Univerzita Karlova v Praze Přírodovědecká fakulta Katedra učitelství a didaktiky chemie Studijní program: Chemie Studijní obor: Chemie a biologie se zaměřením na vzdělávání
Znak
David Šarboch
Trávení lipidů a jejich transport v lidském těle Lipid digestion and transport in human body Bakalářská práce
Vedoucí práce: doc. RNDr. Helena Klímová, CSc.
Praha, 2016
Prohlášení: Prohlašuji, že jsem závěrečnou práci zpracoval samostatně a že jsem uvedl všechny použité informační zdroje a literaturu. Tato práce ani její podstatná část nebyla předložena k získání jiného nebo stejného akademického titulu.
V Praze, dne
Podpis:
Poděkování: Na tomto místě bych chtěl poděkovat školitelce doc. RNDr. Heleně Klímové, CSc. za cenné rady, ochotu a všestrannou pomoc při vedení této bakalářské práce. Dále bych rád poděkoval své rodině, přátelům a všem, kteří jakýmkoli způsobem přispěli k dokončení této práce, za poskytnutou pomoc a podporu.
Klíčová slova: trávení, trávicí soustava, lipidy, lipoproteiny, ateroskleróza, pracovní listy, výukový text
Key words: digestion, digestive system, lipids, lipoproteins, atherosclerosis, work sheets, educational materials
Abstrakt Tato bakalářská práce je zaměřena na tvorbu výukových materiálů pro střední školy, konkrétně na téma trávení lipidů a jejich transport v lidském těle. Práce se skládá ze tří částí. Vzhledem k mezioborovému charakteru tématu práce je první část věnována výukovému textu zaměřenému na anatomii trávicí soustavy, druhá část pojednává o trávení lipidů a třetí část se věnuje jejich transportu v lidském těle. Výstupem práce jsou, kromě výše zmíněných výukových textů, i dva pracovní listy na téma trávení lipidů (celkem 9 úloh) a transport lipidů (celkem 8 úloh), které slouží zejména k procvičení probrané látky a vycházejí z informací uvedených ve výukových textech. Práce obsahuje pracovní listy s autorským řešením, pracovní listy bez řešení se nachází v příloze na samostatném médiu CD-R. Oba materiály byly vytvořeny za účelem zefektivnění výuky chemie na středních školách a její interdisciplinární propojení s biologií.
Abstract This bachelor’s thesis focuses on creating educational materials for secondary school education, especially on the topic of lipid digestion and their transport in human body. The thesis consists of three parts which have interdisciplinary character. The first part of the thesis is dedicated to educational text focused on anatomy of digestive system, the second part deals with digestion of lipids and finally the third part is dedicated to their transport in human body. The result of the thesis are two work sheets as well, focused on the digestion of lipids (9 exercises) and on the lipid transport (8 exercises), which can be used especially for practising explained curriculum. The work sheets are based on the educational texts. The thesis contains the work sheets with the original solutions, the uncomplete work sheets are enclosed in the attachement on CD-R. Both templates were created to make teaching of chemistry at secondary school more effective and to enable teachers to link this topic with biology.
Seznam zkratek: apo – apoprotein BMI – body mass index (index tělesné hmotnosti) C – volný cholesterol CE – cholesterylester FFA – free fatty acids (volné mastné kyseliny) FSV – fatty soluble vitamins (vitaminy rozpustné v tucích) GA – Golgiho aparát HDL – high density lipoprotein (lipoprotein o vysoké hustotě) IDL – intermediate density lipoprotein (lipoprotein o střední hustotě) LDL – low density lipoprotein (lipoprotein o nízké hustotě) LPL – lipoproteinová lipasa MAG – monoacylglycerol MK – mastná kyselina PL – fosfolipid RER – rough endoplasmic reticulum (hrubé endoplazmatické retikulum) RLDL – receptor pro LDL RVP G – rámcový vzdělávací plán pro gymnázia RZC – receptor pro zbytkový chylomikron SER – smooth endoplasmic reticulum (hladké endoplazmatické retikulum) TAG – triacylglycerol vit. - vitamin VLDL – very low density lipoprotein (lipoprotein o velmi nízké hustotě)
Obsah 1
2
3
Úvod a cíle bakalářské práce ......................................................................................9 1.1
Obecný úvod k problematice bakalářské práce ....................................................9
1.2
Cíle bakalářské práce .........................................................................................10
Zastoupení tématu ve vzdělávacích programech a učebnicích.................................11 2.1
Rámcové vzdělávací programy pro gymnázia (RVP G) ........................................11
2.2
Učebnice ............................................................................................................12
Anatomie trávicí soustavy ........................................................................................13 3.1
Úvod ..................................................................................................................13
3.2
Ústní dutina .......................................................................................................14
3.2.1
Slinné žlázy .................................................................................................14
3.2.2
Zuby ............................................................................................................15
3.2.3
Jazyk ...........................................................................................................16
3.2.4
Patrová mandle ..........................................................................................16
3.3
4
Hltan a jícen .......................................................................................................16
3.3.1
Hltan...........................................................................................................16
3.3.2
Jícen ............................................................................................................17
3.4
Žaludek ..............................................................................................................18
3.5
Tenké střevo ......................................................................................................18
3.6
Slinivka břišní .....................................................................................................20
3.7
Játra a žlučník ....................................................................................................21
3.8
Tlusté střevo ......................................................................................................22
Trávení lipidů ...........................................................................................................23 4.1
Lipidy a jejich klasifikace ....................................................................................23
4.2
Fyzikální vlastnosti lipidů....................................................................................24
4.3
Hydrolýza a resorpce jednoduchých lipidů .........................................................25
4.4
Hydrolýza složených lipidů .................................................................................27
4.5
Hydrolýza a resorpce odvozených lipidů ............................................................27
4.6
Resorpce žlučových kyselin ................................................................................28
4.7
Resyntéza lipidů .................................................................................................28
4.8
Náhražky tuků ....................................................................................................29
4.8.1
Olestra ........................................................................................................29
4.8.2 5
Caprenin .....................................................................................................30
Transport lipidů ........................................................................................................32 5.1
Lipoproteiny ......................................................................................................32
5.1.1
Struktura lipoproteinů.................................................................................32
5.1.2
Typy lipoproteinů ........................................................................................32
5.1.2.1 CHYLOMIKRONY ......................................................................................33 5.1.2.2 VLDL ........................................................................................................34 5.1.2.3 IDL...........................................................................................................35 5.1.2.4 LDL ..........................................................................................................35 5.1.2.5 HDL .........................................................................................................35
6
5.1.3
„Hodný“ a „zlý“ cholesterol .........................................................................36
5.1.4
Oxidovaný LDL a ateroskleróza ...................................................................37
Pracovní listy ............................................................................................................39 6.1
Trávení lipidů .....................................................................................................39
6.2
Transport lipidů .................................................................................................43
7
Závěr ........................................................................................................................47
8
Seznam použité literatury a internetové odkazy......................................................48
1 Úvod a cíle bakalářské práce 1.1
Obecný úvod k problematice bakalářské práce
Výukové materiály jsou v dnešní době žádanou pomůckou mezi učiteli. Doba i společnost postupují ve svém vývoji velmi rychle dopředu a učitel na tuto skutečnost musí při přípravách svých vyučovacích hodin reagovat. Pohled na školu jako na zdroj informací je dnes již chápán jako poněkud přežitý a zkostnatělý. V době všudypřítomného internetu a chytrých telefonů či tabletů, které umožňují vyhledání konkrétních informací bleskovým tempem, musí učitel spíše vést žáky ke kritickému hodnocení vyhledaných faktů, k vytváření mezipředmětových vztahů, ke komplexnímu chápání dané problematiky. A v tomto mohou být výukové materiály užitečným a praktickým pomocníkem učitelů. Dle mého názoru je důležité vytvářet právě ty komplexní a vztahy mezi disciplínami definující soubory, aby i ti učitelé, kteří nejsou zvyklí informace ze svého předmětu propojovat s předměty ostatními, měli dostatek dostupných možností, jak se tohoto úkolu zhostit. I z toho důvodu jsem si vybral na Katedře učitelství a didaktiky chemie výše uvedené téma bakalářské práce. Výuka všech předmětů by měla co nejvíce reagovat na aktuální dění, měla by sledovat vývoj dané disciplíny a nabízet žákům různé pohledy na probíranou problematiku. Zejména u přírodovědných předmětů je nutné spojit učivo s každodenním životem. Jedním z témat, která jsou okolo nás neustále diskutována, je právě trávení, zaobalené v dnes již vžitých pojmech jako vyvážená strava, zdravá výživa, problémy příjmu potravy, apod. S trávením, popř. metabolismem živin, ovšem souvisí také mnoho patologických stavů organismu. Jedním z největších problémů moderní doby je obezita a s ní související diabetes mellitus. Následky nedostatku inzulinu v plasmě (při cukrovce I. a II. typu) vyúsťují mimo jiné ve zvýšenou syntézu mastných kyselin v játrech a tukových tkáních a v důsledku toho v hyperlipidemii (zvýšená hladina lipidů v krvi). S tím souvisí i vznik srdečních onemocnění, zejména aterosklerózy, při které dochází k usazování lipoproteinů v epitelu cév a tím k zužování jejich průsvitu. Není pochyb o tom, že proces trávení je nezanedbatelnou součástí učiva ať už na škole základní či střední, ať už v chemii či přírodopisu a biologii. Je to téma mezioborové a jako takové nabízí ideální možnost k interdisciplinárnímu propojení učiva zmíněných předmětů. Proto je v úvodní části této bakalářské práce první část věnována stručné 9
charakteristice anatomických oddílů trávicí soustavy probírané v hodinách biologie, část druhá pak samotnému procesu trávení a část třetí transportu vstřebaných lipidů v těle. Výstupem bakalářské práce jsou také dva pracovní listy na téma trávení lipidů (9 úloh) a transport lipidů v lidském těle (8 úloh). Samotná bakalářská práce obsahuje pracovní listy s řešením, pracovní listy bez řešení jsou součástí přílohy.
1.2
Cíle bakalářské práce
a) Vytvořit vzdělávací text pro učitele, ze kterého budou moci čerpat při přípravách vyučovacích hodin chemie či biologie ať už těch základních či například seminárních. Vzdělávací text by měl učitelům usnadňovat výběr učiva, které odpovídá schopnostem žáků dané třídy a časovým možnostem vymezeným zejména časově-tematickým plánem. b) Připravit pracovní listy, které by mohli učitelé využívat v hodinách, ať už
k procvičení učiva nebo ověřování jeho pochopení.
