a glycinu nacházející se v buňkách živočichů, rostlin i bakterií. Funguje jako redox činidlo, odstraňuje z buněk těžké kovy, udržuje stálý redoxní potenciál v buňkách, chrání organismus před oxidačním stresem. Hormony slinivky břišní inzulin a glukagon, podílející se na udržení fyziologické hladiny glukózy v krvi. Oxytocin je hormon hypofýzy, který ovládá stahy hladkého svalstva při porodu. Vasopresin neboli antidiuretický hormon je hormon hypofýzy, jedná se o cyklický oktapeptid podobný oxytocinu, který zvyšuje krevní tlak a podporuje zpětnou resorpci vody v ledvinách. Andrenokortikoidní hormon (ACTH) je hormon hypofýzy, který ovlivňuje činnost nadledvinek. Gastrin vylučovaný buňkami žaludku je jedním z nejvýznamnějších hormonů gastrointestinálního traktu stimuluje sekreci kyseliny chlorovodíkové. Stimuluje také produkci pepsinogenu. Parathormon produkovaný v příštítných tělískách reguluje hladinu hladinu vápníku v těle. Mezi biologicky aktivní peptidy patří také některá antibiotika (penicilin, cystein a D-valin), které mají v řetězci aminokyseliny s antimikrobiálním účinkem. Peptidovou povahu mají i toxiny, jako je botulotoxin, jedy muchomůrek, hmyzí jedy.
3.3
Proteiny – struktura, rozdělení proteinů podle funkce v organismu
Bílkoviny neboli proteiny jsou biopolymery, jejichž kostru tvoří polypeptidový řetězec, tvořený více než 100 aminokyselinových zbytků spojených peptidovou vazbou. Představují základní stavební materiál buňky jakožto základní jednotky živých organismů. Peptidové řetězce bílkovin jsou syntetizovány na ribosomech endoplasmatického retikula v procesu translace, většina z nich následně podléhá kotranslačním a posttranslačním modifikacím. 20
Pořadí aminokyselin v polypeptidovém řetězci je pro každou bílkovinu jedinečné a je dáno genetickým kódem. Již drobné změny primární struktury, vyvolané mutacemi genu, mohou vést k podstatné změně vlastností dané bílkoviny. Hydrolyticky pomocí enzymů jsou proetiny štěpeny na výchozí aminokyseliny. Ty organismus využívá k syntéze dalších bílkovin nebo disimilují až na anorganické složky (CO2, H2O, NH3) v procesech dekarboxylace a deaminace. Proteiny lze dělit na základě několika hledisek. Podle tvaru je rozeznáváme proteiny fibrilární (vláknité) a globulární (kulovité). Mezi fibrilární proteiny řadíme: Kolageny, které jsou součástí pojivové tkáně. Vyznačují se vysokou pevností v tahu. Po chemické stránce se jedná o glykoproteiny s vysokým obsahem glycinu a prolinu v proteinové struktuře. Základní jednotkou je molekula tropokolagenu, který vzniká z prokolagenu a je tvořen třemi vzájemně stočenými vlákny, která jsou zpevněna příčnými kovalentními vazbami. Pro jeho funkci je důležitý vitamín C, při jeho nedostatku dochází k nižší stabilitě kolagenu a krvácivým stavům. Elastiny doprovází kolageny ve šlachách, pojivech a cévních stěnách, tvoří pružné síťovité útvary, pro něž je charakteristický rychlý návrat do původního stavu po předchozím natažení. Po chemické stránce jsou bohaté na prolin a glycin, alanin, valin, leucin a izoleucin. Základní jednotkou je tropoelastin, vzniklý z proelastinu, tvořený jedním polypeptidovým řetězcem. Keratiny jsou produkty epiteliálních buněk přítomné na vnější straně pokožky. Jsou bohaté na glycin, serin a cystein. Jejich hlavní vlastností je tvrdost, nerozpustnost a roztažnost díky S-S vazbám stabilizujícím strukturu. Strukturu tvoří protofibrily, z protofibril vznikají mikrofibrila a následně makrofibrila a nakonec keratinové vlákno. Na pomezí mezi fibrilárními a lobulárními proteiny stojí aktin a myosin, neboť mají ve struktuře jak fibrilární, tak globlární složku. Aktin a myosin jsou hlavní složky myofibril, které jsou základní složkou kontraktilního svalového vlákna. Myosin tvoří silnější mikrovlákna, vykazuje ATPasovou aktivitu a má složku fibrilární, tvořenou dvěma polypeptidovými řetězci stočenými do α-helixu, a lobulární část tvořenou 4 řetězci. Aktin tvoří tenká vlákna, na která je vázán tropomyosin. Aktin a myosin asociují na komplex aktomyozin, který je zodpovědný za svalovou kontrakci. Globulární proteiny mají oblý až kulovitý tvar, nepolární skupiny uvnitř, polární tvoří vnější obal. Jsou rozpustné ve vodě a řadíme mezi ně: Hemoglobin (Hb) označovaný jako červené krevní barvivo. Jeho funkcí je rozvod kyslíku z plic do tkání. Je tvořen dvěma podjednotkami α a β, spojenými nekovalentními vazbami za tvorby tetrametru. Každá podjednotka obsahuje jednu hemovou skupinu, která na svou molekulu Fe2+ váže molekulu O2, resp. 1 molekula Hb váže 4 molekuly O2. Hb s navázaným kyslíkem označujeme jako oxygenovaný hemoglobin (HBO2), který je rozváděn do tkání. Hb bez kyslíku neboli deoxygenovaný hemoglobin (Hb) se vrací krví do plic. Vedle kyslíku může hemoglobin vázat i jiné molekuly, které mohou způsobovat vážné poškození organismu, v krajních případech i smrt. Jedná se o methemoglobin (MetHb) – hemoglobin s vázanými NO3- a NO2- nebo karboxyhemoglobin – hemoglobin s vázaným CO. V obou případech je vazba pevnější než vazba s kyslíkem a je příčinou toxicity. Myoglobin plní analogickou funkci hemoglobinu, ale ve svalové tkáni. Strukturně jde monomerický protein obsahující jeden globin a navázanou hemovou skupinu. V lidském těle vzniká v srdeční svalovině a v některých velmi výkonných kosterních svalech. Potravinářsky významné jsou proteiny mléka, konkrétně kaseiny (α-kasein, β-kasein). Strukturně se jedná o fosfoproteiny. Dále jsou to proteiny vajec, ovalbumin, ovotransferrin, ovomukoid, lysozym, ovomucin, flavoprotein, ovoglykoprotein, ovomakroglobulin, ovoinhibitor a další. Imunoglobuliny jsou další biologicky velice významné lobulární proteiny, vzhledem k jejich ochranné funkci v organismu, kde se účastní imunitních reakcí. Strukturně jsou imunoglobuliny glykoproteiny se dvěma řetězci (těžkými a lehkými) spojenými disulfidovými vazbami. Existuje 5 základních tříd imunoglobulinů, IgA, IgG, IgD, IgE, IgM, z nichž každé mají v imunitních reakcích nezastupitelnou roli. Dále můžeme proteiny dělit podle jejich funkce v organismu, a to na: Strukturní proteiny tvořící cytoskelet, organely, membrány Katalytické a regulační, což jsou zejména enzymy a hormony. Vykazují vysokou specifitu a jejich aktivita neregulovatelná. Transportní proteiny membránové, zajišťující transport látek přes membrány, a přenašeče látek v extracelulárních tekutinách např. albumin, transferin, hemoglobin, které na sebe váží nízkomolekulární látky a transportují je v organismu. 21
Pohybové proteiny svalových vláken (aktin, myosin), proteinová filamenta umožňující pohyb řasinek, chromozomů při mitóze apod. Obranné specifické proteiny zajišťující ochranu buňek, organismu (imunoglobuliny, znaky krevních skupin). Zásobní jako je např. ferritin Senzorické proteiny, které jsou do potravin uměle přidávány pro zajištění lepší konzistence, zvýraznění chuti, zlepšení využitelnosti některých látek z potravin apod. Většinou se jedná o uměle modifikované proteiny, chemicky či enzymaticky. Výživové proteiny, kdy se jedná o zvláštní skupinu látek získaných z potravin, degradovaných na AK, z nichž jsou syntetizovány opět proteiny. Podle biologické aktivity dělíme proteiny na: Nativní, tedy biologicky aktivní Denaturované, které jsou biologicky neaktivní (např. porušení terciální struktury vlivem teploty) Dále můžeme bílkoviny dělit podle složení, kdy rozlišujeme: Jednoduché, které jsou složené pouze z bílkovinotvorných aminokyselin Složené obsahující i další nebílkovinnou část (cukry, tuky, kyselinu fosforečnou aj.) – podle toho rozlišujeme např. fosfoproteiny obsahující vázaný zbytek kyseliny fosforečné (kasein, vitein), nukleoproteiny obsahující vázané nukleové kyseliny či nukleotidy, lipoproteiny s vázanou lipidovou složkou (triacylglyceroly, fosfolipidy, cholesterol), glykoproteiny s vázanou cukernou částí (imunoglobuliny, substance krevních skupin, součásti chrupavek), chromoproteiny (barevné, hem, deriváty riboflavinu, modifikované polymery Tyr a derivátů, hemoglobin, cytochromy a kataláza (enzymy), pigmenty kůže a vlasů), metaloproteiny s vázaným kovem, který je součásí funkční molekuly ve formě ionty kovů (hemoglobin, transferrin, ferritin, alkoholdehydrogenasa, cytochromoxidasa, xantinoxidasa). Proteiny jsou polymerní molekuly, v nichž rozeznáváme několik přesně definovaných struktur. Stavbu molekuly popisuje kovalentní struktura, prostorové uspořádání označujeme pojmem konformace. Primární struktura popisuje kovalentní strukturu polypeptidového řetězce a udává počet a pořadí aminokyselin v řetězci, které jsou kódovány pořadím nukleotidů v DNA. Pořadí je ve všech molekulách téhož druhu identické, určuje vlastnosti proteinu, prostorovou strukturu a funkci. Uvádí se od N-konce k C-konci hlavního řetězce, v souladu se směrem proteosyntézy. Primární struktury se účastní kovalentní peptidové vazby. Sekundární struktura udává prostorové uspořádání řetězce podle primární struktury. Existují helikální struktury, kdy dochází ke stočení řetězce kolem Cα do šroubovice (helixu) (Obr 12). Na tvorbě α-helixu se podílí intramolekulové vodíkové vazby rovnoběžné s osou šroubovice, které ji stabilizují. Na 1 otáčku šroubovice připadá 3,6 aminokyselin a vodíková vazba se vytváří mezi CO skupinou aminokyseliny s NH skupinou o 4 aminokyseliny dál -> 3,613-helix.
převzato z: KODÍČEK, M. Biochemické pojmy: výkladový slovník [online]. Praha: VŠCHT Praha, 2007 22
Dále existují β - struktury (skládaný list, hřeben) (Obr 13), neboť pro některé sekvence je tato struktura konformačně výhodnější. Jedná se o pravidelnou strukturu s roztaženým a zprohýbaným řetězcem, kdy jsou spojeny dva paralelně nebo antiparalelně orientované řetězců, stabilizované intramolekulovými vodíkovými vazbami kolmými na směr řetězců za vzniku pásů. Postranní řetězce jsou orientované nad nebo pod osou hřebene. Tyto struktury nikdy neobsahují prolin.
převzato z: KODÍČEK, M. Biochemické pojmy: výkladový slovník [online]. Praha: VŠCHT Praha, 2007
Terciální struktura určuje celkovou konformaci polypeptidového řetězce a prostorové uspořádání postranních řetězců. Na tvorbě se účastní disulfidové můstky, nevazebné interakce, hydrofobní a elektrostatické interakce. Kvarterní struktura je odpovědná za tvorbu vyšších proteinových celků, které vznikají asociací jednotlivých řetězců do komplexu stabilizovaného hlavně nekovalentními vazbami.
Literatura: 1. Kodíček, M. Biochemické pojmy: výkladový slovník [online]. Praha: VŠCHT Praha, 2007 2. Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A., Rodwell V.W.: Harperova biochemie, Nakladatelství H+H, 2002, ISBN10: 80-7319-003-6 3. ceskolipska.cz/files/58/peptidy_a_proteiny_-_s.doc (13.11.2010) 4. Velíšek J., Hajšlová J.: Chemie Potravin I., OSSIS, 2009 (ISBN 978-80-86659-15-2) 5. Štern, P. a kolektiv Obecná a klinická biochemie pro bakalářské obory studia. Praha: Karolinum, 2005 6. King R.C.; Stansfield W.S, Mulligan P.K.:. A Dictionary of Genetics, Seventh Edition.: Oxford University Press, 2006. 7. Rédei, G. P.. Encyclopedia of Genetics, Genomics, Proteomics, and Informatics. 3rd Edition. vyd. [s.l.] : Springer, 2008. ISBN 978-1-4020-6753-2 8. www.aminokyseliny.cz (2.6. 2010) 9. orion.chemi.muni.cz/e_learning/=Texty/04-Peptidy/04-Peptidy.doc (15.12.2010) 10. biochemie.euweb.cz/Biochemie/Peptidy.ppt (15.12.2010) 11. is.muni.cz/do/1499/el/estud/fsps/js06/t031/Bilkoviny.ppt (10.6.2010)
23
4. Enzymy Enzymy jsou přírodní, živočišné nebo rostlinné katalyzátory urychlující a umožňující průběh biochemických reakcí. Enzymy nacházíme ve všech živých systémech, předpokláda se, že i nejjednodušší buňka obsahuje asi 3000 enzymů. Protože enzymy vykazují druhovou specifitu ( každý biologický druh má své vlastní enzymy, jiné než jiné druhy) odhaduje se počet enzymů na miliardy. Enzymovou katalýzou bylo za dobu existence naší planety zpracováno množství hmoty přesahující hmotnost zeměkoule, asi 6.1021 t. Katalytickou funkci vykonává jednoduchá nebo složená bílkovina. Nebílkovinná část enzymů se nazývá koenzym a zbývající bílkovinná část se nazývá apoenzym. Enzymy jsou velmi účinnými katalyzátory a jejich výhody spočívají zejména ve: 1. Vysoké účinnosti: jediná molekula enzymu je schopna za 1 sec přeměnit až 5.104 melekul substrátu (příklad: nakatalyzovaný rozklad H2O2 probíhá s rychlostí 0,23 s-1, katalyzovaný rozklad H2O2 na Pt má k= 1,3.103 s-1, enzymatický rozklad katalasou má k= 3,7.107 s-1. 2. Specifita reakční, účinková i substrátová je značná, každý typ reakce je řízen specifickými enzymy, které štěpí pouze určitý substrát. 3. Práce za mírných podmínek, při 20-40°C, tlak 0,1 MPa a pH většinou kolem 7. 4. Regulovatelnost účinku a to i na několika úrovních. Velkou předností enzymů jen netoxičnost, na rozdíl od umělých, které jsou velmi často toxické. Přesnost a specifita enzymů je ale vyvážena jejich poměrně rychlým opotřebením, jsou stále odbourávány a znovu syntetizovány. Klasifikace a názvosloví enzymů. Základem jednotné klasifikace a nomenklatury enzymů je jejich rozdělení do šesti hlavních tříd podle typu katalyzované reakce.
4.1 Klasifikace enzymů, názvosloví a biochemický význam, Enzymy se dělí do šesti hlavních tříd: 1. Oxidoreduktasy: katalyzují intermolekulové oxidačně redukční přeměny. Je to nejpočetnější třída enzymů a všechny jsou povahy složených bílkovin. Dále se dělí na: a) transhydrogenasy nebo derhydrogenasy b) transelektronasy a c) oxygenasy. Dělí se na podtřídy podle funkčních skupin, které jsou donory H nebo elektronů. 2. Transferasy: realizují přenos skupin (-CH3, -NH2, -COCH3 ) v aktivované formě z jejich donotu na akceptor. Např. aminotransferasy přenášejí aminoskupinu z aminokyseliny na oxokyselinu. Transferasy jsou rovněž povahy složených bílkovin. Dělí se na podtřídy podle charakteru přenášených skupin. 3. Hydrolasy. Štěpí hydrolytické vazby, které vznikly kondenzací, např. peptidové, glykosidové, esterové. Např. proteasy štěpí peptidové vazby v molekulách bílkovin a peptidů. Na podtřídy se dělí podle typu štěpených vazeb. 4. Lyasy. Katalyzují nehydrolytické štěpení a vznik vazeb (C-C, C-O, C-N). Provádějí to většinou tak, že odštěpují ze substrátu, nebo do něj vnášejí malé molekuly (H2O, CO2, NH3,...) bez pomoci dalšího reaktantu.Např. pyruvátdekarboxylasa odštěpuje z pyruvátu CO2 za vzniku acetaldehydu. Lyasy jsou povahy složených bílkovin, tvoří málo početnou skupinu enzymů. V triviálním názvosloví pro ně používáme název synthasy. Na podtřídy se dělí podle typu štěpených, nebo synthetisovaných vazeb. 5. Isomerasy. Realisují vnitromolekulární přesuny a tomů a jejich skupin, tedy vzájemné přeměny isomerů. Např. triosafosfátisomerasa katalyzuje vytvořené rovnováhy mezi glyceraldehyd-3-fosfátem a dihydroxyacetonfosfátem. Je to málo početná skupina enzymů většinou povahy jednoduchých bílkovin. Dělení na podtřídy je založeno na typu izomerie. 6. Ligasy. Katalyzují vznik enargeticky náročných vazeb za současného rozkladu látky uvolňující energii, např. ATP. Příkladem je pyruvátkarboxylasa katalyzující zabudování CO2 do molekuly pyruvátu za vzniku oxalacetátu. Ligasy jsou málo početná skupina enzymů, mají povahu složených bílkovin a v triviálních názvech se pro ně používá označení synthetasa. Dělí se podle typu vytvářených vazeb. Systémové názvy enzymů se tvoří takto: a) Enzym katalyzující přeměnu substrátu A reakcí typu R má název ARasa. Např. D-glyceraldehyd-3-fosfátfosfohydrolasa b) Enzym katalyzující reakci substrátem A se substrátem (nebo kofaktorem) B reakcí typu R má název A : B-Rasa. Např. (S)-laktát : NAD+ - oxidoreduktasa. Systémové číslo pak vystihuje zařazení enzymu v uvedené klasifikaci EC (Enzyme Commission). Např. Pro (S)-laktát : NAD+ - oxidoreduktasa bude EC 1 1 1 27. Třída – oxidoreduktasy -> 1 , Podtřída – donorem H je skupina >CH-OH -> 1 , Skupina –akceptorem H je NAD+ -> 1 , Číslo enzymu uvnitř skpiny -> 27. 24
Vyjadřování katalytické účinnosti enzymů. V roce 1961 navrhla enzymová komise přijetí standardní (mezinárodní) jednotky aktivity: 1U – představuje množství enzym v mg katalyzujícího za standardních podmínek (30°C a optimální pH) při saturaci substrátem přeměnu 1 mol substrátu za minutu. Po zavedení jednotek SI byla pak v roce 1972 definována nová jednotka pro katalytickou aktivitu katal. 1 kat – představuje množství katalyzátoru v mol, které přemění za standardních podmínek za 1 sec 1 mol substrátu. V praxi používáme její zlomky – mikrokatal ( μkat = 10-6 kat) a nanokatal (nkat = 10-9 kat). Vztah staré (U) a nové jednotky je 1U = 16,67 nkat. V roce 1981 zavedl IUPAC pro katalytickou aktivitu vyjádřenou v katalech název rychlost přeměny substrátu.Používají se i další veličiny – koncentrace katalytické aktivity ( kat.dm-3), specifická katalytická aktivita (aktivita vztažená na kg enzymu, jednotka kat.kg-1) a molární katalytická aktivita ( kat.mol-1).
4.2
Aktivní centrum enzymů, alosterické místo.
Enzymy jako biokatalyzátory zvyšují rychlost chemických reakcí, kterých se zúčastní. Substrát se váže v aktivním centru enzymu, které má určitou prostorovou a chemickou stavbu a určuje tak vazbu molekuly substrátu i druh reakce, která proběhne. Aktivní centrum si můžeme představit jako prohlubeň nebo zářez v apoenzymu, kde jsou aminokyseliny vázány v určitém pořadí a je přítomen kofaktor. Přiblížení substrátu vyvolá takovou změnu konformace, že může dojít k jeho vazbě. Jindy se dvě molekuly substrátu naváží těsně k sobě v takové orientaci, že proběhne jejich sloučení. V aktivním centru existují oproti roztoku i jiné poměry hydrofobně-hydrofilní, stejně jako elektrostatické. Je to dáno právě funkčními skupinami aminokyselin v aktivním centru a jeho okolí. Enzymatické děje jsou ovlivňovány teplotou. Při vyšší teplotě se zvyšuje difusní pohyb molekul a tedy i substrátu. Enzymy pracují optimálně mezi 25 až 45 °C (v lidském organismu 37 °C), při teplotách nad 50 °C dochází k denaturaci bílkoviny a inaktivaci enzymu. Podstatný může být účinek efektorů. Aktivátory enzymatickou reakci urychlují, inhibitory ji zpomalují, případně znemožňují. Aktivátory jsou nízkomolekulární látky, které se naváží poblíž aktivního centra, tím trochu pozmění jeho prostorovou strukturu a reakce probíhá ještě rychleji. Často to jsou ionty dvojmocných kovů. Kompetitivní inhibitor má většinou molekulu obdobnou vlastnímu substrátu enzymu, když se ale naváže na enzym, reakce neprobíhá. Vazba je ale nepevná, inhibitor může být z enzymu vytěsněn nadbytkem správného substrátu, kompetitivní inhibice je reversibilní (i ireversibilní). Nekompetitivní inhibitor se naváže na enzym (nikoliv však na aktivní centrum, ale na alosterické místo) a reakci nevratně zablokuje. Inhibitory mohou látky nízko i vysokomolekulární (i některá léčiva působí jako inhibitory).
4.3 Chemie kofaktorů 4.3.1 Kofaktory oxidoreduktáz
a) Pyridinové (nikotinamidové) dinukleotidy. Jsou to nejdéle známé kofaktory (od roku 1906) a skládají se z nikotinamidového a adeninového nukleosidu vzájemně spojených prostřednictvím kyseliny difosforečné. Dosud známe asi 250 enzymů, které pracují s NAD+ nebo NADP+. Patří do skupiny transhydrogenas odnímajících sbstrátům (hlavně primárním a sekundárním alkoholům a aldehydům) dvojici atomů vodíku. Jeden z těchto atomů se váže jako hydridový ion do polohy 4 pyridinového kruhu, proton (H+) se váže na apoenzym. NAD+ je kofaktorem malátdehydrogenasy, která realisuje dehydrogenaci malátu na oxalacetát. Tato reakce je poslední dehydrogenací citrátového cyklu. K reoxidaci NADH+H+ dochází na jiném apoenzymu, který realisuje předání atomů vodíku na jejich vhodný akceptor. Nejčastěji je to na flavinmononukleotid. b) Flavinové. Struktura flavinmononukleotidu (FMN) a flavinadenindinkleotidu (FAD) byla objasněna v roce 1933 a jejich funkce spočívá v přijetí dvou atomů vodíkuze substrátu. Základem tohoto kofaktoru je vitamín B2, FMN a FAD jsou pevnou částí molekuly enzymu, proto jsou nazývány flavoproteiny. Na rozdíl od nikotinamidů mohou flaviny vstupovat i do reakcí, v nichž je přenášen kyslíkový atom, stejně jako do reakcí s jednoelektronovým přenosem. Příkladem působení flavinového kofaktoru je účinek sukcinátdehydrogenasy kotvené ve vnitřní mitochondriální membráně, která předává získané vodíky v dýchacím řetězci na CoQ. c) Biopterinové. Základem je 2-amino-4-hydroxypteridin (biopterin), který se v redox reakcích uplatňuje ve dvou oxidačních stavech ve čtyřelektronové redukované formě (tetrahydrobiopterin) a jeho dvouelektronově redukovaný p-chinoidní dihydropterin. Příkladem jeho působení je přeměna L-fenylenalaninu na L-tyrosin enzymem L-fenylenalaninhydroxylasou. Oxidovaný dihydrobiopterin je zpětně redkován NADH-dependentní reduktasou. d) α-Lipoátové. Základem tohoto kofaktoru je cyklický disulfid 6,8 – dithiooktanové kyseliny, která je karboxylem vázaná amidickou vazbou na –NH2 skupinu lysinového zbytku vázaného na bílkovinné části enzymu.Přijetím dvou atomů vodíku nse otevře disulfidový kruh za vzniku dvou thiolových skupin.Vodíkové atomy jsou pak předávány flavinovým oxidoreduktásám. 25
e) Benzochinony s isoprenoidním postraním řetězcem. Často se vyskytující faktory,chinoidní struktura přechází na hydrochinonovou.Patří mezi ně ubichinony (koenzym Q, CoQ) součást mitochodriálních dýchacích řetězců a plastochinon – součást světlé fáze fotosyntésy. V dýchacím řetězci je semichinoidní forma ubichinonu redukována NADH-ubichinonreduktasou na ubichinol, který dále redukuje cytochrom c (Fe3+). f) Hem. Součástí molekul řady oxidoreduktas přenášejících samotné elektrony (transelektronasy) je hem, tvořící prosthetickou skupinu hemoglobinu, myoglobinu a početné skupiny cytochromů. Hem je ferroprotoporfyrinový komplex tvořený čtyřmi pyrrolovými jádry s osmi substituenty. Pouze isomer protoporfyrin IX je přítomen v živých systémech. g) Ionty železa vázané přímo na bílkovinu. Ve všech organismech se nacházejí transelektronasy, jejichž kofaktory tvoří ionty železa vázané na atomy síry cysteinylových zbytků enzymu. Tyto nehemové ferroproteiny nazýváme Fe-S-proteiny (ferredoxiny). V nejjednodušších je jediný ion železa čtyřstěnně koordinován k thiolovým skupinám čtyř zbytků cysteinu. Druhý druh, označovaný Fe2S2-proteiny má strukturu složitější a obnovuje dva ionty železa, dva anorganické sulfidové atomy a čtyři zbytky cysteinu. Třetí druh, označovaný jako Fe4S4-proteiny, obsahuje čtyři ionty železa, čtyři anorganické sulfidy a čtyři zbytky cysteinu.
4.3.2 Kofaktory transferáz
a) Adenosintrifosfát. Tato nukleotidová struktura je kofaktorem transferaz označovaných jako kinasy. Přenášejí nejčastěji fosforylovou skupinu –PO32- na hydroxylové skupiny alkoholů, na acyly nebo na skupiny guanidylové. Méně časté jsou přenosy difosfátového zbytku, adenosinmonofosfátového zbytku a adenosylového zbytku. b) Adenosylmethionin (aktivní methyl) je kofaktorem methylačních enzymů. c) Aktivní sulfát (PAPS) je 3´-fosfoadenosin-5´-fosfosulfát. Realizuje přenos zbytku kys. sírové na fenoly a alkoholy za vzniku esterů této kyseliny. d) Biotin je přenašečem aktivovaného oxidu uhličitého, který je pomocí ligas zabudováván do organických sloučenin jako karboxyl. V molekule enzymu je biotin kovalentně připojen na bílkovinnou část amidovou vazbou na – aminovou skupinu lysinu. e) Thiamindifosfát. Prosthetickou skupinou transferas přenášejících aktivní acetaldehyd a aktivní glykolaldehyd je thiamindifosfát (TPP) derivát vitamínu B1. Reaktivní částí kofaktoru je thiazolový kruh, pyrimidinová část a difosfátová skupina se účastní vazby s bílkovinovou částí enzymu. Na tomto schématu je naznačena část mechanismu působení pyruvátdehydrogenasového komplexu sestávajícího z několika vektorově spojených enzymů. f) Tetrahydrofolát. Rozšířenějším kofaktorem na bázi pteridinu je tetrahydrofolát. Syntetizují jej rostliny a některé mikroorganismy kombinací pteridinu, 4-aminobenzoové kyseliny a glutamátu. Pro živočichy je esenciálním faktorem – vitamínem. Tetrahydrofolát přenáší nejčastěji formylové a hydroxymethylové skupiny, po redukci i methylové. g) Pyridoxalfosfát a formy jeho působení. 1) transferasa (transaminace).Vezmeme-li jinou ketokyselinu, běží tento proces zpátky. Přenos aminoskupin je prováděn na 2-oxoglutarát, který přecházi na glutamát. 2) dekarboxylasa. Glutamát je dále dehydrogenován glutamátdehydrogenasou za účasti vody.
