VETERINÁRNÍ A FARMACEUTICKÁ UNIVERZITA BRNO
FAKULTA VETERINÁRNÍ HYGIENY A EKOLOGIE Ústav biochemie a biofyziky
VYBRANÉ KAPITOLY Z BIOCHEMIE POTRAVIN
MVDr. Vladimír Kopřiva, Ph.D. MVDr. Martin Hostovský MVDr. Tomáš Nekvapil, Ph.D. Doc. MVDr. Alena Pechová, CSc.
Brno 2014
Tato skripta jsou spolufinancována z Operačního programu Vzdělávání pro konkurenceschopnost:
„Inovace bakalářského a navazujícího magisterského studijního programu v oboru Bezpečnost a kvalita potravin“ (reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.0287)
1
1 PŘEDMLUVA ...................................................................................................................... 4 2 BIOCHEMIE POTRAVIN V SYSTÉMU BIOLOGICKÝCH VĚD ................................... 5 3 BUŇKA – ZÁKLADNÍ STAVEBNÍ JEDNOTKA .............................................................. 6 3.1 Charakteristika biologických systémů ............................................................................. 8 3.2 Katabolismus a anabolismus – intermediární metabolismus ......................................... 11 3.3 Biologické oxidace – reakce metabolismu .................................................................... 13 4 PŘEHLED METABOLISMU A VYBRANÝCH DĚJŮ .................................................... 15 5 SACHARIDY, LIPIDY A PROTEINY V BIOCHEMICKÝCH DĚJÍCH ......................... 19 5.1 Sacharidy (cukry) .......................................................................................................... 20 5.2 Lipidy (tuky) .................................................................................................................. 24 5.2.1 Lipoproteiny........................................................................................................... 32 5.3 Proteiny (bílkoviny) ....................................................................................................... 37 6 ZÁKLADNÍ OXIDOREDUKČNÍ DĚJE ............................................................................ 41 6.1 Dýchací řetězec.............................................................................................................. 41 6.2 Aerobní fosforylace ....................................................................................................... 48 7 ENZYMY ............................................................................................................................ 50 8 VITAMINY ......................................................................................................................... 53 8.1 Vitaminy rozpustné ve vodě .......................................................................................... 53 8.2 Vitaminy rozpustné v tucích .......................................................................................... 62 9 MINERÁLNÍ LÁTKY, VÝSKYT V POTRAVINÁCH A SUROVINÁCH ..................... 66 9.1 Makroprvky ................................................................................................................... 67 9.2 Mikroprvky .................................................................................................................... 73 10 VYBRANÉ METABOLICKÉ DĚJE .................................................................................. 81 10.1 Citrátový cyklus ........................................................................................................... 81 10.2 Metabolismus sacharidů .............................................................................................. 86 10.2.1 Glykolysa – aerobní a anaerobní ......................................................................... 86 10.2.2 Glukoneogenese ................................................................................................... 91 10.2.3 Biosyntéza a odbourávání glykogenu .................................................................. 95 10.2.3 Pentosový cyklus ................................................................................................. 98 10.2.4 Metabolismus fruktosy, galaktosy, laktosy........................................................ 102 10.3 Metabolismus lipidů .................................................................................................. 105 10.3.1 Biosyntéza mastných kyselin ............................................................................. 105 10.3.2 Beta-oxidace mastných kyselin ......................................................................... 108
2
10.3.3 Biosyntéza acylglycerolů ................................................................................... 111 10.3.4 Cholesterol ......................................................................................................... 113 10.3.5 Metabolismus ţlučových kyselin ....................................................................... 117 10.3.6 Fosfolipidy ......................................................................................................... 120 10.4 Metabolismus proteinů .............................................................................................. 123 10.4.1 Metabolismus aminokyselin .............................................................................. 124 10.4.2 Přeměny aminokyselin ....................................................................................... 126 11 ANTIOXIDANTY A JEJICH BIOCHEMICKÉ ASPEKTY ........................................... 132 11.1 Oxidativní stres a volné radikály ............................................................................... 132 11.2 Antioxidanty .............................................................................................................. 135 11.3 Antioxidační kapacita potravin .................................................................................. 140 11.4 Lipoperoxidace .......................................................................................................... 143 12 VYBRANÉ ASPEKTY V BIOCHEMII POTRAVIN ..................................................... 147 12.1 Biogenní aminy ......................................................................................................... 147 12.2 Xenobiotické aminokyseliny ..................................................................................... 152 12.3 Amoniak – biochemické a hygienické aspekty ......................................................... 153 13 VYBRANÉ BIOMOLEKULY ......................................................................................... 163 13.1 Glykoproteiny ............................................................................................................ 163 13.2 Imunoglobuliny ......................................................................................................... 165 13.3 Glutathion .................................................................................................................. 167 13.4 Kyselina hyaluronová ................................................................................................ 171 13.5 Kolagen a elastin ....................................................................................................... 172 14 GLYKEMICKÝ INDEX................................................................................................... 176 15 BIOCHEMICKÉ ASPEKTY POTRAVINOVÉ PŘECITLIVĚLOSTI ............................ 180 15.1 Potravinová alergie .................................................................................................... 180 15.2 Nealergická potravinová přecitlivělost ...................................................................... 188 16 FUNKČNÍ POTRAVINY ................................................................................................. 190 17 ANTINUTRIČNÍ LÁTKY ................................................................................................ 194 LITERATURA ....................................................................................................................... 198
3
1
PŘEDMLUVA
Studijní text „Vybrané kapitoly z biochemie potravin― seznamuje studenty s postavením biochemie potravin v systému biochemických věd, přehledem metabolismu, metabolickými přeměnami sacharidů, lipidů a proteinů, s enzymy a jejich úlohou. Nejprve je popsána buňka s charakteristikou základních pojmů a součástí metabolismu. V přehledu metabolismu a vybraných dějů jsou rozpracovány sacharidy, lipidy a proteiny a uvedeny vzájemné souvislosti. V další kapitole jsou vysvětleny základní oxidoredukční děje a jejich vztah k energetickému zisku a výdeji organismu. V následující kapitole je pak vysvětlena kinetika enzymatických reakcí a uveden přehled tříd a názvosloví enzymů. Nedílnou součástí jsou kapitoly popisující vitaminy a minerální látky, včetně jejich zdroje v potravinách a nutričního přínosu. Z vybraných metabolických dějů jsou prezentovány citrátový cyklus, glykolysa, glukoneogenese, biosyntéza a odbourávání glykogenu, pentosový cyklus, metabolismus fruktosy, galaktosy a laktosy, dále biosyntéza a beta-oxidace mastných kyselin, biosyntéza acylglycerolů, cholesterol, metabolismus ţlučových kyselin, fosfolipidy a metabolismus proteinů. Další součástí studijního textu je problematika antioxidantů, lipoperoxidace, biogenních aminů, xenobiotických aminokyselin a amoniaku. Samostatné kapitoly tvoří biochemické aspekty vybraných biomolekul (glykoproteiny, imunoglobuliny, glutathion, kyselina hyaluronová, kolagen a elastin), dále problematika glykemického indexu, biochemických aspektů potravinové přecitlivělosti, funkčních potravin a antinutričních látek. Studentům přejeme úspěšné vyuţití učebního textu a získání nových poznatků pro další studium předmětu Biochemie potravin.
4
2
BIOCHEMIE POTRAVIN V SYSTÉMU BIOLOGICKÝCH VĚD
Biochemie potravin patří mezi aplikované biologické obory a náleţí do vědní disciplíny biochemie. V současné době zaujímá svoje postavení i v rámci profilovaných oborů biochemie jako je glykomika, proteomika, ale i v řadě moderních biotechnologií. K podstatnému rozvoji biochemie došlo po období studia metabolismu biopolymerů na počátku 20. století. Biochemie potravin tak vstupuje interdisciplinárně do dalších oborů, zejména fyziologie, hygieny a technologie potravin a výţivy. Ve vztahu k těmto novým vědním disciplínám, které zahrnují biochemické a hygienické aspekty, je nutné uvést, ţe biochemie potravin prochází rychlým vývojem zahrnujícím i související vědní obory lékařské, farmaceutické a potravinářské. Svoji významnou úlohu sehrává řada biomolekul, z pohledu biochemie a hygieny, zejména proteiny, sacharidy, lipidy, minerální látky a vitaminy. Moţným příkladem v širších souvislostech jsou vybrané aspekty lipidů, jejich oxidačních produktů a návazností na úlohu antioxidantů, v širším pojetí uplatnění antioxidantů v jejich ochraně před oxidací lipidů. Dalším pohledem je uplatnění a vazba funkcí biomolekul, kam patří především otázky vzájemných souvislostí proteinů, sacharidů, lipidů, vlákniny, cholesterolu, antioxidantů, minerálních látek, vitaminů a dalších. Významnou úlohu mají enzymy a jejich účast ve vybraných biochemických dějích. Současná biochemie potravin zahrnuje kvantitativně i kvalitativně specifickou disciplínu, která rozšiřuje biochemický pohled na hygienickou a technologickou problematiku potravin. Biochemie potravin obsahuje hodnocení a významné související aspekty potravin ţivočišného a rostlinného původu a jejich komplexní pojetí s ohledem na biochemii a související vědní obory. Biochemie potravin je tedy v interdisciplinárním pojetí také úzce propojena s problematikou zdravotní nezávadnosti, bezpečnosti, jakosti, hodnocení potravin a potravinových surovin ţivočišného a rostlinného původu ve smyslu příslušných legislativních poţadavků.