10
2 Zastoupení tématu ve vzdělávacích programech a učebnicích 2.1
Rámcové vzdělávací programy pro gymnázia (RVP G)
Vzdělávacími oblastmi, které zahrnují téma trávení, jsou Člověk a příroda a Člověk a zdraví. V oblasti Člověk a příroda jsou v oboru Chemie, konkrétně biochemie, a v oboru Biologie vymezeny očekávané výstupy žáka následovně: obor Chemie a) „Žák charakterizuje základní metabolické procesy a jejich význam.“ (7) Vzhledem k omezenému rozsahu bakalářské práce je metabolismus lipidů zmíněn velmi okrajově, nicméně proces trávení je jeho základním článkem. b) „Žák objasní strukturu a funkci sloučenin nezbytných pro důležité chemické procesy probíhající v organismech.“ (7) Kromě lipidů tato práce částečně pojednává i o enzymech, vitaminech a dalších látkách podílejících se na trávení a vstřebávání. obor Biologie a) „Žák využívá znalosti o orgánových soustavách pro pochopení vztahů mezi procesy probíhajícími v lidském těle.“ (7) Této tématice se věnuje zejména anatomická část bakalářské práce, která se kromě samotné trávicí soustavy zaměřuje též na soustavu mízní a cévní. Oblast Člověk a zdraví, obor Zdravý způsob života a péče o zdraví, vymezuje mimo jiné následující očekávaný výstup žáka: a) „Žák usiluje o pozitivní změny ve svém životě související s vlastním zdravím a zdravím druhých.“ (7) K tomuto bodu se vztahují zejména s trávením úzce související pojmy zdravá výživa a zdravý životní styl. Téma této bakalářské práce reflektuje všechny výše jmenované očekávané výstupy žáka a samotný výukový text je jedním z prostředků umožňujících jejich naplnění. Kromě výše uvedených vzdělávacích oblastí je žádoucí také zmínit průřezové téma: Osobnostní a sociální výchova. Toto téma je zaměřené zejména na rozvoj osobnosti a správných 11
návyků v péči o sebe sama jak po fyzické, tak i po psychické stránce. Dlouhodobý stres, fyzická námaha a nepravidelná a nevyvážená strava mohou mít na proces trávení a samotný organismus velmi negativní dopady, které je potřeba ve výuce této problematiky zmiňovat.
2.2
Učebnice
Jedním z důvodů, které mě vedly k výběru tohoto tématu, bylo neuspokojivé zastoupení této problematiky v učebnicích chemie. Ač by se mohlo zdát, že je toto téma pro zařazení do biochemických kapitol vhodné, v učebnicích základních a středních škol je uváděno jen velmi okrajově. Příkladem jsou středoškolské učebnice chemie: Chemie pro čtyřletá gymnázia (Honza, J., Mareček, A.)(1), Přehled středoškolské chemie (Vacík, J.)(2) a Chemie pro gymnázia II (Kolář, K.)(3). V učebnicích
(2)
a (3) je tématika trávení zachycena pouze
jednou větou, která slouží jako úvod pro metabolismus dané živiny, v učebnici (1) je trávení lipidů shrnuto jednoduchým schématem, trávení ostatních živin je zmíněno jen okrajově. Naopak učebnice biologie se oproti učebnicím chemickým tématu trávení věnují dostatečně. Opět si můžeme uvést tři příklady: Biologie člověka (Kočárek, K.)(4), Biologie pro gymnázia (Jelínek, J., Zicháček, V.)(5) a Nový přehled biologie (Rosypal, S. a kol.)(6). V učebnici
(4)
je procesu trávení a vstřebávání živin věnována celá jedna podkapitola
oddílu zabývajícímu se trávicí soustavou. Učebnice
(5)
obsahuje kromě základních
informací o trávicích procesech i souhrnné schéma metabolismu základních živin. Učebnice
(6)
se věnuje spíše metabolismu živin, i když jednotlivé enzymy účastnící se
trávicích procesů jsou zde uvedeny také. Z uvedených analýz vyplývá, že proces trávení je výsadou biologických učebnic i přes to, že se jedná o ryze hydrolytické, enzymy katalyzované reakce. Z tohoto důvodu je smyslem bakalářské práce uvést téma trávení i do hodin chemie, kam bezesporu patří.
12
3 Anatomie trávicí soustavy 3.1
Úvod
Trávicí soustava zajišťuje příjem potravy, její mechanické a chemické zpracování, vstřebání vstřebatelných a vyloučení nevstřebatelných nebo nevstřebaných látek. Pro správné pochopení trávicích procesů a zejména pro lokalizaci jednotlivých etap trávení je důležité mít základní přehled o oddílech trávicí soustavy. Z tohoto důvodu je první část této práce věnována anatomii. Trávicí soustava člověka se skládá z trávicí trubice a přídatných žláz, které do ní vylučují trávicí šťávy. Pro přehlednost je celá soustava rozdělena do následujících oddílů: a) ústní dutina b) hltan a jícen c) žaludek d) tenké střevo e) slinivka břišní f) játra a žlučník g) tlusté střevo Toto rozdělení je jednou z mnoha možností jak lze trávicí soustavu rozčlenit. Na Obr. 1 jsou jednotlivé úseky trávicí soustavy znázorněny. Anatomie je do práce zahrnuta pro lepší orientaci učitelů nebiologů v této problematice. Jak již bylo napsáno v úvodu bakalářské práce, trávení je téma mezioborové a jako takové by mělo být vyučováno s patřičným důrazem na biologii.
13
Obr. 1 – Jednotlivé úseky trávicí soustavy člověka; upraveno podle (46)
3.2
Ústní dutina (8,10,18)
Proces trávení začíná již v ústní dutině. Rozmělněním potravy pomocí zubů se usnadní polykání, menší části potravy jsou tak lépe přístupné pro trávicí enzymy. Přítomnost potravy v ústech spouští nervové signály, které dávají pokyn k vylučování slin. Ústní dutina se skládá ze zubů, jazyka, slinných žláz, patra a patrových mandlí. 3.2.1 Slinné žlázy Slinné žlázy jsou četné žlázy s vývody do ústní dutiny, jejichž produktem jsou sliny mající několik složek. Složka serosní obsahuje enzymy a složka mucinosní připravuje sousto pro polknutí, zajišťuje jeho kompaktnost a hladký povrch (viz Tab. 1). Sliny jsou nejčastěji vylučovány třemi velkými párovými slinnými žlázami (žlázy příušní, podjazykové a podčelistní) a mnoha malými slinnými žlázkami. Mechanismus sekrece slin je zajištěn svalům podobnými buňkami, které svými výběžky obepínají každou žlázku a stahem dokážou ze sekreční buňky daný sekret vypudit. 14
Tab. 1 – Složení slin; upraveno podle (13)
Sliny Voda Hlen (mukus) Protilátky Enzymy
Denní produkce (l) pH 1,0 – 1,5 7 Zvlhčuje potravu Zajišťuje kluzkost potravy Zajišťují první ochranu před patogeny α-amylasa Štěpí škrob Lyzuje (rozkládá) buněčnou stěnu Lyzozym bakterií Lipasa Štěpí tuky
3.2.2 Zuby Zuby se podílejí na mechanickém zpracování potravy. Každý zub je tvořen korunkou, krčkem a kořenem (viz Obr. 2). Spojení mezi kořenem zubu a zubní jamkou zajišťuje systém vaziva označovaný jako ozubice a všechny tkáně nacházející se kolem krčku a kořene zubu se označují souborným názvem parodont. Povrch zubu kryje sklovina, která představuje nejtvrdší tkáň v těle. Obsahuje 95-98 % anorganických látek (především hydroxyapatitu – Ca5(PO4)3(OH)). Sklovina je nejsilnější na řezacích hranách a hrbolcích, kde dosahuje tloušťky až 2,5 mm.
Obr. 2 – Stavba zubu; upraveno podle(47) Pod sklovinou se nachází zubovina. Je to pojivová tkáň tvrdší než kost, obsahuje 72 % anorganických látek, opět převážně hydroxyapatit. Zubovina, jako ostatní pojivové tkáně, se skládá z buněk - odontoblastů a mezibuněčné hmoty, která je produktem těchto buněk. Uvnitř korunky se nachází dutina vyplněná dření. Dřeň obsahuje řídké vazivo, 15
bohatě vaskularizované a inervované. Nezbytnou součástí zubu je zubní cement, což je tkáň kryjící krček a kořen zubu, podobající se svou strukturou kosti a zajišťující spojení mezi samotným zubem a alveolem. 3.2.3 Jazyk Jazyk je svalovitý orgán podílející se na mechanickém zpracování potravy a jejím smyslovém vnímání prostřednictvím chuťových pohárků, na tvorbě řeči, ale i na obraně těla před patogeny (na jeho kořenu se nachází sliznice s četnými hrbolky tvořenými uzlíčky lymfatické tkáně – mandle jazyková). 3.2.4 Patrová mandle Patrová mandle je lymfatický orgán podílející se na obraně organismu. Tím, že se nachází v místě vstupu potravy a též v místě, kudy prochází velká část vdechovaného vzduchu, zprostředkovává bezprostřední odpověď na cizorodé látky a na infekční antigeny.
3.3
Hltan a jícen (10,11,12) 3.3.1 Hltan
Hltan (pharynx) tvoří spojovací úsek mezi ústní dutinou, hrtanem a jícnem. Do hltanu ústí dutina nosní a dutina ústní a dále z něj vede hrtan (larynx), jež je oddělen od hltanu příklopkou hrtanovou. Hltan dělíme na tři základní úseky: nosohltan, ústní část hltanu a hrtanová část hltanu. Názorně je rozdělení jednotlivých částí hltanu vidět na Obr. 3.
Obr. 3 – Rozdělení hltanu; upraveno podle(48) 16
Hltan tvoří významnou křižovatku dýchacího a trávicího traktu. Proces polykání proto musí být velmi pečlivě kontrolován, aby nedocházelo k pronikání sousta do dýchacích cest. Polykání je nepodmíněný reflex, během kterého dochází k automatickému uzavření nosohltanu pomocí měkkého patra a zároveň k posunutí horní části průdušnice směrem nahoru a uzavření hrtanové záklopky. Při špatné koordinaci obou pohybů může dojít k vniknutí části sousta jednak do dutiny nosní, jednak do průdušnice. K tomuto občas dochází při intenzivním mluvení během jídla či při zvracení. 3.3.2 Jícen Jícen je 23-25 cm dlouhá svalnatá trubice, která vede z hrtanové části hltanu a prochází hrudní dutinou a bránicí do dutiny břišní, kde se napojuje na žaludek. Jícen je od hrtanové části hltanu oddělen jícnovým svěračem, který se otevírá pouze tehdy, pokud dochází k polykání. Jídlo je jícnem posouváno díky peristaltickým pohybům, které jsou zajištěny svalovinou nacházející se ve stěně jícnu (viz Obr. 4). Peristaltika je u zdravého jícnu tak silná, že posouvá sousto směrem k žaludku i proti gravitaci (např. při stojce na hlavě). K peristaltice může příležitostně docházet i tehdy, není-li v jícnu přítomné sousto. To v nás vyvolává pocit „knedlíku v krku“. Svalový svěrač (česlo) se nachází na konci trubice, kde kontroluje vstup sousta do žaludku a brání návratu potravy zpět do jícnu. Pokud se přeci jen část obsahu žaludku s žaludečními šťávami dostane do jícnu (tzv. reflux), dochází k pálení žáhy. Častý reflux žaludečních šťáv může způsobit záněty epitelu jícnu, či dokonce rakovinu.