Začneme-li od libovolné aminokyseliny je tato pomocí pyridoxalfosfátu zbavena aminoskupiny, ta je přenesena na 2-oxoglutarát (meziprodukt citrátového cyklu) za vzniku glutamátu a ten, jako jediná aminokyselina, dehydrogenován na 2-oxoglutarát. h) Koenzym A. Aktivovaný acetyl a další acyly přenáší pomocí thioesterové vazby na thiolovou skupinu cysteaminu. Příklady nativních enzymů.
1) Oxidoreduktasy: dehydrogenasa (transhydrogenasa), isocitrátdehydrogenasa (kofaktor NAD+) 2) Transferasy: Acetyltransferasa, β-oxothiolasa (kofaktor HSCoA) 3) Hydrolasa: Lysosym 4) Lyasa: Citrátsynthasa 5) Isomerasa: Akonitasa 6) Ligasa: Acyl-CoA- synthetasa, aktivace mastných kyselin
4.4
Kinetika enzymových reakcí
Prvé měření enzymové kinetiky bylo provedeno v roce 1902, v roce 1913 získali Michaelis a Mentenová základní poznatky, které jsou charakteristické pro enzymové reakce. Při měření rychlosti hydrolytického štěpení sacharosy na fruktosu a glukosu účinkem β-fruktofuranosidasy (invertasa) zjistili že: 26
a) Byla-li počáteční koncentrace sacharosy udržována konstantní a měnila se koncentrace enzymu, byla závislost počáteční rychlosti reakce na koncentraci enzymu lineární (obr. a)
b) Byla-li koncentrace enzymu konstantní a měnila se koncentrace substrátu, byla závislost počáteční rychlosti na koncentraci sacharosy hyperbolická (obr. b)
27
Pro vysvětlení těchto pozorování navrhli Michaelis a Mentenová pro mechanismus jednosubstrátové enzymové reakce následující schema:
Vycházeli z představy, že meziproduktem reakce je komplex enzym – substrát. Schéma se omezuje na počáteční periodu reakce, kdy koncentrace produktu v reakční směsi je malá a tím i zpětná tvorba komplexu ES z produktu a enzymu je zanedbatelná. Podíváme-li se na křivku na obrázku b) zjistíme, že z kinetického hlediska se tato hyperbolická závislost skládá ze dvou částí: při nízkých koncentracích substrátu jsou molekuly enzymu většinou volné a jen malá část jich je v komplexu, takže pro koncentraci volného enzymu platí: [E] >>>[ES]. Rychlost reakce je malá a je úměrná koncentraci substrátu podle kinetické rovnice prvého řádu. Při vysoké koncentraci substrátu je veškerý enzym vázaný v komplexu ES, takže [E] <<<[ES]. Nasycením enzymu substrátem je dosaženo mezné rychlosti v = V, která už dále nestoupá, protože další substrát už nemá k dispozici volný enzym. Došlo k nasycení enzymu a reakce je vzhledem k substrátu nultého řádu. Tato křivka závislosti rychlosti enzymové reakce na koncentraci substrátu vyjadřuje sycení enzymu substrátem a nazývá se také saturační křivka. Její matematické zpracování provedli Briggs a Haldane (1925) na základě teorie ustáleného stavu. Podmínka ustáleného stavu enzymové reakce zní, že koncentrace komplexu enzym substrát je v průběhu celé reakce konstantní (n = ustálený stav). [ES]n = konstanta
Tento stav se vytváří, je-li k dispozici dostatek substrátu. Rychlost vzniku komplexu ES pak odpovídá rychlosti rozpadu komplexu ES. k1 . [E] . [ES] = k-1 . [ES] + k2 . [ES]
V této rovnici ale máme dvě proměnné a to [E] a [S] jejichž aktuální koncentrace (koncentrace v čase) se během reakce mění. Proto vyjádříme aktuální koncentraci enzymu pomocí konstantní počáteční koncentrace [E]0 a množství enzymu vázaného v komplexu ES. Dosazením za [E] pak získáme výraz pro [ES]n.
[E] = [E]0 – [ES]
k1 ( [E]0 – [ES] ) . [S] = k-1 [ES] + k2 [ES]
k1 [E]0[S] – k-1[ES][S] = k-1 [ES] + k2 ]ES] [ES] . ( k-1 + k2 + k1[S] ) = k1 [E]0 [S] [ES]n =
k1 . [E]0 . [S]
k-1 + k2 + k1 . [S]
Reakční produkt se podle výchozího schématu tvoří z ES monomolekulární reakcí charakterizovanou konstantou k2, takže rychlost jeho vzniku bude vyjádřená výrazem: v =
d [P] dt
= k2 . [ES] =
k2 . [E]0 . [S]
k-1 + k2 + [S] k1
Konstantní hodnoty se v tomto vztahu obvykle nahrazují novými kinetickými parametry: V = k2 . [E]0 a KM =
k-1 + k2 k1
Vztah pak nabývá tvaru obecné rovnice Michaelis – Mentenové v =
V . [S] KM + [S]
Odvození Michaelise a Mentenové vycházelo z jiného předpokladu, a to že: k2 <<< k-1, tedy z tzv. kvasirovnovážného stavu, a KM = k-1 / k1. KM není rovnovážnou konstantou katalyzované reakce, má rozměr koncentrace a vyjadřuje mru afinity enzymu pro substrát. Michaelisova konstanta je rovna koncentraci substrátu, při níž je dosaženo poloviny mezné rychlosti. Hodnota KM rozděluje křivku závislosti počáteční rychlosti enzymové reakce na koncentraci substrátu na dvě oblasti. Při nízkých koncentracích substrátu bude proto časový průběh enzymové reakce probíhat 28
podle kinetické reakce I. řádu, při vysokých koncentracích substrátu je reakční rychlost konstantní, nezávislá na [S]. Množství vznikajících produktů se proto při dostatečně vysoké koncentraci substrátu mění s časem lineárně a směrnice této přímky je ekvivalentní koncentraci enzymu, resp. Jeho aktivitě. Této skutečnosti využíváme ke (kinetickému) určování množství enzymu. Michaelisova konstanta je nezávislá na koncentraci enzymu, závisí však na prostředí (pH, teplota, přítomnost efektorů,...), proto je nutné její údaj vždy doplnit udáním podmínek stanovení. Charakterizuje katalytické vlastnosti enzymu vzhledem k příslušnému substrátu. Hodnoty se pohybují v širokém rozmezí 10-1 až 10-6 mol.dm-3. KM je úměrná disociační konstantě komplexu enzym-substrát (v mezném případě, kdy k2 <<< k-1 je jí číselně rovna). Čím je hodnota Michaelisovy konstanty nižší, tím je vyšší afinita enzymu k danému substrátu. U enzymů působících na více substrátů považujeme za hlavní ten, pro který má enzym nejnižší KM. Znalost Michaelisovy konstanty umožňuje dále odhadnout koncentraci substrátu nutnou k dosažení limitní rychlosti reakce. Výpočet provedeme z rovnice Michaelis-Mentenové pro podmínku kdy je v = V a [S]V =? Výraz KM + [S]V se musí rovnat [S]V alespoň 102 krát větší než KM. V případě, že [S]V ≈ 102 KM získáváme koncentraci substrátu nutnou pro dosažení limitní rychlosti. Ze znalosti V můžeme pomocí rovnice V = k2 [E]0 vypočítat rychlostní konstantu k2. Tato konstanta udává molekulovou (vzhledem k rozměru molární aktivitu enzymu) , dříve nazývanou číslo proměny. Vyjadřuje počet molů substrátu přeměněných za optimálních podmínek za jednu sekundu jedním molem enzymu. K určení kinetických parametrů KM a V se používá nejčastěji tzv. metody počátečních rychlostí. Provádí se měřením série časových závislostí průběhu enzymové reakce při konstantní koncentraci enzymu pro asi 6 různých koncentrací substrátu za stejných podmínek. Zjistíme hodnoty v1 – v6 (počáteční rychlosti) sestrojením tangenty a použijeme linearizaci nebo počítač.
4.5 Látky ovlivňující činnost enzymů: Katalytickou účinnost enzymů výrazně ovlivňuje celá řada látek, kterým říkáme efektory nebo modifikátory. Zvyšují-li aktivitu, hovoříme o pozitivních efektorech nebo aktivátorech, látky snižující účinek enzymu nazýváme negativní efektory neboli inhibitory. Efektory dělíme na přirozené a nepřirozené. Přirozené efektory jsou normální složky buněk (metabolity, koenzymy) a jsou důležitými nástroji při regulaci buněčného metabolismu. Nepřirozené efektory jsou syntetické látky úmyslně i neúmyslně vnesené do organismu. Jedná se v prvém případě o léčiva, ve druhém o jedy, narkotika nebo exhaláty. Za aktivátory považujeme pouze ty látky, které se vážou na molekulu enzymu vratně a nejsou tedy integrální součástí enzymové bílkoviny, nebo prosthetické skupiny. Efektory, které brzdí enzymové reakce se nazývají inhibitory. Můžeme je dělit podle několika hledisek a to např. podle původu na přirozené a umělé, podle specifity účinku na specifické a nespecifické, pro nás nejdůležitější je dělení podle mechanismu účinku. Zde rozeznáváme čtyři typy inhibice. Můžeme je dobře odlišit kinetickým měřením – srovnáním velikosti Michaelisovy konstanty a mezné rychlosti naměřených bez (KM, V) a za přítomnosti inhibitoru (K´M, V´). Kineticky odlišitelné typy inhibice jsou: a) Kompetitivní, kdy inhibitor neovlivňuje meznou rychlost (V=V´), ale zvyšuje Michaelisovu konstantu (K´M > KM). b) Nekompetitivní, kdy inhibitor nevyvolá změnu Michaelisovy konstanty (K´M = KM ), ale snižuje meznou rychlost (V´< V). c) Nekompetitivní, kdy inhibitor snižuje meznou rychlost i Michaelisovu konstantu, ale tak, že nemění jejich poměr d) Smíšená, kdy inhibitor mění Michaelisovu konstantu, meznou rychlost i jejich poměr. Z těchto typů inhibice si rozebereme prvé tři případy: a) Inhibice kompetitivní (soutěživá) – Tuto inhibici vyvolávají látky, jejichž struktura je natolik podobná substrátu, že ji enzym nerozezná a vytváří s nimi komplex EI, který se ale nerozpadá na produkty. Tím je enzym blokován. Při použití většího množství substrátu bude inhibitor z komplexu EI vytlačen a z dosažení maximální rychlosti je tedy třeba vyšší koncentrace substrátu. Těmto kompetitivním inhibitorům říkáme antimetabolity. b) Inhibice nekompetitivní (allosterická) – Tento typ inhibitorů neovlivňuje vazbu substrátu na enzym, ale zmenšuje jeho přeměnu na produkt. Účinek těchto inhibitorů je nezávislý na koncentraci substrátu a nelze jej odstranit zvýšením koncentrace substrátu. Inhibitory nemění velikost Michaelisovy konstanty, ale snižují maximální rychlost. c) Inhibice akompetitivní - K tomuto typu inhibice dochází, jestliže se inhibitor může vázat teprve tehdy, když vazba substrátu na enzym vhodně pozmění jeho konformaci. Inhibitor tedy nereaguje s volným enzymem, ale 29
až s komplexem ES, a tím brání jeho proměně na P + E. Maximální rychlost i Michaelisova konstanta se snižují stejnou měrou, takže jejich poměr zůstává zachován.
4.6 Aktivní centra enzymů Podle dlouholetých studií struktur enzymů je jisté, že enzymová reakce probíhá v relativně malé oblasti molekuly, které říkáme aktivní centrum, nebo aktivní místo. Na výstavbě aktivních center enzymů se pravidelně účastní několik typů skupin. Jsou to především katalyticky aktivní skupiny tvořící katalytické centrum a dále skupiny, které specificky vážou substrát tzv. vazebné centrum. Dále to jsou i skupiny, které vytvářejí vhodné chemické prostředí v centru a jeho vhodnou prostorovou strukturu. Na základě studia hydroláz byly popsány prozatím tři typy aktivních center: a) Tvaru štěrbiny (pukliny) do kterých se vsunou řetězce substrátu a na vhodném místě jsou přerušeny. b) Tvaru mělké povrchové prohlubně, např. trávicí enzymy. c) Tvaru jamky, např. enzymy odštěpující koncové struktury z řetězců. U enzymů povahy složených bílkovin má aktivní centrum ještě oblast k navázání koenzymu. Toto druhé vazebné centrum bývá většinou na povrchu molekuly enzymu a bývá prostorně lokalizováno v bezprostřední blízkosti vazebného centra pro substrát. Enzymová reakce probíhá mezi vázaným substrátem a vázaným koenzymem. Koenzym zde má úlohu druhého reaktantu a někdy se označuje jako kosubstrát. Další místa podmiňující, nebo usnadňující aktivitu enzymů označujeme jako stabilizační, nebo aktivační místa. Aktivita oligomerních enzymů nacházejících se na klíčových místech metabolických drah je pak ovládána tzv. allosterickými efektory. Jsou to látky, které vyvolávají jemné konformační změny probíhající celou molekulou a zasahující i vazebné a katalytické centrum. Místa působení těchto efektorů se nazývají allosterická centra.
4.6.1. Specifické působení enzymů
Původní názor Fisherův o klíči a zámku vysvětlil, že přesné rozložení vazebných skupin aktivního centra zaručí, že do kontaktu s nimi se dostane pouze substrát vhodné geometricky a elektrostaticky doplňkové struktury. To, že větší podobné molekuly nereagují je jasné, do aktivního místa se nevejdou, ale to že menší podobné molekuly reagují pomaleji než specifický substrát bylo vysvětlitelné s obtížemi. V roce 1958 zformuloval Koshland teorii indukovaného přizpůsobení aktivního místa enzymu. Teorie předpokládá, že vazba substrátu na enzym vyvolává malé či velké konformační změny, které při správném substrátu vedou v konečném důsledku k správnému nasměrování katalytických skupin. Tím je umožněn optimální průběh reakce. Látky, které nemají dostatečnou velikost, nebo tvar se mohou na enzym vázat, ale nemohou vyvolat optimální zformování aktivního centra. Konformační změny pozorované při vzájemném působení enzymu a substrátu lze rozdělit asi do tři skupin: a) při interakci se konformace nemění b) dochází k malým změnám konformace c) nastávají rozsáhlé změny
Literatura: 1. Vodrážka Z.: Biochemie 1 – 3, Academia Praha, 1996 2. Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A., Rodwell V.W.: Harperova biochemie, Nakladatelství H+H, 2002, ISBN-10: 80-7319-003-6 3. Voet D., Voet J.G., Pratt Ch.W.: Fundamentals of biochemistry, Wiley 2008, ISBN 978-0-470-12930-2 4. http://xantina.hyperlink.cz/organika/prirodni/enzymy.html (10.6.2010) 5. http://ukb.lf1.cuni.cz/ppt/trnkova/Modul_Enzymy.pdf (10.6.2010) 6. www.usbe.cas.cz/people/safarik/Prednasky-na-JcU/Enzymologie/Kofaktory.ppt (12.6.2010) 7. ibiochemie.upol.cz/WebGraphics/biochemie/download/Modul-02.ppt (10.6.2010) 8. old.lf3.cuni.cz/chemie/cesky/materialy_B/enzymy_seminar.doc (12.6.2010) 9. www.lf2.cuni.cz/Ustavy/biochemie/vyuka/enzym.ppt (10.6.2010) 10. http://biomikro.vscht.cz/bioch1/prednaska5.pdf (12.6.2010) 11. www.usbe.cas.cz/people/safarik/Prednasky-na-JcU/Enzymologie/Jak-enzymy-pracuji.ppt 12. http://www.gvi.cz/files/chemie/enzymy.pdf (10.6.2010) 13. www.usbe.cas.cz/people/safarik/Prednasky-na-JcU/Enzymologie/Enzymy-jsou-proteiny-PP95.ppt (10.6.2010)
30
5. Metabolismus bílkovin Bílkoviny jsou hlavním stavebním materiálem buněk a tkání a současně jsou jediným zdrojem dusíku pro heterotrofní organizmy. Bílkoviny jsou stavebními a funkčními složkami živých organizmů, neustále se odbourávají a znovu se tvoří, nejsou ve formě zásobní. Jejich tvorba je závislá na dostatečném přísunu bílkovin v potravě. Jejich biologický poločas je rozdílný, pohybuje se od několika minut (např. inzulin) až po desítky dnů (např. svalové bílkoviny). Bílkoviny jsou štěpeny na aminokyseliny a z nich jsou opět syntetizovány nové bílkoviny v procesu proteosyntézy, který je řízen nukleovými kyselinami. Nadbytečné aminokyseliny jsou zbavovány amoniaku a jejich uhlíkaté skelety jsou odbourávány různými reakcemi na různé metabolity, oxid uhličitý, a to za současného uvolnění energie.
5.1
Trávení bílkovin – hydrolytické štěpení
Aby proteiny mohly vstoupit do katabolických dějů, musí být hydrolyzovány na základní jednotky, aminokyseliny. Toto štěpení probíhá v trávící soustavě pomocí hydroláz štěpících proteiny, proto se označují jako proteolytické enzymy neboli proteázy. V prvním kroku dojde k rozvolnění nativní konformace proteinu, čímž je usnadněno další naštěpení již specifickými enzymy na specifických místech. Proteázy pracují bez kofaktoru, často vyžadují přítomnost iontů. Podle toho, kde daná proteáza štěpí, rozlišujeme exopeproteázy, štěpící polypeptidový řetězec od konce, a endoproteázy, které štěpí uvnitř polypeptidového řetězce. Podle konce, kde štěpí, rozlišujeme aminopeptidázy (N-konec) a karboxypeptidázy (C-konec). Většina proteáz je přítomna v trávicím traktu, proto jsou označovány jako trávící enzymy. Jsou produkovány ve formě zymogenů, k jejichž aktivaci dochází až na místě působení např. změnou pH prostředí, štěpením jiným enzymem, kdy se od zymogenu odštěpí malé části zodpovědné za jeho inaktivitu. Příkladem trávicích enzymů jsou: Pepsin, endopeptidáza žaludku, která pracuje v kyselém prostředí. Je produkován ve formě prekurzoru pepsinogenu. Štěpí za aromatickými aminokyselinami a dikarboxylovými aminokyselinami. Trypsin, chymotrypsin, endopeptidázy produkované slinivkou jako trypsinogen, resp. chymotrypsinogen. Trypsin štěpí za argininem a lysinem, chymotrypsin za fenylalaninem, tyrosinem a tryptofanem.
5.2
Odbourávání aminokyselin
5.2.1 Transaminace
Transaminační reakcí dochází k odstranění aminoskupiny z aminokyselin, převážně u savců, kteří vylučují odpadní dusík jako močovinu. Transaminační reakci katalyzují aminotransferázy, jejichž kofaktorem je pyridoxalfosfát (vitamin B6). Aminokyselina se váže aminoskupinou na aldehydickou skupinu pyridoxalfosfátu za vzniku aldiminu (Schiffovy báze), při této reakci dochází k odštěpení vody. Aldimin se tautomerizuje na ketimin, který aduje vodu a štěpí se na α-ketokyselinu a pyridoxamin. Transaminace je vratná, z vhodné fyziologické α-ketokyseliny a pyridoxaminu je možné vyrobit nedostatkovou aminokyselinu pouhým obrácením transaminace. Použitím αketoglutarátu se odpadní aminoskupiny shromažďují do kyseliny glutamové, která je za katalýzy glutamátdehydrogenázy rozkládána na amoniak a α-ketoglutarát, který v této reakci cirkuluje. Tuto modifikaci označujeme jako transdeaminaci. Kofaktorem glutamátdehydrogenázy je NAD+ (případně i NADP+), tato jediná reakce představuje výstup z transaminázového ping-pongového mechanismu přenášení aminoskupiny mezi oxokyselinami.
5.2.2 Dekarboxylace
Dekarboxylace je zahajována stejnou reakcí jako transaminace, ze vzniklého aldiminu se rychle odštěpuje karboxylová skupina aminokyseliny jako CO2 a aldimin se transformuje na chinonimid, který je nestabilní a zpětnou rezonancí se rearomatizuje na aldimin a po adici vody na dvojnou vazbu se štěpí na amin a pyridoxalfosfát. Tyto „biogenní“ aminy mají regulatorní účinky na fyziologické funkce nervové soustavy a jsou produkovány i v mozku.
31
5.2.3 Aldolové štepení
Toto štěpení probíhá jen u aminokyselin nesoucích na β-uhlíku hydroxylovou skupinu a prakticky se týká pouze threoninu a serinu. Prvá reakce je opět stejná jako u transaminace, po vzniku aldiminu se v případě Thr odštěpí acetaldehyd (u Ser vzniká formaldehyd detoxikovaný navázáním na tetrahydrofolát) a rezonančním přesunem dvojných vazeb vzniká chinonimid. Ten zpětnou rezonancí přechází na aldimin, který se po adici vody na dvojnou vazbu štěpí na glycin a pyridoxalfosfát. Na rozdíl od transaminace jsou dekarboxylace a aldolové štěpení nevratnými reakcemi.
5.2.4 Oxidační deaminace
Reakce, při níž je z aminokyselin odstraňován dusík a vzniká 2-oxokyselina. Nejdříve se aminoskupina dehydrogenuje. přičemž akceptorem vodíku může být molekulový kyslík nebo NAD(P)+. Vzniklá iminokyselina se následně hydrolyticky rozkládá na příslušnou 2-oxokyselinu a amoniak. Oxidační deaminace patří k nejdůležitějším reakcím, jimiž aminokyseliny vstupují do procesu katabolického odbourání.
5.2.5 Odbourávání uhlíkatých koster aminokyselin
Odbourání uhlíkových koster všech kódovaných aminokyselin vede k sedmi dvou-až pětiuhlíkatým produktům, které se mohou zapojit do metabolismu sacharidů nebo lipidů. Podle těchto produktů dělíme aminokyseliny do následujících skupin. Glukogenní, z jejichž skeletů vznikají pouze produkty biosyntézy sacharidů – pyruvát a oxalacetát, nebo meziprodukty citrátového cyklu, které se v něm transformují na oxalacetát. Jedná se o: Ala, Ser, Thr, Cys, Gly, Met, Gln, Glu, Asn, Asp, His, Arg, Pro. Ketogenní, ze kterých vznikají jeden, nebo dva meziprodukty biosyntézy lipidů – acetyl-CoA nebo acetoacetylCoA. Jedná se o: Val, Leu, Ile, Lys. Glukogenní a ketogenní, z jejich skeletů vznikají dva meziprodukty, jeden je acetyl-CoA nebo acetoacetát a druhý je sukcinát, nebo fumarát. Jedná se o: Phe, Tyr, Trp.
5.3
Biosyntéza aminokyselin
Schopnost biosyntézy aminokyselin je u různých organismů různá. Rostliny dovedou vyrábět všechny aminokyseliny za použití NH4+, NO3- nebo NO2- jako zdroje dusíku, mikroorganismy se ve schopnosti syntézy aminokyselin liší. Většina vyžaduje NH4+ jako zdroj dusíku, některé bakterie a houby však jsou stejně jako rostliny schopné využívat i NO3- a NO2-. Živočichové musí používat k výrobě aminokyselin dusík organicky vázaný v aminokyselinách uvolněných hydrolýziou bílkovin přijatých potravou nebo z vlastních tkání. Řadu kódovaných aminokyselin nedovedou vůbec syntetizovat a musí je získávat potravou, ty jsou označovány jako esenciální aminokyseliny.
Alanin a aspartát jsou vyráběny jednostupňovou přeměnou pyruvátu, resp. Oxalacetátu transaminační reakcí s pyridoxalfosfátem jako kofaktorem a glutamátem jako zdrojem aminoskupiny nebo obrácenou oxidační deaminací, tj. redukční aminací přes aminokyselinu. Amidy asparagin a glutamin vznikají nidací. Další jednostupňovou synthesou neesenciální aminokyseliny je u savců probíhající hydroxylace esenciální aminokyseliny fenylalaninu na tyrosin. Glutamát se tvoří redukční aminací z 2-oxoglutarátu, tedy obrácením reakce, která slouží k regeneraci 2-oxoglutarátu při transaminačních reakcích. Glutamát je dále prekurzorem další neesenciální aminokyseliny prolinu, který vzniká obrácením jeho odbourávání přes γ-semialdehyd. Glutamát se dále spolu s aspartátem podílí na biosyntéze argininu jako donor aminoskupiny. Prekursorem argininu je nekódovaná aminokyselina ornithin a syntéza je součástí ornitinového cyklu. Uhlíkové skelety aminokyselin pocházejí z meziproduktů glykolysy, pentosového nebo citrátového cyklu. Serin se syntetizuje z 3-fosfoglycerátu, meziproduktu glykolýzy. Prvním stupněm je oxidace na 3-fosfohydroxypyruvát. Tato α-oxokyselina je pak transaminována na 3-fosfoserin, jehož hydrolysou vzniká serin. Serin je prekurzorem glycinu a cysteinu. Při syntéze glycinu se odstraní β-uhlíkový atom postranního řetězce serinu přesunem na tetrahydrofoát, nosič jednouhlíkových jednotek. Glycin může vznikat též z CO2 a NH4+ a methylentetrahydrofolátu za katalysy glycinsynthasou. Obrácením výše uvedené reakce se pak může z takto vyrobeného glycinu tvořit serin. Serin přechází na cystein nahrazením kyslíkového atomu postranního řetězce za atom síry. Jeho zdrojem je esenciální aminokyselina methionin, synthetisovaná z aspatrátu. Prekursory zbývajících esenciálních aminokyselin 32
jsou pyruvát a aspartát. Threonin a methionin se tvoří z homoserinu, vznikajícího z aspartátu přes aspartylfosfát a aspartátsemialdehyd. Threonin vzniká fosforylací homoserinu, následnou eliminací fosfátu z γ-atomu uhlíku a substitucí β-uhlíku hydroxylovou skupinou.
5.4
Proteosyntéza bílkovin
Jak bylo zmíněno v kapitole 3, metabolická dráha vedoucí k tvorbě bílkovin se obecně nazývá proteosyntéza. Molekuly bílkovin se během proteosyntézy vytvářejí procesem postupného navazování aminokyselin do peptidových řetězců. Syntéza bílkovin je složitý a velmi přesně řízený proces. Informaci o aminokyselinovém složení bílkovinných molekul mají buňky zabudovánu v primární struktuře molekuly DNA (v pořadí nukleotidu). Tato struktura přesne určuje pořadí aminokyselin v polypeptidovém řetězci molekul bílkovin. Proteosyntézu je možné rozdělit na dva hlavní procesy: a) transkripce – přepis informace o nukleotidovém složení (primární struktuře) molekuly DNA na molekulu mediátorové RNA (mRNA) b) translace – překlad zápisu o nukleotidovém složení z mRNA na pořadí aminokyselin ve vytvářené molekule bílkoviny Transkripce je proces, při kterém se z části molekuly DNA – genu – pomocí specifického enzymu (polymerázy) „prepíše“ pořadí jejich nukleotidu tím, že se vytvoří řetězec mRNA s doplňkovými (komplementárními) nukleotidy. Vytvořená mRNA, která má vláknitý tvar, se potom váže na ribozómy. Vazbou s mRNA se spojí několik ribozómů a vytvoří se polyribozóm. Spojení mezi mRNA a ribozómy není pevné, ribozómy se mohou po vláknu mRNA pohybovat z jednoho konce na druhý. Na polyribozómovém systému se uskutečňuje překlad – translace – pořadí nukleotidu molekuly mRNA do pořradí aminokyselin vznikajícího polypeptidového řetězce. Druh aminokyseliny určují tři za sebou následující nukleotidové jednotky mRNA, tzv. nukleotidový triplet (kodon). Překlad informace pro primární strukturu bílkoviny, zakódované v nukleotidových tripletech mRNA, probíhá tak, že na kodon mRNA se vodíkovými vazbami váže antikodon molekuly transferové RNA (tRNA), která je pro každou aminokyselinu specifická. Trojice nukleotidových jednotek antikodonu tRNA musí být doplňková (komplementární) nukleotidovému tripletu mRNA. Pohybem ribozómu po vláknu mRNA se postupně váží další molekuly tRNA „prinášející“ aminokyseliny. Molekula tRNA, která se naváže na príslušný kodon mRNA, současně přebírá již vytvořenou část peptidového řetězce z molekuly předcházející tRNA a váže jej peptidickou vazbou se „svou“ aminokyselinou. Objeví-li se na vláknu mRNA takový kodon, pro který neexistuje komplementární antikodon tRNA, ukončí se tvorba bílkovinného řetězce a řetězec se z ribozómu uvolní. Silný inhibiční vliv na proces proteosyntézy mají např. některá antibiotika. Tento vliv se využívá v běžné lékařské praxi. Antibiotika brzdí proteosyntézu v mikroorganismech a zabraňují tak jejich dalšími růstu. Využívá se toho k léčení mnoha chorob vyvolaných mikroorganismy.