5
3
BUŇKA – ZÁKLADNÍ STAVEBNÍ JEDNOTKA
Buňka je charakterizovaná jako základní stavební a funkční jednotka ţivých organismů, schopná samostatného růstu, metabolismu, stimulačních reakcí a replikace. Jsou známy dvě hlavní skupiny buněk: prokaryota (z řeckého: pro – před) a eukaryota (z řeckého: eu – správné nebo dobré; karyon – jádro nebo ořech). Prokaryotická buňka nemá pravé jádro, obsahuje velmi málo vnitřních struktur a mezi prokaryotické organismy se řadí bakterie a Archaea, které jsou zásadně jednobuněční. Eukaryotická buňka má membránou oddělené jádro, které obsahuje DNA (kyselina deoxyribonukleová - DNA), eukaryotické organismy mohou být mnohobuněčné nebo jednobuněčné, jsou značně sloţitější neţ organismy prokaryotické a patří do nich prvoci, houby, rostliny a ţivočichové. Prokaryota Obvyklá velikost prokaryotické buňky je uváděna v rozmezí 1-10 µm a jsou kulatého, tyčinkovitého nebo šroubovitě stočeného tvaru. Většina prokaryontních buněk má buněčnou stěnu, která slouţí především k ochraně buňky a je tvořena polysacharidy. Buněčná membrána (někdy nazývána téţ plazmatická), která tvoří další buněčný obal, je tvořena vrstvou lipidů a bílkovin. Tyto bílkoviny jsou rovněţ transportéry iontů a molekul do buňky. Vícevrstevné vchlípeniny buněčné membrány jsou nazývány mesozomy, které mohou slouţit ke specializovaným enzymovým reakcím a replikaci DNA. Na povrchu prokaryot občas bývá také jeden nebo dva bičíky, slouţící k pohybu, a různé výběţky. Obsah buňky je tvořen cytoplazmou. Pro prokaryontní buňku je charakteristický velmi malý počet vnitřních struktur, patří mezi ně chromosom (molekula DNA), různé druhy a fragmenty RNA (kyselina ribonukleová - RNA), ribosomy (pro syntézu bílkovin), enzymy a ostatní organické či anorganické látky. Eukaryota Velikost eukaryotické buňky je přibliţně 10-100 µm a stejně jako u prokaryot, eukaryotická buňka je obalena buněčnou membránou. Povrch membrány je zvětšen četnými výběţky a invaginacemi, které umoţňují proces endocytózy. Buněčným obsahem je cytoplazma a tento nehomogenní obsah tvoří voda, enzymy, odpadní látky a plyny. V cytoplazmě je rovněţ cytoskelet tvořený mikrotubuly. Organely a membránové struktury jsou však velmi strukturovány a silně organizovány vnitřními membránami nebo cytoskeletem. Z povrchu mnoha eukaryotických buněk vystupují pohyblivé řasinky nebo bičíky. Povrch rostlinných buněk je vně buněčné membrány kryt pevnou buněčnou stěnou, která je hlavně tvořena polysacharidem – celulosou.
Jádro je tvořeno jadernou biomembránou (karyotéka), s mnoha póry pro výměnu látek, a dále jadernou cytoplazmou (karyoplazma), ve které jsou chromozomy nesoucí dědičnou informaci (DNA). V jádře se rovněţ nachází jedno nebo více jadérek (nositelé genů pro syntézu ribosomální RNA). 6
Mezi semiautonomní organely eukaryotní buňky jsou řazeny plastidy a mitochondrie, neboť mají vlastní genetickou informaci a předpokládá se, ţe vznikly na základě symbiózy mezi prokaryotickou buňkou a předkem eukaryotických organismů. Plastidy jsou důleţité organely rostlinných buněk a většinou obsahují různá barviva důleţitá pro metabolismus rostlin. Řadíme k nim například chloroplasty, chromoplasty a bezbarvé leukoplasty obsahující zásobní látky jako škrob a lipidy. Mitochondrie jsou místem buněčné respirace – oxidačního metabolismu buňky. Mají dvě membrány (hladká vnější a členitá vnitřní), přičemţ enzymy katalyzující oxidaci ţivin jsou integrovány do vnitřní membrány. Takto je kaţdá mitochondrie členěna na mezimembránový prostor a vnitřní prostor zvaný mitochondriální matrix. Endoplazmatické retikulum je membránový systém kanálků a trubiček, drsné endoplazmatické retikulum obsahuje ribosomy (syntéza bílkovin) a hladké endoplazmatické retikulum je bez ribosomů (syntéza tuků a sacharidů). Mnoho produktů syntézy z endoplazmatického retikula jsou v buňce dopravovány do Golgiho aparátu, kde jsou bílkoviny, tuky a steroidní látky následně upravovány. Lysosomy jsou v podstatě membránové váčky, které obsahují různé hydrolytické enzymy rozkládající látky získané endocytózou. Peroxisomy obsahují oxidační enzymy a jednou z jejich funkcí je chránit buňku před peroxidem vodíku, např. v reakci katalyzované katalasou. Specializované typy peroxisomů, tzv. glyoxysomy, pak vyuţívají některé rostliny pro glyoxylátovou dráhu. U některých rostlin, hub nebo ţivočichů jsou v buňce také vakuoly, které mohou obsahovat enzymy, lipidy nebo např. melanin. Zjednodušená kresba eukaryotické buňky a buněčných komponent:
7
3.1
Charakteristika biologických systémů
Ţivé organismy jsou často složité a vysoce organizované, skládají se z mnoha buněk obvykle různých typů. Tyto buňky jsou dále tvořeny buněčnými strukturami a organelami, které jsou sloţité sestavy velkých polymerních molekul, tzv. makromolekuly. Makromolekuly mají komplikované trojrozměrné architektury a jsou vysoce organizované, přestoţe jsou sloţeny z jednoduchých chemických stavebních základů. Vodík, kyslík, uhlík a dusík tvoří více neţ 99 % prvků v lidském těle, kde se navíc většina vodíku a kyslíku vyskytuje jako voda. Schopnost těchto prvků tvořit mezi sebou kovalentní vazby je právě činí vhodnými jako základní prvky makromolekul. Vzhledem k tomu, ţe síla kovalentních vazeb je nepřímo úměrná atomovým hmotnostem zúčastněných prvků, tyto čtyři prvky tvoří nejsilnější kovalentní vazby. Dva další prvky, které rovněţ tvoří kovalentní vazby, jsou fosfor a síra a hrají rovněţ velmi důleţitou roli v procesech tvorby a přeměn makromolekul. Konformace neboli trojrozměrná struktura makromolekul je důsledkem interakcí mezi monomerními jednotkami v závislostech na jejich individuálních chemických vlastnostech. Tato složitá biologická struktura má velký význam pro samotnou existenci ţivého organismu, neboť kaţdá komponenta biologického systému má svůj účel, od struktury a funkce orgánů, aţ po jednotlivé chemické látky metabolismu, jako jsou enzymy či metabolické meziprodukty. Údrţba takto vysoce organizované struktury a činnosti ţivých systémů závisí na jejich schopnosti získat energii z okolního prostředí. Ţivé organismy jsou tedy aktivně zapojeny do energetických přeměn. Biologické systémy jsou charakterizovány pohybem energie, kterou vyuţívají pro udrţení jistého řádu, struktury, aktivních pochodů a rovněţ pro udrţení vnitřní rovnováhy. Tato rovnováha mezi katabolickými a anabolickými pochody je pro organismy nezbytná a přes trvale probíhající chemické přeměny je nutné udrţet stálost vnitřního prostředí (homeostasu), bez ohledu na měnící se okolí. Ovšem tento rovnováţný stav je ve skutečnosti zdánlivý, neboť v organismu neustále probíhají dynamické změny. Energie a hmota jsou neustále spotřebovávány či transformovány a kaţdá ze sloţek biologického systému můţe podléhat současně dalším reakcím a energie tak slouţí k udrţení stability a systému v organismu. Výsledkem je ustálení, tedy ustálený stav, a pro ţivot je tedy spíše typická termodynamická nerovnováha. Ţivé systémy mají pozoruhodnou schopnost replikace, kdy se organismy mnoţí prakticky identicky kopií generace po generaci díky chemické povaze genetického materiálu, který se skládá především z řetězců deoxyribonukleové kyseliny (DNA). Tato molekula se skládá z polymerních řetězců, které jsou k sobě strukturně komplementární, a tyto molekuly mohou vytvářet nové kopie sebe sama v polymeračním procesu, který zajišťuje věrnou reprodukci původních řetězců DNA. Přestoţe většina buněk má společné základní metabolické dráhy, vývoj různých druhů a uspořádání buněk či organismů přinesl různé alternativní cesty zisku ţivin a energie. Organismy jsou často klasifikovány podle hlavních metabolických drah, které vyuţívají k získání uhlíku nebo energie. 8
Klasifikace na základě poţadavků uhlíku definuje dvě hlavní skupiny: autotrofní a heterotrofní. Autotrofní organismy vyuţívají pouze oxid uhličitý jako jejich jediný zdroj uhlíku. Heterotrofní vyţadují organickou formu uhlíku, např. glukosu, kterou pak pouţívají k syntéze jiných důleţitých sloučenin uhlíku. Na základě energetických zdrojů se organismy klasifikují také na dvě skupiny: fototropní a chemotropní. Fototropní (fotosyntetické) organismy vyuţívají jako zdroj energie světlo. Chemotropní pouţívají jako jediné zdroje energie oxidovatelné organické (glukosa) nebo anorganické látky (NH4+, Fe2+, NO2-). Kyslík je akceptorem elektronů v energetických drahách a je vyuţíván pro ţivot aerobních organismů, naopak anaerobní organismy mohou existovat bez kyslíku. Pro obligátně aerobní organismy platí, ţe je pro jejich ţivot kyslík zcela nezbytný (člověk), ale například fakultativně anaerobní organismy mohou nahradit kyslík jinými akceptory elektronů a přizpůsobit se tak anaerobním podmínkám (Escherichia coli). Obligátně anaerobní organismy nemohou kyslík vyuţívat (Clostridium botulinum). Složení lidského těla z hlediska základních prvků: Prvek: % O 61 C 23 H 10 N 2,5 Ca 1,4 P 1,1 K 0,2 S 0,2 Cl 0,14 Na 0,14 Mg 0,03 Zbytek (pod 0,3 %) tvoří stopové prvky, které slouží základním biologickým funkcím: např. Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo, I, Ni, Se, Cr, Si
9
Složitá biologická struktura je jednou ze základních charakteristik biologických systémů:
10
3.2 Katabolismus a anabolismus – intermediární metabolismus Slovo „metabolismus― pochází z řeckého slova pro „změnu― (z řeckého meta – přes; balló – házím). Metabolismus tedy představuje součet chemických změn, které přeměňují ţiviny na metabolity, nezbytné pro výţivu ţivých organismů a buněk, na energii a komplexní hotové produkty. Metabolismus je tvořen stovkami enzymatických reakcí uspořádaných do samostatných biochemických metabolických drah. Tyto dráhy krok po kroku přeměňují substráty do konečných produktů, často přes mnoho specifických meziproduktů. Metabolismus je proto také označován jako intermediární metabolismus, aby se odrazily všechny aspekty celého procesu v organismu či buňce.