Obr. 4 – Struktura stěny trávicí trubice; upraveno podle (49,50)
17
3.4
Žaludek (10,12,13)
Žaludek leží v horní části břišní dutiny těsně pod levou brániční klenbou. Je to nápadně rozšířený vakovitý úsek trávicí trubice, který funguje jako rezervoár potravy, které může v krátké době přijmout značné množství a kterou pak po malých částech předává do tenkého střeva. Tak jako u jícnu, i v žaludku posouvá potravu do distálních (vzdálených) částí trávicí trubice peristaltika. Struktura žaludeční stěny je stejná, čtyřvrstvá jako u zbytku trávicí trubice. Žaludeční sliznice je tvořena několika druhy sekrečních buněk produkujících žaludeční šťávy (viz Tab. 2): a) buňky tvořící hlen b) buňky produkující trávicí enzymy lipasu a pepsinogen, c) buňky krycí, které produkují kyselinu chlorovodíkovou (HCl) a glykoprotein („žaludeční faktor“), který se váže na vitamin B12 a umožňuje jeho vstřebávání v tenkém střevě d) buňky endokrinní, které sekretují hormony Tab. 2 – Složení žaludečních šťáv; upraveno podle (13)
Žaludeční šťáva Voda Soli (elektrolyty) Hlen (mukus) HCl Enzymy
3.5
Denní produkce (l) 2-3 Vytváří polární prostředí
pH 1
Chrání žaludeční stěnu, pomáhá vázat vit. B12 Denaturuje bílkoviny a usmrcuje bakterie Pepsiny Štěpí bílkoviny Chymosin Sráží kasein Triacylglycerollipasa Štěpí tuky
Tenké střevo(10)
Tenké střevo je nejdelším úsekem trávicí trubice měřícím 3-5 m. Délka tenkého střeva je velmi variabilní, závisí na stupni kontrakce nebo uvolnění svaloviny stěny. Vzhledem k primární funkci tenkého střeva, tedy štěpení a následné resorpci živin, je slizniční vrstva speciálně strukturována. Je kryta epitelem, který obsahuje buňky produkující ochranný hlen. Celá plocha sliznice je poseta drobnými štíhlými výběžky zvanými střevní klky. Ty jsou vysoké 0,3 - 1 mm a na plochu epitelu 1 mm2 jich připadá 10-40, podle umístění 18
v tenkém střevě. Klky jsou vaskularizované a díky tomu je zajištěna resorpce živin z tenkého střeva. Na povrchu klků se vyskytují následující typy buněk produkující do lumen střevní šťávu (viz Tab. 3): a) Enterocyty – zajišťují vstřebávání látek z lumen (vnitřku) tenkého střeva. Každý enterocyt je pokryt až 3 000 miniaturních výběžků zvaných mikroklky. Společně s řasami sliznice zvětšují klky a mikroklky plochu tenkého střeva až na 200-300 m2. b) Pohárkové buňky – obsahují váčky vylučující mucin, který zvlhčuje a chrání epitel střeva. c) M-buňky – jsou napojené na shluky lymfatické tkáně, ze kterých přijímají lymfocyty. Následně umožňují bílým krvinkám kontakt s lumen střeva. Mezi klky se také nachází jamky, krypty, které jsou tvořeny dalšími specializovanými typy buněk: a) Kmenové buňky – buňky s vysokou dělící frekvencí, schopné obnovovat mrtvé buňky epitelu. b) Panethovy buňky – typické exokrinní buňky vylučující peptidasy. c) Endokrinní buňky – vylučují řadu hormonů, které mají účinek jednak na stěnu tenkého střeva, jednak na další části trávicího traktu. Tab. 3 – Složení střevních šťáv; upraveno podle (13)
Střevní šťáva Aminopeptidasy, dipeptidasy Glukosidasy Galaktosidasa, sacharasa, trehalasa Alkalická fosfatasa Nukleosidasy, polynukleotidasy Fosfolipasy
Denní produkce (l) ? Štěpí peptidy a dipeptidy Štěpí oligosacharidy
pH 6,5 – 7,8
Štěpí laktosu, sacharosu a trehalosu Štěpí estery kyseliny fosforečné Štěpí nukleosidy a polynukleotidy Štěpí fosfolipidy
Vzhledem k funkci tenkého střeva, kterou je primárně absorpce živin, je nutné zajistit co nejmenší možnost průniku patogenů do těla přes střevní stěnu. K tomuto účelu jsou těsně pod epiteliálním povrchem střevní stěny koncentrované uzlíky lymfatické tkáně, které se
19
spojují do bělavých shluků známých jako Peyerovy plaky. Peyerovy plaky se nachází pouze v kyčelníku a distálně jich přibývá. Tenké střevo můžeme rozdělit na tři úseky: dvanáctník, lačník a kyčelník. a) Dvanáctník (duodenum) – 20-28 cm dlouhá trubice, tvořící přechod mezi žaludkem a zbytkem trávicí soustavy. Do dvanáctníku ústí žlučovod a vývod ze slinivky břišní a to většinou společným vývodem. b) Lačník a kyčelník – dva zbylé úseky tenkého střeva. Všechny oddíly tenkého střeva jsou k zadní stěně dutiny břišní přichyceny okružím. Velikost tohoto vazivového závěsu určuje, jak moc se mohou odtáhnout střevní kličky od zadní stěny břišní například při operaci. Krevní zásobení tenkého střeva je zajištěno sítí tepen, které se oddělují z břišní aorty. Absorbované živiny jsou poté odváděny složitým žilním systémem do jaterní (portální) žíly a z té rovnou do jater.
3.6
Slinivka břišní(9,10)
Slinivka břišní (pankreas) je žláza, která produkuje trávicí enzymy (viz Tab. 4), jež jsou přes vývody dopraveny do dvanáctníku, a zároveň je místem syntézy hormonů, jež jsou krevním řečištěm roznášeny po celém těle. Společně s játry se díky vylučování trávicích šťáv podílí na katabolismu živin a tím usnadňuje jejich vstřebávání. Tab. 4 – Složení pankreatických šťáv; upraveno podle (13)
Pankreatická šťáva Voda
Enzymy
Denní produkce (l)
pH
0,7 – 2,5
7,7
Vytváří polární prostředí Neutralizuje žaludeční kyselinu Trypsin, chymotrypsin, elastasa, karboxypeptidasa α-amylasy Triacylglycerollipasa, kolipasa Fosfolipasa A2 Cholesterylesterasa
Štěpí bílkoviny Štěpí škrob a glykogen Štěpí tuky Štěpí fosfoacylglyceroly Štěpí molekuly cholesterolu
20
Ve slinivce se tvoří řada proenzymů (neaktivních forem enzymů), které se účastní trávení živin ve dvanáctníku: a) štěpení bílkovin – trypsinogen a chymotripsinogen b) štěpení cukrů – pankreatická amylasa c) štěpení tuků – lipasa
3.7
Játra a žlučník(10,11,12)
Játra (hepar) jsou největší exokrinní žlázou lidského těla. V játrech dochází k syntéze žluči (složení viz Tab. 5), která je nezbytná pro vstřebávání tuků. Také představují centrum katabolických a anabolických reakcí, což dokládá fakt, že procesy v játrech probíhající spotřebovávají okolo 12 % veškerého kyslíku vázaného v krvi, a krev, která tento orgán opouští, je těmito procesy zahřátá až na teplotu přes 40 ˚C. Játra se tak podílí i na termoregulaci těla. Tab. 5 – Složení žluče; upraveno podle (13)
Žluč Voda Soli žlučových kyselin Fosfolipidy Žlučová barviva Cholesterol Enzymy
Denní produkce (l) pH 0,6 6,9 - 7,7 Vytváří polární prostředí Neutralizuje žaludeční kyselinu Emulgují lipidy Emulgují lipidy Součást stolice Součást stolice Deoxyribonukleasa, Štěpí DNA a RNA ribonukleasa
Krevní zásobení jater je zajištěno jednak díky jaterní tepně a jednak díky jaterní žíle (portální), která vede do jater krev ze střev, žaludku, sleziny a pankreatu. Jaterní tkáň je tvořena jaterními buňkami, hepatocyty. Hepatocyt je buňka vylučující žluč, jejíž povrch je tvořen mikroklky. Na styku dvou hepatocytů je vždy žlučový kanálek, který se proplétá mezi buňkami a ústí do stále širších kanálů, které se nakonec sbíhají ve žlučovod. V jaterních kapilárách se pohybují Kupfferovy buňky. Jsou to makrofágy s bohatě členěným povrchem, fagocytující mikroorganismy a toxiny přicházející z portální žíly. V jaterní tkáni se nacházejí i Itoovy buňky, které produkují růstový faktor, podílející se na regeneraci jater, jsou zásobárnou vitaminu A a v neposlední řadě hrají roli 21
i v patologických procesech, kdy syntetizují kolagenní vazivo po zániku hepatocytů (např. při jaterní cirhóze). Schopnost regenerace jaterní tkáně, např. kvůli mechanickému či toxickému poškození, je velmi vysoká. Další strukturou trávicí soustavy je žlučník. Je to vak hruškovitého tvaru dosahující délky kolem 10 cm a nacházející se pod spodní stěnou jater. Žlučník slouží jako zásobárna žluči vyprodukované v játrech. Jeho buňky jsou schopny částečné resorpce vody a NaCl (chlorid sodný) a tím žluč zahušťují. Ve stěně žlučových cest i žlučníku se nachází hladká svalovina, která svou kontrakcí vypuzuje žluč do dvanáctníku.
3.8
Tlusté střevo(9,10,12)
Tlusté střevo je posledním anatomicky odlišeným úsekem trávicí trubice, dlouhým zhruba 1,5 m. Primární funkcí tlustého střeva, které ze střeva tenkého přijímá kašovitý až tekutý obsah téměř bez živin, je absorbovat vodu, soli a některé vitaminy a následně shromažďovat nestravitelné zbytky potravy. Sliznice tlustého střeva není zřasená v klky, má pouze četné krypty. Nachází se v ní několik typů buněk: a) enterocyty - obsahující granula s protilátkami typu IgA (imunoglobuliny A), které chrání sliznici proti působení mikroorganismů střevní flóry. b) endokrinní buňky - produkující hormony, které stimulují motilitu střeva. Pod epitelem tlustého střeva se opět nachází lymfatické uzlíky, které jsou roztroušeny po celém povrchu střeva; nejvíce je jich ve střevu slepém. První částí tlustého střeva je slepé střevo. Je to vakovitá vychlípenina nacházející se pod ústím střeva tenkého do střeva tlustého. Slepé střevo je zakončeno úzkým útvarem, tzv. červovitým výběžkem (appendix vermiformis). Výběžek je dlouhý asi 5-10 cm a silný jako tužka. Vzhledem k vysoké koncentraci lymfatické tkáně se červovitému výběžku někdy přezdívá „břišní mandle“. Slepé střevo postupně přechází v tračník. Na ten navazuje esovitá klička, která je nejužším úsekem tlustého střeva. Esovitá klička ústí v konečník zakončený řitním otvorem.