Literatura: 1. Vodrážka Z.: Biochemie 1 – 3, Academia Praha, 1996 2. Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A., Rodwell V.W.: Harperova biochemie, Nakladatelství H+H, 2002, ISBN10: 80-7319-003-6 3. Voet D., Voet J.G., Pratt Ch.W.: Fundamentals of biochemistry, Wiley 2008, ISBN 978-0-470-12930-2 4. http://www.gvi.cz/files/chemie/bamb.pdf (10.4.2010) 5. ukb.lf1.cuni.cz/skripta/kap32.pdf (10.4.2010) 6. http://g vm.vm.cz/people/holikova/vyuka/biochemie/Biosynt%C3%A9za%20a%20metabolismus%20b%C3%ADlkovin.pdf (12.4.2010) 7. orion.chemi.muni.cz/e_learning/=Texty/17-Katabolismus%20bílkovin/17-KatabBilkovin2a.htm (10.4.2010) 8. old.lf3.cuni.cz/chemie/cesky/materialy_B/test_mtb_aminokyseliny.ppt (12.4.2010) 9. biochemie.upol.cz/doc/skripta/bch/12.ppt (10.4.2010) 10. www.biomed.cas.cz/protarch/Lectures/Bio3pr16.pdf (12.4.2010)
33
6. Odbourávání amoniaku 6.1
Metabolismus amoniaku
Zatímco metabolismus uhlíkového skeletu aminokyselin je velmi pestrý, odbourání aminoskupin probíhá vždy stejným způsobem. Buď se tyto skupiny použijí při syntéze dusíkatých částí biomolekul, jako jsou aminokyseliny puriny a pirimidiny, karbamoylové nebo guanidylové deriváty, nebo jsou po převedení na vhodnou odpadní formu z organismu vyloučeny.
6.1.1 Asimilace amoniaku
Důležitou úlohu při využívání amoniaku při biosyntetických dějích mají amidy asparagin a zejména glutamin. Jsou nejen stavebními jednotkami bílkovin, ale jsou též transportéry (lehce přecházejí buněčnou membránou) a donory amoniaku v organismech; vytvářejí jeho určitou latentní reservu. Asparagin je však metabolicky méně versatilní (mnohostranný) než glutamin a jeho amidový dusík nelze přímo přenášet do synthetických reakcí. K převedení amoniaku do amidové skupiny glutaminu slouží reakce katalysovaná ligázou glutamunsyntetázou.
U živočichů probíhá tento děj hlavně v játrech a mozku. Analogicky se tvoří asparagin za katalysy asparaginsyntetázou. Amidový dusík glataminu se uplatňuje při různých reakcích: Synthéza aminokyselin transaminací. Převedením amoniaku z amidové skupiny glutaminu na 2-oxoglutarát se získá glutamát, vhodný donor aminoskupin pro transaminační reakce,
Jde o redukční děj a redukčním činidlem je u plísní a bakterií NADPH, enzym chloroplastů rostlin pak používá redukovaný ferredoxin. Živočichové nemají potřebný enzym, a nemohou proto použít amoniak z jeho latentní zásoby v glutaminu jako zdroj aminoskupin. Výroba karbamoylfosfátu. Glutamin může dále sloužit jako zdroj dusíku pro synthesu karbamoylfosfátu
Karbamoylfosfát poskytuje atomy C2 a N3 při synthese pyrimidinového skeletu a podílí se na tvorbě guanidylové skupiny argininu. V mitochondriích jaterních buněk savců vzniká karbamoylfosfát přímo z amoniaku bez účasti glutaminu. Jak je dále uvedeno, touto reakcí je zaváděn amoniak do močovinového cyklu sloužícího k jeho detoxikaci a exkreci u savců. Tento děj může být používán též k výrobě argininu má-li živočich schopnost syntetizovat ornithin.
6.1.2 Vylučování amoniaku
Pro živočišné buňky je volný amoniak už v nízkých koncentracích toxický. Je proto hlavní formou odpadního dusíku jen u vodních živočichů; ve vodném prostředí se přebytečný snadno rozpustný amoniak vylučovaný žábrami rozptýlí a tím ztratí svůj toxických účinek. Těmto organismům říkáme amonotelní. U živočichů, jejichž embryonální vývoj probíhá za nedostatku vody a v omezeném prostředí (nepropustná skořápka vajec), je amoniak metabolizován až na kyselinu močovou, která pro svou malou rozpustnost není toxic34
ká. Těmto organismům, vylučujícím suspenzi pevné kyseliny močové, říkáme urikotelní; jsou to vejcorodí (plazi a ptáci) a chrupavčité ryby (paryby), např. žraloci. U savců, u nichž se embryo vyvíjí v dostatku plodové vody a jeho oběh je spojen s oběhem matky, je hlavním dusíkatým odpadním produktem rozpustná močovina (urea); těmto organismům proto říkáme ureotelní. Ve formě močoviny odchází u savců 80 až 90% celkového dusíku konečných dusíkatých metabolitů. Zbytek slouží k neutralizaci kyselin a je pak vylučován močí ve formě amonných solí a nepatrného množství volného amoniaku. Amoniak určený k odstranění je předáván do krevního oběhu hlavně v amidové skupině glutaminu a aminové skupině alaninu. Glutamin a alanin jsou přijímány játry, kde probíhá synthesa močoviny, a ledvinami, kde přecházejí ionty NH4+ do moči (jejich hlavním zdrojem je glutamin).
6.2
Ornithinový cyklus
Močovina se tvoří u ureotelních živočichů speciálním metabolickým pochodem, kterému říkáme močovinový, ureosyntetický nebo ornithinový cyklus nebo též malý Krebsův cyklus. Byl to první cyklický metabolický děj, který byl objeven (H. Krebs a K. Henseleit 1932). I když probíhá při degradaci bílkovin a detoxikaci amoniaku, tedy při jejich katabolismu, je to vlastně děj biosyntetický. Do ureosyntetického cyklu vstupuje jedna molekula CO2 a dvě aminoskupiny, pocházející z aminokyseliny ornithinu. Tato část probíhá zhruba ve všech organismech schopných biosynthesy argininu. Avšak pouze ureotelní živočichové mají vysokou hladinu enzymu arginázy, která katalyzuje hydrolytické štěpení argininu na močovinu a ornithin. Močovina, neutrální, ve vodě rozpustná látka, se pak vyloučí močí a ornithin je k disposici pro další cyklus děje. Tento cyklus probíhá nepřetržitě v játrech. U dospělého zdravého člověka se denně vytvoří a vylučuje v průměru 25 až 35 g močoviny. Přechází do krve a v ledvinách se z krve dostává glomerulární filtrací do moče. Buňky, které nemají všechny enzymy potřebné k syntéze močoviny, detoxikují amoniak vazbou na glutamát, za vzniku glutaminu. Ten je pak přenášen krví do jater, kde odevzdá amoniak do močovinového cyklu a menší část do ledvin, kde glutaminázou uvolnění amoniak neutralizuje kyseliny, vznikající v metabolismu a vylučuje se s nimi močí. Děj realizovaný ureosyntetickým cyklem lze vystihnout sumární rovnicí
Tato reakce je silně exergonická a její průběh je umožněn tím, že se na její realizaci podílejí energií bohaté meziprodukty. V zájmu odstranění toxického amoniaku jeho převedením na neškodnou ve vodě výborně rozpustnou látku musí proto organismus vynakládat značné množství energie. Proces se skládá z pěti dílčích dějů: Tvorba Karbamoylfosfátu. Fosforečný ester karbamové kyseliny je aktivovaný vstupní produkt, který vnáší do cyklu jednu aminoskupinu, pokutovanou hlavně glutamátem, vznikajícím z transportní formy aminoskupin, glutaminu. Tato reakce probíhá v matrix mitochondrií, kde je dostatek CO2, který je zdrojem uhlíku pro karbomoylfosfát; CO2 je uvolňován dekarboxylačními reakcemi citrátového cyklu a dekarboxylací pirimidinů. Vznik citrulinu. V další reakci, probíhající opět v matrix mitochondrií, se karbamoylová skupina přenáší na d-aminoskupinu aminokyseliny ornithinu za vzniku citrulinu a uvolnění fosfátu. Citrulin pak vystoupí z mitochondrií do cytoplasmy, kde se odehrávají další reakce cyklu.
Zapojení druhé aminoskupiny - kondenzace citrulinu s aspartátem. Pro vznik argininu je zapotřebí další aminoskupina. Přináší ji do cyklu aspartát za tvorby argininosukcinátu. Vznik této makroergické sloučeniny katalysuje ligáza argininosukcinátsyntetáza za použití energie odpovídající dvěma jednotkám ATP: ATP se štěpí na AMP a PPi,který se dále hydrolyzuje na 2 Pi.
Štěpení argininosukcinátu na arginin a fumarát. Aminoskupiny aspartátu tedy vytvoří arginin, zatímco jeho uhlíkkový skelet zůstává zachován a uvolní se jako fumarát. Vznik fumarátu umožňuje napojení močovinového cyklu na citrátový cyklus. Fumarát se v citrátovém cyklu přemění přes malát na oxalacetát, z něhož transaminací může opět vznikat aspartát pro další cyklus výroby močoviny. Při přeměně malátu na oxalacetát se navíc získají dva aktivované atomy vodíku, ekvivalentní 3 jednotkám ATP, o něž se sníží energie potřebná na synthesu močoviny. Štěpení argininu. Arginin, uvolněný rozpadem argininosukcinátu, se hydrolyticky štěpí za katalysy arginasou na močovinu a ornithin, čímž se cyklus uzavírá. Ornithin přechází z cytosolu zpět do mitochondrií, kde zahajuje další reakční cyklus. Močovina postupně přechází do moči. 35
Celé schéma ornitinového cyklu je uvedeno na následujícím obrázku.
Při špatné funkci ledvin se močovina spolu s dalšími odpadními látkami hromadí v organismu (mluvíme o uremii), což by vedlo k jeho zániku. K odstraňování těchto látek z krve nemocných se používá dialýza na umělé ledvině. Co se týče energetické bilance močovinového cyklu, je k jeho průběhu potřebná energie odpovídající čtyřem jednotkám ATP: dvě jsou zapotřebí na syntézu karbamoylfosfátu a další dvě na kondenzaci citrulinu s asparátem. Zapojením fumarátu do citrátového cyklu lze však uhradit tři jednotky ATP. Čistý výdej energie tedy představuje 1 ATP na 1 molekulu močoviny.
Literatura: 1. Vodrážka Z.: Biochemie 1 – 3, Academia Praha, 1996 2. Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A., Rodwell V.W.: Harperova biochemie, Nakladatelství H+H, 2002, ISBN-10: 80-7319-003-6 3. Voet D., Voet J.G., Pratt Ch.W.: Fundamentals of biochemistry, Wiley 2008, ISBN 978-0-470-12930-2 4. http://ktl.lf2.cuni.cz/text/fyzioterapie/Biochemie.pdf (5.9.2010) 5. http://home.zf.jcu.cz/public/departments/koz/vyz/pred_02b.pdf (5.9.2010) 6. biochemie.upol.cz/stranky/vyuka/bch/11.ppt (5.9.2010) 7. www.orko.cz/Biologie%202008/Biopolymery09.ppt (5.9.2010) 8. orion.chemi.muni.cz/e_learning/=Texty/19Metabolismus%20nukleotidů/Metab%20Nukl1a.doc (10.4.2010)
36
7. Nukleosidy, nukleotidy a nukleové kyseliny 7.1
Struktura a funkce v organismu
Základní strukturní jednotkou nukleových kyselin jsou nukleotidy. Vedle toho plní v organismu řadu dalších funkcí. Fungují jako přenašeče energie ve formě nukleosidpolyfosfátů (např. ATP), jejichž úkolem je transport energie z rekcí poskytujících energii (katabolismus) do reakcí, které energii potřebují dodat (anabolismus). Vedle toho jsou nukleotidy a jejich deriváty aktivovanými meziprodukty biosyntéz, např. UDP-glukóza - (uridinfosfoglukoza) je prekurzorem glykogenu. Adeninové nukleotidy jsou součástí koenzymů podílejících se na řadě enzymatických reakcí, např. nikotinamidadenindinukleotid, nikotinamidadenindinukleotidfosfát, flavinadenindinukleotid, koenzym A. Fungují jako metabolické a allosterické regulátory, např. cyklický adenosinmonofosfát nebo cyklický guanosindifosfát zprostředkovávají účinek mnoha hormonů.
Nukleotidy jsou strukturně nukleosidfosfáty, obsahující dusíkatou bázi, pentózu a zbytek kyseliny fosforečné. Spojením báze a sacharidu vzniká tzv. nukleosid. Nukleové kyseliny obsahují 5 tzv. „hlavních“ bází – 2 purinové a 3 pyrimidonové. Existují pak ještě tzv. baze „vedlejší“ neboli minoritní baze. Minoritní vzhledem k frekvenci výskytu ne co se týče fyziologické funkce. Jedná se o dusíkaté heterocyklické sloučeniny. Mezi purinové báze patří adenin a guanin, mezi pyrimidinové tymin, cytosin a uracil. Číslování heterocyklu je rozdílné. U purinu je proti směru hodinových ručiček. U pyrimidinu po směru. Pyrimidinové báze mají v poloze C2 vždy kyslík, v poloze C4 kyslík nebo aminoskupinu. Uracil je přítomen jen v RNA, tymin jen v DNA. Ostatní báze se vyskytují v obou nukleových kyselinách.
Při zapojování do řetězce nukleové kyseliny báze vytvářejí doplňkové dvojice (komplementární páry - zkratka bp), v nichž se vždy 1 purinová a 1 pyrimidinová báze vzájemně váží vodíkovými vazbami (tzv. komplementarita). Guanin se váže s cytosinem a adenin s tyminem nebo s uracilem. Tvoří kód k zápisu genetické informace. Komplementární párování pak umožňuje tuto informaci realizovat při procesech replikace, transkripce a translace. 37
Spojením cukerné složky s dusíkatou bází vzniká nukleosid, kdy podle navázaného typu sacharidu rozlišujeme ribonukleosid, kde je zapojena D – ribóza, nebo deoxyribonukleotid, kde je zapojena 2deoxy-D-ribóza. Nukleosidy se v buňkách nevyskytují ve velkém množství, jen jako intermediáty biologického štěpení nukleových kyselin. Jsou to polární sloučeniny rozpustné ve vodě. N-glykosidová vazba je hydrolyticky štěpená zředěnými kyselinami, v alkalickém prostředí je vazba velmi stálá. Nukleosidy vznikají z nukleotidů odštěpením kys. fosforečné účinkem specifických hydrolytických enzymů označovaných jako fosfatázy. Připojením jedné nebo více molekul kys. fosforečné k jedné nebo několika volným hydroxylovým skupinám cukerné složky nukleosidů vznikají nukleosidfosfáty neboli nukleotidy. Nukleotidy vznikají také hydrolýzou nukleových kyselin účinkem enzymů fosfodiesteráz. Nomenklatura nukleotidů a nukleosidů je taková (viz Tab. 5), že názvy pyrimidinových nukleosidů se tvoří koncovkou – idin, purinové koncovkou – osin. Ve schematických vzorcích uvádíme třípísmenné zkratky pro nukleové báze. Pro ribonukleosidy se používají jednopísmenné zkratky, pro deoxyribonukleosidy se před písmeno dává malé d. 5´ značí uhlík alkoholové skupiny pentózy.
38
Tab. 5: Nomenklatura bází, nukleosidů a nukleotidů
Dusíkatá báze Adenin, Ade Guanin, Gua Cytosin, Cyt Uracil, Ura Dusíkatá báze Adenin, Ade Guanin, Gua Cytosin, Cyt Thymin, Thy
Ribonukleosid Adenosin, A Guanosin, G Cytidin, C Uridin, U Deoxyribonukleosid Deoxyadenosin, dA Deoxyguanosin, dG Deoxycytidin, dC (Deoxy)thymidin, (d)T
Ribonukleotid Adenosin-5´-monofosfát, AMP Guanosin-5´-monofosfát, GMP Cytidin-5´-monofosfát, CMP Uridin-5´-monofosfát, UMP Deoxyribonukleotid Deoxyadenosin-5´-monofosfát, dAMP Deoxyguanosin-5´-monofosfát, dGMP Deoxycytidin-5´-monofosfát, dCMP (Deoxy)thymidin-5´-monofosfát, (d)TMP
Nukleotidy jsou sloučeniny, jejichž působení je hlavně při přenosu genetické informace, dále energetické molekuly využívané při přenosu energie (ATP), dále strukturní části enzymových kofaktorů, popř. enzymů (NAD+, FAD). ATP = adenosintrifosfát funguje jako energetický přenašeč. Přidáním molekuly H2O se odštěpí H3PO4, DG‘0 = 33 kJ/mol, vzniká ADP. Hydrolýza ATP na ADP a P je silně exergonní reakce. Uvolněná energie je využívána k uskutečnění mnoha reakcí. ATP je zásobou energie, doplňuje se fosforylací ADP procesem aerobní (oxidativní) fosforylace. Zajímavostí je, že lidské tělo vytvoří a ihned zase spotřebuje za jeden den tolik ATP, kolik přibližně samo váží.
Nukleové kyseliny jsou biopolymery složené z desítek až milionů nukleotidů. Základem je lineární polynukleotidový řetězec tvořený ribonukleotidy, za vzniku kyseliny ribonukleové (RNA), nebo deoxyribonukleotidy, za vzniku kyseliny deoxyribonukleové (DNA), navzájem propojenými fosfodiesterovými vazbami mezi 3´-OH jednoho a 5´fosfátové skupiny následujícího nukleotidu. Vzniká tak kovalentní struktura společná všem nukleovým kyselinám, v nichž se střídá pentóza a fosfát. Postranní řetězec tvoří dvě různé pyrimidinové a dvě purinové báze, které jsou k řetězci připojené N-glykosidovou vazbou. Pořadí bází je pro každou NK charakteristické a určuje její vlastnosti a ve sledu bází je uložena genetická informace. Na 5´konci je volný zbytek kys. fosforečné esterově vázaný na C5 uhlík ribozy, na 3´konci je volná – OH skupina na C3 uhlíku. Struktura NK se píše od 5´konce k 3´konci. Stejně jako u proteinů, i u nukleových kyselin rozeznáváme několik struktur. Pořadí nukleotidů v lineárním dvouvlákně je záležitostí tzv. primární struktury. Stáčení vlákna do dvoušroubovice se označuje jako sekundární struktura DNA. Konečně pod pojmem terciální struktury se rozumí obvykle nadšroubovicové vinutí, které usnadňuje kondenzaci DNA. Kyselina deoxyribonukleová (DNA) je přítomna ve všech prokaryotických a eukaryotických buňkách. Prokaryota obsahují dvouvláknovou cyklickou molekulu, eukaryota dvouřetězcovou lineární molekulu v jádře, kruhovou v mitochondriích. DNA je tvořena dvěma polydeoxyribonukleotidovými řetězci stočenými do pravotočivé šroubovice. Řetězce jsou uspořádány antiparalelně, kdy báze míří dovnitř řetězce, cukerná složka s fosfátem míří ven. 39
Kyselna ribonukleová (RNA) je strukturně podobná DNA, ale méně stabilní. V organismu rychle odbourávána. Je tvořená ribonukleotidy spojenými fosfodiesterovými vazbami, druhou pyrimidinovou bazí je uracil. Až na vyjímky je jednovláknová. Podle funkce rozlišujeme jednotlivé druhy RNA (viz Tab. 6) Tab. 6: Jednotlivé typy RNA a jejich funkce
Typ RNA mediátorová (messenger) - cytoplazmatická - mitochondriální transferová - cytoplazmatická - mitochondriální ribozomální - cytoplazmatická - mitochondriální heterogenní jaderná malá jaderná
7.2
Zkratka mRNA mt mRNA
Funkce Přenos genetické informace
Místo syntézy nukleoplazma mitochondrie
tRNA mt tRNA
Přenos AK k mRNA
mitochondrie
rRNA mt rRNA
Strukturní složka ribozomů
hnRNA snRNA
Prekurzor mRNA a jiných RNA Strukturní a regulační RNA chromatinů
jadérko nukleoplazma mitochondrie nukleoplazma nukleoplazma
Genetický kód a mutace
Genetický kód představuje soubor pravidel, podle kterých se genetická informace uložená v DNA (respektive RNA) převádí na primární strukturu bílkovin - tj. pořadí aminokyselin v řetězci. Genetická informace nesená organismem (jeho genom) je zapsána v DNA molekule (s výjimkou některých nebuněčných organismů, u nichž tuto úlohu plní RNA). Každá funkční část DNA se nazývá gen. Každý gen se v procesu transkripce přepíše do odpovídající kratší molekuly m-RNA, která slouží jako přenašeč informace od DNA k ribozómům - buněčným strukturám, na kterých probíhá translace (tvorba primární struktury bílkovin podle záznamu v m-RNA). Pořadí aminokyselin se zde stanovuje tak, že ke každému tripletu (kodónu) se připojí t-RNA s odpovídajícím antikodónem nesoucí aminokyselinu. Genová mutace představuje změnu ve struktuře molekuly DNA. Můžeme ji rozdělit na mutaci genu strukturního (která se může projevit na struktuře bílkoviny) a mutaci genu regulačního (která se může projevit na jeho regulační funkci a následně na míře exprese jím řízených genů strukturních). Důsledky mutací se nemusí projevit nebo naopak mohou být až velmi vážné. Pokud k nim dojde v důležitém strukturním genu, je nutno zvážit, jakého jsou typu a kde nastanou. Existuje několik typů genových mutací: Inzerce a delece, kdy dochází k přidání či vypadnutí jednoho či více párů bází. Inverze, při které dojde k převrácení posloupnosti několika bází Substituce, což znamená nahrazení jedné nebo několika bází jinou. Rozlišujeme substituci tranzicí (náhrada stejným typem báze - purinové purinovou (A, G) a pyrimidinové pyrimidinovou (C, T) a substituci transverzí (náhrada odlišným typem báze - purinové pyrimidinovou a obráceně).
7.3
Genetická informace a její přenos
Genetická informace je soubor instrukcí pro všechny strukturní znaky, životní procesy a projevy organismu. Genetická informace je dlouhodobě uchovávána a přenášena z generace na generaci jako sekvence nukleotidů v DNA. Před každým dělením buňky musí dojít k replikaci neboli zdvojení genetické informace. Replikace DNA je komplexní děj zahrnující rozvolnění struktury molekuly, rozvinutí dvouřetězcové struktury na samostatná vlákna, dosyntetizování chybějícího řetězce a opětné zabalení DNA do stabilního komplexu s histony. Využití genetické informace v buňce se odehrává ve dvou krocích. Prvním je transkripce, neboli přepis informace z DNA do „pracovní kopie“ molekuly RNA. Druhým krokem je translace, překlad informace ze systému sekvence bazí do systému pořadí aminokyselin v proteinu. Schematicky lze přenos informace znázornit takto: replikace: DNA -> DNA transkripce a translace: DNA -> RNA -> proteiny 40
Tento směr pohybu informace se nazývá základní dogma molekulární genetiky. Má však i svou výjimku, a to reverzní transkripci, při které se informace z virové RNA přepisuje do struktury DNA, která se následně zabuduje do chromozomu hostitele. Tímto způsobem zajišťují RNA-viry přepis a namnožení své genetické informace mechanismy hostitele. V procesu replikace DNA, zajišťuje syntézu nové molekuly podle podle existující matrice enzymatický komplex DNA-polymeráza. Prvním krokem je rozbalení nadšroubovicové struktury DNA a vzájemné rozmotání antiparalelních molekul dvoušroubovice. DNA-polymeráza je schopna syntetizovat řetězec bazí jen ve směru 5´-> 3´ uhlíků deoxyribosy. V tomto směru probíhá doplnění chybějícího řetězce kontinuálně od začátku do konce molekuly. Opačný směr je syntetizován diskontinuálně za pomocí malých iniciačních úseků nukleové kyseliny, nazývaných Okazakiho fragmenty. Zatímco DNA je v buňce pouze jediného typu a má výhradně informační funkci, existuje několik typů RNA. Ponecháme-li stranou virovou RNA, buňce 3 typy RNA: informační mRNA, ribosomální rRNA a transferovou tRNA s rozdílnou strukturou i funkcí (viz Tab. 6). m-RNA (messenger RNA) zajišťuje přepis strukturního genu, obsahuje návod pro výrobu 1 bílkoviny, řídí synthésu bílkovin, spojuje ribozomy t-RNA (transférová RNA) – zajišťuje transport aktivovaných aminokyselin z citoplasmy na ribozom, specifický sled nukleosidů na t-RNA = antikodon. Jednotlivá t-RNA je specifická pro každou aminokyselinu. r-RNA (ribozomální RNA) – součást ribozomů, na nichž probíhá proteosynthésa bílkovin, odděluje a váže v ribozomech jednotlivé části přiváděné do ribozomu t-RNA
41
8. Metabolismus nukleových kyselin a jejich bazí 8.1
Odbourání nukleových kyselin
Nukleové kyseliny mají v organismech mimořádné postavení: slouží k uložení a zpracování genetické informace. Obměně podléhají pouze RNA. DNA se neodbourává ani v eukaryotních ani v prokaryontních buňkách. Při dělení buněk se DNA novou syntézou zdvojuje. Jako stavební materiál slouží produkty odbourávání sacharidů a bílkovin. Odbourávání veškeré DNA nastává jen u mrtvých buněk nebo při tvorbě bezjaderných buněk (např. zralé erytrocyty). Nukleové kyseliny z potravy jsou během trávení hydrolyzovány na stavební jednotky, které jsou pak oxidačně degradovány. Protože však většinou nejsou využívány jako zdroj metabolické energie ani stavebního materiálu, neřadíme nukleové kyseliny mezi živiny. Při trávení nukleových kyselin a nukleoproteinových komplexu potravy se účinkem HCI v žaludku nejprve odštěpí bílkovinná složka (histon, protamin a další), která se hydrolyzuje za katalýzy proteolytickými trávicími enzymy. Rozpad na nukleotidy uskutečňují hydrolázy ze skupiny fosfodiesteráz (polynukleotidáz) nazývaných též nukleázy. Jsou buď deoxyribo- , nebo ribonukleasy a endo- nebo exonukleasy. Hydrolytické štěpení nukleotidů pokračuje za katalýzy mononukleotidázami (fosfomonoesterázami) a uvolňuje se kyselina fosforečná. Tyto enzymy jsou velice rozšírené a štěpí i fosforečné estery cukrů. Nukleosidy se štěpí hydrolázou glykosidové vazby mezi pentózou a bazí za součinnosti nukleosidáz (nukleosidfosforyláz) ze skupiny glykosidáz. Zdá se, že štěpení katalyzované těmito enzymy probíhá spíše fosforolyticky než hydrolyticky, kdy za přítomnosti kyseliny fosforečné nebo i difosforečné vznikne pentosa-1-fosfát (nebo 1-difosfát). Odbourávání tkáňových ribonukleových kyselin v rámci jejich neustálé obnovy probíhá, stejně jako v případě bílkovin, hlavně v lysozomech.