Ţijící organismy vykazují výrazné podobnosti v hlavních metabolických drahách, jako je například glykolýza, která je jednou z nejstarších z metabolických drah společná pro téměř všechny buňky. Přestoţe však většina buněk má stejnou základní osu metabolických drah, diferenciace buněk a organismů přinesla také rozdílnost v jednotlivých krocích nebo vytvoření zcela jiných alternativních metabolických cest. Metabolismus slouţí ke dvěma zásadně odlišným účelům: produkce energie pro pohon ţivotně důleţitých funkcí a syntézu molekul. Proto metabolické cesty tvoří zásadně kontrastní procesy: katabolismus a anabolismus. Katabolické dráhy jsou charakterizovány jako zisk energie, zatímco anabolické procesy energii vyţadují.
Katabolismus zahrnuje oxidační degradace komplexních molekul ţivin (sacharidy, tuky a bílkoviny), získaných z prostředí nebo z buněčných rezerv. Degradace vede k vytvoření jednodušších molekul, jako je oxid uhličitý, močovina nebo amoniak, které mohou být obvykle vyloučeny. Katabolické reakce jsou obvykle exergonické, tj. uvolňuje se energie, která je často zachycena ve formě ATP. Anabolismus je syntetický proces, ve kterém jsou z jednodušších prekurzorů syntetizovány odlišné a sloţitější biomolekuly (proteiny, nukleové kyseliny, polysacharidy, lipidy). Takto se tvoří nové kovalentní vazby a tudíţ je potřeba vstupní chemická energie, anabolické procesy jsou tedy endergonické. Tuto energii poskytuje ATP generované z katabolismu a dárcem vysokoenergetických elektronů pro redukční reakce můţe být rovněţ koenzym NADPH+H+.
Část chemické energie, v podobě energeticky bohatých elektronů, můţe být uchována v koenzymech NAD+ a NADP+. Energie uvolněná poté při oxidaci NADH+H+ zpět na NAD+ můţe být u aerobních buněk pouţita např. k fosforylaci molekuly ADP na ATP. Naopak, NADPH+H+ je zdrojem energie k redukčním biosyntetickým reakcím. Tyto koenzymy, NAD+ a NADP+, mají tedy velmi odlišné metabolické role: redukce NAD+ je součástí 11
katabolismu a oxidace NADPH+H+ je důleţitým aspektem anabolismu. Ačkoliv anabolické a katabolické procesy mají odlišné úlohy, produkty z jednoho poskytují substráty druhému a mnohé metabolické meziprodukty jsou sdíleny mezi dvěma procesy.
Energetické souvislosti mezi katabolickými a anabolickými drahami:
Protoţe katabolické a anabolické biochemické dráhy mají protikladné energetické poţadavky a v buňce se vyskytují současně, jsou buňkami řízeny dvěma způsoby. Za prvé, buňka udrţuje přísnou a oddělenou regulaci jak katabolismu, tak anabolismu, takţe metabolické potřeby jsou uspokojovány postupně a odděleně. Za druhé, konkurenční metabolické cesty jsou často lokalizovány v různých buněčných kompartmentech. Například enzymy odpovědné za katabolismus mastných kyselin (metabolická dráha oxidace mastných kyselin) jsou lokalizovány v mitochondriích, naproti tomu, biosyntéza mastných kyselin probíhá v cytosolu. Některé z hlavních cest látkové výměny, jako je cyklus kyseliny citronové, a mnoho dalších metabolických drah můţe mít dvojí účel, slouţí jak katabolismu, tak i anabolismu. Tato dvojí povaha se odráţí v označení takových drah – amfibolický (z řeckého amphi - na obou stranách).
12
3.3 Biologické oxidace – reakce metabolismu Chemicky jsou oxidace definovány jako reakce, při kterých sloučeniny ztrácí elektrony a vždy je doprovází redukce, při kterých sloučeniny elektrony získávají. Oxidoredukční reakce mají zásadní význam pro metabolismus ţivých organismů, neboť jejich pomocí získávají většinu potřebné volné energie. Biologické oxidace jsou katalyzovány specifickými enzymy, které jsou příslušné pro určité reakce. Enzymy podílející se na oxidaci a redukci se nazývají oxidoreduktasy a jsou rozděleny do čtyř skupin: oxidasy, dehydrogenasy, hydroperoxidasy a oxygenasy.
1) Oxidasy - katalyzují odnímání elektronů a akceptorem je kyslík. Zástupcem oxidoreduktas je například cytochromoxidasa, která je koncovým enzymem dýchacího řetězce. Cytochromoxidasa je významný metaloprotein (obsahuje ţelezo a měď), na molekulu kyslíku předá čtyři elektrony za vzniku dvou nestálých aniontů kyslíku (O2-), které se proto ihned slučují s okolními protony (H+) a vytvoří dvě molekuly vody:
O2 + 4 e- → 2 O22 O2- + 4 H+ → 2 H2O
Dalšími oxidasami jsou flavoproteinové enzymy, obsahující jako kofaktor flavinmononukleotid (FMN) nebo flavinadenindinukleotid (FAD). Mechanismus oxidoredukční reakce katalyzované těmito enzymy je sloţitý, avšak lze jej zjednodušit jako přenos dvou elektronů a dvou protonů ze substrátu přes meziprodukt semichinon (volný radikál) aţ na FAD za vzniku redukované formy FADH2. Dalšími příklady oxidas jsou monoaminoxidasa, lysyloxidasa, glukosaoxidasa, xanthinoxidasa nebo urikasa.
2) Dehydrogenasy - katalyzují odnímání vodíku. Nemohou přenášet redukční ekvivalenty (H+) přímo na kyslík a mají hlavní dvě funkce: přenos vodíku z jednoho substrátu na druhý a jako součásti dýchacího řetězce při transportu elektronů. Dehydrogenasy vyuţívají jako kofaktor + nikotinamidadenindinukleotid (NAD ) nebo nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP+), nebo obojí, a jsou vytvořeny v těle z vitaminu niacinu. Další dehydrogenasy vyuţívají flavin - FMN a FAD, podobně jako oxidasy. Příklady dehydrogenas jsou NADH-dehydrogenasa, sukcinátdehydrogenasa, acyl-CoA-dehydrogenasa a mitochondriální glycerol-3-fosfátdehydrogenasa. Do této skupiny se řadí rovněţ cytochromy, které přenášejí elektrony v dýchacím řetězci.
13
3) Hydroperoxidasy – vyuţívají jako substrát peroxid vodíku a chrání tak organismus před škodlivými účinky peroxidů. Mezi hydroperoxidasy řadíme peroxidasy a katalasy. Peroxidasy katalyzují sloţitou reakci, při níţ se H2O2 rozkládá na vodu a reduku se na úkor akceptorů elektronů, jako jsou askorbát, chinony, a cytochrom c. Příkladem jsou peroxidasy obsaţené v mléce, křenová peroxidasa, nebo glutathionperoxidasa: H2O2 + AH2 → 2 H2O + A
Katalasa katalyzuje dismutaci dvou molekul peroxidu vodíku na vodu a kyslík: 2 H2O2 → 2 H2O + O2
4) Oxygenasy – katalyzují přímý přenos a vstup kyslíku do molekuly substrátu. Podle toho, zda se do substrátu vnáší celá molekula kyslíku nebo jenom jeden atom, rozlišujeme: - Dioxygenasy začleňují oba atomy molekulárního kyslíku do substrátu, základní reakce: A + O2 → AO2
Příkladem je jaterní enzym L-tryptofandioxygenasa. - Monooxygenasy (zvané rovněţ oxidasy se smíšenou funkcí či hydroxylasy) začleňují do substrátu pouze jeden atom z molekulárního kyslíku O2, druhý atom kyslíku je redukován na vodu, přičemţ na reakci se ještě musí podílet donor elektronu nebo kosubstrát (Z): A—H + O2 + ZH2 → A—OH + H2O + Z Monooxygenasy se uplatňují také při biotransformaci xenobiotik a při oxidačních modifikacích xenobiotik - cytochrom P450.
Specifickou a velmi důleţitou roli pro všechny aerobní organismy hraje enzym, který je rovněţ řazen do oxidoreduktas – superoxiddismutasa. Superoxiddismutasa - katalyzuje disproporcionaci superoxidového aniontu (O2-.) a tím ochraňuje proti moţné toxicitě kyslíku: . 2 O2- + 2 H+ → H2O2 + O2
14
4
PŘEHLED METABOLISMU A VYBRANÝCH DĚJŮ
Pojem metabolismus v sobě zahrnuje soubor katabolických i anabolických dějů. Součástmi těchto dějů jsou výchozí látky, meziprodukty (neboli intermediáty) a výsledné produkty. Meziprodukty mohou dále vstupovat do různých metabolických drah (např. pyruvát můţe být přeměněn hydrogenací na laktát, nebo transaminací na alanin, oxidační dekarboxylací na acetyl-CoA, případně se můţe zapojit do tvorby glukosy – glukoneogenese). Popis jednotlivých metabolických drah a hlavně jejich souvislosti a vzájemné provázání je obsahem intermediárního metabolismu. Některé metabolické dráhy mohou mít povahu jak katabolickou, tak i anabolickou. Takové dráhy se označují jako amfibolické. Znalost normálního metabolismu u člověka, nebo obecně ţivočichů, za fyziologických podmínek, je předpokladem pro správné porozumění patologického průběhu metabolismu. Normální metabolismus zahrnuje metabolické procesy při hladovění, námaze, graviditě a laktaci. K abnormálnímu metabolismu dochází například vlivem nedostatečné výţivy, enzymového defektu nebo abnormální sekrece hormonů. Jedním z příkladů abnormálního metabolismu je diabetes mellitus. Z pohledu vyuţití nebo tvorby energie můţeme chemické reakce rozdělit na endergonní a exergonní. Endergonní reakce jsou reakce syntetické (anabolické), které vyţadují přísun energie. Tato energie je získávána rozkladem sloţitějších molekul na jednodušší. Takové reakce označujeme jako exergonní (katabolické). Významných zdrojem energie v těle je glykogen, tukové zásoby (triacylglyceroly, TAG) a ketolátky (acetacetát a βhydroxybutyrát). Jako poslední moţnost vyuţije tělo k tvorbě energie rozklad proteinů.