22
4 Trávení lipidů 4.1
Lipidy a jejich klasifikace (14,19,20)
Než přejdeme k jednotlivým etapám trávení lipidů, je nutné uvést základní informace o tom, co lipidy jsou a jakou mají strukturu. Lipidy jsou látky biologického původu rozpustné v organických rozpouštědlech, ale pouze částečně nebo úplně nerozpustné ve vodě. Tato definice stručně a jasně vystihuje základní charakteristiku těchto biomakromolekul. Lipidy třídíme na jednoduché, složené a odvozené. a) Jednoduché lipidy Příkladem jednoduchého lipidu je 1,2,3-triacylglycerol (TAG), jehož molekula je uvedena na Obr. 5. V TAG jsou na molekulu glycerolu (trojsytného alkoholu) navázány esterickou vazbou tři karboxylové kyseliny, tzv. mastné kyseliny (shora: stearová kyselina, olejová kyselina, palmitová kyselina). O H2C
O
HC
O
H2C
O
CH3
O C H3 C H3 O
Obr. 5 - 1,2,3-triacylglycerol (glycerol značen červeně, mastné kyseliny černě) b) Složené lipidy Příkladem složeného lipidu je fosfoacylglycerol patřící do skupiny fosfolipidů (lipidy mající ve
své
struktuře
zabudovanou kyselinu
fosforečnou).
Základem
fosfoacylglycerolu je opět glycerol se dvěma navázanými mastnými kyselinami (MK), ovšem třetí hydroxylovou skupinu obsadí kyselina fosforečná, na kterou se poté naváže další, většinou vysoce polární látka (ethylenamin, serin, cholin …). Na Obr. 6 je uvedena jako příklad molekula fosfatidylcholinu, který obsahuje cholin a mastné kyseliny palmitovou a olejovou. Fosfatidylcholin, patřící mezi lecithiny, je nejčastěji se vyskytujícím fosfolipidem v buněčných membránách živočichů a rostlin, proto byl vybrán jako příklad složených lipidů.
23
O H3C
H2 C
O
O HC O H2C
H3C
OH P O O
CH3
CH2 CH2
N+
CH3
CH3
O
Obr. 6 – Fosfatidylcholin (glycerol značen červeně, mastné kyseliny černě, fosfát modře a cholin fialově) c) Odvozené lipidy Prakticky všechny odvozené lipidy řadíme mezi isoprenoidy, jejichž základní stavební složkou jsou molekuly isoprenu. Isoprenoidy dělíme na terpenoidy a steroidy. Mezi terpenoidy patří například vitamin A, mezi steroidy pak cholesterol a jeho estery, či vitamin D. Cholesterylester je uveden na Obr. 7. O
CH3
H3 C
H3C
CH3
CH3
O CH3
Obr. 7 – Cholesterylester (cholesteryl-palmitát) vzniklý z palmitové kyseliny (červeně) a cholesterolu (černě) Všechny výše jmenované látky (zejména TAG, ale také fosfolipidy, vitaminy rozpustné v tucích, cholesterol a jeho estery) tvoří většinovou složku lipidů přijímaných v potravě, proto se v následujícím textu budeme zabývat zejména těmito látkami.
4.2
Fyzikální vlastnosti lipidů (14)
Základní vlastností všech lipidů ať už jednoduchých, složených či odvozených je nerozpustnost či velmi malá rozpustnost ve vodě. Voda je polární rozpouštědlo (obsahuje v molekule polární vazby), zatímco lipid je molekula, která se skládá z polární a nepolární části, a tudíž vytváří ve vodném prostředí soudržné shluky, tzv. tukové kapénky. Tukové kapénky jsou tvořeny obalem ze složených amfifilních lipidů (amfifilní molekula obsahuje jak hydrofilní, tak lipofilní část) a jádrem obsahujícím zejména nepolární triacylglyceroly, které tvoří převážnou část lipidů přijímaných v potravě. Tyto tukové kapénky jsou motilitou (stahy hladké svaloviny) žaludku a zejména střeva rozbíjeny na menší částice, tzv. micely. Z Obr. 8 je patrné, že amfifilní molekuly se ve vodném prostředí shlukují hydrofobními (lipofilními, nepolárními) konci k sobě 24
a hydrofilními (lipofobními, polárními) konci ven a tím vytváří kulovitou micelu. Tyto vlastnosti hrají zásadní roli v lidském organismu, kde se živiny pohybují téměř neustále ve vodném prostředí, a vytváření tukových kapének a micel ovlivňuje jejich štěpení a absorpci. Micely jsou ve dvanáctníku vytvářeny jednak díky solím žlučových kyselin, které se vylučují ve formě žluči z jater (respektive žlučníku), a jednak díky fosfolipidům vylučovaným z jater a přijímaným z potravy.
Obr. 8 – Struktura micely; upraveno podle (37)
Hydrolýza a resorpce jednoduchých lipidů (13,16,19)
4.3
Trávení jednoduchých lipidů (TAG) je enzymaticky katalyzovaná hydrolýza esterické vazby mezi mastnou kyselinou a alkoholem. Tento děj, katalyzovaný enzymy lipasami, je znázorněn na Obr. 9. O H2C
O
HC
O
H2 C
O
CH3
O
CH3
Triacylglycerollipasa
+
2 H2 O
CH3 O H2C
Triacylglycerollipasa
HC H2 C
OH
O
O
CH3 +
stearová kys. palmitov á kys.
OH
Obr. 9 – Enzymaticky katalyzovaná hydrolýza 1,2,3-triacylglycerolu za vzniku 2-monoacylglycerolu a volných mastných kyselin
25
K zahájení hydrolýzy neutrálních jednoduchých lipidů s krátkými a středně dlouhými řetězci MK dochází již v ústech díky linguální (jazykové) lipase vylučované Ebnerovými žlázami dorsálního povrchu jazyka. Poslední práce ukazují, že tento enzym nemá u člověka takový význam jako například u laboratorního potkana nebo myši, kde představuje jedinou preduodenální lipasu (tj. lipasu, která je sekretována v trávicím traktu před hlavní dvanáctníkovou lipasou). Štěpení TAG v oblasti žaludku je zajištěno žaludeční lipasou, která je zároveň hlavní preduodenální lipasou. Jazyková i žaludeční lipasa štěpí TAG obsahující krátké a středné dlouhé mastné kyseliny. Uvolňované MK s krátkým a středně dlouhým řetězcem jsou resorbovány žaludeční sliznicí a vstupují do portálního (jaterního) oběhu. TAG obsahující MK s dlouhým řetězcem postupují do dvanáctníku. Hydrolytické štěpení lipidů ve dvanáctníku katalyzují triacylglycerollipasy. Ovšem substráty enzymových hydrolytických reakcí jsou ve vodním prostředí agregovány, z důvodů výše popsaných, a tvoří tukové kapénky. Díky motilitě žaludku i střeva jsou však tukové kapénky rozbíjeny na menší částečky a následně emulgovány solemi žlučových kyselin a fosfolipidy (emulzifikace – tvorba kapalné emulze-směsi ze dvou nemísitelných fází). Díky tomuto procesu se zvětšuje povrch, na kterém můžou působit samotné lipasy. Lipasam pomáhají v těchto procesech enzymy kolipasy, které vážou lipasu na povrch kapénky. Kolipasa se naváže na žlučovou kyselinu tvořící povrch emulgované tukové kapénky, tím aktivuje lipasu, která je pak do svého aktivního místa schopná navázat triacylglycerol a rozštěpit ho. Jak je vidět z Obr. 5, triacylglycerollipasa hydrolyzuje TAG na atomech uhlíků C1 a C3 za vzniku dvou mastných kyselin a 2-monoacylglycerolu (MAG). MK a MAG poté agregují opět díky solím žlučových kyselin a fosfolipidům do micel, které jsou zhruba o dva řády menší než tukové kapénky. V jádru micel se tedy transportují naštěpené mastné kyseliny, monoacylglyceroly, dále pak vitaminy rozpustné v tucích (fatty soluble vitamins - FSV), popřípadně cholesterol. Vazbou micel na mikroklky střevního epitelu vstupují tyto lipidy (MK, MAG a FSV) do enterocytu prostou difúzí (pokud je koncentrace dané látky ve střevě větší než v enterocytu) či membránovými přenašeči. Ve vodě rozpustné MK s krátkým nebo středním řetězcem (o délce C4 – C10) mohou být vstřebány střevní stěnou i bez účasti micel.
Při úplné hydrolýze
triacylglycerolů se uvolňuje glycerol, který se vstřebává do portálního oběhu.
26
Hydrolýza složených lipidů (19,20,21)
4.4
Výše popsané hydrolytické reakce se týkaly pouze triacylglycerolů. V potravě ovšem přijímáme i určité množství lipidů složených, zejména pak fosfolipidů (konkrétně fosfatidylcholinu, který je nejčastějším zástupcem fosfolipidů v buněčných membránách). Hydrolytické štěpení fosfolipidů katalyzuje enzym fosfolipasa A2. Fosfolipasa A2 odštěpuje mastnou kyselinu z glycerolu z pozice C2 za vzniku samostatné mastné kyseliny a lysofosfolipidu. Průběh této reakce zachycuje Obr. 10. Mezi mastné kyseliny, nacházející se na C2 glycerolu, patří i polynenasycená arachidonová kyselina a esenciální polynenasycené MK linolová a linoleová. Všechny tyto MK jsou pro tělo velmi důležité, zejména pak arachidonová kyselina, která je substrátem pro syntézu signálních látek eikosanoidů. Volné MK a lysofosfolipidy se po rozštěpení navážou do micel a výše popsanými mechanismy jsou transportovány do buněk střevního epitelu.
H3C H3C
+
N
HO O P O H2C O HC CH2 CH2 H2C
H3C
O CH3
O
+
O
Fosfolipasa A2
H2O
CH3 O
Fosfolipasa A2
H3C H3C
N+ H3C
HO O P O H2C O HC CH CH2 2 H2C
OH O
+
palmitová kys. CH3
O
Obr. 10 – Enzymaticky katalyzovaná hydrolýza fosfatidylcholinu za vzniku lysofosfolipidu a palmitové kyseliny
4.5
Hydrolýza a resorpce odvozených lipidů (19,22)
Odvozené lipidy, např. cholesterylestery, jsou opět velmi špatně rozpustné ve vodě. Z tohoto důvodu je potřeba je hydrolyzovat pomocí cholesterylesterasy za vzniku molekuly cholesterolu a volné mastné kyseliny (viz Obr. 11). Produkty této reakce jsou zabudovány do micel a transportovány k enterocytům (buňkám střevního epitelu). Doposud není znám přesný mechanismus absorpce cholesterolu stěnou enterocytů, avšak byly objeveny minimálně tři typy membránových proteinů, které se tohoto transportu účastní. 27
H3C
H3C
O
CH3
H3C
H3C
O
+ HO
Cholesterylesterasa
2
H3C
CH3
H3C
Cholesterylesterasa
H3C H3C
H3C H3C
OH
+ HO O
Obr. 11 – Enzymaticky katalyzovaná hydrolýza cholesteryl-palmitátu za vzniku cholesterolu a palmitové kyseliny Jako příklad vitaminů rozpustných v tucích můžeme uvést vitamin A. Ten je v potravě zastoupen provitaminy retinylestery a karotenoidy (lykopen, zeaxanthin, lutein). Retinylestery jsou v lumen střeva hydrolyzovány na retinol a volné mastné kyseliny, zatímco karotenoidy jsou přímo metabolizovány na retinol. Následně jsou tyto produkty transportovány membránovými proteiny do cytoplazmy enterocytů.