8.2
Odbourání purinových bazí
Většina purinových derivátů se odbourává v organizmech na urát. Oxidace guaninu začíná z volné báze, oxidace adeninu z nukleosidu adenosinu. Ribózový zbytek je odštěpován fosforolyticky jako 5-fosfo-a-D-ribosyl-1-difosfát (PRPP) Xanthin je dále oxidován až na urát (anion močové kyseliny). Oxidaci hypoxanthinu přes xanthin na urát katalyzuje xanthinoxidáza, flavoproteinový enzym, obsahující molybden a železo. Stejně jako jiné flavinové oxidázy přenáší odebrané atomy vodíku přímo na molekulový kyslík. Jeho redukcí vzniklý H2O2 je pak katalázou rozkládán na H2O a O2.
U primátů, ale i u ptáků, některých plazů a některých druhů hmyzu je urát konečným produktem degradace purinů a je vylučován močí. 42
Savci s výjimkou primátů a též plazi, plži a dvoukřídlý hmyz oxidují urát dále na alantoin, který vylučují. U obojživelníků, mlžů a většiny ryb pokračuje odbourávání na allantoát, který se hydrolyzuje na dvě molekuly močoviny a jednu molekulu gyoxylátu.
8.3
Odbourání pyrimidinových bazí
Oxidační odbourávání pyrimidinových bazí probíhá u různých organismů různě. Např. hlavní cesta u živočichů zahrnuje redukci uracilu a thyminu za vzniku plně hydrogenovaného kruhu. U cytosinu nastává hydrogenace po jeho deaminaci na uracil. Následuje otevírání kruhu mezi N1 a C6, čímž z uracilu a na něj převedeného cytosinu vzniká karbamoyl-b-alanin (b-ureidopropionát) a z thyminu karbamoylyl-baminoburyrát. Tyto aminokyseliny se dále hydrolyzují na b-alanin, resp. b-aminoisobutyrát a karbamát, který se rozpadá na CO2 a NH3. b-Alanin a baminoisobutyrát se dále metabolizují jako aminokyseliny; b-alanin může být též využit na výrobu CoA, dipeptidů eserinu a karnosinu apod.
8.4
Biosyntéza purinových bazí
Puriny se syntetizují přímo ve formě nukleotidů. Syntéza purinového jádra začíná tvorbou 5-fosforibosylaminu, tj. „amonium-5´-nukleotidu“ reakcí glutaminu s 5-fosforibosyl-1-difosfátem. Tato látka se acyluje glycinem za vzniku 5´-fosforibosylglycinamidu. Reakcí s 5,10-methylentetrahydrofolátem vzniká 5´-fosforibosyl-N-formylglycinamid, který obsahuje všechny atomy imidazolového jádra purinu. Přenosem amidového dusíku z glutaminu se mění amidová skupina na amidinovou v 5´-fosforibosyl-N-formylglycinamidinu; nově zavedená aminoskupina je základ pro pyrimidinový kruh purinu. V dalším kroku se ligasovou reakcí uzavírá imidazolový kruh na 5´fosforibosyl-5-aminoimidazol, který se dále karboxyluje CO2 bez účasti známých karboxylačních koenzymů na 5´-fosforibosyl-5.aminoimidazol-4-karboxylát. V dalším reakčním stupni reakce se tvoří z karboxylu amid mechanismem analogickým tvorbě argininu z citrulinu; zdrojem dusíku je aspartát, který se mění na fumarát. Formylací aminoskupiny 5´-fosforibosyl-5-aminoimidazol-4-karboxamidu 10-formyltetrahydrofolátem vzniklý 5´-fosforibosyl-5-formamidoimidazol-4-karboxamid obsahuje všechny atomy purinovéhojádra, které se pak uzavírá dehydratací za vzniku inosin-5´-fosfátu (IMP). Tato látka je výchozím substrátem pro syntézu obou významných purinových nukleotidů. Náhradou kyslíku aminoskupinou z aspartátu (stejným mechanismem jako při tvorbě 5´-fosforibosyl-5-aminoimidazol-4-karboxamidu) vzniká AMP. Pro tvorbu GMP je nutná dehydrogenace IMP NAD+ na xanthosin-5´-fosfát (XMP), v němž se pak nahrazuje karbonylový kyslík v poloze 6 aminoskupinou z glutaminu ligázovou reakcí. 43
Purinové jádro vzniká tedy jako „mozaika“ částí procházejících z různých zdrojů Rozhodující úlohu při jeho tvorbě má tetrahydrofolátový systém přenosu C1-látek, který je proto nezbytnou složkou všech forem živé hmoty. Protože efektivní funkce systému syntetizujícího puriny je esenciální pro rychle rostoucí a množící se buňky, jsou na ní mnohem více závislé buňky nádorové než normální somatické buňky. Proto je jednou ze strategií v léčbě nádorových onemocnění blokáda tvorby purinů, např. antimetabolity kyseliny listové, které jsou mnohem toxičtější pro nádorové než pro somatické buňky.
8.5
Biosyntéza pyrimidinových bazí
Pyrimidinové jádro vzniká ve formě volné báze z aspartátu. Reakcí této aminokyseliny s karbamoylfosfátem vzniká N-karbamoylaspartát. Který odštěpením vody tvoří cyklický amid, dihydroorotát. Oxidací tohoto meziproduktu flavoproteinem dihydroorotátoxidázou (EC 1.3.3.1) vzniká pyrimidinové jádro v orotátu, tj. karboxyuracilu. Na tomto stupni reaguje pyrimidin a aktivovanou formou ribosafosfátu, 5-fosforibosyl-1-difosfátem za vzniku nukleotidu oriditin-5´-fosfátu. Odštěpením karboxylové skupiny vzniká uridinmonofosfát (UMP), který dvojí reakcí s ATP přechází na UDP a UTP. Tato látka je koenzymem glykosyltransferás a výchozí substrát pro syntézu RNA, ale také zdroj cytidintrifosfátu (CTP), který se z ní tvoří ligasovou reakcí s glutaminem. Obě hlavní pyrimidinové složky nukleových kyselin vznikají společnou biosyntetickou cestou. Biosyntéza probíhá v cytosolu, a je tak oddělena od tvorby močoviny, probíhající v mitochondriální matrix, ač oba pochody vycházejí z téhož substrátu, karbamoylfosfátu. Zdrojem této látky pro syntézu pyrimidinů je cytosolární karbamoylfosfátsyntáza (EC 6.3.5.5), lišící se od mitochondriálního enzymu tím, že zdrojem dusíku není amoniak, ale glutamin: Enzym není aktivován N-acetylglutamátem, ale je inhibován produktem celé biosyntetické cesty,UTP. Tento vztah je příkladem regulace biosyntézy mechanismem negativní zpětné vazby, při dostatku pyrimidinových nukleotidů v buňce automaticky klesá syntéza výchozího substrátu jejich biosyntézy, karbamoylfosfátu.
Literatura: 1. Vodrážka Z.: Biochemie 1 – 3, Academia Praha, 1996 2. http://biologie.upol.cz/metody/Struktura%20nukleovych%20kyselin.htm (27.12.2010) 3. Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A., Rodwell V.W.: Harperova biochemie, Nakladatelství H+H, 2002, ISBN10: 80-7319-003-6 4. http://is.muni.cz/do/1499/el/estud/pedf/js09/biochem/web/tisk/t-nukleove_kyseliny.pdf 5. Voet D., Voet J.G., Pratt Ch.W.: Fundamentals of biochemistry, Wiley 2008, ISBN 978-0-470-12930-2 6. Benda V., Baburek L., Kotrba P.: Základy biologie, VŠCHT, Praha, 2006, ISBN 80-7080-587-0 7. Hoza I., Kramářová D., Budínský P.: Potravinářská biochemie I - III , Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Zlín 2007, ISBN 80-7318-395-1 8. http://www1.lf1.cuni.cz/~kocna/biochem/text8.htm (5.9.2010) 9. http://vydavatelstvi.vscht.cz/knihy/uid_isbn-80-7080-587-0/pdf/122.pdf (5.9.2010)
44
9. Sacharidy Pojem sacharidy je společný název pro monosacharidy a oligosacharidy (nikoli pro polysacharidy). Jedná se o sloučeniny uhlíku, vodíku a kyslíku, lišící se strukturou a velikostí molekuly. Jsou to bílé, krystalické, ve vodě rozpustné látky vesměs sladké chuti. Jednoduché cukry jsou palyalkoholy s oxo skupinou -CH=O (aldózy) nebo keto skupinou –C=O (ketózy). Vznikají dehydrogenací - OH skupiny polyalkoholů. Sacharidy jsou převažujícími organickými stavebními jednotkami rostlinných i živočišných těl (např. celulosy) a složkami jejich energetických zdrojů (např. škrobu nebo glykogenu). V organismu plní i signální funkci jako součásti nukleotidů, kofaktorů a glykoproteinů. Zásadní úlohu při vzniku sacharidů má fotosyntéza zelených rostlin, která poskytuje glukosu. Glukosa se svými deriváty se potom uplatňuje ve vzájemné přeměně sacharidů a v řadě katabolických pochodů (glykolýza, kvašení, atd.). Podle počtu základních jednotek dělíme na mono- (1), oligo- (2–10) a polysacharidy (>11). Makromolekulární polysacharidy jsou většinou bez chuti a jsou ve vodě jen omezeně rozpustné (škrob, agar) nebo zcela nerozpustné (celuloza). Denní příjem cukrů tvoří 50 - 60% z celkového energetického příjmu, za dostatečnou dávku je považováno 50 – 100 g/den, běžný příjem činí 100 – 300 g/den, horní hranicí je 500 g. Z hlediska potravin rozlišujeme potraviny s vysokým obsahem sacharidů, mezi které patří pečivo, obiloviny, brambory, rýže, potraviny se středním obsahem sacharidů, kam řadíme ořechy, mléko, tvaroh, jogurt, ovoce a potraviny s nízkým nebo nulovým obsahem sacharidů, tedy maso, uzeniny, sýry, vejce, zelenina. Podle funkce ve výživě dělíme sacharidy na využitelné, špatně využitelné a nevyužitelné. Mezi využitelné sacharidy patří jak monosacharidy (glukóza, fruktóza, ribóza), oligosacharidy (sacharóza, maltóza, laktóza), tak i polysacharidy (škrob, dextriny). Mezi špatně využitelné pak řadíme monosacharid arabinózu, oligosacharidy obsažené v luštěninách či polysacharid inulin. Nevyužitelné sacharidy jsou vesměs vysokomolekulární polysacharidy typu celulózy, hemicelulózy, pektinů, rezistentního škrobu nebo chitinu.
9.1 Monosacharidy – struktura, základní funkce, význam v potravinách Monosacharidy jsou aldehydové nebo ketonové deriváty polyhydroxyalkoholů, s nevětveným řetězcem s minimálně 3 atomy uhlíku. Nejjednodušší aldosou je D-glyceraldehyd, nejjednodušší ketosou dihydroxyaceton. Podle počtu uhlíku rozlišujeme u aldos triosy, tetrosy, pentosy, hexosy, heptosy (koncovka –osa), u ketos tetrulosy, pentulosy, hexulosy, heptulosy atd. (koncovka –ulosa). Existují tři způsoby psaní vzorců: podle Fischera, podle Tolense, podle Hawortha. Rozdělují se na D-a L- formy, a to podle konfigurace na chorálním (asymetrickém) uhlíku, který je nejdál od karbonylové skupiny (pentosy 4. uhlík, hexosy 5. uhlík). Konfigurace D- a L- nemá vztah k optické otáčivosti. Je-li v roztoku jak L- a D- forma ve stejném množství, směs nemá optickou aktivitu a označujeme ji jako tzv. racemickou směs. Při Fischerově způsobu psaní vzorců se u D- konfigurace hydroxylová skupina na asymetrickém uhlíku píše vpravo, u L- konfigurace vlevo. Mezi uhlíkem karbonylové skupiny a uhlíkem, který rozhoduje o D- nebo L-formě dochází ke spontánní reakci hydroxy skupin s aldehydovou nebo ketonovou skupinou za vzniku tzv. poloacetalové vazby (Tolensův způsob psaní vzorců). Cyklizací vzniká asymetrický C* - dvě různé anomerní formy a a b. Stabilizací - OH skupiny a aldehydické skupiny vznikají poloacetalové formy, 5-členné cykly furanózy nebo 6 členné cykly pyranózy (nomenklatura dle Hawortha).
Monosacharidy jsou běžnou složkou potravin, jejich obsah a zastoupení je proměnlivé. Vysoký obsah v ovoci, často jsou uměle přidávány do potravinářských výrobků jako sladidla. Potravinářsky významné monosacharidy jsou D-glukosa, D-fruktosa, D-Mannosa, D-sorbosa. 45
D-glukosa (hroznový nebo škrobový cukr) je přirozenou složkou ovoce, vína, medu, masných výrobků, mléka, vajec, cereální výrobků. Je součástí zásobních polysacharidů, pro organismus funguje jako nejrychlejší zdroj energie, nezbytný pro mozek, erytrocyty. Ve volné formě cirkuluje v krvi (3,3 – 5,6 mmol/l), lymfě, mozkomíšním moku. Hladina glukosy v krvi regulována hormonálně (inzulin, glukagon, somatostatin). D-fruktosa (ovocný cukr nebo levulosa) je monosacharid vyskytující se ve vysokém množství v ovoci, medu, je součástí sacharózy. Na rozdík od glukózy neovlivňuje hladinu cukru v krvi. Je součástí polysacharidů (inulin). Jako fruktosa-6-fosfát, fruktosa-1,6-bisfosfát je důležitým meziproduktem glykolytického odbourání glukózy, na kterou může být v případě potřeby přeměňována. D-mannosa se vyskytuje v ořechách, ovocných šťávách, L-sorbosa v ovocných šťávách, je meziproduktem výroby kyseliny L-askorbové (vitamín C) Jak již bylo zmíněno monosacharidy jsou hlavní zdroje energie, v průběhu trávení jsou resorbovány v tenkém střevě přímo do tělních tekutin, transportovány do jater, kde jsou přeměněny na glukózu, která vstupuje do dalších metabolických dějů. Sacharidy lišící se konfigurací na jediném uhlíku označujeme jako epimery, sacharidy lišící se konfigurací nejméně jednoho uhlíku a nejméně na jednom s konfiguraci stejnou jako diastereomery, dvojici stereoisomerů jako obraz v zrcadle jako enantiomery (Obr. 47).
Monosacharidy podléhají nejen v organismu celé řadě reakcí, mezi které patří: Esterifikace, ke které může docházet působením různými kyselinami, z nichž převažuje kyselina fosforečná. Vzniklé fosforylované sacharidy se uplatňují v metabolických dějích. Syntézu fosforečných esterů katalyzují enzymy zvané kinázy, donorem fosfátové skupiny je převážně ATP. Nejčastěji se uplatňují fosfáty D-glukosy a D-fruktosy. Vpentosovém cyklu se uplatňují i fosfáty vyšších a nižších sacharidů. Estery vzniklé působením kyseliny sírové jsou stavebními složkami proteoglykanů. Izomerizace neprobíhá u volných sacharidů, ale u fosforečných esterů a dochází k ní zahříváním monosacharidů v přítomnosti bází Oxidace - mírnou chemickou nebo enzymatickou oxidací aldos je aldehydová skupina oxidovaná na karboxylovou za vzniku kyseliny aldonové (glykonové), ty jsou stálé ve formě solí, volné mají tendenci přeměňovat se na cyklické laktony. Nejvýznamnější je kyselina glukonová. Silnou oxidací se oxiduje nejen aldehydová skupina, ale i primárně alkoholová skupina za vzniku kyseliny aldarové. Je-li –CHO skupina chráněná před oxidací a oxiduje se jen primární alkoholová skupina, vznikají uronové kyseliny (např. kyselina glukuronová). Redukcí (hydrogenací) karbonylové skupiny vznikají polyhydroxyalkoholy (alditoly). Odstraněním některé – OH skupiny pak vznikají deoxycukry, v potravinách jsou vázané v glykosidech, glykoproteinech a bakteriálních glykolipidech. Deoxy-ribosa je součástí deoxyribonukleotidů (DNA). Vznik aminocukrů, kdy je -OH skupina nahrazená – NH2 skupinou. Aminocukry jsou většinou vázané v oligosacharidech, polysacharidech, jsou přirozenou součástí potravin, glykoproteinů. K aminaci dochází nejčastěji na C2 uhlíku aldosy. Důležité jsou hlavně D-glukosamin, D-galaktosamin, neuraminové kyseliny (součást membrán). Hemiacetalová hydroxylová skupina na anomerním uhlíku snadno reaguje s hydroxylovou skupinou dalšího sacharidu nebo za vzniku glykosidu – vyšších sacharidů. 46
9.2 Oligosacharidy a polysacharidy – struktura, funkce v organismu Reakcí poloacetalového hydroxylu s další –OH skupinou vzniká glykosid. Glykosidová vazba je odolná v alkalickém prostředí, v kyselém prostředí dochází k hydrolýze na výchozí sacharidy. Enzymy katalyzující hydrolýzu glykosidových vazeb jsou tzv. glykosidasy. Pokud dochází k vazbě pouze monosacharidů na oligosacharidy (2 – 10 monosacharidových jednotek), označujeme takové sloučeniny jako hologlykosidy. Pokud dochází k vazbě sacharidu a necukerné složky, vznikají heteroglykosidy. Pokud zůstává ve vzniklé molekule disacharidu (oligosacharidu) minimálně jeden poloacetalový hydroxyl volný, označujeme daný sacharid jako redukující (redukuje Fehlingův roztok). Mezi redukující disacharidy patří např. maltosa, isomaltosa, cellobiosa a laktosa. Pokud jsou všechny poloacetalové hydroxyly blokovány vazbou, označujeme daný sacharid jako neredukující. Do této skupiny řadíme sacharosu a trehalosu. Redukující disacharid:
Neredukující disacharid:
Z oligosacharidů jsou potravinářsky významné: Sacharosa (třtinový cukr, řepný cukr), která je koncentrovaným zdrojem energie, ale nemá výživovou hodnotu. Je získávána z rostlin (třtina, řepa). Sacharosa je běžný cukr využívaný ke slazení potravin. Je výchozí surovinou kvasného průmyslu. Jedná se o neredukující disacharid složený z glukosy a fruktosy, který je na jednotlivé monosacharidové jednotky štěpen enzymem sacharázou. V organismu má vliv na obsah glukosy v plazmě a na sekreci inzulinu. Vysoký obsah je v ovoci, zelenině, moucea, kávě, cukrové třtině, cukrové řepě Trehalosa je obsažena v houbách, kvasinkách. Laktosa (mléčný cukr) je méně sladký cukr přítomný v mléce savců, je štěpena na glukózu a galaktózu. Laktulosa je uměle připravený izomer laktosy, který je využíván jako projímadlo. Maltosa (sladový cukr) vzniká degradací škrobu amylázami, je přítomen v semenech ječmene, sladu. Maltosa je při metabolismu škrobu přechodná forma, následně je hydrolyzována až na D-glukosu. V pivovarnictví a lihovarnictví je využívána k zchutňování potravin, při přípravě těsta Isomaltosa je součástí amylopektinu, glykogenu, bakteriálních dextranů, je přítomná v mléce savců Cellobiosa je stavební jednotka celulosy. Rafinosa je trisacharid složený z D-galaktosy, D-glukosy a D-fruktosy, k hydrolýze vyžaduje 2 různé enzymy. Stimuluje růst bifidobakterií a je využitelná střevními bakteriemi a odpovědná za tvorbu plynů. 47
Spojením více než 10 monosacharidových jednotek vznikají vysokomolekulární látky, označované jako polysacharidy, v nichž se nejčastěji vyskytují glykosidové vazby 1->4, 1->6, 1->2. Polysacharidy mohou být lineární, rozvětvené, cyklické. Enzymaticky jsou hydrolyzovány na oligo- až monosacharidy. Polysacharidy jsou vždy neredukující. Hexosany obsahují v molekule vázané jen hexosy, pentosany jen pentosy. Biologický význam polysacharidů je zejména zásobní (škrob, inulin, dextran, glykogen) a stavební (celulosa, chitin). V potravinách se vyskytují hlavně v nezralém ovoci, zráním se jejich obsah snižuje ve prospěch monosacharidů se sladkou chutí. V následující části jsou uvedeny významné polysacharidy Škrob (rostlinný) je fyziologicky a technologicky nejvýznamnější homopolysacharid, který je hlavním, pohotovým zdrojem glukosy. Je hojně obsažen v semenech, kořenech, hlízách, listech, kde je uložen v tzv. škrobových zrnech. Dále je obsažen v bramborách či obilovinách. Strukturně jde o směs dvou polysacharidů amylosy a amylopektinu. Zatímco amylosa (10 – 20%) je složka ve vodě rozpustná a je tvořena maltózovými jednotkami (2 glukózy) s molekulovou hmotností 200 – 1000 kDa, amylopektin je ve vodě nerozpustný (bobtná) a je tvořen řetězcem s přibližně 1000 jednotkami glukosy, kde vedle základního glukosového řetězce je v molekule i boční větvení, navíc s vázanou kyselinu fosforečnou. Dextrin je polysacharid, který vzniká částečnou hydrolýzou škrobu. Glykogen (živočišný škrob) je v organismu hlavním zásobním polysacharidem, je uložen v kosterním svalu, srdečním svalu, játrech (300 – 400 g) ve formě granulí. Je složen z jednotek glukózy spojených glykosidovou vazbou (viz obr. 50). Vzniká syntézou ze sacharidů přijatých potravou v procesu glykoneogeneze.
Inulin je rezervní polysacharid rostlin, enzymaticky štěpen na D-fruktosu. V biochemii a fyziologii je používán pro vyšetření správné funkce ledvin. Potravní vláknina (balastní polysacharidy) je složka potravy většinou rostlinného původu, která není štěpená trávicími enzymy ve střevech, a která se v tenkém střevě nevstřebává. Jedná se proto o látky, které jsou nestravitelné a nevyužitelné jako přímý zdroj energie. Jedná se o polysacharidy a nepolysacharidové polymery (rezistentní oligosacharidy). Vlákninu můžeme rozdělit na rozpustnou (měkká vláknina, bobtnavé látky) a nerozpustnou (hrubá vláknina, plnidla), což se posuzuje se podle rozpustnosti ve vodě. Zatímco rozpustná vláknina má schopnost absorbovat vodu (bobtnat) a je hlavním substrátem pro bakterie účastnící se trávení sacharidů v tenkém a tlustém střevě, nerozpustná vláknina se ve vodě nerozpouští. Mezi rozpustnou vlákninu řadíme pektiny, agar, gumy a slizy, dále polysacharidy mořských a sladkovodních řas. Hemicelulóza je na pomezí obou druhů vlákniny (částečně rozpustná). Do skupiny nerozpustné vlákniny patří celulóza a lignin. Vláknina má vliv na trávení a vstřebávání sacharidů v tenkém střevě (rozpustná). Přítomnost vlákniny snižuje účinnost enzymů trávících sacharidy a snižuje rychlost, kterou vstupuje glukóza do krevního oběhu. Reguluje vstřebávání tuků a cholesterolu v tenkém střevě (rozpustná i nerozpustná), tím, že ve střevě váže žlučové kyseliny a zvyšuje tak vylučování cholesterolu vázaného na žlučové kyseliny. Rozpustná vláknina navíc zabraňuje zpětnému vstřebávání žlučových kyselin, tuků nebo cholesterolu ze střeva do krve. Některé druhy rozpustné vlákniny jsou přeměňovány střevními bakteriemi na mastné kyseliny s krátkým řetězcem (tyto mastné kyseliny navíc využívají buňky sliznice tlustého střeva jako zdroje energie). Způsobuje zvětšení střevního obsahu (rozpustná i nerozpustná). Nerozpustná vláknina na sebe váže molekuly vody, a tím zvětšuje objem stolice. Rozpustná vláknina je více metabolizována během průchodu tlustým střevem, jen malá část prochází do stolice. Větší část je využita jako substrát pro mikrobiální flóru, působí tedy jako tzv. 48
prebiotikum. Velikost stolice je zvětšena zvýšeným růstem střevních bakterií a zvýšenou vazbou vody. Jakmile se zvětší objem stolice, střeva jsou nucena zvýšit aktivitu, a jsou tak rychleji zbavována odpadních látek. Vláknina také ředí toxický obsah střeva (rozpustná i nerozpustná). Díky vláknině naředěné odpadní látky vznikající při trávení snadněji opouští naše trávicí ústrojí a nehromadí se v něm. Zároveň upravuje rychlost průchodu tráveniny trávicím ústrojím. Zvětšením objemu stolice výše popsanými mechanismy dochází k urychlení průchodu tráveniny střevem, zrychlí se odchod odpadních látek, snižuje se vstřebávání tuků, střevo přichází do styku s potenciálně nebezpečnými látkami na kratší dobu. Ovlivňuje vstřebávání vitaminů a minerálních látek, protože je schopna na sebe vázat např. vápník, měď, železo a zinek, čímž znesnadňuje jejich vstřebávání. Naopak některé druhy vlákniny (např. inulín a vláknina z cukrové řepy) zvyšují vstřebávání vápníku. Celulosa je základní polysacharid buněčných stěn rostlin (hub, zelených řas). Vyšší živočichové nemají enzymy na trávení celulosy, pouze ve spojení s mikroorganismy. Je tvořena glukosovými jednotkami spojenými 1->4 vazbami, její hydrolýzou vzniká směs di-, tri- a tetrasacharidů. Celulosu doprovází hemicelulosa, což je přechodná složka mezi zásobními polysacharidy a celulózou, a lignin Chitin je stavební složka schránek korýšů, krovek hmyzu, buněčných stěn hub, plísní. Po celulose je druhou nejběžnější sloučeninou v přírodě. Je nerozpustný ve vodě, odolný vůči chemickým vlivům, je rozkládán bakteriálními enzymy – chitinázy, lysozym. Agar je směs agarosy a agaropektinu, patřící mezi heteropolysacharidy. V mikrobiologii je využíván pro přípravu půd pro růst mikroorganismů. V potravinářském průmyslu je využíván v cukrářství. Kyselina hyaluronová je přítomná v kloubní tekutině, kůži a jedná se o heteropolysacharid tvořený kys. D-glukuronovou a N-acetyl-D-glukosaminem Chondroitin-4 (6) –sulfát je součást pojivové tkáně – chrupavky, pokožka a je tvořen esterifikovaným N-acetyl-Dgalaktosaminem a kys. D-glukuronovou Heparin je tvořen glukosamin-N-sulfátem a estery kys. D-glukuronové a L-iduronové , je obsažen v žírných buňkách, inhibuje srážlivost krve.
Literatura: 1. Velíšek J., Hajšlová J.: Chemie Potravin I., OSSIS, 2009 (ISBN 978-80-86659-15-2) 2. Murray R.K., Granner D.K., Mayes P.A., Rodwell V.W.: Harperova biochemie, Nakladatelství H+H, 2002, ISBN10: 80-7319-003-6 3. Voet D., Voet J.G., Pratt Ch.W.: Fundamentals of biochemistry, Wiley 2008, ISBN 978-0-470-12930-2 4. Vodrážka Z.: Biochemie 1 – 3, Academia Praha, 1996 5. Hoza I., Kramářová D., Budínský P.: Potravinářská biochemie I - III , Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Zlín 2007, ISBN 80-7318-395-1 6. deMan J. M.: Principles of food chemismy, Aspen Publishers, 1999, ISBN 0-8342-1234-X 7. www.gvi.cz/files/chemie/sacharidy.pdf (6.8.2010) 8. is.muni.cz/do/1499/el/estud/fsps/js06/t031/Sacharidy.ppt (6.8.2010) 9. www.sacharidy.cz/ (6.8.2010) 10. www.nutrend.cz/cz/slovnik/word_86/word.aspx (29.12.2010)
49
10. Metabolismus sacharidů 10.1 Trávení sacharidů – enzymatické štěpení Sacharidy jsou obsaženy ve všech živých organismech, kde se podílejí na látkové přeměně a produkci energie. Sacharidy jsou i strukturními složkami, jsou součástí mnoha významných metabolitů, nukleových kyselin, signálních a imunitních systémů. Polysacharidy a oligosacharidy jsou metabolizovány až po enzymatickém rozštěpení na základní jednotky, monosacharidy, které jsou resorbovány v trávicím traktu do krve. Enzymy štěpící glykosidové vazby sacharidů nazýváme obecně glykosidázy, nebo sacharidázy. Nejvýznamnější glykosidásou je α-1,4-Dglukan-glukanhydrolasa běžně označovaná jako α-amylasa, která katalyzuje hydrolýzu rostlinného škrobu, resp. jeho složek amylosy, amylopektinu, a živočišného škrobu, glykogenu. Tento enzym je endoamyláza, protože štěpí polysacharidy uvnitř molekuly na mnoho produktů. Je velmi rozšířená, je produkována slinnými žlázami, pankretem atd. Významná je i β-amylasa štěpící obdobné substráty, ale na jiné produkty. Obdobnou funkci má celulosa (β-1,4-D-glukan-glukanhydrolasa) štěpící β-glukosidové vazby celulosy a produkující cellobiosu. Oligosacharidy jsou štěpeny např. sacharidázou, která štěpí β-fruktosidovou vazbu v sacharóze. Hydrolýzu α-glukosidových vazeb katalyzuje α-D-glukosid-glukohydrolasa (α-glukosidasa, nebo maltasa). Cellobiosu pak štěpí β-D-glukosid-glukohydrolasa (cellobiáza). Fyziologicky významná je i laktáza (β-D-galaktosid-galaktohydroláza) štěpící laktózu obsaženou v mateřském mléce. Tímto štěpením jsou poly- a oligosacharidy degradovány na monosacharidy, které jsou živými organismy metabolizovány po transformaci na fosforečné estery. Hlavní cestou odbourání glukosy vzniklé štěpením sacharidů z potravy a rezervních polysacharidů je tzv. glykolýza. Vedlejší cestou odbourání glukosy je pentosový cyklus, který má i anabolickou funkci.