Mezi hlavní metabolické dráhy intermediárního metabolismu patří: glykogenolysa
-
glykogenese
glykolysa
-
glukoneogenese
lipolysa
-
lipogenese
β-oxidace MK
-
biosyntéza mastných kyselin
ketolysa
-
ketogenese
proteolysa
-
proteosyntéza
odbourávání AMK
-
syntéza močoviny
15
Všechny organické látky v organismu dříve nebo později podlehnou rozpadu na produkty, z nichţ jen část má charakter odpadních produktů (např. močovina). Většina produktů se můţe syntetickými (anabolickými) reakcemi vrátit do původní podoby, např. aminokyseliny mohou být znovu vyuţity na syntézu proteinů, glycerol a mastné kyseliny na tvorbu triacylglycerolů apod. Jak jiţ bylo řečeno, intermediární metabolismus se zabývá nejen přeměnou jednotlivých ţivin, ale i jejich vzájemnými vztahy. Proto bude i dále ukázáno, jakým způsobem dochází ke vzájemným interakcím mezi jednotlivými metabolickými dráhami a jaké komunikační spojky v ose sacharidy – lipidy – proteiny existují. Potrava obsahuje tisíce různých sloučenin. Je tu mnoho specifických proteinů, sacharidů, lipidů, které představují hlavní ţiviny. Tyto ţiviny mají svůj specifický metabolismus, ale princip jejich zpracování zůstává shodný. Z vysokomolekulárních látek (tj. sloţitějších) jsou katabolickými procesy získávány látky nízkomolekulární (tj. jednodušší). Tyto látky jsou dále rozkládány aţ na významný společný meziprodukt metabolismu sacharidů, lipidů a proteinů, kterým je acetyl-CoA. Acetyl-CoA dále vstupuje do citrátového cyklu, jehoţ hlavním úkolem je produkce energie, tj. ATP. Jak bude pojednáno dále, citrátový cyklus jako takový produkuje pouze 1 molekulu ATP, zbylých 11 molekul (do celkového počtu 12 molekul ATP) je produkováno v dýchacím řetězci, do kterého z citrátového cyklu přicházejí redukční ekvivalenty NADH + H+ a FADH2. Přenosem vodíku, který vlastně pochází původně z přijatých ţivin, a elektronů z nich aţ na molekulový kyslík vzniká v dýchacím řetězci tzv. metabolická voda. Proces tvorby ATP tímto způsobem (pomocí dýchacího řetězce) se označuje jako aerobní (oxidativní) fosforylace. Druhým způsobem, kterým se ATP můţe tvořit je tzv. substrátová fosforylace (ATP nevzniká v dýchacím řetězci, ale přímo v reakci mezi výchozí makroergickou látkou a produktem, kdy se vyuţije energie vzniklá rozštěpením makroergní vazby výchozí látky ke sloučení anorganického fosfátu P i a ADP, za vzniku ATP).
16
Vzájemná komunikace jednotlivých živin a jejich metabolický cíl:
POLYSACHARIDY
glukosa a další monosacharidy
TUKY
PROTEINY
mastné kyseliny a glycerol
aminokyseliny
ACETYL-CoA
CoA-SH
citrátový cyklus
2 CO2
8 H+ + 8 e-(z 3x NADH+H+ a 1x FADH2) 1
/2O2
oxidativní fosforylace
H2O
ATP
17
Pro pochopení metabolických dějů je důleţité znát a porozumět nejen jejich vzájemné provázanosti, tj. intermediárnímu metabolismu, ale také tzv. kompartmentaci jednotlivých metabolických drah. Pojmem kompartmentace se rozumí jejich lokalizace a to nejen orgánová, ale i buněčná. Některé metabolické dráhy jsou striktně specificky lokalizovány a to zejména v provázanosti na lokalizaci jejich enzymů. Příkladem můţe být například proces glukoneogenese, který se vyskytuje pouze v játrech a ledvinách. Důvodem je jeden z klíčových enzymů, který má lokalizaci pouze v těchto orgánech (viz kapitola 10.2.2). Pro glukoneogenesi je rovněţ specifická její lokalizace (čili kompartmentace) i z pohledu buňky. Tento proces probíhá jak v mitochondriích, tak také v cytoplazmě. Přesné ohraničení tohoto cyklu v rámci buňky je rovněţ klíčové. Dalším příkladem rozdílné kompartmentace je například metabolismus ketolátek. Biosyntéza ketolátek probíhá v játrech, ale jejich utilizace (tzn. vyuţití) se uskutečňuje v extrahepatálních tkáních. Důvodem i zde je rozdílná kompartmentace příslušných enzymů. Dalším aspektem, který není moţné zanedbat při studiu metabolických procesů v organismu, je stav, ve kterém se organismus nachází z pohledu příjmu potravy. Rozdílné procesy a jejich regulace probíhají například po příjmu potravy a v době hladovění. Po příjmu potravy je organismus pod vlivem insulinu, k jehoţ hlavním funkcím patří sníţení glykemie (a to například stimulací glykolysy – tj. rozkladu glukosy, glykogenese – tj. zabudování glukosy do glykogenu, zvýšeným vstupem glukosy do buněk – tukové tkáně, kosterní a srdeční svaloviny - pomocí transportního proteinu GLUT 4), zvýšení lipogenese (související s ukládáním glukosy do tukové tkáně a také s utilizací produktů, které vznikají podporou rozkladných procesů glukosy, jako jsou acetyl-CoA, dihydroxyacetonfosfát, glycerol-3-P apod.) a zvýšení proteosyntézy. Při hladovění je organismus pod vlivem hormonů, jako jsou glukagon, adrenalin, noradrenalin, kortisol apod. Tyto hormony jsou antagonisté insulinu, tzn., ţe podporují opačné procesy neţ insulin. K těmto procesům patří například glukoneogenese – tj. tvorba glukosy, a glykogenolysa – tj. rozklad jaterního glykogenu (pro zvýšení glykemie), lipolysa – tj. rozklad triacylglycerolů a jejich následné zpracování (pro zisk energie na podporu syntetických, anabolických, procesů), ketogenese (vyuţití nadprodukce acetyl-CoA vzniklého při β-oxidaci mastných kyselin; následná ketolysa je rovněţ vyuţita k produkci ATP) a proteolysa. Znalosti základních biochemických cyklů, jako jsou glykolysa, glukoneogenese, glykogenolysa, glykogenese a další pomohou studentům lépe porozumět procesům, které v potravinách probíhají, jako jsou například zrání masa (a s tím související jeho abnormální průběh autolysy masa, jako je například PSE a DFD maso), rychlý rozklad svalového glykogenu (například vlivem stresu) a s tím související důsledky, biosyntéza mléčného cukru - laktosy, lipoperoxidace lipidů a její dopad, mechanismus účinku mlékařských kultur a mnoho dalších.
18
5
SACHARIDY, LIPIDY A PROTEINY V BIOCHEMICKÝCH DĚJÍCH
K základním substrátům v biochemických dějích patří jednotlivé sloţky ţivin, které jsou přijímány v potravě. Jedná se o vodu, sacharidy, lipidy, proteiny, vitaminy a minerální látky. Obsah vody v potravinách je značně variabilní a je závislý na chemickém sloţení potravinářských surovin, způsobu zpracování a skladováním těchto produktů. Průměrný obsah vody v surovinách rostlinného a ţivočišného původu je 50 – 90 % hmotnosti surovin. Mnoţství vody ovlivňuje organoleptické vlastnosti potravin, její údrţnost a biochemické (enzymové) a chemické (neenzymové) reakce, ke kterým dochází během zpracování a skladování potravin. V potravinách ţivočišného původu je obsah vody závislý na ţivočišném druhu a zejména na obsahu tuku. S rostoucím obsahem tuku obsah vody klesá. V potravinách rostlinného původu je nejvíce vody obsaţeno v ovoci, zelenině, dále pak obilovinách a luštěninách. Pouze stopy vody jsou obsaţeny v rostlinných olejích. Sacharidy jsou pro buňku nejrychlejším zdrojem energie. Monosacharidy, oligosacharidy a polysacharidy jsou běţnou sloţkou téměř všech potravin. Monosacharidy jsou ve větším mnoţství obsaţeny zejména v ovoci, kde jejich obsah závisí na druhu ovoce, stupni zralosti, podmínkách skladování a zpracování atd. V mase se vyskytuje in vivo zejména polysacharid glykogen, který je post mortem rychle degradován na glukosu (respektive na glukosu-1-P a volnou glukosu). V mléce je hlavním cukrem disacharid laktosa (glukosa+galaktosa). Ve vejcích jsou sacharidy obsaţeny v bílku i ţloutku a to v poměru asi 9:1 a to jednak ve formě volných monosacharidů (zejména glukosa, dále také mannosa, galaktosa aj.) a také sacharidů vázaných na proteiny (glykoproteinů). Lipidy patří mezi energetické a stavební zdroje pro buňku. Z hlediska energie jsou zdrojem pomalejším, ale na druhou stranu efektivnějším. Pro biochemické děje jsou z lipidů v potravě významné zejména cholesterol, triacylglyceroly a mastné kyseliny (nenasycené, nasycené). Tyto komponenty jsou následně vyuţity v organismu pro biosyntézu například ţlučových kyselin, vitaminu D, esterů cholesterolu, fosfolipidů, glykolipidů, eikosanoidů aj. Volné mastné kyseliny přijímá člověk v potravě jen v malém mnoţství (uvolněny ve střevě účinkem lipas), ale je schopný si je syntetizovat (nenasycené pouze řadu ω-9; řady ω-6 a ω-3 musí přijímat v potravě). Často jsou mastné kyseliny v potravě ve formě esterů. Z nasycených mastných kyselin jsou nejběţnější kyseliny palmitová (ve formě triacylglycerolů a fosfolipidů) a stearová. V mléčném tuku se vyskytují zejména mastné kyseliny s kratším řetězcem (např. máselná). Nenasycené mastné kyseliny jsou aţ z 90 % obsaţeny v přírodních rostlinných zdrojích (např. v řepkovém oleji), v menší míře jsou obsaţeny i v tucích ţivočichů. V rostlinách je ve srovnání s ţivočichy daleko větší pestrost ve sloţení nenasycených mastných kyselin. Nejčastější formou tuku v potravě jsou triacylglyceroly, jejichţ hlavní sloţkou je glycerol a mastné kyseliny – nasycené i nenasycené (nejčastěji vázány v poloze č. 2). Cholesterol je sterol, který se vyskytuje v ţivočišných tkáních, zejména vaječném ţloutku, svalovině, mléce, sýru a sádle. Nejvyšší obsah cholesterolu je v mozečku.