4.6
Resorpce žlučových kyselin (16)
Ačkoliv se štěpené produkty tuků resorbují v prvních zhruba 100 cm tenkého střeva, žlučové kyseliny, které pomáhaly jednotlivé lipidy štěpit, se dostávají až do kyčelníku, kde je většina z nich aktivním transportem resorbována do enterohepatálního cyklu (cyklus látek produkovaných játry do střeva a následně resorbovaných ze střeva jaterní žílou zpět do jater). Takto se reabsorbuje 98-99 % žlučových kyselin. Zbytek je vyloučen z těla stolicí. Vzhledem k tomu, že žlučové kyseliny jsou syntetizovány z cholesterolu, je toto i hlavní dráha jeho vylučování z organismu.
4.7
Resyntéza lipidů (13,19,23)
Lipidy se do enterocytů tenkého střeva dostávají v podobě volných mastných kyselin, 2-monoacylglycerolů a lysofosfolipidů, popřípadně molekul cholesterolu. Difundované, či membránovým proteinem přenesené lipidy se navážou na transportní proteiny (např. FFA binding protein – volné mastné kyseliny vázající protein), které je zanesou až do hladkého endoplazmatického retikula (SER – smooth endoplasmic reticulum), membránové organely buňky. V endoplazmatickém retikulu dochází k resyntéze původních lipidů 28
procesem reacylace monoacylglycerolů, lysofosfolipidů či odvozených lipidů. Důvodem této resyntézy je snaha snížit koncentraci jednotlivých lipidových komponent uvnitř buňky a tím pádem navýšit difúzi produktů hydrolytických reakcí z lumen střeva (prostor uvnitř střeva) do enterocytu. V endoplazmatickém retikulu se tedy tvoří shluky jednoduchých, složených a odvozených resyntetizovaných lipidů.
4.8
Náhražky tuků
V souvislosti s výzkumem různých onemocnění (např. obezita, ateroskleróza, diabetes mellitus), mezi jejichž příčinami jsou mimo jiné i vysoké hladiny tuků v různých formách v krevní plasmě, se objevily přípravky, které buď omezují absorpci tuků přijímaných v potravě a nebo se přidávají jako tukové náhražky přímo do potravin, jež jsou pak označeny jako „Fatty-free“ (bez tuků). Mezi látky, které nahrazují tuky v potravinách, patří např. Olestra a Caprenin. 4.8.1 Olestra (28,29) V roce 1968 přišla americká společnost Procter & Gamble s objevem molekuly, která by usnadnila trávení tuků předčasně narozeným dětem. Jednalo se ve své podstatě o acylovanou sacharosu. Během následujících testů se prokázalo, že vedlejším efektem Olestry je mírné snížení hladiny sérového cholesterolu. Výrobci chtěli následně uvést tuto látku na trh jako lék snižující hladinu cholesterolu, ovšem tento záměr nevyšel. Olestra se tedy začala používat jako náhražka tuků, zejména v různých sladkých tyčinkách, smažených brambůrkách a krekrech. Nicméně čím více výzkumů se provádělo, tím více vedlejších účinků se objevovalo. Vzorec Olestry je uveden na Obr. 12. Jde o sacharosu acylovanou mastnými kyselinami. Glukosa je acylována undekanovou kyselinou (na atomu uhlíku C2), heptadekanovou kyselinou (na atomu uhlíku C4) a undeka-6,8-dienovou kyselinou (na atomu uhlíku C6) zatímco na fruktosu jsou navázány kyseliny non-4,7-dienová (na atomu uhlíku C1), trideka-8,11-dienová (na atomu uhlíku C3) a non-4,7-dienová (na atomu uhlíku C5). Vzhledem ke struktuře molekuly Olestry nedochází k trávení této molekuly, protože tělo nemá potřebné enzymy, které by látku hydrolyzovaly. Dochází tedy ke kvantitativnímu vylučování, což způsobuje průjmy. Navíc Olestra, díky svému hydrofobnímu charakteru, na sebe váže další lipofilní látky, jako např. vitaminy rozpustné v tucích, a tudíž dochází 29
k hypovitaminózám u osob tuto náhražku požívajících. Z tohoto důvodu byla v roce 1996 schválena vyhláška o tom, že každý výrobek obsahující Olestru musí na svém přebalu nést informaci: Tento produkt obsahuje Olestru. Olestra může způsobovat žaludeční křeče a řídkou stolici. Olestra inhibuje absorpci některých vitaminů a dalších živin. Tento výrobek obsahuje přidané vitaminy A, D, E a K. O
H3C
H O
6
O
O
H
CH3 O
4
HO
O
H 2
H
5
O H O
H O 1 H HO
3
O
O
O
H
CH3
O
O CH3
O
CH3
H 3C
Obr. 12 – Struktura Olestry Postupem času bylo používání Olestry jako náhražky tuku omezeno. Ovšem například společnost Frito-Lay používá tuto náhražku pod obchodním jménem Olean ve svých „Light chips“ dodnes (viz Obr. 13).
Obr. 13 – Chips značky Lay’s obsahující Olean; upraveno podle (39) 4.8.2 Caprenin (30,31) Caprenin byl vyvinut společností Procter & Gamble jako náhražka kakaového másla. Jedná se také o triacylglycerol, ovšem na molekulu glycerolu jsou navázány kyseliny 30
kaprylová (C8), kaprinová (C10) a behenová (C22) (viz Obr. 14). Výzkumy prokázaly, že energetická hodnota Capreninu je skoro poloviční (4,3 kcal/g) než energetická hodnota běžného triacylglycerolu. Některé výzkumy přisuzují tuto nižší energetickou hodnotu neúplné hydrolýze a absorpci Capreninu ve střevě. Ovšem existují i práce dokazující kompletní vstřebání a resyntézu Capreninu v enterocytech. Vzhledem k tomu, že mnohé studie prokázaly mírné zvýšení hladiny cholesterolu v krevní plasmě u osob požívajících Caprenin, upustilo se od jeho používání již v polovině devadesátých let minulého století. O H2C
O
HC
O
H2C
O
CH3 CH3 O
O
CH3
Obr. 14 – Struktura Capreninu. Odshora kyselina kaprylová, kaprinová a behenová
31
5 Transport lipidů Poté, co jsou jednotlivé složky lipidů přijatých z potravy absorbovány střevním epitelem a resyntetizovány, je potřeba vytvořit přenašeče, které by nepolární, či jen velmi málo polární látky transportovaly do celého organismu. K této situaci dochází i v játrech a adipocytech (tukových buňkách), ve kterých také dochází k syntéze lipidů a ty musí být transportovány do různých tkání a orgánů, aby zde mohly být využity. K tomuto účelu jsou syntetizovány lipoproteiny.
5.1
Lipoproteiny (13)
Lipoproteiny hrají nezbytnou roli v transportu lipidů krevním řečištěm. V krvi by se volné hydrofobní triacylglyceroly integrovaly do kapének a vytvořily by tukovou embolii. Naopak amfifilní lipidy by se uložily do membrán krvinek a rozpustily by ji. Pro transport je potřeba vytvořit ve vodě rozpustné lipoproteiny, které mohou bez problému putovat krevním řečištěm a roznášet tak lipidy do celého organismu. 5.1.1 Struktura lipoproteinů (16,23) Každý lipoprotein je tvořen obalem amfifilních lipidů (fosfolipidů a cholesterolu) a jádrem, které tvoří neutrální nepolární lipidy jako triacylglyceroly, estery cholesterolu a vitaminy rozpustné v tucích. Na povrchu obalu lipoproteinu se nachází apoproteiny (či apolipoproteiny), které slouží jednak jako rozpoznávací molekuly pro membránové receptory cílových buněk a jednak jako aktivátory enzymů podílejících se na štěpení lipidů na buněčné membráně. 5.1.2 Typy lipoproteinů (16) Lipid má menší hustotu než voda, takže roste-li v lipoproteinech poměr lipidů vůči proteinům, klesá jejich hustota. Této vlastnosti se využívá při dělení plazmatických lipoproteinů pomocí ultracentrifugace, při které se jednotlivé lipoproteiny seřazují do kategorií podle toho, jak rychle protékají roztokem NaCl. Na základě této metody se lipoproteiny rozdělují do pěti základních tříd:
32
a) chylomikrony - chylomicrons b) VLDL – lipoproteiny o velmi nízké hustotě (very low density lipoproteins) c) IDL – lipoproteiny o střední hustotě (intermediate density lipoproteins) d) LDL – lipoproteiny o nízké hustotě (low density lipoproteins) e) HDL – lipoproteiny o vysoké hustotě (high density lipoproteins) Charakteristiky jednotlivých lipoproteinů jsou uvedeny v Tab. 6. Tab. 6 – Složení sérových lipoproteinů; upraveno podle 13
Frakce
Chylomikron
VLDL
IDL
LDL
HDL
Zdroj
Enterocyty
Játra, enterocyty
VLDL
VLDL
Játra, enterocyty
Průměr (nm)
90-1000
Relativní hustota*
˂ 0,95
Procenta celkového lipidu
Složení
Protein (%) Celkový lipid (%) TAG Fosfolipid Ester cholesterolu Cholesterol volný Volné mastné kyseliny
1-2
30-90 0,951,006 7-10
25-30 20-25 1,006- 1,0191,019 1,063 11 21
7,5-20 1,0631,210 33-57
98-99 88 8 3 1
90-93 56 20 15 8
89 29 26 34 9
79 13 28 48 10
43-67 13-16 43-46 29-31 6-10
0
1
1
1
0-6
*Relativní hustota – hustota lipoproteinu vztažená na hustotu roztoku NaCl (ρ = 1,063 g·cm-3), který se používá při centrifugaci lipoproteinů.
5.1.2.1
Chylomikrony (13,16,19,23)
Chylomikrony (viz Obr. 15) jsou lipoproteiny s největším průměrem, nejvyšším poměrem lipid/apoprotein a nejmenší hustotou. Jsou syntetizovány v enterocytech a zajišťují transport lipidů absorbovaných z potravy do jater. Jejich vznik je iniciován transkripcí apolipoproteinu B-48 v RER enterocytu, a ten je následně transportován do SER. V hladkém endoplazmatickém retikulu dochází k nabalování resyntetizovaných lipidů na apolipoprotein B-48 a vznikají malé částečky, tzv. primordia, jejichž fůzí poté vzniká samotný chylomikron. Ten je pak transportován do Golgiho aparátu (GA), další membránové organely buňky, kde jsou na něj adovány další apolipoproteiny a celý chylomikron je různými mechanismy modifikován. Následně dochází k exocytóze 33
(vyloučení) chylomikronu z enterocytu do lymfatické kapiláry. Všechny exocytované chylomikrony jsou roznášeny lymfou až do mízního kmene ductus thoracicus, který ústí do krevního řečiště v angulus venosus sinister, nikoli tedy přímo do horní duté žíly.