10.2 Glykolýza Glykolýza je základní metabolický děj probíhající téměř ve všech buňkách savců a jeho úkolem je uvolnění energie uložené v glukóze. V buňkách se zpracovává 70 – 80% sacharidů přijatých v potravě. Sumární rovnice glykolýzy popisuje štěpení jedné molekuly hexózy na dvě molekuly pyruvátu a čtyři aktivované vodíky. Mimo to se během štěpení glukózy uvolní ještě 2 ATP (z krevní glukózy), nebo 3 ATP (z rezervního polysacharidu). C6H12O6
2 CH3COCOOH + 4 [H]
Pyruvát je velmi hodnotným meziproduktem metabolismu, který v sobě skrývá ještě cca 75% z celkové energie hexosy. Odbourávání glukózy na pyruvát zahrnuje celkem 10 dílčích reakcí, které probíhají v cytoplasmě pomocí enzymů, které nejsou vázány na buněčné struktury. Celé odbourávání můžeme rozdělit do tří fází, které sestávají z dalších dílčích reakcí.
Přeměna glukózy na vhodný donor atomů vodíku – glyceraldehyd-3-fosfát
Krevní glukóza musí být aktivována dvojnásobnou fosforylací pomocí 2 ATP, které se v dalších fázích glykolýzy získají zpět. Vzniklý hexózabisfosfát se zpětnou aldolizací štěpí na dva triózafosfáty, z nichž jeden je vhodným donorem aktivovaných atomů vodíku. Tento proces aktivace zahrnuje čtyři dílčí reakce. První fosforylace produkuje D-glukóza-6-fosfát vznikající z krevní glukózy a ATP za katalýzy hexokinázou. Je-li výchozím substrátem rezervní polysacharid, tento krok probíhá bez spotřeby ATP. Glykogen je fosforolyticky štěpen na D-glukóza-1-fosfát za katalýzy glykogenfosforylázou (aktivátorem enzymu je AMP, inhibitorem je glukóza) a tento fosfát je fosfoglukomutázou izomerován na D-glukóza-6-fosfát. Izomerace je další reakcí, která enzymem glukózafosfátizomerázou přemění D-glukóza-6-fosfát na β-D-fruktóza6-fosfát z důvodu tvorby další primární alkoholické skupiny (hexokinázy fosforylují pouze primární alkoholické skupiny). Druhá fosforylace je nejpomalejší reakcí celé glykolýzy a celou glykolýzu reguluje. Produktem je β-D-fruktóza-1,6bisfosfát, který vzniká reakcí β-D-fruktóza-6-fosfátu s ATP za katalýzy 6-fosfofruktokinázy (specifický allosterický enzym inhibovaný ATP, fosfoenolpyruvátem a citrátem, aktivovaný AMP a ADP). Štěpení hexózabisfosfátu na dva triózafosfáty probíhá mechanismem obrácené aldolizace a je katalyzováno fruktózabisfosfátaldolázou (lyáza). Vzniklé triózafosfáty udržuje v rovnováze triózafosfátizomeráza (rovnováha se ustavuje při 4% glyceraldehyd-3-fosfátu a 96% dihydroxyacetonfosfátu), která umožňuje zpracování obou molekul triózafosfátů. 50
51
Dehydrogenace glyceraldehyd-3-fosfátu
Dehydrogenace glyceraldehyd-3-fosfátu je jedinou oxidační reakcí celé glykolýzy. V anaerobním metabolismu oxidace probíhá odstěpením atomů vodíku, kyslík a další atomy poskytuje kyselina fosforečná. Energie reakce se ukládá do vzniklého bisfosfátu, který v další reakci substrátově fosforyluje ADP na ATP a přechází na 3-fosfoglycerát. Dehydrogenaci katalyzuje enzym glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenáza s kofaktorem NAD+ a aktivované vodíky jsou odštěpovány po jednom ze substrátu a z kyseliny fosforečné, po odštěpení se oba reaktivní meziprodukty spojí na 1,3-bisfosfoglycerát. Redukovaný kofaktor NADH + H+ je oxidativně regenerován v dýchacím řetězci, nebo fermentačně v různých reakcích.
Vznik pyruvátu
3-Fosfoglycerát je fosfoglyceromutázou izomerován na 2-fosfoglycerát a ten je enolázou dehydratován na 2-fosfoenolpyruvát, který za katalýzy pyruvátkinázy fosforyluje ADP v procesu substrátové fosforylace na ATP. Tato reakce je nevratná a uzavírá cestu zpětné syntézy glukózy z pyruvátu. Tím je umožněna regulace syntézy a odbourání sacharidů. Vzniklý enolpyruvát se spontánně a velmi rychle tautomerizuje na keto formu pyruvátu, který je konečným produktem glykolýzy.
Ethanolová glykolýza
Anaerobní organismy nemohou provádět oxidativní regeneraci redukovaného NADH + H+ v dýchacím řetězci, protože ho nemají. Např. kvasinky používají k reoxidaci acetaldehyd vzniklý dekarboxylací pyruvátu za katalýzy pyruvátdekarboxylázy s koenzymem thiamindifosfátem (vitamin B1). Vzniklý ethanol (nervový jed) kvasinkám do koncentrace cca 15% nevadí, protože kvasinky nervový systém rovněž nemají. Vyšší koncentrace ethanolu již i na ně působí toxicky a usmrcuje je. CH3CH=O + NADH + H+ C2H5OH + NAD+
Celkový energetický zisk ethanolové glykolýzy se rovná pouze 2 ATP na molekulu glukózy a produkce ethanolu je podmíněna stálým kyselým prostředím.
Glycerolová glykolýza
V případě, že ve fermentačním médiu není dostatek acetaldehydu, stává se akceptorem aktivovaných vodíků druhý triózafosfát – dihydroxyacetonfosfát, ze kterého vzniká glycerolfosfát a následnou hydrolýzou katalyzovanou fosfatázami je produkován glycerol. OHCH2(C=O)CH2OPO32- + NADH + H+ OHCH2(CH-OH)CH2OPO32-
OHCH2(CH-OH)CH2OPO32- + NAD+
OHCH2(CH-OH)CH2OPO32- + HPO42-
Redukci dihydroxyacetonfosfátu na glycerol lze uměle vyvolat přídavkem činidel reagujících se vznikajícím acetaldehydem např. hydrogensiřičitanem sodným, který vytvoří bisulfitovou sloučeninu neschopnou reakce s NADH + H+. Tento pochod byl používán při průmyslové výrobě glycerolu sulfitovou metodou opět v kyselém prostředí.
10.3 Pyruvát a jeho další osud v organismu Přeměna pyruvátu na laktát – anaerobní způsob
V klidu nebo při mírné práci jsou svaly zásobeny kyslíkem a probíhají respirační procesy, kdy k regeneraci NADP + dochází v dýchacím řetězci. Během intenzivní práce dochází k nedostatečnému zásobení svalů kyslíkem, redukovaný koenzym NADH přechází z glycer-3-fosfátdehydrogenázy na jiný koenzym a reoxiduje se na něm reakce s pyruvátem, který se redukuje na laktát. U průměrně aktivního člověka vzniká asi 120g laktátu /24 hodin. Ve svalech se přeměňuje na pyruvát jen asi 20-25% nahromaděného laktátu, zbytek odchází do jater a tam se použije k doplnění glykogenu.
Oxidační dekarboxylace pyruvátu na acetyl – CoA – aerobní způsob
Za aerobních podmínek je vznik pyruvátu posledním stupněm glykolytického odbourání glukosy. Pyruvát je pomocí pyruvátdehydrogenasového komplexu přeměňován na acetyl-CoA, oxid uhličitý a dva aktivní vodíky. CH3COCOOH + CoASH
CH3CO-SCoA + CO2 + 2[H]
Pyruvátdehydrogenázový komplex je vázán na vnitřní mitochondriální membránu a tvoří supramolekulovou strukturu, která zajišťuje následné přeměny substrátu. Molekulová hmotnost celého komplexu činí asi 4,6 * 106 (enzym bakterie E. coli ), má tvar krychle a jeho složky mají podjednotkovou strukturu. Jádro útvaru tvoří osm trojic podjednotek dihydrolipoamidacetyltransferasy situovaných v rozích krychle. Tím je každá podjednotka ve styku s jednou z podjednotek dvanácti molekul pyruvát dehydrogenasy situovaných na hranách krychle a s dihydrolipoamidehydrogenasou, jejíchž 6 molekul leží uprostřed stran. 52
Přeměna pyruvátu na CH3CO-SCoA probíhá v těchto krocích:
a) Pyruvát vzniklý glykolýzou v cytoplazmě je transportován přes vnitřní mitochondriální membránu do matrix pomocí nosiče výměnou za OH-. b) Váže se na pyruvát dehydrogenasu, konkrétně na thiazolové jádro kofaktoru tramíndifosfátu. Zde proběhne dekarbokxylace za vzniku a-hydroxyethylthiamindifosfátu. c) Ke vzniklému a-hydroxyethylderivátu se přiblíží mobilní raménko cyklického lipoamidu dlouhé 1,4 nm a vytvoří S6-acetylhydrolipoamid (kofaktor dihydrolipoamidacetyltransferasy), které přenese acetylovou skupinu na koenzym A výměnou za vodík. Vzniká acetyl-CoA a dihydrolipoamid. d) Vodíky dihydrolipoamidu jsou přeneseny mobilním raménkem k dihydrolipoamiddehydrogenase jejíchž kofaktor FAD odebere dva vodíky a obnoví cyklický disulfid lipoamidu. e) Vzniklý FADH2 je oxidován pomocí NAD+, který přenáší dva vodíky do dýchacího řetězce. Tímto sledem reakcí se systém vrací do původního vztahu.
10.4 Pentózový cyklus Energie sacharidů může být využívána nejen jako zdroj energie transportovaný pomocí ATP, ale i jako chemická energie označovaná jako „redukční síla“ – konkrétně na vázané aktivované vodíky určené k biochemickým redukcím transportované pomocí NADPH + H+. Tento systém produkce „redukční síly“ je rovněž uložen v cytoplasmě a pomocí NAD(P)+ - transhydrogenasy je spojen se systémem NADH + H+. Pentózový cyklus umožňuje úplnou oxidaci glukózy na CO2 bez zapojení citrátového cyklu a dýchacího řetězce. Poskytuje aktivované vodíky pro biochemické redukce a ribózafosfát pro syntézy nukleových kyselin a nukleotidových kofaktorů. Je amfibolickým dějem. Není hlavní cestou odbourání sacharidů, je pouze cyklem doplňkovým existujícím převážně pouze v jaterních buňkách savců. V rostlinných buňkách zpracovává cca 20 – 30% vyrobených sacharidů. Pentózový cyklus se skládá ze dvou hlavních částí – z fáze oxidační a fáze regenerační.
Oxidační fáze
Glukóza-6-fosfát se za katalýzy glukóza-6-fosfátdehydrogenázy s kofaktorem NADP+ oxiduje v prvé reakci na 6-fosfoglukonolakton, který se v další reakci hydrolyzuje specifickou laktonázou na 6-fosfoglukonát. Působením fosfoglukonátdehydrogenázy opět s kofaktorem NADP+ se oxiduje C3 uhlík 6-fosfoglukonátu za vzniku 3-oxo-6-fosfoglukonátu (β-ketokyselina), který samovolně a rychle dekarboxyluje na D-ribulózu-5-fosfát. Větší část D-ribulóza-5-fosfátu se účinkem ketolizomerázy převádí na D-ribózu-5-fosfát, který organizmy používají na syntézu nukleotidů. Zbytek D-ribulóza-5-fosfátu se epimerázou převede na D-xylulóza-5-fosfát, který je zpracováván v regenerační fázi.
53
Regenerační fáze
V regenerační fázi se nadbytečný a nevyužitelný D-xylulóza-5-fosfát převádí pomocí transketoláz a transaldoláz na glukóza-6-fosfát. Mechanismus regenerační fáze se skládá ze 7 reakcí a využívá acyloinovou reakci, kterou katalyzují transketolázy a aldolizační reakci, kterou katalyzují transaldolázy. První 3 reakce probíhají dvojnásobně. R1-CH=O + O=CH-R2 R1-CH(OH)-(C=O)-R2 acyloin R1-CH=O + X-CH2-(C=O)R2 R1-CH(OH)-CH(X)-(C=O)-R2 aldol a) Prvá reakce D-xylulóza-5-fosfát reaguje s D-ribózou-5-fosfátem za katalýzy transketolázou, která přenáší dvojici uhlíků (C1 a C2) z D-xylulóza-5-fosfátu ve formě glykolaldehydu na C1 uhlík D-ribóza-5-fosfátu za vzniku D-sedoheptulóza-7-fosfát a glyceraldehyd-3-fosfátu. b) Druhá reakce Oba produkty prvé reakce spolu zreagují za katalýzy transaldolázou, která přenáší trojici uhlíků (C1 - C3) z Dsedoheptulóza-7-fosfátu ve formě dihydroxyacetonu na glyceraldehyd-3-fosfát za vzniku D-fruktóza-6-fosfátu a D-erythróza-4-fosfátu. c) Třetí reakce Je téměř identická jako první reakce, D-xylulóza-5-fosfát reaguje s D-erythrózou-4-fosfátem za katalýzy transketolázou, která přenáší dvojici uhlíků (C1 a C2) z D-xylulóza-5-fosfátu ve formě glykolaldehydu na C1 uhlík D-erythróza-4-fosfátu za vzniku D-fruktóza-6-fosfátu a glyceraldehyd-3-fosfátu. Těmito reakcemi vznikly 2 molekuly D-fruktóza-6-fosfátu a 1 molekula glyceraldehyd-3-fosfátu. Po opakovaném proběhnutí prvních tří reakcí vzniknou celkem 4 molekuly D-fruktóza-6-fosfátu a 2 molekuly glyceraldehyd-3fosfátu. d) Čtvrtá reakce Jedna molekula glyceraldehyd-3-fosfátu se pomocí triosafosfátizomerázy izomeruje na dihydroxyacetonfosfát. e) Pátá reakce Dihydroxyacetonfosfát reaguje za katalýzy transaldolázou s glyceraldehyd-3-fosfátem za vzniku D-fruktóza-1,6bisfosfátu. f) Šestá reakce D-fruktóza-1,6-bisfosfát je hydrolyzován na pátou molekulu D-fruktóza-6-fosfátu. g) Sedmá reakce Pět molekul D-fruktóza-6-fosfátu je fosfoglukosaisomerázou izomerováno na pět molekul D-glukóza-6-fosfátu.
54
55
10.5 Syntéza a degradace glykogenu Syntéza glykogenu
Pro syntézu oligo- a polysacharidů se užívá termín glykoneogeneze. Ke zvratu fosforolýzy glykogenu není v buňkách dostatečná koncentrace glukosa-1-fosfátu. Enzym glykogenfosforylasa se proto podílí pouze na odbourávání glykogenu, biosyntéza (glykogeneze) neprobíhá obrácením fosforolysy. Dochází k ní postupným napojováním monomerních jednotek v silně aktivované formě, tedy transglykolysací za účasti glykosyltransferáz. K zahájení reakce je nutný primer, který tvoří malá molekula glykogenu, na kterou se přenášejí UDP-glukosy další hexosové jednotky. Z aktivovaných stavebních jednotek UDP-glukózy se budují i molekuly rostlinných škrobů a také živočišné a rostlinné oligosacharidy. Např. sacharóza vzniká napojením aktivovaného zbytku glukózy na fruktózu, laktóza napojením na galaktózu. Četné mikroorganismy používají na výstavbu polysacharidů disacharidy: z jedné jejich složky vyrábějí polysacharid, druhou užívají k získání potřebné energie.
10.6 Biosyntéza sacharidů Biosynthesa (biogeneze) sacharidů z malých molekul prekurzorů je jedním z nejdůležitějších procesů biosféry, protože je hlavním dějem, kterým autotrofní organismy vytvářejí z CO2 a H2O pohlcením sluneční energie organickou hmotou. Heterotrofy používají pro výrobu sacharidů tří až čtyřuhlíkaté organické molekuly (vyjímečně i dvojuhlíkové), vzniklé během katabolismu. Jsou to pyruvát, laktát, glycerol, meziprodukty citrátového cyklu a u rostlin a některých mikroorganismů i acetyl-CoA. Této „novotvorbě“ glukosy z necukerných zdrojů, sloužící k doplňování její hladiny v organismu, říkáme glukogeneze nebo glukoneogeneze; většina autorů dnes dává přednost druhému názvu. Pokud na tento děj navazuje výstavba oligo- a polysacharidů užívá se termín glykoneogeneze.
Přeměna pyruvátu na glukózu
Dalo by se očekávat, že výroba glukosy z pyruvátu, resp. laktátu, který na pyruvát snadno přechází, bude probíhat jako zvrat Embdenova-Meyerhofova-Parnasova schématu. Většina reakčních stupňů v biosynthese glukosy je katalyzována enzymy glykolýzy, a probíhá tedy obrácením reakcí užitých při odbourávání glukosy. U tří reakcí je však rovnováha silně posunuta ve směru glykolýzy. Jejich zvrat by byl za fyziologických podmínek energeticky příliš náročný, a proto probíhají jiným mechanisnem (pomocí jiných enzymů), jedna dokonce většinou oklikou. Týká se to vstupní reakce, přeměny pyruvátu na silně makroergický fosfoenolpyruvát, a dále odštěpování fosforylových skupin z fruktosa-1,6-bisfosfátu a glukosa-6-fosfátu. Různé buňky využívají tři rozličné cesty k přeměně pyruvátu na fosfoenolpyruvát. Pouze některé bakterie dovedou tuto reakci realizovat jako jednostupňový děj, spočívající v přímé karboxylaci pyruvátu katalyzované enzymem z třídy ligáz, fosfoenolpyruvátsynthetázou a probíhající v cytosolu. Jiné mikroorganismy, rostliny i živočichové přeměňují pyruvát na fosfoenolpyruvát oklikou přes oxalacetát, vznikající karboxylací pyruvátu. Vznik oxalacetátu katalyzuje pyruvátkarboxyláza, která je v eukaryotních buňkách vyšších organismů lokalizována výhradně v mitochondriích, kam pyruvát snadno přechází. Oxalacetát je pak dekarboxylován a současně fosforylován na fosfoenolpyruvát za účasti fosfoenolpyruvátkarboxykinázy. Podle druhu buněk se může tento enzym vyskytovat buď v mitochondriích, nebo v cytosolu. V prvém případě vzniká fosfoenolpyruvát v mitochondriích a odtud přechází do cytoplazmy, kde probíhají ostatní reakce glukoneogeneze. V druhém případě se však musí zprostředkovat přenos oxalacetátu, který neprochází mitochondriální membránou, do cytoplazmy. Umožňuje to přeměna oxalacetátu na malát, který membránou prochází; v cytoplazmě se pak zpětně převádí na oxalacetát. Přeměny fosfoenolpyruvátu přes fosfoglycerát a glyceraldehydfosfát až na fruktosa-1,6-bisfosfát už probíhají reverzními reakcemi glykolýzy. Reakce katalyzovaná fosfofruktokinázou však je prakticky nevratná. Proto odštěpení jedné z fosforylovaných skupin z molekuly fruktosa-1,6-bisfosfát katalyzuje jiný enzym (pracující jiným mechanisnem) fruktosabisfosfatáza. Vzniklý fruktosa-6-fosfát se pak snadno přemění na glukosa-6-fosfát, který buňka může využít pro synthesu oligo- nebo polysacharidů. Je-li však hladina glukosy v organismu nízká, přeměňuje se glukosa-6-fosfát na glukosu, a to za katalysy glukosa-6-fosfatasou, která je lokalizovaná v endoplazmatickém retikulu. Na výrobu molekuly glukosy je zapotřebí dvou molekul pyruvátu. Na přeměnu každé na fosfoenolpyruvát se musí vynaložit energie 1 ATP a 1 GTP, na fosforylaci 3-fosfoglycerátu na 1,3-bisfosfoglycerát další 1 ATP a při redukci fosfoglycerátu na glyceraldehydfosfát 1 NADH, který je ekvivalentní 3 ATP. Výdej energie při biosyntéze glukózy je tedy 2 × 6 ATP = 12 ATP. Pro srovnání – při zpětném odbourávání glukosy získá aerobní organismus 8 ATP ( 2 ATP substrátovými fosforylacemi a 6 ATP ze 2 NADH ). Hlavním místem glukoneogeneze u savců jsou jaterní buňky, u nichž se shromažďuje laktát, nahromaděný v intenzivně pracujících svalech. Ten se přeměňuje laktátdehydrogenázou na pyruvát, z kterého se syntetizuje glukosa-6-fosfát, a z něho se pak vyrábí jaterní glykogen. Glukoneogeneze však probíhá i v jiných orgánech, především v ledvinách a dále v mozku, v srdečním svalu a v kosterních svalech. Promotorem (zahajovatelem) glukoneogeneze jsou hormony glukagon a adrenalin, jejichž působením je zprostředkováno cAMP. 56
Biosyntéza glukózy z dalších prekurzorů
Glukóza může být syntetizována i z různých předstupňů pyruvátu a fosfoenolpyruvátu. Nejdůležitější z nich jsou meziprodukty citrátového cyklu. Oxidují se na oxalacetát, který je účinkem fosfoenolpyruvátkarboxykinasy přeměňován na fosfoenolpyruvát. Na meziprodukty citrátového cyklu jsou přeměňovány uhlíkové kostry většiny aminokyselin. Aminokyseliny, které mohou poskytnout prekurzory na výrobu sacharidů, se označují jako glukogenní aminokyseliny. Glukogenní aminokyseliny slouží u živočichů jako zdroj na výrobu glukosy při nedostatečném přísunu potravy. Když organismus hladoví, uvolňují se glukokortikoidy (např. kortison) z kůry nadledvin. Tyto hormony stimulují enzymy glukogeneze v játrech a též činí buňky citlivější na cAMP a tím i na účinek glukagonu. Výsledkem je zvýšení glukogeneze. Výchozím materiálem pro výstavbu sacharidů mohou být i produkty odbourávání lipidů. Vstup glycerolu do metabolismu sacharidů bude probrán v kapitole o lipidehc. Odbouráváním mastných kyselin vznikající acetyl-CoA mohou k výrobě sacharidů použít pouze rostliny a některé mikroorganismy. Umožňuje jim to glyoxylátový cyklus. Jeho produkt, sukcinát, se reakcemi citrátového cyklu postupně přemění na oxalacetát, který přechází za katalýzy fosfoenolpyruvátkinasou na fosfoenolpyruvát. Pro synthesu jedné molekuly glukosy je zapotřebí dvou molekul fosfoenolpyruvátu, tedy čtyř molekul acetyl-CoA. Ze čtyř acetyl-CoA získáme v glyoxylátovém cyklu vedle dvou sukcinátů 2 × 1 NADH (odpovídající 6 ATP) a při přeměně dvou sukcinátů na dva oxalacetáty v citrátovém cyklu 2 × 1 FADH2 ( 4 ATP ) a 2 × 1 NADH (6 ATP ), tedy celkem 16 ATP. Při vzniku molekuly glukosy ze čtyř acetyl-CoA se tedy současně vytvoří 6 ATP jako energetický zisk.
Literatura: 1. www.kch.tul.cz/filebrowser/download/811960 (12.6.2010) 2. Voet D., Voet J.G., Pratt Ch.W.: Fundamentals of biochemistry, Wiley 2008, ISBN 978-0-470-12930-2 3. Hoza I., Kramářová D., Budínský P.: Potravinářská biochemie I - III , Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Zlín 2007, ISBN 80-7318-395-1 4. old.lf3.cuni.cz/chemie/cesky/materialy_B/mtb_sach1_fd.ppt (28.12.2010) 5. http://vnl.xf.cz/bich/bich-metabol_sach.php (28.12.2010) 6. natura.baf.cz/natura/1996/1/9601-3.html (28.12.2010) 7. http://projektalfa.ic.cz/anaerobni_glykolyza.htm (28.12.2010) 8. http://ukb.lf1.cuni.cz/skripta/kap31.pdf (28.12.2010) 9. biomikro.vscht.cz/bioch1val/07/metabolismus_sacharidu_fotosynthesa.pdf (28.12.2010) 10. home.icpf.cas.cz/gavlasova/Mikrobiologie/04%5B1%5D.ppt (28.12.2010) 11. che1.lf1.cuni.cz/html/Sacharidy_CZE.pdf (28.12.2010)
57
11. Lipidy 11.1 Lipidy – struktura, základní funkce, význam v potravinách Lipidy jsou látky biologického původu, rozpustné v organických rozpouštědlech. Jedná se o heterogenní skupinu nízkomolekulárních látek, v jejichž struktuře převažují dlouhé nepolární uhlovodíkové řetězce, které způsobují hydrofobní olejová nebo vosková povaha lipidů. Strukturně jsou to estery vyšších mastných kyselin a alkoholů. Podle chemického složení dělíme lipidy na homolipidy, což jsou sloučeniny mastných kyselin a alkoholů, heterolipidy (fosfolipidy, glykolipidy) obsahující mastné kyseliny, alkohol a kovalentně vázané další sloučeniny (kys. fosforečná, D-galaktosa) a komplexní lipidy (homo- i hetero-lipidy) obsahující navíc i složky vázané vodíkovými vazbami nebo hydrofobními interakcemi. Mezi lipidy řadíme i doprovodné látky lipidů (steroidy, karotenoidy), samostatnou skupinu tvoří volné mastné kyseliny. V organismu plní lipidy funkci rezervní, protože jsou energeticky nejbohatší sloučenina pro vysoký obsah vodíku, stavební jako např. strukturní jádro biomembrán, ochrannou, neboť chrání orgány před mechanickým poškozením a podílí se na termoregulaci (podkožní tuk) a také katalytickou jako např. isoprenoidní lipidy, které jsou vitamíny A, D, hormony. Mastné kyseliny se vyskytují jako estery v přírodních tucích a olejích, ve volné formě jsou transportní forma v krvi. Rozdělujeme je podle přítomnosti a počtu nenasycených vazeb v řetězci na nasycené mastné kyseliny, kdy se většinou jedná o kyseliny s dlouhým alifatickým řetězcem (4 – 60 atomů uhlíku), obecný vzorec je CH3-(CH2)n-COOH. V potravinách je to hlavně kyselina palmitová a stearová v hovězím mase, kyseliny máselná, valerová, kapronová v másle a kozím mléce, kyselina laurová ve skořici, kokosovém oleji. Nenasycené mastné kyseliny s jednou dvojnou vazbou se liší počtem uhlíkových atomů a polohou dvojné vazby, patří sem kyselina olejová, palmitoolejová – rostlinné oleje, kyselina olejová – všechny organismy – biologické membrány. Nenasycené mastné kyseliny s více dvojnými vazbami, jichž je v přírodě pouze několik (dienové, trienové, tetraenové). Jsou to kyseliny linolová, linolenová, arachidonová, označované také jako esenciální mastné kyseliny nebo někdy jako vitamín F. Kyselina linolová je strikně esenciální, ostatní mohou být syntetizovány, ale syntéza nemusí pokrýt potřebu, proto by měly být potravou dodávány. Oxidací kyseliny arachidonové vznikají další biologicky aktivní látky, prostaglandiny a leukotrieny. Mastné kyseliny s trojnými vazbami a substituenty, tedy alkinové kyseliny, které současně s trojnou vazbou mohou obsahovat i dvojné vazby, rozvětvené kyseliny, cyklické kyseliny a ze substituovaných např. hydroxykyseliny. Potravinářsky nejsou příliš významné. Homolipidy jsou složené pouze z mastných kyselin a alkoholů a dělí se podle vázaného alkoholu. Estery jednosytných alkoholů označujeme triviálním názvem vosky a tvoří hydrofobní vrstvu na povrchu organismu. Estery glykolů např. ethylenglykolu, propandiolu. Estery glycerolu se označují jako tuky a oleje, podle původu rostlinné a živočišné. Monoacylglyceroly mají vázanou jednu mastnou kyselinu, diacylglyceroly dvě mastné kyseliny a jsou hojně zastoupeny v přírodních tucích. Triacylglyceroly (Obr. 51) mají vázané tři mastné kyseliny a je to nejpočetnější skupina acylglycerolů. Podle typu mastné kyseliny mohou být jednoduché nebo smíšené (vázány tři různé mastné kyseliny).