19
Proteiny plní nejčastěji funkce strukturní, transportní, kontraktilní, regulační a zásobní. Potraviny se značně liší jejich obsahem a sloţením jednotlivých aminokyselin. Obsah bílkovin se pohybuje v rozmezí 0-100 % v sušině. Hlavním zdrojem proteinů jsou zejména potraviny ţivočišného původu (zvěřina, vepřové, hovězí, kuřecí a krůtí maso, tvaroh, tvrdé sýry, ţloutek). Z rostlinných produktů jsou hlavním zdrojem zejména luštěniny (hrách, fazole, čočka) a olejniny (sója, arašídy, mák, ořechy). Středně vysoký obsah proteinů mají obiloviny a cereální výrobky. Nízký obsah proteinů najdeme v zelenině, ovoci a okopaninách. Proteiny neobsahují rostlinné oleje, ocet a cukr. V potravinách se vyskytují dvě základní formy vitaminů – vitaminy rozpustné ve vodě a vitaminy rozpustné v tucích. Významným zdrojem je například maso a masné výrobky, mléko a mléčné výrobky, vejce (zejména ţloutek), chléb a jiné cereální potraviny, ovoce a zelenina aj. Minerální látky obsaţené v potravinách můţeme dělit na majoritní (makroelementy – Na, K, Mg, Ca, Cl, P, S), minoritní (Fe, Zn) a stopové (mikroelementy – Co, Cr, Cu, I, Mn, Mo, Se, Si aj.). Minerální látky slouţí zejména jako kofaktory enzymů v řadě biochemických dějů.
5.1 Sacharidy (cukry) Názvem sacharidy se označují polyhydroxyaldehydy a polyhydroxyketony, které obsahují v molekule minimálně tři alifaticky vázané uhlíkové atomy a také sloučeniny, které se z nich tvoří vzájemnou kondenzací za vzniku acetalových vazeb.
Dělení sacharidů podle počtu uhlíků: - triosy (glyceraldehyd) - tetrosy (erythrosa) - pentosy (ribosa) - hexosy (glukosa) - heptosy (sedoheptulosa)
20
Dělení sacharidů podle funkční skupiny: - aldosy (glyceraldehyd, ribosa, glukosa) - ketosy (dihydroxyaceton, ribulosa, fruktosa)
Dělení sacharidů podle počtu cukerných jednotek: - monosacharidy (glukosa, galaktosa, fruktosa) - oligosacharidy (2-10 monosacharidových jednotek) - disacharidy – laktosa (glukosa+galaktosa), maltosa (glukosa+glukosa), sacharosa (glukosa+fruktosa) - trisacharidy – maltotriosa (glukosa+glukosa+glukosa) - polysacharidy (více jak 10 monosacharidových jednotek) – škrob, glykogen, dextriny
Kromě jednoduchých sacharidů se vyskytují také sacharidy komplexní ve formě aminocukrů, glykoproteinů, glykolipidů a glykosaminoglykanů. Sacharidy mají funkci energetickou, zásobní a strukturní. U organismu s celou enzymatickou výbavou se také podílejí na biosyntéze vitaminu C (glukosa – kyselina glukuronová – gulonolakton – kyselina askorbová). U rostlin je glukosa syntetizována díky fotosyntéze z vody a oxidu uhličitého a je ukládána ve formě polysacharidu škrobu, případně je přeměňována na celulosu rostlinného pletiva. Ţivočichové jsou schopni syntetizovat některé sacharidy z lipidů a proteinů. Hlavním smyslem metabolismu sacharidů je zajistit přísun glukosy a její další osud. Glukosa je vyuţita jako pohotový zdroj energie (1g cukru poskytuje 17 kJ energie). V procesu glykolysy je štěpena na laktát (anaerobní podmínky) nebo acetyl-CoA (aerobní podmínky). Aerobní podmínky jsou pro štěpení glukosy výhodnější, buňka tím získává 36-38 molekul ATP, zatímco za anaerobních podmínek pouze 2 molekuly ATP. Aerobní metabolismus glukosy probíhá v návaznosti na citrátový cyklus a dýchací řetězec. Kromě energetického významu se glukosa účastní i dalších důleţitých biochemických procesů, jako je konverse na svůj zásobní polysacharid glykogen (v játrech a ve svalech), dále se účastní pentofosfátové metabolické dráhy. Triosafosfáty, které vznikají v procesu glykolysy, jsou vyuţity pro biosyntézu glycerolu (triacylglycerolů). Pyruvát a meziprodukty citrátového cyklu poskytují uhlíkový skelet pro syntézu aminokyselin. Produkt aerobního metabolismu – acetyl-CoA – slouţí jako stavební kámen pro biosyntézu ketolátek, mastných kyselin, cholesterolu a od něj odvozených steroidních látek. V potravinách se vyskytují jako volné látky a také jako součást řady oligosacharidů, polysacharidů a heteroglykosidů kyseliny odvozené od cukrů. Jedná se zejména o potraviny, 21
ve kterých probíhaly reakce neenzymového hnědnutí. Řadíme mezi ně např. kyselinu glukonovou, mannovou, glukuronovou, galakturonovou, iduronovou aj. V organismu jsou vyuţity jako stavební jednotky jiţ zmíněných komplexních sacharidů. Tyto komplexní sacharidy obsahují současně bílkoviny, peptidy, lipidy a jiné nesacharidové komponenty. Mezi nejvýznamnější zástupce glykosaminoglykanů patří kyselina hyaluronová, chondroitinsulfát, dermatansulfát, keratansulfáty (I+II), heparin a heparansulfát. Strukturálně se jedná o opakující se disacharidy, sloţené z N-acetylovaného aminocukru a kyseliny uronové. Výjimkou jsou keratansulfáty, ve kterých je uronová kyselina nahrazena galaktosou. Keratansulfát II. a chondroitinsulfát se podílejí na stavbě chrupavky (vazbou na kyselinu hyaluronovou v proteoglykanech). Trávení sacharidů začíná v dutině ústní. Sliny obsahují slinnou amylasu, která je schopna hydrolyticky štěpit škrob a glykogen na maltosu, maltotriosu a limitní dextriny. Amylasu aktivují ionty Cl-, Br-, I-, NO3- a stabilizují ionty Ca2+. Amylasa je velmi citlivá na nízké pH (inaktivace nastává při pH 4,0 a niţším), proto při průchodu ţaludkem její účinek na potravu klesá aţ do inaktivace. Další trávení sacharidů probíhá v tenkém střevě. Nerozštěpený škrob a glykogen z dutiny ústní zde štěpí pankreatická amylasa, která vykazuje stejný účinek a vytváří stejné produkty jako slinná amylasa. Na ně katalyticky působí enzymy, které jsou membránově vázány na kartáčový lem enterocytů. Patří mezi ně maltasa (α-glukosidasa), která odštěpuje jednotlivé glukosové zbytky vázané α (1→4) z neredukujícího konce. Jejím produktem jsou dvě molekuly glukosy. Stejné produkty vznikají účinkem enzymu isomaltasy – α (1→6) glukosidasy. Enzym sacharasa hydrolyticky štěpí sacharosu na glukosu a fruktosu a také vazby α (1→6) limitních dextrinů. Laktasa (β-glykosidasa) odštěpuje galaktosu z laktosy (za vzniku glukosy) a také štěpí cellobiosu a další β-glykosidy. Součástí trávicích šťáv je také trehalasa, která hydrolyticky štěpí trehalosu na dvě molekuly glukosy. Konečným produktem trávení sacharidů v tenkém střevě jsou monosacharidy. Mezi nejvýznamnější paří glukosa, galaktosa, fruktosa, mannosa, ribosa. Tyto monosacharidy se resorbují do krve (v. portae) z jejuna. Fruktosa je resorbována rychleji neţ glukosa a galaktosa a probíhá difusí po koncentračním spádu. Na resorpci glukosy se podílejí dva základní mechanismy (Na+-dependentní a Na+-independentní) spolu s prostou difuzí.
Na+-dependentní systém: Jedná se o sekundárně aktivní transport glukosy do enterocytu. Glukosa je navázána na Na v poměru 1:1-2. Na+ prostupuje do enterocytu po svém koncentračním gradientu a glukosa je „taţena― spolu s ním (kotransport). Transportní protein je označován SGLT1 (z angl. sodium-dependent glucose (co)transporter). Přebytečný Na+ musí být transportován z buňky ven, aby nedošlo ke změně osmotického tlaku uvnitř buňky a jejímu prasknutí. Tento +
22
transport se jiţ děje aktivně pomocí Na+/K+-ATPasové pumpy. Tato pumpa přenáší 3 atomy Na+ (extracelulárně) výměnou za dva atomy K+ (intracelulárně).
Na+-independentní systém: Tento systém je nezávislý na transportu Na+ do buňky. Vyuţívá specifických transportních transmembránových proteinů, tzv. GLUT (z angl. glucose transporter). Tyto proteiny jsou sloţeny přibliţně z 500 aminokyselin, nejsou homologní s SGLT transportními proteiny. V současné době je jich objeveno asi 12, přičemţ velký význam zaujímá GLUT 4, který jako jediný je aktivován insulinem. Vyskytuje se v tukové tkáni, kosterní a srdeční svalovině. Při hyperglykemii jsou to právě tyto tkáně, do kterých je pod vlivem insulinu transportována glukosa, aby došlo k normoglykemii.