Obr. 15 – Struktura chylomikronu; upraveno podle (38)
5.1.2.2
VLDL (13,16,19,26)
Lipoproteiny o velmi nízké hustotě jsou částice vznikající zejména v játrech a transportující hlavně jednoduché tuky k cílovým tkáním. VLDL mohou v malé míře vznikat i v enterocytech, kde shromažďují tuky přítomné v žluči a ty pak transportují lymfou do krevního řečiště. Syntéza VLDL je téměř shodná se vznikem chylomikronů. Nezbytným prekurzorem pro vznik těchto lipoproteinů je opět apoprotein B (konkrétně apo B-100; u chylomikronů je to apo B-48). Chylomikrony i VLDL jsou štěpeny v cílových tkáních díky lipoproteinovým lipasam (LPL). Tyto enzymy jsou lokalizovány ve stěnách cévního endotelu, kde odštěpují z lipoproteinů TAG, které následně hydrolyzují na monoacylglycerol a volné mastné kyseliny. Monoacylglyceroly, volné mastné kyseliny, lysofosfolipidy a cholesterol jsou následně difúzí či membránovými přenašeči dopraveny do buňky.
LPL jsou nejvíce tvořeny
v tkáních, které MK používají jako palivo (např. srdce a kosterní sval) nebo MK ukládají jako TAG (tuková tkáň). Proto jsou svaly a tuková tkáň považovány za hlavní tkáně, které kontrolují hladinu plazmatických TAG.
34
5.1.2.3
IDL (13,16)
Lipoproteiny o střední hustotě vznikají poté, co je z VLDL uvolněno a hydrolyzováno až 90 % triacylglycerolů, a v samotném zbytkovém VLDL zůstanou zejména molekuly cholesterolu a cholesterylesterů. Tyto zbytky lipoproteinů mohou být buď zachyceny a metabolizovány játry anebo jsou přímo v plazmě transformovány na LDL (lipoprotein s nízkou hustotou). Podobný osud čeká i zbytkové chylomikrony. Poté, co z nich LPL odštěpí převážnou většinu TAG, jsou vychytávány buňkami jater a zbylé lipidy jsou metabolizovány. 5.1.2.4
LDL (13,16)
Lipoproteiny s nízkou hustotou vznikají z VLDL výše popsaným způsobem, ale existují důkazy o tom, že určitá část je produkována přímo játry. Hlavní složkou LDL jsou cholesterylestery a volný cholesterol. Při transformaci VLDL na LDL si částice zachovala apoprotein B-100. U mnoha buněčných typů (např. arteriální svalové buňky a jaterní tkáň) byly nalezeny receptory pro tento apoprotein, které zprostředkovávají endocytózu celého lipoproteinu. Přibližně 30 % LDL se odbourává v mimojaterních tkáních a 70 % v játrech. Mnoho výzkumů potvrdilo pozitivní korelaci mezi výskytem koronární aterosklerózy (onemocnění věnčitých tepen) a plasmatickou koncentrací tohoto lipoproteinu. Na Obr. 16 je uvedeno souhrnné schéma metabolismu chylomikronů, VLDL, IDL a LDL. Velikost písma zkratek lipidů v jednotlivých částicích zhruba odpovídá procentuálnímu zastoupení daných lipidů v uvedených lipoproteinech. I přes to, že se volný cholesterol vyskytuje i v chylomikronu, není ve schématu uveden, protože je jeho koncentrace v tomto lipoproteinu mizivá. Jednotlivé zkratky znamenají: TAG – triacylglycerol, CE – ester cholesterolu, PL – fosfolipid, C – volný cholesterol, LPL – lipoproteinová lipasa, RZC – receptor pro chylomikronový zbytek, RLDL – receptor pro LDL, VLDL – lipoprotein o velmi nízké hustotě, IDL – lipoprotein o střední hustotě, LDL – lipoprotein o nízké hustotě. 5.1.2.5
HDL (13,16,25)
Lipoproteiny s vysokou hustotou obsahují nejvyšší podíl proteinové složky ze všech lipoproteinů a z tohoto důvodu mají nejvyšší hustotu. HDL vznikají zejména biosyntézou 35
v enterocytech a v játrech a přenášejí hlavně fosfolipidy a cholesterol. Díky esterifikaci volného cholesterolu, který přijímají z periferních tkání, se nově vzniklý ester začlení do jádra HDL, který pak takto navázané cholesterylestery přenáší do jater, kde je díky svým apoproteinům endocytován a definitivně rozložen. V hepatocytech se cholesterol mění na žlučové kyseliny či je přímo vylučován do žluče.
Obr. 16 – Schéma metabolismu VLDL, IDL, LDL, HDL 5.1.3 „Hodný“ a „zlý“ cholesterol Díky své schopnosti vázat cholesterol z periferních tkání a dopravovat ho do jater se pro HDL vžil název „hodný cholesterol“ a naopak pro LDL, který je zodpovědný za ukládání cholesterolu v periferních tkáních, se používá označení „zlý cholesterol“. Je třeba podotknout, že tato označení jsou čistě mediální záležitostí. Cholesterol je jen jeden a ve výsledku záleží právě na poměru cholesterolu a ostatních lipidů v přenašeči a zejména na daném apoproteinu, který se na přenašeči nachází. Velmi zjednodušeně můžeme říct, že lipoproteiny obsahující vysoký podíl cholesterolu a mající na svém povrchu apoprotein B-100 (tzn. LDL a IDL) jsou ty, které se podílejí velkou měrou na vzniku aterosklerózy, zatímco lipoproteiny s apoproteiny E, C a A (jako HDL) představují významný přínos pro snižování cholesterolu v krvi.
36
5.1.4 Oxidovaný LDL a ateroskleróza (33,34,35,51) Právě výše zmiňovaný „zlý cholesterol“ je spojován s onemocněním zvaným ateroskleróza. Ateroskleróza neboli kornatění cév bývá také označována jako nemoc 20. století, či civilizační choroba. Tyto názvy více či méně vystihují vážnost samotného onemocnění. Ačkoli jsou dochovány archeologické doklady o výskytu aterosklerózy již ze starého Egypta, pravdou je, že onemocnění se široce rozmohlo až ve dvacátém století. Ateroskleróza je ve své podstatě hromadění lipoproteinových partikulí v endotelu cév, což má za následek ucpávání samotné cévy. Faktorů, které se na vzniku aterosklerózy podílejí, je mnoho a úzce souvisí se špatným životním stylem. Patří mezi ně zejména vysoký příjem tzv. aterogenních látek (látek podporujících vznik aterosklerózy, zejména lipidů), které se ukládají v endotelu a vytváří aterogenní pláty. Také mechanické poruchy samotného endotelu přispívají k rozvoji aterosklerózy. Poslední skupinu tvoří faktory, které vzniku aterosklerózy napomáhají nepřímo. Patří mezi ně obezita, vysoký krevní tlak, hyperlipidemie (zvýšená hladina tuků v krvi), stres, kouření, cukrovka apod. Léčba aterosklerózy je zaměřena hlavně na prevenci zhoršování stavu pacienta. Do této léčby se řadí omezení příjmu tuků (zejména živočišných), udržování BMI (body mass index) v rozmezí 18,5 – 25,0, omezení příjmu alkoholických nápojů a solí, v neposlední řadě pak pravidelné cvičení a pohyb. Pokud se ateroskleróza i přes tato opatření nadále zhoršuje, je potřeba zahájit léčbu. Nejběžnějšími přípravky jsou statiny, které aktivují dráhy snižující hladinu celkového cholesterolu v plasmě. Jak už bylo napsáno výše, dnes se za jeden z hlavních faktorů aterosklerózy považuje zabudovávání LDL (konkrétně oxidovaných LDL) do epiteliálních buněk cév. Oxidované LDL (viz Obr. 17) vznikají oxidací volnými radikály, které v těle vznikají přirozenou cestou, či je tělo přijímá z okolního prostředí. Mezi volné radikály, které se do těla dostávají z okolí, řadíme zejména chemikálie (např. látky obsažené v cigaretovém kouři), ale vnějším faktorem mohou být i vysoké dávky záření (ionizující, ultrafialové). Radikály ale vznikají v těle také běžnými metabolickými procesy jako např. metabolismus aminokyseliny argininu, jehož produktem je oxid dusnatý (NO), buněčné dýchání, při kterém se mohou uvolňovat reaktivní formy kyslíku, boj s patogeny, kdy některé buňky imunitního systému (neutrofily, makrofágy) mohou po stimulaci podstatně zvýšit svůj metabolismus a do svého okolí začnou produkovat agresivní látky charakteru mj. volných radikálů, apod. 37
H3C
H3C H3C
H3C
H3C
OH
Oxidace
H3C
H3C
OH
H3C
H3C H3C
O
Obr. 17 – Oxidace cholesterolu v LDL volným radikálem za vzniku 7-ketocholesterolu Výsledkem oxidací LDL volnými radikály jsou pak např. strukturní změny či změny náboje proteinů. Ve skutečnosti se oxidativní změny netýkají pouze LDL, ale postihují i ostatní lipoproteriny nesoucí apoprotein-B 100, zejména pak VLDL. Oxidovaný lipoprotein je, stejně jako jeho neoxidované formy, endocytován buňkami s receptory pro LDL. Tyto buňky ovšem neumí oxidovaný LDL metabolizovat, a tak se v buňkách cév hromadí. Díky této patologii jsou do postižených buněk lákány monocyty (buňky imunitního systému), které fagocytují (pohlcují) oxidované lipoproteiny, ale také je nedokážou odbourat. LDL se v monocytu kumuluje a ten se mění na tzv. pěnovou buňku (foam cell) plnou váčků s oxidovanými nemetabolizovanými LDL. Jakmile se monocyt změní v pěnovou buňku, začne se chovat jako aktivovaný makrofág. Aktivované makrofágy se v těle nacházejí běžně v místech zánětu či poškození a lákají na „místo činu“ buňky, které poškozenou tkáň opravují. Z tohoto důvodu se v endotelu cévy začnou shromažďovat fibrocyty diferencující na fibroblasty a syntetizující mezibuněčnou hmotu. Nově syntetizovaná vlákna matrix spolu s vysokou koncentrací pěnových buněk způsobují zduření endotelu cévy a vznik aterosklerotického plátu. Kromě fibroblastů mohou v endotelu vznikat i osteocyty, které syntetizují kostní tkáň a může tedy docházet až ke „kostnatění“ cévy. Celý tento proces zásadní měrou ovlivňuje vznik infarktu myokardu, anginy pectoris či mozkové příhody. Není pochyb o tom, že ateroskleróza jako civilizační choroba představuje vážnou hrozbu současné společnosti. Zásadní roli při boji s tímto onemocněním hraje prevence. Ateroskleróza je komplexní choroba, způsobená mnoha různě závažnými faktory, které se více či méně vztahují k životnímu stylu společnosti, a z tohoto důvodu je potřeba na ni neustále upozorňovat a připomínat, že každý člověk má větší či menší šanci rozvoj této nemoci ovlivnit.
38
6 Pracovní listy 6.1
Trávení lipidů
1) Doplňte text pod vzorcem: O H2C
O
HC
O
H2 C
O
CH3
O CH3 CH3 O
Vzorec představuje molekulu (uveďte obecný název) 1,2,3-triacylglycerolu, který obsahuje 3 navázané karboxylové kyseliny, které se liší počtem atomů uhlíků a přítomností dvojné vazby v jedné z nich. Tyto kyseliny jsou na alkohol vázány esterickou vazbou.