Hydrolýzou tuků vznikají opět základní stavební kameny, tedy mastné kyseliny a glycerol. Ke štěpení může docházet kyselinami, zásadami nebo enzymaticky. Enzymy štěpící tuky se označují jako lipasy. Jak již bylo zmíněno, tuky slouží k uložení energie a jsou ukládány v tzv. adipocitech, což jsou tukové buňky specializované na ukládání triacylglycerolů. Tuková tkáň umožňuje přežít hladovění i v řádu měsíců (glykogen pouze v řádu dnů) a pro některé živočichy je důležitou tepelnou izolací. 58
Estery vícesytných alkoholů jsou většinou průmyslově vyráběné látky, které jsou využívány jako potravinářská aditiva. Heterolipidy vedle alkoholů a mastných kyselin obsahují i další složku, která jim dává polární charakter a elektrochemické vlastnosti. Nejčastěji je to kyselina fosforečná a na ní vázaný cholin, ethanolamin, serin apod. Může být vázán i sacharid. Dělí se podle složky, kterou obsahují. Příkladem mohou být fosfolipidy (fosfoacylglyceroly), jejichž hlavním významem je podíl na tvorbě buněčných membrán. Fosfolipidy vytvářejí nepropustnou konzistentní přepážku na molekulární úrovni, tzv. lipidovou dvojvrstvu. Ve vodném prostředí spontánně tvoří tzv. micely, kulovité útvary, v nichž hydrofóbní konce mastných kyselin směřují dovnitř. Komplexní lipidy jsou makromolekulární látky obsahující lipidovou a nelindovou část, které jsou vázány vodíkovými vazbami a hydrofobními interakcemi. Nelipidovou složku tvoří nejčastěji protein, polysacharid nebo jejich směs. Konkrétně lipoproteinům bude věnována dakší kapitola. Zvláštní skupinu látek, které jsou řazeny mezi lipidy, tvoří tzv. doprovodné látky lipidů, kam patří steroidní látky a jejich deriváty. Vznikají v živých organismech ze steoridního prekurzoru, kterým je cholesterol (Obr. 52). Cholesterol se tvoří z acetyl-CoA. Cholesterol je prekurzor steroidních hormonů, žlučových kyselin a vitamínu D, pomáhá tělu zpracovávat tuky, neboť je zastoupen v lipoproteinech krevní plasmy, je důležitý při tvorbě buněčných membrán, protože zajišťuje jejich plasticitu, zvyšuje jejich pevnost. Nejvíce cholesterolu obsahuje nervová tkáň.
Lidský organismus obsahuje asi 100 g cholesterolu, přičemž si organismus sám denně vyrábí asi 1 g, z toho se denně asi 300 mg vylučuje kůží. Cholesterol pro organismus nepostradatelný, ale jeho nadbytek v krvi je nežádoucí. Přiměřená hladina cholesterolu v krvi je pod 5,16 nmol, hraniční hladina 5,16 – 6,18 nmol a vysoká hladina > 6,18 nmol. Odbouráváním cholesterolu vznikají žlučové kyseliny v játrech, jsou uvolňovány žlučí do tenkého střeva a napomáhají emulgaci tuků při trávení. Z cholesterolu jsou synthetizovány hormony pohlavní (testosteron, estradiol a progesteron), hormony kůry nadledvinek (aldosteron, kortisol).
11.2 Lipoproteiny – struktura a funkce Jak již bylo zmíněno, lipoproteiny řadíme mezi komplexní lipidy. Jsou složeny z lipidů a bílkovin, kdy lipidy tvoří jádro a proteiny v hydratované formě obal molekuly (Obr. 53). Lipoproteiny jsou kulovité částice, které slouží k transportu lipidů (TAG, esterů cholesterolu). Lipoproteiny krve se dělí podle hustoty a funkce na: Chilomikra, která jsou tvořena ve střevní sliznici a lymfatickou cestou jsou přenášeny do krevního oběhu a k periferním tkáním a jsou tvořeny převážně triacylglyceroly a estery cholesterolu. Lipoproteiny o velmi nízké hustotě (VLDL) jsou průběžně syntetizovány v játrech a přenášejí lipidy k periferním tkáním (srdeční sval, kosterní sval). Mají velice krátký biologický poločas (pouze 30 minut). 59
Obr. 53. Schéma lipoproteinové části [převzato z: http://dolly.biochem.arizona.edu ]
Lipoproteiny s nízkou hustotou (LDL) vznikají z VLDL a cholesterol syntetizovaný v játrech transportují k periferním tkáním. Zvýšená hladina LDL cholesterolu je významným rizikovým faktorem pro vznik aterosklerózy. Lipoproteiny s vysokou hustotou (HDL) jsou frakce lipoproteinů sloužící k transportu přebytečného cholesterolu z periferních tkání do jater. Obsahuje fosfolipidy a zvýšená koncentrace HDL cholesterolu snižuje riziko aterosklerózy.
Literatura: 1. Voet D., Voet J.G., Pratt Ch.W.: Fundamentals of biochemistry, Wiley 2008, ISBN 978-0-470-12930-2 2. Hoza I., Kramářová D., Budínský P.: Potravinářská biochemie I - III , Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Zlín 2007, ISBN 80-7318-395-1 3. http://dolly.biochem.arizona.edu (28.12.2010) 4. www.celostnimedicina.cz/lipidy.htm (28.12.2010) 5. ukb.lf1.cuni.cz/ppt/trnkova/Modul_Lipidy.pdf (28.12.2010) 6. www.upol.cz/fileadmin/user_upload/FTK-dokumenty/.../lipidy.ppt (28.12.2010) 7. Velíšek J., Hajšlová J.: Chemie Potravin I., OSSIS, 2009 (ISBN 978-80-86659-15-2) 8. deMan J. M.: Principles of food chemismy, Aspen Publishers, 1999, ISBN 0-8342-1234-X 9. www.upol.cz/fileadmin/user_upload/FTK-dokumenty/Stejskal/06-lipoproteiny.ppt (28.12.2010) 10. orion.chemi.muni.cz/zakladni_pojmy_z_biochemie/page0378 (28.12.2010)
60
12. Metabolismus lipidů 12.1 Trávení lipidů – hydrolytické štěpení Potřebuje-li organismus využít lipidy z potravy nebo z tukových reserv jako zdroj energie nebo je přeměnit na lipidy, jejichž složení mastných kyselin odpovídá tělesným tukům, musí je odbourat. Prvním krokem tohoto procesu je hydrolytické štěpení, při kterém se přerušují esterové vazby a uvolňují glycerol a mastné kyseliny. Hydrolýzu katalyzují karboxylesterázy nazývané lipázy. Z fosfolipidů se účinkem fosfolipas ještě odštěpují kyselina fosforečná a aminoalkoholy, z glykolipidů glykosidázami kromě toho i sacharidy. Lipázy jsou velmi rozšířené enzymy, ve vysoké koncentraci jsou u savců přítomné v pankreasu a střevní stěně. K aktivaci potřebují emulgující látky a vápenaté ionty. Potravou přijaté lipidy štěpí lipasy v gastrointestinálním systému, orgánový tuk je odbouráván orgánovými lipasami (např. jaterními). Některé lipázy mají větší nebo menší specifitu k poloze acylu: např. pankreatické lipasy štěpí v triacylglycerolech pouze esterové vazby na vnějších atomech uhlíku (C1 a C3), kdežto střevní i na vnitřním (C2).
Trávení lipidů začíná u savců v žaludku činností žaludeční lipázy. Intenzivní hydrolýza lipidů však nastává až působením pankreatické lipázy v duodenu (dvanáctníku), kam též vtéká žluč. Z ní vylučované silně povrchově aktivní žlučové kyseliny způsobují emulgaci lipidů a tím usnadňují jejich štěpení. Podobný účinek mají i z lipidů uvolňované mastné kyseliny: spojují se s meziprodukty štěpení, monoacylglyceroly, za vzniku polymolekulových agregátů povahy micel o průměru 3 až 10 nm. Odbourávání lipidů ještě pokračuje v tenkém střevě činností střevních lipas. Pankreatické lipasy štěpí triacylglyceroly na di- a monoacylglyceroly a část mastných kyselin, teprve střevní lipasy rozloží monoacylglyceroly na glycerol a mastné kyseliny. Vstřebávání (resorpce) produktů trávení lipidů je velmi složitý proces. Dochází k němu v tenkém střevě buď přímo, nebo za pomoci žlučových kyselin. Vstřebávání odštěpených mastných kyselin závisí na délce jejich řetězce. Mastné kyseliny s kratším řetězcem obsahujícím 10 až 12 atomů uhlíku procházejí z buněk střevní sliznice přímo do krve, kterou jsou přenášeny v neesterifikované formě. Mastné kyseliny s delším řetězcem jsou v buňkách střevní sliznice reesterifikovány na triacylglyceroly. Ty jsou spolu s nehydrolyzovanými lipidy obaleny vrstvou lipoproteinu, cholesterolu a fosfolipidů za vzniku kulových částeček o průměru 0,1 až 1 µm, nazývaných chylomikrony. Chylomikrony se potom dostávají procesem připomínajícím obrácenou pinocytózu do krve a lymfy. Krví se lipidy a jejich složky dostávají do jater, kde se dále rozkládají nebo resyntetizují. Jaterní lipidy a lipidy z potravy, které neprošly játry, se rozváději ve formě lipoproteinových komplexů do jednotlivých tkání.
12.2 Odbourání mastných kyselin β – oxidací Štěpením lipidů uvolněné mastné kyseliny se používají na resyntézu lipidů nebo se odbourávají. Hlavní energeticky nejvýhodnější cestou je u živočichů, rostlin i mikroorganismů tzv. b-oxidace (3-oxidace). Byla objevena F. Knoopem již v roce 1904, její mechanismus však objasnil F. Lynen až v roce 1951. b-oxidace je cyklický pochod, který postupně zkracuje řetězec mastné kyseliny vždy o dva atomy uhlíku. Odbourávání se tedy děje po spirále nazývané podle jejího objevitele Lynenova spirála: proces b-oxidace se opakuje tak dlouho, pokud se celá mastná kyselina nerozloží na acetylové zbytky vázané na CoA. Sled reakcí, probíhajících během jednoho cyklu (jednoho závitu spirály), zahrnuje oxidaci na třetím atomu uhlíku s následným odštěpením dvouuhlíkového zbytku ve formě acetyl-CoA. Lze jej tedy sumárně vyjádřit rovnicí
Vznikající acetyl-CoA může být dále oxidován v citrátovém cyklu nebo může vstoupit do biosynthetických dějů. Vlastní oxidaci na C3 předchází aktivace mastné kyseliny – vznik acyl-CoA – a závěr reakčního sledu tvoří thiolytické štěpení, při němž produkt b-oxidace, b-oxoacetyl-CoA, se za přítomnosti CoA rozpadá na acetyl-CoA a o dva atomy uhlíku kratší acyl-CoA. 61
Podívejme se nyní blíže na mechanismus procesu b-oxidace mastných kyselin, který můžeme rozdělit na tři základní fáze:
Aktivace mastné kyseliny
Mastné kyseliny jsou poměrně nereaktivní, jejich reaktivita se však zvýší, prevedou-li se na makroergické thioestery. Tuto aktivaci provádí ligáza (acyl-CoA-synthetasa) za součinnosti CoA a ATP. Reakce je analogická aktivaci aminokyselin v proteosyntéze: je to dvoustupňový děj, reakcí s ATP vzniká přenosem AMP acyladenylát, z něhož se pak acyl přenáší na CoA za vzniku makroergického thioesteru acyl-CoA a uvolnění AMP. K zahájení b-oxidace je tedy zapotřebí jedné molekuly ATP (bez ohledu na délku řetězce mastné kyseliny). Tím, že tato molekula ATP přechází až na AMP, je z ní čerpáno dvojnásobné množství energie než při častější přeměně na ADP. Na aktivaci mastné kyseliny jsou proto zapotřebí dvě jednotky metabolické energie ATP. V eukaryotických buňkách probíhá b-oxidace v matrix mitochondrií, podobně jako citrátový cyklus. Volné mastné kyseliny s dlouhým uhlíkovým řetězcem však neprocházejí mitochondriální membránou. Proto jejich aktivace probíhá v cytosolu na vnější straně mitochodriální membrány a vzniklý acyl-CoA je převeden do matrix po vazbě na zvláštním přenašeči, derivátu máselné kyseliny zvaném karnitin. V matrix se acyl přesune na mitochodriální CoA a vstupuje do reakcí Lynenovy spirály. Uvolněný přenašeč, karnitin, se vrací zpět do cytosolu.
Vlastní b-oxidace
Mechanismus této fáze už vlastně známe – jde o stejný sled reakcí, jaký tvoří konečnou fázi citrátového cyklu, s tím rozdílem, že v citrátovém cyklu probíhají tyto reakce s dikarboxylovými kyselinami, při b-oxidaci s monokarboxylovými. Jde tedy o dvě za sebou jdoucí dehydrogenace s vloženou hydratací. První dehydrogenaci, za vzniku dvojné vazby mezi Cα a Cβ , provádí flavinová dehydrogenasa (acyl-CoA-dehydrogenasa), adici molekuly vody na tuto dvojnou vazbu za tvorby b-hydroxylacyl-CoA katalysuje lyasa (enoyl-CoAhydratasa nazývaná krotonasa) a druhou dehydrogenaci pyridinová dehydrogenasa (3-hydroxyacyl-CoA-dehydrogenasa) a vzniká při ní b-oxoacyl-CoA jako konečný produkt 3-oxidace.
Thiolysa
Vzniklý b-oxoacyl-CoA je jako thioester velmi labilní a může se thiolyticky štěpit, přičemž mezi Cα a Cβ původní mastné kyseliny vstoupí nová molekula CoA a z řetězce se uvolní C2 jednotka jako acetyl-CoA. Tato reakce je klíčovým stupněm odbourávání a katalysuje ji acyltransferasa b-oxothiolasa (nazývaná též thiolasa). b-oxidace mastných kyselin je pro buňku významný proces, umožňující jí získávat mnoho molekul ATP s uloženou energií. Postupně odštěpované molekuly acetyl-CoA mohou ihned vstoupit do citrátového cyklu, který též probíhá v matrix mitochondrií, a všechny odebrané aktivované vodíky mohou být oxidovány v mitochodriálním dýchacím řetězci a uvolněná energie může být využita v procesu oxidační fosforylace. Při jednom proběhnutí cyklu b-oxidace se získá jedna molekula FADH2 a jedna molekula NADH, takže po jejich reoxidaci v dýchacím řetězci lze získat 5 molekul ATP. Dalších 12 molekul ATP se vytvoří při aerobním odbourání odštěpené molekuly acetyl-CoA.
62
V rostlinných buňkách probíhá b-oxidace mastných kyselin uvolněných z tukových reserv, uložených ve sférosomech cytoplasmy, téměř výhradně v glyoxysomech. V těchto organelách je totiž lokalisována většina enzymů glyoxylátového cyklu, umožňujícího přeměnu acetyl-CoA na prekursory sacharidů. Sled reakcí b-oxidace v glyoxysomech odpovídá b-oxidaci ve zvířecích mitochodriích, ale existuje několik rozdílů. Tak předně, acetyl-CoA vznikající štěpením mastných kyselin se většinou využívá v glyoxylátovém cyklu. Dále FADH2, který se vytvořil při první dehydrogenaci, reaguje přímo s O2 za vzniku H2O2, který je detoxikován glyoxysomální katalasou. Mitochodriální b-oxidace má u rostlin druhotný význam a slouží jen k odbourávání lipidů specifických pro tyto organely. Nenasycené mastné kyseliny se odbourávají stejně jako nasycené, až se dvojná vazba dostane do polohy b - γ. Pak zvláštní enzym zajistí přesmyk dvojné vazby z této posice do polohy α - b. Oxidace pak pokračuje dále po Lynenově spirále s tím rozdílem, že první dehydrogenace odpadá. b-Oxidací jsou odbourávány nejen vyšší mastné kyseliny lipidů s lineárním dlouhým řetězcem se sudým počtem atomů uhlíku, ale i karboxylové kyseliny vznikající při odbourávání aminokyselin. Ty mohou být větvené a s lichým počtem uhlíkových atomů. Větvené mastné kyseliny se odbourávají b-oxidací až se místo větvení dostane do α- nebo b- polohy ke karboxylu, další reakce už jsou speciální. U mastných kyselin s lichým počtem atomů uhlíku probíhá odbourávání stejným mechanismem jako u kyselin se sudým počtem uhlíkových atomů, na konci Lynenovy spirály však vzniká propionyl-CoA; příkladem je odbourávání uhlíkových koster valinu a isoleucinu. Propionyl-CoA se buď převede karboxylací na sukcinyl-CoA a slouží k výrobě sacharidů nebo hemu, nebo je odbouráván cyklickým dějem, analogickým citrátovému cyklu.
12.3 Metabolismus glycerolu Dalším štěpným produktem většiny lipidů je glycerol. Je v úzkém vztahu k triosafosfátům, meziproduktům metabolismu sacharidů. Přeměna glycerolu na triosafosfát, zahrnující dehydrogenaci a fosforylaci.
Poslouží-li glycerol jako zdroj energie, poskytne jeho molekula při úplném aerobním odbourání 20 ATP: odbouráním triosafosfátu se získají 2 ATP substrátovou fosforylací, (3-1) ATP z redukovaného koenzymu glyceraldehyd3-fosfátdehydrogenasy (1 ATP je zapotřebí na vstup do mitochondrií), 3 ATP při oxidační dekarboxylaci a 12 ATP z aerobní oxidace acetyl-CoA. K tomu přistupují (3-2) ATP z dehydrogenace glycerol-3-fosfátu (1ATP je zapotřebí na fosforylaci a 1 ATP na vstup NADH do mitochondrií). 63
12.4 Biosyntéza mastných kyselin Vyšší mastné kyseliny vznikají procesem, který se svým spirálovým charakterem velice podobá procesu odbourávání mastných kyselin. Obrácená redukční spirála má prakticky identické meziprodukty, ovšem jednotlivé reakce provádějí jiné enzymy a do procesu je začleněná karboxylace. Biosynthesa mastných kyselin je také v buňce lokalizovaná jinde. Zatímco mastné kyseliny se odbourávají v mitochondriích, probíhá jejich biosynthesa v cytosolu. Hlavními místy synthesy mastných kyselin jsou tukové tkáně. Výchozí látkou pro biosynthézu mastných kyselin je acetyl-CoA, vznikající při odbourávání jiných mastných kyselin, při oxidační dekarboxylaci pyruvátu v rámci aerobního odbourávání sacharidů a z uhlíkových koster některých aminokyselin. Podíváme-li se na princip výroby mastných kyselin, jde o redukci acetylu na –CH2-CH2- zbytky, tvořící kostru mastné kyseliny. Vodíky potřebné k redukci poskytuje NADPH získaný v pentosovém cyklu, u fototrofů též ve světlé fázi fotosynthesy. Jako každý anabolický děj vyžaduje i výroba mastných kyselin energii. Uhlíkový řetězec mastné kyseliny se buduje stupňovitě z dvouuhlíkových jednotek. Ty však neposkytuje přímo acetyl-CoA, ale energií bohatší produkt jeho karboxylace, malonyl-CoA. Meziprodukty biosyntézy jsou thioestery bílkoviny označené ACp (Acyl Carrier Protein) a ne CoA, jako při odbourávání mastných kyselin. Výchozí materiál, acetyl-CoA, vzniká převážně v mitochondriích. Membrány mitochondrií však pro něj nejsou propustné. Přenos acetyl-CoA do cytoslu, kde se odehrává biosyntéza mastných kyselin, se uskutečňuje buď karnitinem, nebo prostřednictvím přeměny na citrát. Přenos karnitinem probíhá stejným mechanisnem jako přenos acylů vyšších mastných kyselin, ale v obráceném směru. Druhou cestou, kterou se dostává acetyl-CoA do cytosolu, je tvorba citrátu. Ten vzniká reakcí acetyl-CoA s oxalacetátem za katalýzy citrátsyntázou. Citrát přejde mitochondriální membránou do cytosolu a tam se účinkem citrátlyázy rozpadá, za účasti ATP a CoA, zpět na oxalacetát a acetyl-CoA. Proces biosyntézy mastných kyselin lze rozdělit do tří fází:
Výroba malonyl-CoA
Karboxylace acetyl-CoA na energeticky bohatší malonyl-CoA probíhá na enzymovém komplexu ligasy.
Syntéza palmitové kyseliny
Sled reakcí, jimiž se z malonyl-CoA syntetizuje základní šestnáctiuhlíkový řetězec kyseliny palmitové, zajišťuje multienzymový komplex syntetázy mastných kyselin. Podívejme se nyní blíže na sled reakcí, kterým se molekula mastné kyseliny vždy prodlužuje o dva atomy uhlíku:
Transacylace
První cyklus zahrnuje přenos acetylu z acetyl-CoA. Nejprve na cSh a pak transacylací na pSH. V dalších cyklech se přenáší z cSH na pSH acyl, který se v průběhu biosynthesy vytvořil. Tím se uvolňuje cSH pro vazbu malonylu.
Kondenzace acylu s malonylem
Při příblížení malonylové skupiny k cSH pohyblivého raménka ACP se acyl (v prvním cyklu acetyl) uvolní z pSH a napojí na malonyl účinkem tzv. kondensačního enzymu (3-oxoacylsynthetázy). Ke spojení dochází adicí karbonylového uhlíku acylu na methylový uhlík malonylu za současné dekarboxylace; produktem je 3-oxoacyl. První redukce 3-oxoacylreduktasou za účasti NADPH se redukuje 3-oxoacyl na 3-hydoxyacyl
Dehydratace
Účinkem lyázy (3-hydroxyacyldehydratázy, krotonázy) se odštěpí molekula vody a vznikne nenasycený acyl (enoyl) Druhá redukce Enoyl se redukuje enoylreduktasou pomocí NADPH ( nebo NADH ) na nasycený acyl Jednotlivé cykly se opakují tak dlouho, až se dosáhne požadované délky řetězce. Pak se proces zastaví allosterickou inhibicí. Konečným produktem činnosti cytoplazmového multienzymového komplexu synthetasy mastných kyselin je zpravidla C16-kyselina.
Další přeměny palmitátu
Vyrobená mastná kyselina se uvolní z vazby na ACP a oživuje se reakcí s CoA za účasti ATP a katalysy thiokinasou. Vzniklý acyl-CoA se může buď zapojit do synthesy lipidů, nebo se použije na výrobu kyselin s delším řetězcem, nenasycených kyselin nebo hydroxykyselin. Tyto další úpravy však neprobíhají v cytosolu. Řetězec se prodlužuje v mitochondriích přímo acetyl-CoA bez použití malonyl-CoA. Nenasycené mastné kyseliny se pak tvoří specifickými NADP+-dyhydrogenasami;jsou stereospecifické a umožňují vznik cis-isomerů. 64
Co se týče energetické bilance biosyntézy mastných kyselin. Na prodloužení řetězce o C2-jednotku musí organismus vydat 1 ATP na činnost biotinkarboxylasy při výrobě malonylu, 2 NADPH (6 ATP) na dvojstupňovou redukci acetylu na –CH2-CH2-. Na výrobu mastné kyseliny o n uhlíkových atomech je tedy zapotřebí energie v jednotkách ATP = 7 ( n/2 – 1 ).
Literatura: 1. home.zf.jcu.cz/public/departments/koz/vyz/pred_03b.pdf (28.12.2010) 2. http://vnl.xf.cz/bich/bich-lipidy.php (28.12.2010) 3. orion.chemi.muni.cz/e_learning/=Texty/22-Metabolismus%20lipidů/22-Metab_lipidu.htm (28.12.2010) 4. ukb.lf1.cuni.cz/skripta/kap33.pdf (28.12.2010) 5. Voet D., Voet J.G., Pratt Ch.W.: Fundamentals of biochemistry, Wiley 2008, ISBN 978-0-470-12930-2 6. Hoza I., Kramářová D., Budínský P.: Potravinářská biochemie I - III , Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Zlín 2007, ISBN 80-7318-395-1 7. http://dolly.biochem.arizona.edu (28.12.2010) 8. www.celostnimedicina.cz/lipidy.htm (28.12.2010) 9. ukb.lf1.cuni.cz/ppt/trnkova/Modul_Lipidy.pdf (28.12.2010) 10. www.upol.cz/fileadmin/user_upload/FTK-dokumenty/.../lipidy.ppt (28.12.2010) 11. Velíšek J., Hajšlová J.: Chemie Potravin I., OSSIS, 2009 (ISBN 978-80-86659-15-2) 12. deMan J. M.: Principles of food chemismy, Aspen Publishers, 1999, ISBN 0-8342-1234-X 13. http://ukb.lf1.cuni.cz/skripta/kap36.pdf (28.12.2010) 14. http://vnl.xf.cz/bich/bich-lipidy.php (28.12.2010) 15. www.upol.cz/fileadmin/user_upload/FTK-dokumenty/Stejskal/05-tuky.ppt (28.12.2010)
65
13. Biologické oxidace 13.1 Citrátový cyklus Odbourávání většiny substrátů ve druhé fázi aerobního katabolismu končí u dvojuhlíkatého zbytku CHA3CO- vázaného na koenzym A tj. acetylkoenzymu A. Tato látka vzniká: a) oxidací mastných kyselin lipidů b) oxidační dekarboxylací hlavního produktu katabolismu sacharidů – pyruvátu c) degradací uhlíkových koster některých (ketogenních) aminokyselin. Odbourávání substrátů na acetyl-CoA se však uvolní jen menší část jejích energie, asi ¾ jí však zůstává v acetylCoA. Tato energie se uvolňuje až v terminální oxidaci tohoto dvojuhlíkatého zbytku na CO2. K tomu slouží tzv. citrátový cyklus, universálně rozšířený u aerobů a nazývaný rovněž Krebsův cyklus podle objevitele Hanse A. Krebse z roku 1937. Odbourávání acetyl-CoA v citrátovém cyklu probíhá stupňovitě: acetyl se váže na čtyřuhlíkový nosič a tím je transformován na donory CO2 ( karboxylové kyseliny ) a donory atomů vodíku (hydroxyl- a oxoderiváty). Více než polovina z cyklu získaných aktivovaných vodíku pochází ze tří molekul vody, které do reakčního sledu postupně vstupují. Celkovou reakci vystihuje rovnice CH3CO-SCoA + 3H2O
2CO2 + CoASH + 8[H]
Oxid uhličitý se uvolňuje dekarboxylacemi bez podstatné změny energie. Zdrojem energie jsou odebrané atomy vodíku, které vstupují do dýchacího řetězce. Jako jejich donory slouží dvakrát sekundárně alkoholová skupina, jednou oxoskupina a jednou karboxylová skupina s ethylenovou skupinou (sukcinát). V cyklu se taky přímo ukládá menší část energie do molekuly GTP vloženou substrátovou fosforylací. Citrátový cyklus je přednostně určen k terminální oxidaci substrátů, ale současně je I hotovostí meziproduktů, z nichž vycházejí biosyntetické děje sloužící k výstavbě nové buněčné hmoty. Citrátový cyklus je tedy typickým amfibolickým dějem a skutečným středem aerobního metabolismu; je křižovatkou katabolických a anabolických cest. Celý cyklus můžeme rozdělit do 4 reakčních stupňů.