Vstup glukosy do enterocytu: (1 – Na dependentní systém; 2 – Na+ independentní systém) +
23
5.2 Lipidy (tuky) Jsou významnou součástí potravin a potravinových surovin. Významnou úlohu plní v metabolismu ve vztahu k biomembránám, fosfolipidům, lipoproteinům a ţluči. Problematika lipidů zahrnuje i cholesterol, tj. ţivočišný sterol, který je zastoupen v řadě komodit ţivočišného původu. Zastoupení lipidů v potravinách se vyskytuje v poměrně širokém rozmezí, ale liší se strukturním zastoupením. Základní dělení tuků je na jednoduché, sloţené a odvozené tuky. Jednoduché tuky tj. estery mastných kyselin a glycerolu, sloţené tuky obsahují další funkční skupinu. Jsou to např. fosfolipidy, lipoproteiny, glykolipidy. Odvozené lipidy zahrnují dále např. steroly, cholesterol, fytosteroly, apod. Tuky se dělí podle původu na dvě základní skupiny: -
ţivočišné rostlinné
Živočišné tuky tj. vepřové sádlo, máslo, lůj, rybí tuky, mléčný tuk a dále rostlinné tuky tj. oleje. Obsah tuku se pohybuje v různém rozmezí, např. v sádle je 100 %, v másle 82 %, u pomazánkového másla 31 % a více. Základní sloţkou tuků jsou mastné kyseliny nasycené a nenasycené (monoenové a polyenové). Problémem je příjem trans - nenasycených mastných kyselin s ohledem na jejich zdravotní účinky. Trans – mastné kyseliny vznikají činností mikroorganismů v bachoru skotu. Negativním účinkem trans-mastných kyselin je riziko aterosklerotických změn a zvýšení koncentrace LDL cholesterolu.
Přehled mastných kyselin: Mastné kyseliny – nasycené a nenasycené (monoenové a polyenové). Nasycené mastné kyseliny – příklady: máselná, kapronová, kaprylová, kaprinová, laurová, myristová, palmitová, stearová.
Esenciální mastné kyseliny: Strukturálně jsou uspořádány tak, ţe první dvojná vazba je na 3 uhlíku (n-3, ω-3, omega-3) nebo na 6 uhlíku (n-6, ω-6, omega-6). Problematika esenciálních mastných kyselin je významnou problematikou v zastoupení lipidů.
24
Esenciální mastné kyseliny řady n-3 (omega 3) Kyselina -linolenová (je esenciální), 18:3 (9,12,15) se v ţivočišných tucích vyskytuje velmi málo, vyšší podíl je v řepkovém a sójovém oleji. Esenciální mastné kyseliny řady n-6 (omega 6) Kyselina linolová (je esenciální), 18:2 (9,12) vyskytuje se téměř ve všech tucích, zejména rostlinných olejích (slunečnicový olej).
Úloha esenciálních mastných kyselin je následující syntéza eikosanoidů,vliv mastných kyselin na vlastnosti lipoproteinů LDL, kdy C18:2 a C18:3 sniţují hladiny LDL-cholesterolu, klesající tendenci má i HDL frakce a vţdy se sniţuje poměr LDL:HDL a celkové mnoţství plazmatického cholesterolu.
Esenciální mastné kyseliny Ţivočichové mají ve srovnání s rostlinami omezené moţnosti desaturace mastných kyselin. U většiny zvířat mohou být dvojné vazby zaváděny v polohách ∆4, ∆5, ∆6 a ∆9 (počítáno od karboxylového konce), dodatečné dvojné vazby pak mohou být zaváděny pouze mezi existující dvojnou vazbu (např. ω-9, ω-6, ω-3) a karboxylový uhlík. Vzhledem k tomu, ţe ţivočichové mají ∆9-desaturasu, jsou schopni úplné syntézy ω-9 nenasycených mastných kyselin, ale nejsou schopni syntetizovat ω-6 nenasycené mastné kyseliny a ω-3 nenasycené mastné kyseliny. Rostliny mají enzymatickou výbavu umoţňující zavádění dvojné vazby do poloh ∆6, ∆9, ∆12, ∆15 a mohou tak syntetizovat rovněţ ω-6 a ω-3 polyenové mastné kyseliny. Tyto mastné kyseliny musí být proto získávány potravou primárně rostlinného původu a jsou z hlediska výţivy člověka esenciální.
Metabolismus Z biomedicínského hlediska mají význam především nenasycené mastné kyseliny s dlouhým nebo velmi dlouhým řetězcem. Jedná se o polyenové mastné kyseliny dvou základních řad ω-6 a ω-3. První kyselinou z řady ω-6 je kyselina linolová (18:2, all-cis-9, 12-oktadekadienová). První kyselinou řady ω-3 je kyselina α-linolenová (18:3, all-cis-9, 12, 15-oktadekatrienová). Pro syntézu těchto dvou kyselin není u člověka enzymatické vybavení a musí být proto dodávány potravou. Další metabolizace těchto kyselin v organismu však jiţ moţná je, a tak jsou v pravém slova smyslu esenciálními mastnými kyselinami pouze kyselina linolová a kyselina α-linolenová. Tyto dvě esenciální mastné kyseliny jsou dále metabolizovány desaturací a elongací za vzniku mastných kyselin s velmi dlouhým řetězcem a vyšším počtem dvojných vazeb. Přestoţe ţivočišné tkáně obsahují enzymy, které jsou schopny dále prolongovat a desaturovat tyto dvě mastné kyseliny, jsou i tyto metabolity 25
povaţovány do určité míry za esenciální/semiesenciální mastné kyseliny, protoţe jejich syntéza je limitována jak dostatkem prekurzorů, tak i kapacitou enzymatického systému. V potravinách jsou pak sledovány nejen primárně esenciální mastné kyseliny, ale i další polynenasycené mastné kyseliny. Přehled biokonverze rodiny ω-6 a ω-3 mastných kyselin v organismu je uveden v následujících tabulkách. Enzymy katalyzující desaturaci a elongaci obou skupin mastných kyselin jsou stejné, ale v organismu probíhají snadněji tyto reakce u ω-3 mastných kyselin. U některých lidí je však aktivita ∆6-desaturasy sníţená, takţe syntéza dalších kyselin je omezená. Mezi faktory, které aktivitu tohoto enzymu sniţují, patří věk, výţiva, stresová zátěţ a virové infekce.
Přehled biokonverze ω-6 mastných kyselin: Triviální název Linolová kyselina
18 : 2 ∆9,12
Systematický název all-cis-9, 12-oktadekadienová
∆6-desaturasa γ-linolenová kyselina
18 : 3 ∆6,9,12
all-cis-6, 9, 12-oktadekatrienová
Elongasa Eikosatrienová kyselina
20 : 3 ∆8,11, 14
all-cis-8, 11, 14- eikosatrienová
∆5-desaturasa Arachidonová kyselina
20 : 4 ∆5,8,11, 14
all-cis-5, 8, 11, 14- eikosatetraenová
Elongasa Adrenová kyselina
22 : 4 ∆7,10,13,16
all-cis-7, 10, 13, 16- dokosatetraenová
∆4-desaturasa Dokosapentaenová kyselina
22 : 5 ∆4,7,10,13,16
all-cis-4, 7, 10, 13, 16- dokosapentaenová
26
Přehled biokonverze ω-3 mastných kyselin: Triviální název α-linolenová kyselina ∆6-desaturasa Oktadekatetraenová kyselina Elongasa Eikosatetraenová kyselina ∆5-desaturasa Eikosapentaenová kyselina Elongasa Dokosapentaenová kyselina ∆4-desaturasa Dokosahexaenová kyselina
18 : 3 ∆
Systematický název all-cis-9, 12, 15-oktadekatrienová
18 : 4 ∆6,9,12,15
all-cis-6, 9, 12, 15-oktadekatetraenová
20 : 4 ∆8,11, 14,17
all-cis-8, 11, 14, 17- eikosatetraenová
20 : 5 ∆5,8,11,14,17
all-cis-5, 8, 11, 14, 17- eikosapentaenová
22 : 5 ∆7,10,13,16,19
all-cis-7, 10, 13, 16, 19- dokosapentaenová
9,12,15
22 : 5 ∆4,7,10,13,16,19 all-cis-4, 7, 10, 13, 16, 19- dokosahexaenová
Esenciální mastné kyseliny jsou důleţitými prekursory pro syntézu skupiny biologicky významných látek – eikosanoidů, které jsou odvozeny od eikosa- (20 uhlíků) polyenových mastných kyselin. Mezi eikosanoidy patří leukotrieny a prostanoidy, které se dále dělí na prostaglandiny, prostacykliny a thromboxany. Eikosanoidy jsou syntetizovány především z kyseliny arachidonové (eikosatetraenové), v menší míře pak z kyseliny eikosatrienové a eikosapentaenové. Syntéza probíhá dvěma základními metabolickými dráhami – cyklooxygenasovou a lipoxygenasovou. Cyklooxygenasová dráha nárokuje 2 molekuly O2, vzniká cyklický endoperoxid a dochází k vytvoření kruhu uprostřed dvacetiuhlíkového řetězce. Dalšími reakcemi pak vznikají jednotlivé typy prostaglandinů, prostacyklinů a tromboxanů, které jsou rozdělovány do 3 skupin podle výchozí mastné kyseliny (skupina 1 – kyselina eikosatrienová, skupina 2 – kyselina arachidonová, skupina 3 – kyselina eikosapentaenová). Syntéza leukotrienů probíhá lipoxygenasovou dráhou, při které je zaváděn kyslík do polohy 5, 12 a 15 za vzniku příslušných hydroperoxidů. Při syntéze nedochází k cyklizaci molekuly mastné kyseliny. Obdobně jako u prostanoidů se vznikající leukotrieny dělí do 3 skupin podle výchozí mastné kyseliny, ze které jsou syntetizovány.