2) Vyjádřete chemickou rovnicí hydrolýzu výše uvedené sloučeniny a pojmenujte obecným názvem vzniklý ester a triviálními názvy vzniklé karboxylové kyseliny. Uveďte název enzymu, který reakci katalyzuje. O H2C
O
HC
O
H2 C
O
CH3
O CH3
+
Triacylglycerollipasa
2 H2 O
CH3 O H2C
Triacylglycerollipasa
HC H2 C
OH
O CH3
O OH
+
2-acylglycerol
palmitová kys. stearová kys.
Zakroužkujte správné možnosti: V lidském těle se můžeme setkat s hydrolýzou triacylglycerolů: a) v jaterních buňkách b) v erytrocytech c) v tukových buňkách (adipocytech)
d) v neuronech e) v kmenových buňkách f) v buňkách dvanáctníku (enterocytech)
39
3) Nakreslete a pojmenujte produkt, který vznikne reakcí cholesterolu a myristové kyseliny. Odpovězte na uvedené otázky. CH3
H 3C
HO
CH3
CH3
OH
CH3 O
CH3
O H3C
CH3
H3C CH3
CH3
O Cholesteryl-myristát
CH3
a) Jak se jmenuje reakce, kterou Vámi nakreslený produkt vznikl? Esterifikace b) Jak se nazývá enzym účastnící se štěpení produktu této reakce? Cholesterylesterasa
4) Zakroužkujte v textu správné pojmy: Lipidy jsou organické molekuly, které jsou díky své hydrofilitě/hydrofobitě omezeně rozpustné ve vodě. Lze je izolovat z buněk, tkání a pletiv organismů extrakcí polárními/nepolárními organickými rozpouštědly. Složené lipidy se shlukují ve vodném prostředí, díky svému nepolárnímu/amfifilnímu charakteru, a vytváří tukové kapénky či micely.
5) Vyznačte polární a nepolární část uvedené molekuly a napište její obecný název:
H3C H3C
N+ H3C
HO O P O O CH2 CH2
Polární
O
H2C HC
O
H2C
O
CH3 CH3 O
Nepolární
Lysofosfolipid
40
6) Vyluštěte tajenku: Tajenka: Micela je útvar vznikající ve dvanáctníku účinkem svalových stahů a trávicích enzymů. a)
ch
b)
y
l
o
M
i
k
r
r
e
t
I
n
o
l
a
C
y
l
c) d) e)
f
o
o
n
o
l
a
s
ch
o
l
E
s
t
e
r
s
f
o
L
i
p
i
d
p
A
n
k
r
e
f)
a) Lipoprotein transportující lipidy krevním řečištěm b) Přirozeně se vyskytující forma vit. A c) Zbytek kyseliny po odtržení OH skupiny d) Odvozený lipid syntetizovaný v játrech e) Lipid obsahující v molekule kyselinu fosforečnou f) Žláza vylučující trávicí sekrety do dvanáctníku
7) Doplňte složení tukové kapénky a micely: Tuková kapénka
Micela
Triacylglycerol Fosfolipid Vázané mastné kyseliny Cholesterylester
Monoacylglycerol Lysofosfolipid Volné mastné kyseliny Volný cholesterol
Nadstandardní úlohy: 8) Pojmenujte obecnými názvy následující sloučeniny a napište, z jakých výchozích látek a pomocí jakých enzymů vznikají v organismu. H2C
a)
HC H2C
OH
O CH3
O OH
H2C
HO HC
b)
O H2C
H3C O
O
OH P O O
CH3
CH2 CH2
N+
CH3
CH3
a) Sloučenina: monoacylglycerol Vzniká: hydrolýzou z 1,2,3-triacylglycerolu za účasti triacylglycerollipasy b) Sloučenina: lysofosfolipid Vzniká: hydrolýzou fosfolipidu (fosfatidylcholinu) za účasti fosfolipasy A2 41
9) S pomocí knižního či internetového zdroje doplňte tabulku týkající se vitaminů rozpustných v tucích: Vitamin Zdroj Potřebný pro Nedostatek způsobuje Vitamin A (retinol)
Vitamin D (kalciferol)
Vitamin E (tokoferol)
Vitamin K (methylnaftochinon)
Mléko, rybí tuk, žloutek, mrkve, rajčata
Rybí tuk, žloutek, tvorba v kůži (UV) Vejce, játra, ryby, paprika, oves, kukuřičný olej, obilné klíčky K1 - Obiloviny, hrách, listová zelenina; K2 vzniká činností střevní mikroflóry
Syntéza pigmentů oční sítnice, tvorba epitelových buněk Ovlivnění metabolismu Ca2+ a a dělení buněk, stimulace imunitního systému Antioxidant, brání vzniku aterosklerózy, podporuje hojení tkání
Syntéza faktorů pro srážení krve,
Vysychání rohovky, šeroslepost, poruchy tvorby sliznic, nebezpečí vstupu infekce Křivici (rachitis), opožděné prořezávání zubů, neklid, nervozitu, zvýšené riziko infekce dýchacích cest Velmi malá pravděpodobnost nedostatku
Snížení libida, nedostatečná pohyblivost spermií, neplodnost Výrazné snížení srážlivosti krve, při léčbě antibiotiky může dojít k výraznému snížení jeho tvorby
* Tabulka převzata z (4)
42
6.2
Transport lipidů
1) Napište, jaká struktura se nachází na obrázku, a vepište do něj v rámečku uvedené pojmy: apoproteiny, triacylglyceroly, fosfolipid, volný cholesterol, ester cholesterolu
Lipoprotein (chylomikron) 2) Přiřaďte názvy lipoproteinů uvedených v rámečku k jednotlivým charakteristikám: HDL, IDL, VLDL, chylomikron, LDL a) Lipoprotein vznikající z VLDL po hydrolýze většiny TAG u cílových buněk: IDL b) Přenašeč transportující cholesterylestery od periferních tkání do jater: HDL c) Lipoprotein syntetizovaný v enterocytech a přenášející zejména TAG do tkání: chylomikron d) Přenašeč cholesterylesterů a volného cholesterolu, který se účastní tvorby koronárních plaků: LDL e) Lipoprotein vznikající v játrech a přenášející hlavně TAG do cílových tkání: VLDL
3) Vyluštěte tajenku: Tajenka: Léky podporující snižování hladiny cholesterolu v krvi se nazývají statiny.
a) b) c) d)
a
p
ch
o
l
e
S
t
e
r
o
p
r
o
T
e
i
n
j
á
t
r
A
e
p
i
T
e
l
I
D
L
r
N
a
t
ě
l
Y
m
f
a
e) f) g)
k
o
o
l
n
í
a) Odvozený lipid částečně zodpovědný za aterosklerózu b) Receptor na povrchu lipoproteinů c) Orgán metabolizující všechny lipoproteiny d) Vrstva buněk vystýlající vnitřek střeva e) Lipoprotein vznikající z VLDL úbytkem obsahu TAG f) Český výraz pro aterosklerózu g) Tekutina transportující chylomikrony od enterocytů 43
4) Doplňte do textu slova z nabídky: HDL, žlučí, cholesterolu, játrech, zvýšení, snížení, LDL, kinetika, membráně Statiny Statiny jsou vysoce účinné léky na snížení plazmatických hladin cholesterolu. Blokují syntézu cholesterolu v játrech inhibicí enzymu 3-hydroxy-3-methylglutaryl-koenzym A reduktasy, což má za následek zvýšení LDL-receptorů v membráně jaterních buněk a tím pádem i zvýšené vychytávání LDL-cholesterolu z krve. Plazmatická hladina LDL-cholesterolu při léčbě statiny klesá až o 35 %. Současně dochází k mírnému vzestupu HDL-cholesterolu a poklesu hladiny triacylglycerolů. Kinetika statinů je následující: ze střeva se vstřebává asi 30 % podané dávky, molekuly jsou následně vychytávány játry, kde se i metabolizují a poté vylučují žlučí.
5) Určete podle obrázků faktory zvyšující riziko aterosklerózy a vyhledejte v knižních zdrojích či na internetu, proč toto riziko zvyšují: Zdroj (41)
Zdroj (40)
Obezita – podmiňuje hyperlipidemii a vysoký krevní tlak
Nedostatek pohybu – nedostatečné prokrvování periférií a špatná cirkulace
Zdroj (42)
Zdroj (45)
Vysoký krevní tlak – riziko tvorby výdutí tepen a jejich praskání
Zdroj (45)
Kouření – podporuje vznik volných radikálů, které oxidují LDL částice
Genetické předpoklady – některé osoby jsou náchylnější ke kornatění než jiné Zdroj (43)
Nadměrná konzumace tuků – zvyšuje hladinu tuků v krvi, tím pádem i množství LDL
44
6) Přečtěte si přiložený text a odpovězte na níže položené otázky: Cholesterol a ateroskleróza(15,36) Dnes je již dostatečně prokázáno, že strava bohatá na nasycené živočišné tuky mnohdy vede k vysoké hladině cholesterolu v krevním séru, především u osob s nadváhou a nedostatkem pohybu. Jakým způsobem ale nasycené tuky ovlivňují koncentraci cholesterolu v krvi? Cholesterol se v krevním řečišti přenáší zejména pomocí lipoproteinů HDL a LDL. LDL transportují cholesterol ve formě esterů do periferních tkání, zatímco HDL odstraňují přebytečný cholesterol z krevního séra a transportují ho do jater. Vysoká hladina HDL snižuje riziko srdečních chorob. Riziko obvykle klesá až o 25 % při každém zvýšení koncentrace HDL-cholesterolu o 5 mg na 100 ml. Normální hodnoty jsou kolem 45 mg/100 ml u mužů a 55 mg/100 ml u žen. Mastné kyseliny (MK) palmitová a myristová mohou (na rozdíl od stearové kyseliny) vyvolat zvýšení celkové krevní hladiny cholesterolu. Tyto kyseliny totiž blokují buněčné LDL receptory nutné pro likvidaci této „škodlivé“ formy cholesterolu, která se pak udržuje v krvi ve vysokém množství a usazuje se ve stěnách cév, kde může vyvolat aterosklerózu, tzv. kornatění cév. a) Jaké faktory zvyšují riziko vysoké hladiny cholesterolu v krvi? Zvýšený příjem nasycených tuků, nadváha, nedostatek pohybu. b) Z jakého důvodu jsou muži náchylnější k srdečním chorobám než ženy? Ženy mají vyšší standardní hodnotu HDL v krevním séru než muži. c) Jak by se musela změnit koncentrace HDL v krevní plazmě u žen a mužů, aby riziko vzniku srdečních chorob bylo o 50 % nižší? U mužů by musela vzrůst na 55 mg/100 ml a u žen na 65 mg/100 ml. d) V knižních zdrojích či na internetu vyhledejte vzorce všech v textu uvedených MK a vepište je do rámečku. Napište, ve kterých tucích je můžeme najít. OH
Shora: myristová kyselina CH3
O
(palmojádrový olej, kokosový olej, máslo),
OH O
palmitová kyselina (palmový olej, máslo, mléko) a stearová kyselina (živočišné
CH3 OH
O
CH3
tuky, kakaové máslo)
7) Faktorem ovlivňujícím vznik aterosklerózy je i obezita. Ta se stanovuje pomocí tzv. BMI (body mass index). Vyhledejte vzorec pro jeho výpočet a vypočítejte BMI u následujících osob. Určete, zda je jejich hmotnost normální (BMI: 20-25), zda trpí nadváhou (BMI: 25-30), či zda jsou obézní (BMI: 30-40). ( ) a) Pavel měří 179 cm a váží 115 kg. b) Marie je vysoká 165 cm a váží 63 kg. c) A jaký je Váš BMI?