Kondenzace C2 a C4-molekul na C6 molekulu
Reakční sled začíná aldolovou kondenzací acetyl-CoA s oxalacetátem za vzniku C6 trikarboxylové hydroxykyseliny citronové po hydrolýze thioesterové vazby v CH3CO-SCoA a odštěpení CoA-SH. Reakci katalyzuje allosterický enzym z třídy lyas - citrátsyntáza, regulující celý cyklus. Inhibitorem citrátsyntázy je ATP. Kondenzace acetyl-CoA s oxalacetátem je exergonickou reakcí ( DGO´= -3.32 kJ.mol-1) a je prakticky nevratná. V dalším dvojstupňovém ději se akonitázou odštěpuje z citrátu voda za vzniku cis-akonitátu, voda se na akonitát opět aduje stejným enzymem, ale opačně. Dochází k izomerizaci a vzniká isocitrát. Kofaktorem akonitázy je dvojmocné železo, reakce má kladnou Gibsovu energii + 6,3 kJ.mol-1. Rovnovážný stav této reakce se ustanovuje při 90% citrátu, 2% cis-akonitátu a 8% isocitrátu.
Přechod C6 – molekuly na C5 – molekulu za odštěpení CO2.
Isocitrát (na rozdíl od citrátu) může být dehydrogenován, protože má sekundární alkoholovou skupinu. Dehydrogenace je rovněž usnadněna přítomností karboxylové skupiny na prostředním uhlíku. Dehydrogenace je prováděna isocitrátdehydrogenázou s koenzymem NAD+. Po dehydrogenaci a vzniku C=O skupiny na C2 uhlíku se vazba karboxylu k prostřednímu uhlíku silně zeslabí a přítomnost Mn2+ jako katalyzátoru umožní její rozštěpení a tím dekarboxylaci. Volné b-ketokyseliny a jejich ionty jsou poměrně nestálé a jejich dekarboxylace probíhá samovolně. Celková reakce je slabě exergonická DGO´= -8,4 kJ.mol-1. Rovněž tato dehydrogenace je regulována allosterickou inhibicí isocitrátdehydrogenázy účinkem ATP. Nadbytkem ATP vede k inaktivaci enzymu tvorbou dimeru, naopak nadbytek ADP převádí dimer na aktivní tetrametr.
Přechod C5 – molekuly na C4 – molekulu za odštěpení CO2.
2-Oxoglutarát je následně dekarboxylován a dehydrogenován za vzniku sukcinyl-CoA, a to účinkem komplexní 2-oxoglukarátdehydrogenázy. Jde o obdobný proces jako u níže popsané dekarboxylace a dehydrogenace pyruvátu. Rozdíl spočívá pouze v přítomnosti specifického enzymu a to dihydrolipoamidsukcinyltransferázy. Dva aktivní vodíky jsou přeneseny na NAD+, celková několikastupňová reakce je silně exergonická (-30,1 kJ.mol-1) a tedy prakticky nevratná. Účinkem vody na sukcinyl-CoA za katalýzy enzymem sukcinyl-CoA-synthethasy proběhne hydrolýza za vzniku sukcinátu a koenzymu A. Část energie makroergické thioesterové sloučeniny se uloží do molekuly GTP vznikající tzv. substrátovou fosforylací GDP + Pi -> GTP. Působením nukleosiddifosfátkinasy pak proběhne reakce GTP + ADP -> ATP + GDP, při níž vzniká molekula ATP. 66
Reakce na úrovni C4-dikaroboxylových kyselin
Tato fáze představuje oxidaci sukcinátu na oxalacetát se vstupem třetí molekuly vody. Zahrnuje dvě za sebou jdoucí dehydrogenace s vloženou hydratací. První dehydrogenaci sukcinátu na fumarát provádí sukcinátdehydrogenáza s prostetickou skupinou FAD, která má dále v molekule nehemové železo vázané na síru ( Fe-S ). Tento enzym je zakotven ve vnitřní mitochondriální membráně a je podstatou komplexu II.dýchacího řetězce. Tato reakce je nejrychlejší z celého cyklu. Fumarát se vazbou s vodou mění na malát. Reakci katalyzuje fumaráthydratáza, která zaručuje vazbu vody v trans- poloze a tím i vznik L-malátu. Jde o oligomerní allosterický enzym opět inhibovaný ATP. Poslední reakcí citrátového cyklu je dehydrogenace L-malátu za vzniku oxalacetátu, která uzavírá cyklický průběh. Reakci katalyzuje malátdehydrogenáza s koenzymem NAD+. Reakce je silně endergonní (DGO´= +30 kJ.mol-1), přesto však probíhá poměrně snadno, to pro silně exergonní průběh prvé reakce katalyzované citrátsyntházou. O
O
C
COO
H2C
COO
oxalacetát HO
CH H2C
COO
C
+
H2O
1
SCoA CoASH
H2C HO
+ NAD H+H
COO
C H2C
COO COO COO
citrát
malát NAD
+
H3C
+
8 2
H2O
7 HO HC HC OOC
HC
COO
H2C
CH
fumarát
NAD
FAD H2
H2C
COO
GTP
4 5
+ NAD H+H
H2C NAD
+
COO
HC H O
GDP+P
sukcinát
+
CO2
+ NAD H+H
FAD COO
isocitrát
+
3
6
H2C
COO COO COO
C
COO
a-ketoglutarát
H2O
CoASH
H2C
COO
H2C
C
SCoA CO2
O
sukcinyl-CoA
CH CO-CoA + 3 H O 3
2
2 CO + 8 [H] + CoASH 2
67
Energeticky vede cyklus k vytvoření 3 ekvivalentů NADH + H+ a jednoho FADH2. Prostřednictvím dýchacího řetězce se získá (3 x 3 + 2 x 1) = 11 molekul ATP. Spolu s jednou molekulou ATP vzniklou z GTP po substrátové fosforylaci je celkový zisk energie z degradace C2 zbytku roven 12 ATP.
13.2 Glyoxylátový cyklus Glyoxylátový cyklus patří mezi tzv. anaplerotické dráhy. Tyto reakce doplňují vyčerpané metabolity citrátového cyklu reakcemi na citrátovém cyklu nezávislými. Jedná se např o karboxylaci C3 kyselin pomocí karboxybiotinového komplexu, kterou je z pyruváru vyráběn oxalacetát, nebo reakce fosfoenolpyruvátu s hydrogenuhličitanovým aniontem produkující rovněž oxalacetát. Zavedení dvou nových enzymových reakcí do citrátového cyklu vytvoří cyklický mechanismus doplňování C4-dikarboxylových kyselin při zabránění ztrátě uhlíku tvorbou CO2. Nemá tedy degradační, ale biosyntetický charakter. Tento cyklický mechanismus se nazývá glyoxylátový cyklus. Užívá tři z osmi enzymů citrátového cyklu a dva nové – isocitrátlyázu a malátsyntázu. Celkový děj probíhající v glyoxylátovém cyklu vystihuje rovnice: 2 CH3CO-SCoA + 2H2O
HOOCCH2 -- CH2COOH + 2CoASH + 2[H]
Acetyl-CoA může být tedy využit dvojím způsobem, a to že může být odbourán na 2 CO2 za současného vzniku čtyř dvojic aktivovaných vodíků nebo využit k výrobě C4-dikarboxylových kyselin bez ztráty uhlíku. Druhou variantu používají mikroorganismy jako jediný zdroj intermediátů požadovaných k synthéze uhlíkových skeletů všech svých hlavních složek. Jsou to mikroorganismy rostoucí na substrátech o nízké hmotnosti (acetát, sukcinát) anebo mikroorganismy zpracovávající mastné kyseliny a n-alkany.
Glyoxylátový cyklus je příkladem anaplerotické reakce pro tyto mikroby a činí je nezávislými na karboxylaci pyruvátu a fosfoenolpyruvátu pro tvorbu C4-dikarboxylových kyselin. Intenzivně probíhá glyoxylátový cyklus v semenech klíčících rostlin, které tímto dějem přeměňují acetylové zbytky vznikající oxidačním odbouráním mastných kyselin tukových reserv, na cukry. U prokaryot jsou enzymy glyoxylátového cyklu v cytoplazmě, u eukaryotních mikrobů a u rostlin ve speciálních organelách, glyoxysomech resp. peroxisomech.
68
Mechanismus glyoxylátového cyklu lze shrnout do tří základních reakčních sledů:
Začáteční fáze cyklu je stejná jako u citrátového cyklu až po vznik isocitrátu. Štěpení C6 – molekuly na C2 a C4-molekuly
Místo dekarboxylace a dehydrogenace na 2-oxoglutarát je isocitrát štěpen za katalýzy isocitrátlyasou (isocitratasou) na glyoxylát a sukcinát. Sukcinát představuje výstup z cyklu, může být dále přeměňován prostřednictvím citrátového cyklu, nebo zapojen do dalších reakcí.
Kondenzace dvou C2 – jednotek
Do cyklu vstoupí druhá molekula acetyl-CoA a kondensuje se s glyoxylátem za vzniku malátu analogickým způsobem jako probíhá kondensace s oxalacetátem, tj. adicí karboaniontu acetyl-CoA na karbonylový uhlík glyoxylátu. Závěrečná dehydrogenace malátu na oxalacetát je identická jako u citrátového cyklu.
13.3 Dýchací řetězec a oxidativní fosforylace 13.3.1 Chemiosmotická teorie vzniku ATP
Heterotrofní organismy získávají hlavní podíl energie uložené ve struktuře molekul živin, během procesu respirace neboli buněčného dýchání. Při tomto ději se přenášejí elektrony odebrané aktivovaným vodíkům na atomy kyslíku pomocí složitého systému oxidoreduktáz lokalizovaných v oddělených komplexech. Protony jsou při tomto procesu přesunovány na druhou (cytosolovou) stranu nepropustné vnitřní mitochondriální membrány, kde se hromadí. Jejich průchod zpět je umožňován díky enzymu ATP-ázy, který využívá jejich energii k syntéze ATP z ADP a kyseliny fosforečné (anorganického fosfátu). Celý tento proces probíhá v mitochondriích, které se nacházejí ve všech eukaryotních buňkách. Vnitřní mitochondriální membrána je nejdůležitější funkční složkou mitochondrie, v ní jsou uloženy všechny oxidačně-redukční komplexy I – IV a nezbytná ATP-áza. Tato membrána je nepropustná pro ionty a elektroneutrální molekuly s molekulovou hmotností nad 150. ATP prochází touto membránou řízeným přenosem výměnou za ekvivalentní množství ADP. Podstata získávání energie spočívá tedy ve slučování vodíku s kyslíkem na vodu. Tato reakce je silně exergonní (∆G0` = - 237 kJ/mol) a přímá reakce by byla pro buňku nepoužitelná. Problém jednorázového uvolnění výše uvedené energie je proto vyřešen vytvořením kaskády oxidoreduktáz, které stupňovitě zvyšují redox potenciál aktivovaného vodíku z počáteční hodnoty -0,32 V (vázaného v NADH + H+) až na redox potenciál kyslíku +0,82 V. V tomto systému oxidoreduktáz je každý komplex redukován komplexem předešlým a elektrická práce je transformována na práci osmotickou přenosem protonů proti koncentračnímu spádu. Vzhledem k tomu, že ze dvou aktivovaných vodíků je získána energie dostačující k vyrobení 3 molekul ATP (cca 105 kJ/mol), je účinnost této chemiosmotické syntézy ATP 45%. Zbylá energie se přeměňuje na teplo a ohřívá heterotrofní organismus.
13.3.2 Přenos protonů a elektronů v dýchacím řetězci
Oxidoreduktázy savčích dýchacích řetězců jsou uspořádány do pěti komplexů zakotvených ve vnitřní mitochondriální membráně a označovaných I – IV, jako komplex V je označována ATP-áza. Komplex II. je periferní, zakotvený na matrixové straně, komplexy I a III – V jsou integrální a procházejí celou šířkou vnitřní mitochondriální membrány. Komplex III je spojen s komplexy I a II pomocí mobilních přenašečů na bázi ubichinonu a s komplexem IV pomocí mobilního cytochromu c.
[Převzato z: KODÍČEK, M. Biochemické pojmy: výkladový slovník [online]. Praha: VŠCHT Praha, 2007] 69
Komplex I Komplex I lze označit jako NADH-ubichinonreduktázu a katalyzuje redukci semichinoidní formy ubichinonu na ubichinol. Tento systém funguje přesně podle obecného chemiosmotického mechanismu. Jeho základem je flavoprotein NADH-dehydrogenáza, obsahující vedle koenzymu FMN další prostetické skupiny typu FeS. NADH-ubichinonreduktáze se na se na matrixové straně redukuje NADH + H+, převezme dva aktivované vodíky a na cytosolové straně předá dva elektrony transelektronáze Fe4S4. Dva protony jsou vytlačeny do cytosolového prostoru a oxidovaný FMN je připraven pro novou redukci NADH + H+. Transelektronáza Fe4S4 předává dva elektrony transelektronáze Fe2S2, která předává jeden elektron po druhém semichinoidní formě ubichinonu opět na matrixové straně.
Komplex II Tento komplex je nejjednodušší ze všech. Základem jeho funkce je sukcinátdehydrogenáza, flavoprotein obsahující prostetickou skupinu FAD a dvě skupiny Fe2S2. Vedle toho tento protein obsahuje skupinu typu Fe4S4 a cytochrom b, jejichž význam není zatím známý. Rovněž přenos elektronů v komplexu není zcela vysvětlen. Systém produkuje ubichinol. Tento komplex II nepřenáší protony do cytoplasmatického prostoru.
Komplex III Zpracovává ubichinol dodávaný z komplexů I a II. Jeho funkce spočívá v reoxidaci ubichinolu na semichinoidní formu pomocí ubichinol: cytochrom c-oxidoreduktázy. Základní princip chemiosmotického mechanismu je komplikován tím, že transport H+ se děje cyklickým pochodem. Základní funkční složkou systému jsou dvě molekuly cytochromu b (bT a bK) z nichž pouze bT je redukovatelná ubichinolem. Dále systém obsahuje cytochrom c1 a molekulu Fe2S2-proteinu, jehož funkce opět není jasná. Komplex cytochromu b přebírá od ubichinolu jeden elektron a oxiduje ho na semichinoidní formu, přičemž je vypuzen jeden proton do cytosolového prostoru, semichinoidní forma je dále oxidována na ubichinon cytochromem c1 za současného vypuzení druhého protonu do cytosolového prostoru. Ubichinon pokračuje k cytochromu b (části bK), kde získává zpět elektron, který na začátku předal, a z matrixového prostoru přibírá jeden proton. V tomto okamžiku začíná další okruh s jedním přijatým elektronem. Je zřejmé, že na jeden přijatý elektron jsou do cytosolového prostoru vypuzeny dva protony a jeden elektron je přenesen na mobilní cytochrom c. Komplex IV Funguje jako ferrocytochrom c: kyslík-oxidoreduktáza (cytochromoxidáza). Mechanismus funkce tohoto komplexu je nejméně jasný ze všech oxidoredukčních mitochondriálních systémů. Komplex se skládá ze sedmi bílkovinných podjednotek a jeho funkčními složkami jsou cytochromy a, a3 a ionty mědi ve stechiometrickém poměru 1:1:2. Má tvar písmene Y, jehož „noha“ směřuje na cytosolovou stranu membrány a obě ramena pronikají jeho matrixovou stranou. Ionty mědi tvoří páry s jednotlivými cytochromy; oxidovaná forma přijímá elektrony na cytosolovou straně od cytochromu c a vytváří plně redukovanou formu (Cu2+Fe22+), která na matrixové straně postupně redukuje O2 na dva oxidové ionty a přechází na plně oxidovanou formu (Cu22+Fe23+). Tento komplex nezpůsobuje přenos H+ přes membránu, ale přesto zvyšuje pH matrixového prostoru protonací vzniklých oxidových iontů. Součinností komplexů I, III a IV jsou tedy přeneseny dva elektrony ze dvou aktivovaných vodíků NADH + H+ na kyslík za vzniku ½O22- a současně je přesunuto šest protonů do cytosolového prostoru. Ty podle diagramu umožní syntézu 3 molekul ATP. Součinností komplexů II, III a IV jsou přeneseny dva elektrony z aktivovaných vodíků FADH2 na kyslík za vzniku ½O22- a současně jsou přesunuty čtyři protony na cytosolovou stranu, které umožňují syntézu 2 molekul ATP. Komplex V Výroba ATP probíhá v komplexu V označovaném jako ATP-syntáza. Katalyzuje reakci a to výhradně ve směru zleva doprava. Úplný komplex má podjednotkovou strukturu a skládá se ze dvou částí. Část označovaná CF0 je uložena v membráně a skládá se z bílkoviny F0 (obsahuje čtyři podjednotky) tvořící protonový kanál umožňující návrat protonů z cytoplazmatického prostoru. Na F0 se váže část OSCP (oligomycinesensitivity-conferring-protein) citlivá k antibiotiku oligomycinu. Na složku CF0 se váže složka F1, která je vlastní mitochondriální ATP-ázou. Skládá se z pěti podjednotek α, β, γ, δ a ε, z nichž každá je obsažena dvakrát. Průchod dvou protonů kanálem vede na katalytické složce F1 k syntéze ATP z ADP a Pi. Pro mechanismus této reakce byly navrženy dva modely. Přímý mechanismus vzniku ATP předpokládá odtržení jednoho kyslíkového atomu fosfátového iontu působením transferázových protonů a „neutralizaci“ tím vzniklého kladného náboje na atomu fosforu volným elektronovým párem kyslíku koncového fosfátu ADP Nepřímý mechanismus je založen na konformační změně složky F1 při průchodu obou protonů kanálem F0. Předpokládá se, že aminokyselinové složení aktivního místa v základním stavu kompletního systému vede k vytvoření vazby mezi ADP a fosfátem (tj. eliminaci H2O a tvorbě ATP), pokud jsou reakční složky vázány na bílkovinu. Prů70
chodem dvou elektronů se změní konformace aktivního místa, takže se předtím vytvořený ATP uvolní od složky F1. Systém se pak vrací do základního stavu, čímž se vytvoří další pevně vázaná molekula ATP.
Pevné spojení mezi oxidací a fosforylací narušují látky zvané „odpojovače“. Jedním z typů těchto sloučenin jsou slabé lipofilní kyseliny (2,4-dinitrofenol). Jejich lipofilita umožňuje snadnou difůzi membránou z cytosolu na matrixovou stranu. Zvýšení pH na této straně vede k odštěpení protonu do matrixu a k tvorbě lipofilního fenolátového iontu, který difunduje zpět na cytosolovou stranu, kde v oblasti nízkého pH přijímá proton a celý proces se opakuje. Obdobně působí antibiotika např. valinomycin. Ten má schopnost vázat iont K+ polárními atomy peptidových vazeb. Nepolární postranní řetězce aminokyselinových zbytků peptidu způsobují lipofilitu vnějšího okraje kruhu a draselný iont se stává rozpustným v organických rozpouštědlech a může difundovat membránou. Tímto přenosem se vyrovnává záporný potenciál membrány způsobený neutralizací aniontů (od kterých byly protony přeneseny do cytosolu) a tím se snižuje účinnost komplexu V.
Literatura: 1. http://mujweb.atlas.cz/veda/biologie/oxidace.htm (28.12.2010) 2. biochemie.upol.cz/stranky/vyuka/bch/05.ppt (28.12.2010) 3. orion.chemi.muni.cz/e_learning/=Texty/23-Citrátový%20cyklus/23-TCA-2.htm (28.12.2010) 4. http://projektalfa.ic.cz/citratovy_cyklus.htm (28.12.2010) 5. Voet D., Voet J.G., Pratt Ch.W.: Fundamentals of biochemistry, Wiley 2008, ISBN 978-0-470-12930-2 6. Hoza I., Kramářová D., Budínský P.: Potravinářská biochemie I - III , Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Zlín 2007, ISBN 80-7318-395-1 7. KODÍČEK, M. Biochemické pojmy: výkladový slovník [online]. Praha: VŠCHT Praha, 2007 8. http://64.233.183.132/search?q=cache:9tOPt_iVJVsJ:ibiochemie.upol.cz/WebGraphics/biochemie/download/Modul-05.ppt+Mechanismus+citr%C3%A1tov%C3%A9ho+cyklu&hl=cs&ct=clnk&cd=10&gl=cz (28.12.2010) 9. che1.lf1.cuni.cz/html/Uvod_do_metabolismu.pdf (28.12.2010) 10. http://biomikro.vscht.cz/biochemieI/prednes11.html (28.12.2010) 11. biochemie.upol.cz/stranky/vyuka/bch/05a.ppt (28.12.2010) 12. Velíšek J., Hajšlová J.: Chemie Potravin I., OSSIS, 2009 (ISBN 978-80-86659-15-2) 13. deMan J. M.: Principles of food chemismy, Aspen Publishers, 1999, ISBN 0-8342-1234-X 14. biomikro.vscht.cz/bioch1/prednaska8.pdf (28.12.2010)
71
14. Vitamíny – struktura, funkce, základní dělení Vitaminy jsou široká skupina chemicky různorodých látek s nízkou molekulovou hmotností, které lidský organismus nezbytně potřebuje, i když jen ve velmi malých množstvích. Lidský organismus si je nedovede sám vytvořit, musí je přijímat potravou. Nejsou zdrojem energie ani stavebními jednotkami. Nejčastěji působí vitaminy jako kofaktory enzymatických reakcí nebo regulátory životních pochodů. Jiné vitaminy se uplatňují jako antioxidanty, podílejí se na likvidaci peroxidových radikálů, především kyslíku, posilují imunitní systém. Některé vitamíny přijímáme ve formě provitaminů, což jsou prekurzory vitamiínů. Jsou to organické látky bez vitaminózního účinku a působením UV nebo enzymaticky se mění na aktivní vitamíny. Příkladem může být např. β-karoten, který je provitamínem vitamínu A. Antivitamíny jsou antagonisté vitamínů, tedy látky eliminující biologické účinky vitamínů, vedoucí až k projevům deficience. Jako antivitaminy mohou působit strukturní analogy vitamínů, které reagují s apoenzymy nebo bílkovinami, které vitamíny v organismu transportují, enzymy, které přeměňují vitamíny na neúčinné látky, nebo látky tvořící s vitamínem nevyužitelné komplexy. V případě nedostatečného příjmu vitamínů může dojít k hypovitaminóze, tedy projevům příznaků nedostatku v lehčí formě, později k avitaminóze, tedy těžší formě nedostatku vitamínů. Dlouhotrvající avitaminóza může vést až ke smrti. Naopak nadbytečný příjem vitamínů může vést k hypervitaminóze, která se však projevuje pouze u vitamínů rozpustných v tucích, u vitamínů rozpustných ve vodě k projevům nadbytku nedochází, neboť nadbytečné množství je vyloučeno močí. V potravinách se vitamíny vyskytují v proměnlivém množství řádově v µg/kg až mg/kg, jejich obsah je ovlivněn skladováním, zpracováním potravin. Běžným zdrojem vitamínů jsou základní potraviny jako maso, mléko, vejce, cereálie, ovoce, zelenina. Vitamíny jsou používány i k obohacování potravin, kdy rozlišujeme tzv. fortifikaci, tedy obohacování na koncentrace vyšší než původní hladiny a restituci tj. doplnění obsahu na původní hladinu v surovině. Vitamíny dělíme dělení podle rozpustnosti na rozpustné ve vodě, kam patří vitamíny skupiny B (vitamín B1- thiamin, B2- ribofalvin, B3- kys.nikotinová a její amid, B5- kys. panthotenová, B6- pyridoxin, B9- kys. listová, B12- kyanokobalamin), vitamín H - Biotin, vitamín C (kyselina L-askorbová), kyselina lipoová, bioflavonoidy, a rozpustné v tucích, kam řadíme vitamin A (retinol) a jeho provitamíny (karotenoidy), vitaminy D (kalciferoly), vitaminy E (tokoferoly a tokotrienoly), vitaminy K (fylochinony, farnochinony) a někdy také vitamin F (esenciální mastné kyseliny). Vitamíny rozpustné v tucích jsou vitaminy, jejichž molekuly jsou podobné tukům absorbovaným v potravě a jejich absorpce probíhá současně s nimi. Úspěšnost jejich vstřebávání tvoří asi 50-90%, v závislosti na kvalitě tuku obsaženého v potravě. Po vstřebání však vitaminy beze zbytku postupují přímo k cílovým buňkám v těle. Vitamín A - (retinol) je skupina látek živočišného původu s podobnou strukturou, které mají stejnou biologickou aktivitu. Nejčastěji je přijímán jako provitamin A - β −karoten. Je nezbytný pro vidění (šeroslepost až oslepnutí), správnou funkci kůže a epiteliálních tkání. Dlouhotrvající nadbytek retinolu poškozuje jaterní tkáň, mohou vypadávat vlasy, objevuje se krvácení z nosu. Hlavním zdrojem je barevná zelenina (mrkev, rajská jablíčka, špenát), vaječný žloutek, játra a rybí tuk. β −karotenu je připisován i ochranný účinek před vznikem rakoviny.
Vitamín D - (kalciferol, cholekalciferol) mají steroidní strukturu a lidský organismus si dokáže z rostlinných i živočišných prekursorů (i cholesterolu) syntetisovat formu D3 - kalcitriol, hormon, který ovlivňuje metabolismus vápníku a fosforu v kostech. Vitamin D vzniká i v pokožce při slunění. Nedostatek způsobuje křivici (u dětí) a osteomalacii (u dospělých), hypervitaminosa se projeví zvracením, hubnutím a přesunem vápníku do jiných orgánů (ledviny, plíce). Nejsnáze je přijímán z mléka a másla, také z jater, žloutku a rybího tuku. Vitamín E - (tokoferol) má také několik isomerů, nejrozšířenější je α-tokoferol. Je nejdůležitějším antioxidantem, chránícím před peroxidací hlavně vyšší mastné kyseliny s dvojnými vazbami, čímž je v podstatě jedním z faktorů předcháze72
jících rozvoji aterosklerosy. Hromadí se v membránách buněk i buněčných organel, zvláště erytrocytů a dýchacího ústrojí, protože je aktivní za vyššího parciálního tlaku kyslíku. Doplňujícím prvkem pomáhajícím správné funkci vitaminu E je selen, jako součást enzymu glutathionperoxidasy. Další sloučeniny napomáhají regeneraci vitaminu E z radikálu, kterým se stal po likvidaci volných radikálů, a tudíž možnosti opakovaného využití v buňce. Nedostatek se může projevit jako onemocnění nervové či svalové soustavy, jater, dokonce jako hemolytická anemie; ohroženy jsou děti žen, které trpěly jeho nedostatkem v těhotenství. Nejbohatším zdrojem jsou obilné klíčky, slunečnicový a sojový olej, listový salát. Vitamín K - (fylochinony, farnochinony) jsou opět skupinou látek se stejným biologickým účinkem. I tento vitamin potřebuje správné vstřebávání tuků a přítomnost žlučových kyselin. Vitaminy K umožňují přeměnu glutamátu a jeho prostřednictvím se váže kation vápníku. Tato sloučenina je zabudována v molekule kofaktorů srážení krve a osteokalcinu v kostní tkáni. Vazbou Ca2+ dojde k aktivaci kofaktorů, případně mineralizaci kostí. Zdrojem je listová zelenina, také květák a rostlinné oleje, některé typy jsou syntetizovány bakteriemi v tlustém střevě. Proto celkem zřídka dochází k projevům nedostatku (při poruchách vstřebávání tuků); pozor je nutné dát při užívání protisrážlivých léků a u novorozenců. Vitamín F (esenciální mastné kyseliny) - kyselina linolová, kyselina linolenová a kyselina arachidonová. Esenciální je pouze kys. Linolová, protože organismus si nedovede vytvořit řetězec, kde za dvojnou vazbou je méně než 7C. Skupina vitaminů rozpustných ve vodě je chemicky rozmanitá, zahrnuje skupinu vitaminů B a vitamin C. Kromě vitaminu C a kyseliny listové musí být ostatní převedeny do aktivní formy, všechny jsou vstřebávány bez účasti tuků. Zásoby těchto vitaminů v organismu jsou nízké, takže k projevům jejich nedostatku dochází dosti rychle (u B1 za několik týdnů, u ostatních vitaminů B a C za méně než 2 měsíce). Vitaminy skupiny B se uplatňují jako kofaktory enzymů, tedy nepřímo jako katalyzátory. Vitamin B1 – (thiamin) je ve své aktivní formě thiaminpyrofosfátu kofaktorem oxidačních dekarboxylas a transketolas, enzymů katalyzujících přeměnu aminokyselin (také dekarboxylaci pyruvátu při odbourávání sacharidů). Zpočátku se jeho nedostatek projevuje depresemi, závažně jako beri-beri, onemocnění nervové soustavy. B1 je široce přítomný v potravě, zejména v různé zelenině, celozrnných potravinách, kvasnicích, játrech a žloutku, ale v nízkém množství. Oloupané zrní je vitaminu téměř zbaveno. Vitamin B2 – (riboflavin) je součástí široce rozšířených enzymů známých jako flavoproteiny (oxidoreduktázy), přítomné např. v citrátovém cyklu nebo v dýchacím řetězci. Jeho nedostatek nepůsobí závažné onemocnění, spíše se projeví jako zánět ústních koutků, nervovými poruchami nebo kožními změnami. Vyskytuje se v kvasnicích, žloutku, játrech a mléce. Je fotocitlivý, v mléce na světle jeho koncentrace klesne za hodinu asi o polovinu. Vitamin B3 – (vitamín PP, niacin, kyselina nikotinová, nikotinamid) je součástí kofaktoru NAD+ příp. NADP+ dehydrogenáz (např.v citrátovém cyklu). Vyskytuje se v mnoha potravinách, jako je maso, mléko, cereálie. V organismu může vznikat i přeměnou tryptofanu. Nedostatek nastává při převážném příjmu kukuřičných výrobků, projevuje se jako pelagra (kožní onemocnění), průjmy a nervové poruchy.