27
Biologické funkce Z pohledu potravin představují esenciální mastné kyseliny významnou oblast, především pak jako součást prevence kardiovaskulárních onemocnění. Příznaky nedostatku esenciálních mastných kyselin nejsou přesně specifikovány, ale byla zjištěna řada zdravotních problémů, které s jejich nedostatečným příjmem souvisí. Jedná se např. o zvýšenou únavu, zhoršení imunitních funkcí, špatné hojení ran, sníţení imunity, koţní problémy, zvýšená sráţlivost krve, alterace srdeční činnosti, zhoršení reprodukčních funkcí apod. Polyenové mastné kyseliny skupiny ω-6 mají silný hypocholesterolemický efekt, vedle výrazného sníţení hladiny LDL-cholesterolu sniţují také HDL-cholesterol. Dále slouţí jako prekursory eikosanoidů s účinky protizánětlivými, aterogenními, vasokonstrikčními a protrombotickými. Polyenové mastné kyseliny skupiny ω-3 nemají významnější vliv na hladinu cholesterolu, ale výrazně sniţují hladinu triacylglycerolů v krevní plazmě. Jsou rovněţ prekurzory eikosanoidů se slabšími nebo dokonce zcela opačnými účinky neţ eikosanoidy odvozené od ω-6 mastných kyselin. Eikosanoidy jsou fyziologicky a farmakologicky velmi významné látky, které jsou označovány jako tkáňové hormony nebo modulátory, ale jsou blízké i pohlavním hormonům a vitaminům. Rozdělují se na dvě základní skupiny prostanoidy a leukotrieny. Mezi prostanoidy patří prostaglandiny, prostacykliny a thromboxany. Prostaglandiny působí na mnoha místech organismu a jejich účinky jsou velmi pestré, přičemţ v závislosti na metabolickém stavu, typu buněk a konkrétním prostaglandinu můţe být působení odlišné. Metabolický vliv prostaglandinů je velmi široký a dá se říct, ţe zasahují do všech dějů v organismu. Ovlivňují lipolýzu, přičemţ u některých buněk ji stimulují, v jiných naopak inhibují. Obdobně působí na hladké svalstvo – v děloze podporují kontrakce, zatímco v cévách působí spíše relaxačně. V trávicím traktu podporují sekreci kyseliny chlorovodíkové, ale sniţují sekreci mucinu v ţaludku. Významný je jejich vliv na hospodaření s minerály, především ovlivněním funkce ledvin. Z dalších funkcí je známý vliv na arteriální i venózní tlak krve, ovlivnění tělesné teploty, podílí se na zánětlivých reakcích, kde zvyšují permeabilitu cév, intenzitu a trvání bolesti. Prostacykliny mají některé účinky podobné prostaglandinům, ale v jiných se liší. Významné je jejich vasodilatační působení, zvyšují propustnost cév a inhibují agregaci trombocytů. Thromboxany působí naopak vasokonstrikčně a agregaci trombocytů zvyšují. Leukotrieny mají rovněţ řadu metabolických funkcí. Působí vasokonstrikčně, podporují vyplavování histaminu, zvyšují permeabilitu kapilár a významný je jejich vliv na imunitní funkce. Vyznačují se chemotaktickými vlastnostmi, přitahují neutrofily a eozinofily, podílí se na anafylaktických reakcích.
28
Zdroje Obsah nenasycených mastných kyselin v různých tucích a olejích se významně liší a můţe představovat 10 – 90 % všech mastných kyselin. Obsah nasycených, monoenových, polyenových mastných kyselin, dále kyseliny olejové, linolové a linolenové ve vybraných tucích a olejích je uveden v následující tabulce. Obsah vybraných mastných kyselin (% celkových mastných kyselin) v některých tucích a olejích: Druh tuku Vepřové sádlo Hovězí lůj Mléčný tuk Tuk sledě Kokosový tuk Olivový olej Sójový olej Slunečnicový olej Řepkový olej
nasycené 25-70 47-86 53-72 17-29 88-94 8-26 14-20 9-17
monoenové 37-68 40-60 26-42 36-77 5–9 54-87 18-26 13-41
5-120
52-76
Mastné kyseliny polyenové olejová 4–18 35-26 1–5 26-50 2–6 18,7-33,4 10 –24 9-22 1–2 5,4-8,7 4–22 55-83 55–68 17,7-25,1 42–74 13-40 22–40
8-60
linolová 3-16 0,5-5,0 0,9-3,7 1-2 1,0-2,5 3,5-21 49-57 40-74
linolenová 0-1,5 0-2,5 0,1-1,4 0,6-2,0 0-0,2 0-1,5 5,5-9,5 0-0,3
11-23
5–13
Potravní zdroje ω-3 mastných kyselin jsou velmi omezené. Vyskytují se v rybím oleji, především pak v mořských rybách. Jediným olejem, ve kterém je kyselina linolenová v majoritním zastoupení je olej lněný, ale významnější mnoţství této kyseliny je rovněţ v oleji sójovém, řepkovém, oleji z vlašských ořechů, klíčkovém pšeničném a konopném oleji. Omega-6 mastné kyseliny se vyskytují především v rostlinných semenech. Mezi oleje s převahou kyseliny linolové patří olej slunečnicový, sójový, z dalších méně uţívaných olejů jsou to bavlníkový, klíčkový kukuřičný, klíčkový pšeničný, světlicový, makový, z vlašských ořechů, z hroznových jader, dýňový a sezamový olej. Zastoupení tuků ve vybraných komoditách živočišného i rostlinného původu Olejniny a výrobky z olejnin Zastoupený je zejména řepkový olej, slunečnicový olej, emulgované tuky, patří sem i rostlinná másla, významnější kakaové, dále i řada tuků, např. palmový, podzemnicový, kokosový. Významný je olej olivový, zejména lisovaný za studena, který má vyšší výţivovou hodnotu.
29
Sója a výrobky ze sóji Sójové boby obsahují 19,94 g lipidů/100 g sójových bobů. Zastoupení mastných kyselin v sójových bobech je pozitivní neboť obsahuje vyšší podíl nenasycených mastných kyselin, zejména kyseliny linolové.
Mléko a mléčné výrobky Z nutričního hlediska je zastoupení tuků v mléce významné s ohledem na jeho vyuţitelnost a stravitelnost. Mléčný tuk je v mléce z větší části obsaţen jako rozptýlený, emulgovaný. Obsah celkových lipidů v mléce je následující (vyjádřeno v mg/100 g) – mléko syrové 4,06; plnotučné 3,40; polotučné 1,48 a odstředěné 0,13. Mléčný tuk obsahuje nasycené mastné kyseliny. Příznivé účinky má obsah fosfolipidů. Homogenizace mléčného tuku má pozitivní vliv i na jeho stravitelnost. Podíl a jakost mléčného tuku ovlivňují smyslové vlastnosti a jakost mléka. V tuku mléka jsou i některé vitaminy, zejména A, D, E a K. Mléčný tuk v kravském mléce je v rozmezí hodnot 3,6-6,1 %. Je emulgován v podobě kuliček, je dobře stravitelný. Strukturálně je mléčný tuk v tuhých kuličkách, čímţ se zvyšuje povrch a reakční schopnosti mléčného tuku. V molekulách jsou zastoupeny fosfolipidy. Vlastní tukové kuličky tvoří triacylglyceroly. Z mastných kyselin se v mléčném tuku vyskytují zejména kyselina máselná, kapronová, kaprylová, kaprinová, laurová, myristová, palmitová, stearová, olejová, palmitoolejová. Z nenasycených mastných kyselin jsou v mléčném tuku zastoupeny kyselina linolová a kyselina linolenová. Vlastnosti mléčného tuku udává kyselina myristová, palmitová, stearová a olejová. Zastoupení a podíl jednotlivých mastných kyselin není stabilní a je ovlivněn způsobem výţivy. Kaţdá mastná kyselina se podílí na charakteru a vlastnostech mléčného tuku. Vyšší obsah nasycených mastných kyselin má např. za následek tuţší konzistenci mléčného tuku a naopak vyšší podíl nenasycených mastných kyselin vede k měkčí konzistenci. Mastné kyseliny také ovlivňují aroma mléčného tuku. Podíl volných mastných kyselin je dán aktivitou lipas. Ze sloţených lipidů jsou zastoupeny uvedené fosfolipidy. Cholesterol je v mléčném tuku zastoupen velmi málo.
Maso a masné výrobky Zastoupení lipidů je v různém rozmezí podle druhu masa a masných výrobků. Tuky v mase tvoří největší podíl všech přítomných lipidů. Ţivočišné tuky obsahují více nasycených mastných kyselin a cholesterolu. Podíl tuku má význam z hlediska senzorického, je nositel chuťových vlastností a křehkosti. Intramuskulární tuk je rozloţen mezi svalovými vlákny masa. Chuť masa je dále ovlivněna změnami tuku a zastoupenými lipofilními látkami 30
Z mastných kyselin je zastoupena především kyselina palmitová, stearová a olejová. Je zde i podíl nenasycených mastných kyselin. V mase jsou dále zastoupeny fosfolipidy, které tvoří malý podíl v zastoupení lipidů masa. Fosfolipidy působí jako emulgátory tuků. Součástí masa je i cholesterol, který se podílí na strukturálním uspořádání. Rozdíly v obsahu cholesterolu jsou mezi červenými a bílými svalovými vlákny. Další rozdíly jsou mezi druhem masa, kdy tučné maso má vyšší obsah cholesterolu neţ maso libové. Ve vztahu k obsahu cholesterolu v mase se uvádí pro libové hovězí maso 60 mg ve 100 g, vepřové 65 mg ve 100 g a průměrnou hodnotu pro kuřecí maso 80 mg ve 100 g. Vyšší obsah cholesterolu mají některé vnitřnosti, např. játra. Zastoupení lipidů v mase je limitováno druhem masa, tj. libové, středně tučné a tučné. Ve sloţení masa však zaujímají lipidy podíl 2,5 %, vedle 75 % vody, 19 % bílkovin a 3,5 % bezdusíkatých extraktivních látek.
Ryby a rybí výrobky Tuk sladkovodních i mořských ryb je cenný pro obsah nenasycených mastných kyselin zejména řady n-3 (ω-3). Rybí tuky mají poměrně hodně nenasycených mastných kyselin, z toho důvodu jsou méně stálé a na vzduchu podléhají snadno oxidaci. Rybí svalovina obsahuje i určitý podíl cholesterolu.