a)
( )
=
,
= 35,9 (obezita)
b) BMI: 23,1 (normální hmotnost)
45
Nadstandardní úloha: 8) S pomocí knižních či internetových zdrojů doplňte uvedené schéma metabolismu lipoproteinů. Každá kružnice představuje konkrétní lipoprotein. Doplňte do rámečků jejich názvy a do kružnic chybějící lipidy tak, aby velikost písma Vámi vepsaných lipidů přibližně odpovídala poměrnému zastoupení (koncentraci) dané složky v lipoproteinu (čím vyšší koncentrace, tím větší písmo). *Zkratky: PL – fosfolipid, LPL – lipoproteinová lipasa, TAG – triacylglycerol, R – receptor, C – volný cholesterol, CE – cholesterylester, RZC – receptor pro chylomikronový zbytek, RLDL – receptor pro LDL
46
7 Závěr Ve své bakalářské práci jsem zpracoval téma trávení lipidů a jejich transport v lidském těle z chemického i biologického hlediska a vytvořil studijní materiály, které mohou pomoci uvést toto téma do hodin chemie i biologie na středních školách. Nejprve jsem se zaměřil na zastoupení této problematiky ve středoškolských učebnicích chemie a biologie. Z analýzy šesti učebnic vyplynulo, že je toto téma opomíjeno v učebnicích chemie, naopak učebnice biologie se mu věnují ve velkém rozsahu. Výukové texty, které jsou výstupem této práce, mají sloužit učitelům středních škol při přípravách vyučovacích hodin obou výše zmíněných předmětů. Kromě základních informací popisujících anatomii trávicí soustavy a samotné trávení, resorpci a transport lipidů v lidském těle, jsem se snažil do výukových textů zařadit i zajímavosti, které mohou obohatit výuku tohoto tématu (např. oddíl o náhražkách tuků či ateroskleróze). Druhým výstupem práce jsou dva pracovní listy, které by měly sloužit jako nástroj k procvičení probírané látky či k ověřování jejího pochopení. První pracovní list se týká trávení lipidů a obsahuje 9 úloh, druhý pracovní list na téma transportu lipidů v těle sestává z 8 úloh. Při jejich sestavování jsem se snažil o co největší různorodost a zároveň návaznost. Pracovní listy také obsahují nadstandardní, složitější úlohy, jež mohou být předloženy žákům, kteří jeví o příslušnou tématiku větší zájem. V práci samotné jsou uvedeny pracovní listy s autorským řešením, pracovní listy bez řešení jsou součástí přílohy. Z časových důvodů nebyly tyto pracovní listy ověřovány na školách, o což bych se rád pokusil během tvorby své diplomové práce.
47
8 Seznam použité literatury a internetové odkazy Literatura 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17.
MAREČEK, A., HONZA, J. Chemie pro čtyřletá gymnázia 3. díl. Nakladatelství Olomouc s.r.o., 2005. VACÍK, J. a kol. Přehled středoškolské chemie. Praha: SPN-pedagogické nakladatelství, a.s., 1999 KOLÁŘ, K. Chemie pro gymnázia II (organická a biochemie). Praha: SPNpedagogické nakladatelství, a.s., 1997 KOČÁREK, E. Biologie člověka. Praha: Scientia, s. r. o., 2010 JELÍNEK, J., ZICHÁČEK, V. Biologie pro gymnázia. Nakladatelství Olomouc s.r.o., 2002 ROSYPAL, S. A KOL. Nový přehled biologie. Praha: Scientia, s. r. o., 2003 Rámcové vzdělávací programy pro gymnázia (RVP G). Praha: VÚP, 2007 CAMPBELL, N. Biologie. Brno: Computer press, a.s., 2008 Překlad JEBÁČKOVÁ, J. a kol. Člověk. Praha: Euromedia Group k.s.-knižní klub, 2005 ČIHÁK, R. a kol. Anatomie 2 (Třetí, upravené a doplněné vydání). Praha: Grada Publishing, a.s., 2013 MADER, S. a kol. Human biology, sixth edition. New York: McGraw-Hill, 2001 NETTER, F. Netterův anatomický atlas člověka. Brno: CPress, 2012 KOOLMAN, J. a kol. Barevný atlas biochemie (Překlad 4. vydání). Praha: Grada Publishing, a.s., 2012 VOET, D., VOETOVÁ, J. Biochemie. Praha: Victoria publishing, 1990 McMURRY, J. Organická chemie, Brno: VUTIUM, 2007 MURRAY, R. Harperova biochemie. Praha: H&H, 2002 KLOUDA, P. Základy biochemie. Ostrava: Pavko, 2013
Internetové odkazy 18. KOČOVÁ, J. Histologie zubu. [online 15. 11. 2015] dostupné z URL: https://www.lfp.cuni.cz/histologie/education/doc/teeth.pdf 19. HUSSAIN, MM. Intestinal lipid absorption and lipoprotein formation. [online 23. 3. 2016] dostupné z URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/24751933 20. TEPLÁ, M. Přírodní látky – lipidy. [online 13. 2. 2016] dostupné z URL: http://www.studiumbiochemie.cz/prirodni_latky_lipidy.html 21. BURKE, J., DENNIS, E. Phospholipase A2 structure/function, mechanism and signaling. [online 6. 4. 2016] dostupné z URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC2674709/ 22. COHN, J. a kol. Dietary phospholipids and intestinal cholesterol absorption. [online 11. 4. 2016] dostupné z URL: http://www.mdpi.com/2072-6643/2/2/116 23. CHHABRA, N. Chylomicrons – synthesis and metabolic fate. [online 20. 2. 2016] dostupné z URL: http://www.namrata.co/chylomicrons-synthesis-and-metabolicfate/ 24. GOLÁŇ, L. Chyby a úskalí terapie statiny. [online 9. 3. 2016] dostupné z URL: http://www.internimedicina.cz/pdfs/int/2003/11/06.pdf 48
25. LUND-KATZ, S., PHILLIPS, M. High density lipoprotein structure-Function and role in reverse cholesterol transport. [online 4. 5. 2016] dostupné z URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3215094/ 26. ZEMÁNKOVÁ, K. Regulace aktivity lipoproteinové lipázy v cirkulaci. Diplomová práce. [online 25. 4. 2016] dostupné z URL: https://is.cuni.cz/webapps/zzp/detail/116471/ 27. ZÁHOŘOVÁ, K. Cholesterol a lipoproteiny, jejich metabolismus a vliv na zdraví člověka. Bakalářská práce. [online 27. 4. 2016] dostupné z URL: https://is.cuni.cz/webapps/zzp/download/130126526
28. Autor neuveden. [online 10. 4. 2016] dostupné z URL: http://www.fritolay.com/nutrition
29. Autor neuveden. [online 7. 4. 2016] dostupné z URL: https://www.cspinet.org/olestra/history.html 30. Webb, R. Caprenin 1. Digestion, absorption and rearrangement in thoracic ductcannulated rats. [online 22. 4. 2016] dostupné z URL: http://ijt.sagepub.com/content/10/3/325.abstract 31. RANHOTRA, G. a kol. Usable energy value of a synthetic fat (Caprenin) in muffins fed to rats. [online 22. 4. 2016] dostupné z URL: http://www.aaccnet.org/publications/cc/backissues/1994/Documents/71159.pdf 32. PARTHASARATHY, S. a kol. Oxidized low-density lipoprotein. [online 3. 5. 2016] dostupné z URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3315351/ 33. MOORE, K. The celular biology of macrophages in atherosclerosis. [online 5. 5. 2016] dostupné z URL: http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC3111065/ 34. HOPKINS, P. Molecular biology of atherosclerosis. [online 23. 4. 2016] dostupné z URL: http://physrev.physiology.org/content/93/3/1317 35. Autor neuveden. Ateroskleróza. [online 23. 4. 2016] dostupné z URL: http://nemoci.vitalion.cz/ateroskleroza/ 36. VYSKOČIL, F. Je pravda, že nasycené mastné kyseliny škodí zdraví? [online 6. 12. 2015] dostupné z URL: https://www.prirodovedci.cz/zeptejte-seprirodovedcu/1197 Obrázky 37. Micela. [online 13. 2. 2016] dostupné z URL: http://www.educa.madrid.org/web/cc.nsdelasabiduria.madrid/Ejercicios/2b/Biol ogia/Lipidos/micelas.htm 38. Chylomikron. [online 20. 2. 2016] dostupné z URL: http://apo-b48.org/2011/02/apolipoprotein-b-48-marker-kardiovaskularerereignisse/ 39. Lay’s. [online 10. 4. 2016] dostupné z URL: http://www.sparkpeople.com/mypage_public_journal_individual.asp?blog_id=5 609293 40. Homer. [online 25. 4. 2016] dostupné z URL: http://zlutasila.blogspot.cz/p/blogpage.html 41. Obezita. [online 25. 4. 2016] dostupné z URL: http://www.ordinace.cz/clanek/obezita-otylost/ 42. Krevní tlak. [online 25. 4. 2016] dostupné z URL: http://www.novinky.cz/zena/zdravi/213552-vedci-objevili-hormon-ktery-zpusobujevysoky-krevni-tlak.html 49
43. DNA. [online 25. 4. 2016] dostupné z URL: http://lightdoctor.net/light/cell-phones-damages-health-deplete-energy/
44. Menu. [online 25. 4. 2016] dostupné z URL: http://www.spektrumzdravi.cz/tuky-v-tele-ne-vsechny-tuky-zpusobuji-obezitunektere-jsou-i-zdravi-prospesne 45. Cigareta. [online 25. 4. 2016] dostupné z URL: http://www.novinky.cz/zena/zdravi/239403-jak-bojuji-s-kourenim-znameosobnosti.html 46. Lidské tělo. [online 6. 11. 2015] dostupné z URL: http://jonbarron.org/article/overview-digestive-system#.VyuYwG6LTIU 47. Zub. [online 7. 12. 2015] dostupné z URL: http://www.wisegeek.com 48. Hltan. [online 14. 12. 2015] dostupné z URL: http://www.patienteducationcenter.org/ 49. Jícen. [online 14. 12. 2015] dostupné z URL: http://missinglink.ucsf.edu/lm/IDS_106_UpperGI/Upper%20GI/historeview.htm 50. Jícen. [online 14. 12. 2015] dostupné z URL: http://medsci.indiana.edu/histo/docs/lab12_5.htm Vysokoškolské přednášky 51. ČERNÝ, J. Histologie/Cytologie – Epitely. MB150P77
50