73
Vitamin B5 – (kyselina pantothenová) – jeho aktivní forma koenzym A (CoASH) je součástí citrátového cyklu, účastní se i jiných reakcí (tvorba cholesterolu, acetylační reakce). Je také široce rozšířen v mase, játrech, kvasnicích, luštěninách a celozrnném pečivu; nedostatek byl pozorován u válečných zajatců jako apatie, deprese a svalová slabost. Vitamin B6 – (pyridoxiny) představují 3 chemicky podobné sloučeniny, které mají stejný účinek. Jeho aktivní forma pyridoxalfosfát je součástí transamináz (ALT, AST) a dekarboxyláz. Nejčastěji ho přijímáme v kvasnicích, mase, drůbeži, rybách, vejcích a banánech. Nedostatek se projevuje spíše jako nedostatek celé skupiny B: svalovou slabostí, nervovými, kožními a krevními chorobami. Jsou známé vrozené poruchy části molekuly enzymů, které se vážou s pyridoxalfosfátem, způsobí nefunkčnost enzymu a u dětí vedou k závažným poruchám vývoje. Vysoké dávky jsou nebezpečné pro nervovou soustavu, v těhotenství mohou být teratogenní. Vitamin B12 – (kyanokobalamin) má v molekule zabudovaný ion kobaltu. Je syntetizován mikroorganismy, ke vstřebávání ve střevě potřebuje faktor uvolňovaný ze žaludeční sliznice; Vitamin B12 se hromadí v játrech, vázaný na plasmatickou bílkovinu. B12 se spolu s folátem podílí na tvorbě purinů a pyrimidinů pro synthesu DNA při buněčném dělení. Nedostatek se projeví jako zhoubná (megaloblastická) anemie, ohroženi jsou i přísní vegetariáni.
Vitamin H – (biotin) působí jako kofaktor karboxyláz, zabudovává do molekul aktivovaný CO2 (karboxyl). Biotin se velmi pevně váže s avidinem, bílkovinou z vaječného bílku, toho se využívá v imunochemii pro vazbu protilátek. Nedostatek biotinu se projevuje vzácně: u novorozenců a pacientů s dlouhodobou parenterální výživou, nebo s dietou jako kožní projevy, únava a deprese. V dostatečném množství ho tvoří střevní bakterie, dalším zdrojem jsou játra a žloutek.
Kyselina listová – (folacin) je opět skupinou příbuzných látek se stejným účinkem, působí jako kofaktory enzymů přenášejících aktivovaný jednouhlíkový zbytek, např. při tvorbě nukleotidů pro DNA. Spolupůsobí s vitaminem B12 a jeho nedostatek se také projeví jako megaloblastická anemie. Vyskytuje se v listové zelenině, v kvasnicích a játrech. 74
Vitamin C – (kyselina L - askorbová) patří chemicky mezi cukry. Je to silné redukční činidlo, které má v organismu mnoho významných úkolů: udržuje ionty kovů v redukovaném stavu, účastní se syntézy kolagenu, adrenalinu a žlučových kyselin, při odbourávání tyrosinu, podporuje vstřebávání železa. Především je ale účinný antioxidant, chrání před účinky radikálů, při trávení zabraňuje vzniku toxických nitrosaminů. Nejasné je působení při imunitních reakcích. Vyskytuje se v různých koncentracích v čerstvé zelenině (paprika) a ovoci, značnou měrou ho získáváme z brambor, kde je nízká koncentrace, ale jíme je pravidelně ve větším množství. Dlouhodobý nedostatek projevující se jako kurděje je vzácný, k dalším projevům patří svalová slabost, křehké dásně a podkožní hemorhagie (krvácení).
Literatura: 1. home.caregroup.org (20.12.2010) 2. commons.wikimedia.org (20.12.2010) 3. www.aminokyseliny.cz/vitaminy/ (20.12.2010) 4. ukb.lf1.cuni.cz/ppt/trnkova/Modul_Vitaminy.pdf (20.12.2010) 5. Hoza I., Kramářová D., Budínský P.: Potravinářská biochemie I - III , Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Zlín 2007, ISBN 80-7318-395-1 6. deMan J. M.: Principles of food chemismy, Aspen Publishers, 1999, ISBN 0-8342-1234-X 7. Pánek J., Pokorný J., Dostálová J., Kohout P.: Základy výživy, Svoboda Servis, Praha 2002, ISBN 80-86320-23-5 8. www.e-vitamin.cz/ (20.12.2010) 9. www.psmorfeus.com/docs/vyziva/Vitaminy.ppt (20.12.2010) 10. Velíšek J., Hajšlová J.: Chemie Potravin I., OSSIS, 2009 (ISBN 978-80-86659-15-2)
75
15. Látky s antioxidačním účinkem – funkce, základní dělení Antioxidanty jsou látky přírodního nebo syntetického původu, které jsou součástí potravin. Jsou to látky, které reagují s volnými radikály (reaktivními formami kyslíku a dusíku) za tvorby nereaktivního radikálu antioxidantu, a tím eliminují negativní účinek volných radikálů na lidský organismus. Ke vzniku volných radikálů dochází oxidací nenasycených mastných kyseliny přijatých potravou. Nenasycené mastné kyseliny naopak zlepšují transport cholesterolu v organismu. Přiměřená hladina volných radikálů v organismu neškodí, avšak nadměrná tvorba může způsobovat tzv. antioxidační stres. Oxidované tuky jsou většinou hůře stravitelné, odštěpené oxidované mastné kyseliny jsou hůře vstřebatelné než neoxidované tuky, vyšší sloučeniny vznikající při pokročilé oxidaci se nevstřebávají vůbec. Oxidované tuky mají určitou, i když ne vysokou toxicitu, v potravinách však této koncentrace může být dosaženo. Oxidované mastné kyseliny mají antimetabolický účinek, působí proti účinku původních esenciálních mastných kyselin. Hydroperoxidové skupiny mohou poškozovat lipofilní vitamíny a jiné, biologicky aktivní složky, mohou reagovat s bílkovinami trávicího a oběhového systému. Oxidační produkty lipidů, hydroperoxidy a volné radikály mohou během zpracování potravin a jejich skladování reagovat s jinými složkami a může tak docházet ke snížení výživové hodnoty potravin, ke zhoršení organoleptických vlastností apod. Volné radikály mají mutagenní účinky na DNA, karcinogenní účinky, teratogenní účinky, oxidační produkty lipidů mohou reagovat s bílkovinami za tvorby sraženin, které se usazují v cévách a zvyšují riziko trombózy a infarktu. K oxidaci lipidů a následnému vzniku volných radikálů může docházet působením UV záření, vlivem škodlivin z okolního prostředí, kouřením apod. Antioxidačně působí některé vitamíny jako např. β-karoten (provitamin A), karotenoidy, vitamin E (tokoferoly), vitamin C, bioflavonoidy, sloučeniny Selenu, Síry, Zinku, i některé enzymy.
14.1 Bioflavonoidy Dnes je známo více než 4 000 flavonoidních látek rostlinného původu, jejich počet není konečný. Dávají potravinám rostlinného původu barvu, vůni, chuť, působí jako silné antioxidanty, jsou prevencí civilizačních chorob, zlepšují imunitní schopnosti organismu, mají antimikrobiální a protivirové účinky, některé z nich mají estrogenní účinky (izoflavony). Zesilují efekt vitamínů ovoce a zeleniny, což je jedním z důvodů, proč by měly vitamíny v přirozené formě mít přednost před vitamíny v doplňcích výživy. Bioflavonoidy jsou skupinou fenolických látek, obsahujících v molekule dvě benzenová jádra (A a B) spojené trojuhlíkovým řetězcem. U většiny flavonoidů je řetězec součástí heterocyklu odvozeného od pyranu (C), jádro B je spojené s heterocyklem v poloze C-2, C-3 nebo C-4.
Podle toho flavonoidy rozdělujeme do několika základních skupin. Mezi flavonoidy s jádrem B připojeným v poloze C – 2 patří katechiny, leukoantokyaníny, flavony, flavanonoly, flavanony, flavonoly, antokyaniny, v poloze C – 3 izoflavonoidy a v poloze C – 4 neoflavonoidy. Katechiny jsou přítomné v zeleném a černém čaji, přičemž 2x vyšší obsah je v zeleném čaji. Antokyaniny (Antokyany) jsou nejrozšířenější a nejpočetnější skupinou ve vodě rozpustných oranžových, červených, fialových a modrých rostlinných pigmentů. Dosud bylo identifikováno přes 300 druhů. Vyskytují se v celé řadě druhů ovoce (borůvky, tmavé hroznové víno, švestky, ostružiny, třešně, višně, maliny, jahody, rybíz, brusinky, angrešt, jablka, hrušky) a zeleniny (baklažány, červené zelí, ředkvičky), jsou používány jako potravinářská barviva. 76
Flavanony jsou v potravinách rozšířeny poměrně málo, ve vyšších koncentracích se nacházejí pouze v citrusech a jedná se o bezbarvé až světle žluté látky. Flavanonoly jsou také z hlediska obsahu v potravinách nevýznamné, ve větším množství jsou přítomné v čerstvých arašídech. Flavony patří spolu s flavonoly k nejrozšířenějším žlutým rostlinným pigmentům, jsou obsaženy v citrusech, v rýžových otrubách, v listech ginkgo biloba. Flavonoly často provázejí antokyaníny, nejvýznamnější z nich jsou kvercetin, rutin, od nichž jsou odvozeny další hydroxyderiváty. Kvercetin je obsažen v zeleném a černém čaji, v cibuli, pórku, česneku, jablkách, višních, bobulovinách a citrusech, v borůvkách je pak obsažen flavonol isokvercetrin. Rutin spolu s dalšími bioflavonoidy zvyšuje hladinu vitamínu C v těle a zlepšuje pevnost cév (prevence vzniku křečových žil). Významný obsah je v zeleném a černém čaji, v pohance a v šípcích. Izoflavony jsou ve vyšších koncentracích obsaženy pouze v bobovitých rostlinách, jsou významnými zástupci fytoestrogenů. Je známo několik desítek druhů. Je-li hladina estrogenů u žen nízká, např. v období menopauzy, začnou izoflavony působit stejně jako estrogeny. Snižují riziko rakoviny prsu, působí preventivně proti vzniku osteoporózy, zmírňují obtíže, které provázejí klimaktérium. Nejvyšší obsah izoflavonů mají sója a sójové produkty. Dále se nacházejí v arašídách, slunečnici a máku. Stilbeny jsou látky strukturně podobné flavonoidům, jedná se o deriváty uhlovodíku stilbenu, které mají ve struktuře dvě benzenová jádra spojená dvouuhlíkovým řetězcem. Jako barviva jsou nevýznamné, ale mají výrazné antioxidační vlastnosti. Nejvýznamnějším zástupcem je resveratrol. Vyskytuje se hojně ve slupkách hroznového vína.
14.2 Antioxidačně působící enzymy Antioxidačně mohou působit i některé tělu vlastní enzymy, které postupně mění jedovatý superoxidový radikál až na vodu a kyslík. Jsou to Superoxid dismutáza, kataláza a glutation peroxidáza. Superoxid dismutáza (SOD) je přirozený, tělu vlastní enzym, silný antioxidant, který přeměňuje superoxidový radikál na méně toxický peroxid vodíku, který je dále odbouráván pomocí dalších enzymů. Glutathion peroxidáza (GSHPx, GPx) je enzym, který v těle mění jedovatý a karcinogenně působící peroxid vodíku na vodu a kyslík. K aktivaci potřebuje malá množství selenu. Samotný enzym nemůže být podáván v potravě, neboť je rozkládán v trávící soustavě, jeho obsah v těle se zvyšuje podáváním koenzymu, tripeptidu glutationu. Kataláza je enzym katalyzující rozklad molekuly peroxidu vodíku na vodu a kyslík. Kataláza se v těle přirozeně vyskytuje, většinou se tvoří jen v cytoplazmě buněk.
Literatura: 1. Hoza I., Kramářová D., Budínský P.: Potravinářská biochemie I - III , Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Zlín 2007, ISBN 80-7318-395-1 2. Pánek J., Pokorný J., Dostálová J., Kohout P.: Základy výživy, Svoboda Servis, Praha 2002, ISBN 80-86320-23-5 3. Velíšek J., Hajšlová J.: Chemie Potravin I., OSSIS, 2009 (ISBN 978-80-86659-15-2) 4. www.upol.cz/fileadmin/user_upload/FTK.../Antioxidanty.ppt (18.4.2010) 5. www.celostnimedicina.cz/volne-radikaly-a-antioxidanty-mudr-vaclav- holecek-csc.htm (18.4.2010) 6. http://www.vitamins.cz/archiv/2003/doc/p/P_30C.doc (29.10.2010) 7. dspace.knihovna.utb.cz/handle/10563/8052?show=full (29.10.2010) 8. www.nlm.nih.gov/medlineplus/antioxidants.html (29.12.2010)
77
16. Hormony – endokrinní žlázy, základní funkce hormonů Endokrinní systém, společně s nervovým systémem zprostředkovává komunikaci mezi jednotlivými buňkami a orgány, a reguluje metabolickou, morfologickou a funkční homeostázu. Hormony jsou látky, které regulují i nejsložitější biochemické pochody celých signálních soustav, představují vlastně chemické posly, které přenáší signály mezi buňkami. Koncentrace hormonů v krevní plazmě – 10-12 – 10-7 mol/l. Základními funkcemi hormonů jsou udržení homeostázy, reakce na podněty, regulace a kontrola některých metabolických cyklů. Hormony jsou produkovány ve specializovaných žlázách s vnitřní sekrecí neboli endokrinních žlázách, ze kterých jsou vylučovány a přechází do místa svého působení. Jejich účinek v cílových tkáních se projeví až po vazbě na specifické receptory přítomné v těchto cílových tkáních. Hormony ovlivňují jen buňky, které nesou daný specifický receptor, proto je zaručena správná funkce. Receptory jsou buněčné proteiny, které mají dvě domény, jedna zajišťuje rozpoznání hormonu, druhá produkuje tzv. druhý signál, který spojuje rozpoznání hormonu s danou funkcí. Podle rozpustnosti dělíme hormony na hormony ve vodě rozpustné a ve vodě nerozpustné. Hormony rozpustné ve vodě se váží na receptory přítomné na buněčných membránách a nepotřebují další transportní proteiny. Do této skupiny patří např. hormony dřeně nadledvin, peptidové hormony. Naopak hormony ve vodě nerozpustné se váží na receptory přítomné uvnitř buňky v cytoplazmě nebo jádře a většina potřebuje transportní proteiny. Sem patří např. steroidní hormony či hormony štítné žlázy. Podle chemické povahy dělíme hormony na hormony odvozené od aminokyselin (adrenalin, noradrenalin, hormony štítné žlázy, serotonin, histamin, melatonin), steroidní hormony (hormony kůry nadledvin a pohlavní hormony), hormony odvozené od mastných kyselin (prostaglandiny) a hormony peptidové a proteinové (hormony hypothalamu, kalcitonin, parathormon, hormony pankreatu, GIT). Podle vzdálenosti působení dělíme hormony na autokrinní, které působí na buňky, které je produkují a uvolňují, parakrinní, které působí na buňky v blízkém okolí, endokrinní, které působí na vzdálené buňky a feromony, působící na jednice téhož druhu. Mezi endokrinní žlázy patří hypothalamus, nadvěsek mozkový (epifýza), podvěsek mozkový (hypofýza), štítná žláza, příštitná tělíska, thymus (brzlík), nadledviny, slinivka břišní (pankreas), gonády (pohlavní orgány). Hormony hypothalamu řídí vylučování hormonů z adenohypofýzy, která je regulačním centrem pro další žlázy. Mezi hormony hypohtalamu patří polypeptidové hormony, označované také jako hypothalamické faktory, které ovlivňují adenohypofýzu buď stimulačně, pak se jedná o liberiny nebo inhibičně, kdy hovoříme o statinech. Tyto hormony jsou transportovány krví do adenohypofýzy, která je pro ně cílovým orgánem. Sekrece hormonů hypothalamu je ovlivněna centrálním nervovým systémem (CNS). Mezi liberiny patří např. thyreoliberin (dále ovlivňuje činnost štítné žlázy), gonadoliberin (ovlivňuje pohlavní žlázy), kortikoliberin (ovlivňuje nadledviny). Mezi statiny např. somatostatin. Hormony adenohypofýzy (glandotropní hormony) jsou strukturně také polypeptidové hormony a řadíme sem např. Thyrotropin, který stimuluje produkci hormonů štítné žlázy, Gonadotropní hormony Folikulotropin (FSH), řídící menstruační cyklus a ovulaci a Luteinizační hormon (LH), stimulující tvorbu progesteronu a testosteronu. Z dalších jsou to Růstový hormon neboli Somatotropin (STH), ovlivňující růst, metabolismus lipidů, sacharidů, minerálů, je také antagonistou inzulinu, Prolaktin (PRL), ovlivňující laktaci, Adrenokortikotropní hormon (ACTH), regulující funkci kůry nadledvin, či Endorfiny. Při poruše funkce adenohypofýzy dochází sekundárně k poruchám funkce štítné žlázy, kůry nadledvin, gonád, k ovlivnění metabolismu tuků, sacharidů, vody a proteinů. Hormony neurohypofýzy jsou biologicky aktivní látky regulující rovnováhu vody. Strukturně se jedná o oligopeptidy. Patří sem Oxytocin, řídící kontrakce dělohy při porodu a následně ovlivňuje laktaci či Vasopresin (ADH), zvyšující zpětnou resorpci vody v ledvinách. Hormonem epifýzy je Melatonin, uplatňující se při řízení „biologických hodin“. Hormony dřeně nadledvin označujeme společným názvem katecholaminy, protože se jedná o deriváty pyrokatecholu (1,2 – dihdroxybenzen) s aminovou skupinou. Buňky dřeně nadledvin jsou schopné biosyntézy, resorpce, skladování a sekrece katecholaminů. Jejich společným prekurzorem je aminokyselina tyroxin. Uvolnění těchto enzymů ovlivňuje hladina Ca2+. Jejich účinek spočívá ve vyvolání stahů hladké svaloviny cév, prokrvení orgánů. Cirkulují v plazmě, vázané na albumin a mají extrémně krátký poločas rozpadu (30 sekund). Mezi tyto hormony patří Noradrenalin a Adrenalin. 78
Hormony kůry nadledvin jsou steroidní hormony, označované jako kortikoidy a dělíme je na glukokortikoidy a mineralokortikoidy. Jedná se o slabě polární látky, jejich funkce se projeví až po průchodu do buněk a vazbě na intracelulární receptory. Společným prekurzorem je cholesterol. Mezi mineralokortikoidy patří Aldosteron, který ovlivňuje metabolismus Na+ a K+. Glukokortikoidy jsou ve vodě nerozpustné hormony, stimulují glukoneognezi, proteolýzu, lipolýzu, ovlivňují zánětlivé procesy, odolnost proti stresu. Jejich sekrece je ovlivněna hypothalamem a adenohypofýzou, zvýšená sekrece je při stresových situacích. Zástupci mineralokortikoidů jsou Kortizon a Kortikosteron. Při poruše funkce nadledvin dochází ke vzniku Addisonovy choroby, která se projevuje hypoglykémií, ochabnutím svalů, retencí draslíku, nadměrným vylučováním sodíku a dalšími poruchami souvisejícími s metabolismem vody a minerálů. Pohlavní hormony tvořeny v pohlavních orgánech a částečně v nadledvinách. Ovlivňují reprodukci, rozvoj druhotných pohlavních znaků. Androgeny jsou mužské pohlavní hormony, deriváty androstanu, které ovlivňují vývoj mužských pohlavních orgánů a sekundárních pohlavních znaků, mají anabolický účinek, podporují růst svalové hmoty. Jejich produkce je regulována z nadřazených center, hypothalamu a adenohypofýzy. Patří sem Testosteron, který stimuluje spermiogenezi. Obměnou androgenů se připravují anabolické steroidy. Estrogeny jsou ženské pohlavní hormony, které podporují proliferaci děložní sliznice, ovlivňují rozvoj sekundárních pohlavních znaků, omezují růst dlouhých kostí. Jejich zástupcem je Estradiol. Gestageny jsou ženské pohlavní hormony syntetizované v placentě a patří mezi ně Progesteron, který připravuje děložní sliznici pro přijmutí vajíčka a je ve vysokých hladinách produkován v těhotenství. Obměnou gestagenů se připravují sloučeniny s antiovulačním účinkem. Estrogeny působí současně s gestageny, podílí se na ovulaci a přijmutí vajíčka po oplodnění. Nedojde-li k oplodnění, prudce klesá hladina obou hormonů a dochází k menstruačnímu krvácení. Hormony štítné žlázy tzv. thyreoidální hormony regulují genovou expresi, tkáňovou diferenciaci, celkový psychosomatický vývoj. Pro svou biologickou účinnost potřebují stopové dávky jodu. Thyroxin (tetrajodtyronin, T4), Trijodthyronin (T3) a Reverzní trijodthyronin (rT3) jsou hormony štítné žlázy. Jod z potravy ve formě jodidu se krví dostává ke štítné žláze, kde je vychytán, peroxidem vodíku oxidován na jod. V dalších reakcích vzniká nejprve T4, který je prohormonem. Účinným hormonem je T3. rT3 je biologicky neaktivní forma. Zdravotní komplikace a rozvoj onemocnění způsobují jak nízké, tak i vysoké hladiny těchto hormonů. Pro hypothyreoidismus (dysfunkce štítné žlázy) je typická obezita, chladná pokožka, zvětšení štítné žlázy (vole), Naopak hyperthyreoidismus (hyperfunkce štítné žlázy) způsobuje opačné účinky, štítná žláza je také zvětšena, ale bez tvorby vole. Hormony regulující metabolismus vápníku jsou Parathormon (PTH), což je peptidový hormon přištítné žlázy, ovlivňuje metabolismus vápníku a hořčíku, stimuluje tvorbu vitamínu D. Kalcitonin je hormon štítné žlázy, který snižuje koncentraci vápníku a brzdí resorpci vápníku z kostí a ledvin. Hormony pankreatu - buňky alfa produkují glukagon, buňky beta inzulin, buňky gama somatostatin. Inzulin je první uměle připravený hormon. Je to polypeptid, syntetizovaný jako proinzulin na ribozomech endoplazmatického retikula. V Golgiho aparátu vzniká pak Inzulin a C peptid. Jeho sekrece je ovlivněna koncentrací glukozy v krvi, ovlivňuje ukládání glukózy pro pozdější použití. Při hyperglykémii vzniká onemocnění diabetes mellitus, způsobené nedostatečnou funkcí inzulinu a glukagonu. Glukagon je syntetizován v Langerhansových ostrůvcích pankreatu, je to polypeptid, syntetizovaný přes prohormon proglukagon. Má opačné účinky inzulinu, je vylučován při hypoglykémii a urychluje degradaci glykogenu. Somatostatin pak inhibuje funkci inzulinu a glukagonu tím, že brzdí jejich sekreci. Glykémie je ukazatelem intenzity metabolismu sacharidů a metabolického stavu organismu. Fyziologická hladina glukózy v krvi je v rozmezí 4,0 – 5,6 mmol/l. Do 6 mmol/l hovoříme o lehké HG, 6 – 7 mmol/l zvýšené HG a nad 7,0 mmol/l o vysoké HG. Naopak hypoglykémie nastává při náhlém výdeji energie, při některých metabolických porchách, při nadprodukci inzulínu nebo nedostatečné produkci glukagonu, projevuje se třesem, pocením, bušením srdce, hladem. Při glykémii pod 2,5 mmol/l nastává hypoglykemický šok. Rozlišujeme Diabetes mellitus I. Typu, kdy se jedná o absolutní nedostatek inzulínu způsobený autoimunitním procesem v organismu, na jehož konci je zničení B buněk pankreatu, a Diabetes mellitus II. Typu, kdy se jedná o relativní nedostatek inzulínu podmíněný nerovnováhou mezi sekrecí a účinkem inzulinu, kdy slinivka produkuje nadbytek inzulinu, avšak tělo je na inzulin více či méně „rezistentní“. Hormony gastrointestinálního traktu ovlivňují trávení a vstřebávání živin. Gastrin je produkován v žaludku, zvyšuje produkci HCl a pepsinogenu. Je inhibován hladinou HCl a ostatními GIT hormony. Sekretin je vylučován v dvanáctníku, ovlivňuje činnost pankreatu. Peptid zpomalující žaludeční činnost (GIP) brzdí vylučování HCl, žaludeční pohyby a vyprazdňování žaludku. Tkáňové hormony jsou zvláštní skupinou hormonů, neboť nejsou produkovány v endokrinních žlázách, ale přímo ve tkáních. Jsou to chemicky různorodé látky a patří sem např. endorfiny, serotonin, gastrin, sekretin. 79
Literatura: 1. Hoza I., Kramářová D., Budínský P.: Potravinářská biochemie I - III , Univerzita Tomáše Bati ve Zlíně, Zlín 2007, ISBN 80-7318-395-1 2. http://genetika.wz.cz/hormony.htm (12.3.2010) 3. Pánek J., Pokorný J., Dostálová J., Kohout P.: Základy výživy, Svoboda Servis, Praha 2002, ISBN 80-86320-23-5 4. Velíšek J., Hajšlová J.: Chemie Potravin I., OSSIS, 2009 (ISBN 978-80-86659-15-2) 5. www.gymbos.cz/kabinety/chemie/hormony.pdf (15.3.2010) 6. www.endokrinni-system.cz/ (15.3.2010) 7. is.muni.cz/elportal/estud/fsps/js07/fyzio/texty/ch07.html (15.3.2010) 8. www.labtestonline.cz/condition/Condition_EndocrineSyndromes.html (15.3.2010)
80
81
Obecná a potravinářská biochemie pro bakalářské studium doc. Ing. Alexander Čegan, CSc. RNDr. Lucie Korecká, Ph.D.
Univerzita Pardubice Fakulta chemicko-technologická 2010