Vejce a vaječné výrobky Lipidy vajec mají vysoký obsah esenciálních mastných kyselin. Vyšší je podíl fosfolipidů, které mají i svůj význam jako emulgátory při přípravě majonéz. Z lipidů je zastoupen i cholesterol ve vaječném ţloutku. Ve vaječných výrobcích jsou i rostlinné oleje, které se pouţívají při přípravě majonéz. Lipidy zastoupené ve vejcích se vyskytují ve ţloutku. Ve 100 g vaječného obsahu se uvádí asi 3,7 g fosfolipidů a 0,47 g cholesterolu. Ve sloţení lipidů je následující zastoupení mastných kyselin – palmitová, stearová, linolová a olejová. Dále se uvádí, ţe vejce obsahuje 11,5 % tuku. Z hlediska struktury mastných kyselin tvoří přibliţně 29 % nasycených mastných kyselin, 44 % mononenasycených (monoenových) a 11 % polynenasycených (polyenových). Poměr mastných kyselin lze ovlivnit výţivou nosnic. Problematika cholesterolu ve vejcích je limitována jeho obsahem, kdy průměrné vejce hmotnosti 60 g obsahuje 200 mg cholesterolu, který se vyskytuje ve ţloutku. Ke sníţení obsahu cholesterolu ve vejcích přispívají i nová plemena.
31
5.2.1 Lipoproteiny Lipoproteiny jsou velmi důleţité a velmi dobře prozkoumané komplexní lipidy, které zabezpečují transport lipidů krevní plazmou do různých tkání a orgánů pro jejich další vyuţití nebo uskladnění. Proteinovou část tvoří periferní nebo integrální proteiny, které jsou označovány jako tzv. apolipoproteiny. Lipoproteiny obsahují dvě základní části:
– nepolární jádro obsahuje zejména triacylglyceroly a estery cholesterolu – polární obal obsahuje fosfolipidy (jednu vrstvu) a cholesterol
Rozeznáváme 5 tříd lipoproteinů: - chylomikrony – zdrojem je střevo, vznikají po resorpci triacylglycerolů
- lipoproteiny o velmi nízké hustotě (VLDL, z angl. very low density lipoproteins) – pocházející zejména z jater
- lipoproteiny o střední hustotě (IDL, z angl. intermedium density lipoproteins) – meziprodukt přeměny VLDL lipoproteinů účinkem lipoproteinové lipasy
- lipoproteiny o nízké hustotě (LDL, z angl. low density lipoproteins) – vznikající z IDL
- lipoproteiny o vysoké hustotě (HDL, z angl. high density lipoproteins) – pocházející zejména z jater
V chylomikronech a VLDL je převaţujícím lipidem triacylglycerol, zatímco v LDL a HDL jsou hlavní lipidovou sloţkou cholesterol a fosfolipidy. S rostoucí hustotou roste u lipoproteinů obsah proteinové sloţky a klesá mnoţství triacylglycerolů.
32
Obecná struktura lipoproteinu:
Charakteristika jednotlivých lipoproteinů:
33
Důleţité apolipoproteiny: A-I
- obsaţen na HDL a chylomikronech – aktivátor LCAT, ligand pro HDL receptor
B-100 - obsaţen na VLDL, IDL, LDL – ligand pro LDL receptor B-48 - obsaţen na chylomikronech – specifický pro chylomikrony C-II
- obsaţen na chylomikronech, VLDL a HDL – aktivátor LPL
E
- obsaţen na chylomikronech, VLDL, HDL – ligand pro receptor
Důleţité enzymy metabolismu lipoproteinů: LCAT (lecithin-cholesterolacyltransferasa) – extracelulární, tvorba esterů cholesterolu ACAT (acyl-CoA-cholesterolacyltransferasa) – intracelulární, tvorba esterů cholesterolu LPL (lipoproteinová lipasa) – endotel cév, ukotvena heparansulfátem, rozklad triacylglycerolů na glycerol a volné mastné kyseliny
Cholesterol, který je přenášen HDL lipoproteiny, bývá označován jako tzv. „dobrý― cholesterol, protoţe je přenášen z periferních tkání zpět do jater ke svému dalšímu zpracování. Na druhou stranu cholesterol obsaţený v LDL lipoproteinech bývá označován termínem „zlý― cholesterol, protoţe je transportován do periferních tkání, kde se ukládá a podílí se např. na tvorbě aterosklerosy.
34
Zjednodušené schéma metabolismu chylomikronů:
Zjednodušené schéma metabolismu VLDL lipoproteinů:
35
Zjednodušené schéma vzájemné komunikace chylomikronů a VLDL lipoproteinů:
36
5.3 Proteiny (bílkoviny) Bílkoviny (proteiny) jsou hlavní ţiviny, které jsou nenahraditelné. Jsou sloţeny z aminokyselin, které vytvářejí jejich základní strukturu. Dělení aminokyselin je na postradatelné a nepostradatelné (esenciální, které organismus nedovede syntetizovat a je třeba je dodávat do organismu potravou). Mezi esenciální aminokyseliny patří lysin, methionin, threonin, tryptofan, valin, leucin, isoleucin, fenylalanin. Semiesenciální jsou arginin nebo histidin a jejich syntéza probíhá velmi pomalu. Aminokyseliny jsou spojeny peptidickou vazbou do větších jednotek – peptidů (dipeptidy, tripeptidy aţ po obrovské molekuly sloţené z několika stovek aminokyselin tzv. polypeptidy). Proteiny vznikají biosyntézou, která se označuje jako proteosyntéza. Na obsahu esenciálních aminokyselin a jejich podílu v příslušné komoditě závisí biologická hodnota bílkovin. Podle tvaru molekuly se proteiny dělí na globulární a fibrilární. Další dělení je na jednoduché a sloţené proteiny. Jednoduché jsou dále členěny na albuminy a globuliny. Albuminy jsou v destilované vodě rozpustné a globuliny jsou nerozpustné v destilované vodě. Podle struktury proteinů rozlišujeme jednoduché proteiny (obsahují pouze aminokyseliny) a sloţené (komplexní) proteiny obsahující další sloţku, např. hem (hemoproteiny), glycidy (glykoproteiny), lipidy (lipoproteiny), nukleové kyseliny (nukleoproteiny), fosfor (fosfoproteiny) a ionty kovů (metaloproteiny). Fosfoproteiny obsahují ve své molekule kyselinu fosforečnou, která je esterově vázána na hydroxylovou skupinu hydroxyaminokyselin, zejména serinu. Jsou to bílkoviny kyselé povahy. Nejvýznamnější je kasein, který je zastoupený v mléce a vyskytuje se v jednotlivých frakcích. Glykoproteiny obsahují ve své molekule komponenty sacharidů. Vedle monosacharidů glukosy, galaktosy a mannosy je zastoupen glukosamin a galaktosamin. Mnohé glykoproteiny tvoří viskózní roztoky, muciny. Štěpení glykoproteinů proteolytickými enzymy je obtíţné z důvodu zastoupení cukerné sloţky. Fyziologicky jsou to významné látky. Hlavní funkce proteinů jsou následující: -
nezastupitelná ţivina, strukturální součást buněk, tkání, enzymů (podíl na enzymové katalýze), transport látek přes membrány, regulační a signální úloha, obranné funkce (imunitní systém, imunoglobuliny), role antigenu, alergenu.
37
Základní přeměny aminokyselin Základem přeměn aminokyselin jsou reakce transaminace, dekarboxylace a deaminace. Odbouráváním proteinů z potravy se peptidová vazby mezi jednotlivými aminokyselinami postupně hydrolyzuje. Hydrolýzu proteinů usnadňuje jejich denaturace tepelnou úpravou potravy a silně kyselým prostředím ţaludku.
Po přeměně aminokyselin se proteiny vyuţívají k: 1. tvorbě plazmatických proteinů (výstavba a obnova tkání), 2. tvorbě látek se specifickou funkcí (hemoglobin, puriny, pyrimidiny, kreatin), 3. podílu na energetice organismu, zdroj energie.
V potřebě proteinů hraje úlohu celková potřeba proteinů, biologická hodnota proteinů (je limitována obsahem všech esenciálních aminokyselin), fyzikální a chemické změny při přípravě pokrmů. Významným aspektem je energetický přínos proteinů, tj. 1 g proteinů poskytuje 17,2 kJ.
Proteiny a komodity živočišného původu
Maso a masné výrobky Ve sloţení masa je zastoupen podíl bílkovin 19 %. Bílkoviny masa jsou obecně nejvýznamnější sloţkou masa a jsou nutričním přínosem. Z nutričního hlediska jsou bílkoviny masa označovány jako plnohodnotné, protoţe jsou v nich zastoupeny všechny esenciální aminokyseliny. V libové svalovině je uváděn podíl bílkovin v rozmezí hodnot 18-22 %. Nejčastější členění je na bílkoviny myofibrilární, sarkoplazmatické a stromatické. Dělení je nejčastěji podle jejich rozpustnosti ve vodě a v solných roztocích. Myofibrilární bílkoviny nejsou rozpustné ve vodě, ale pouze v solných roztocích, sarkoplazmatické bílkoviny jsou rozpustné ve vodě a slabých solných roztocích, stromatické bílkoviny nejsou rozpustné v uvedených roztocích při nízkých teplotách. Myofibrilární bílkoviny – jsou zastoupeny více neţ 20 druhy bílkovin. Jejich 90 % podíl však tvoří šest bílkovin, tj. myosin, aktin, titin, tropomyosin, troponin a nebulin. Podle jejich funkce se označují jako kontraktilní, regulační a podpůrné. Podíl z myofibrilárních bílkovin je nejvyšší u myosinu, který je zastoupen asi 45 % obsahu všech svalových bílkovin. 38
Je obsaţen ve filamentech. Aktin tvoří ve formě aktinových filament asi 2 % myofibrilárních bílkovin a tropomyosin asi 5 % celkových myofibrilárních bílkovin. Titin jako cytoskeletární bílkovina svalových buněk tvoří asi 10 % podíl myofibrilárních bílkovin. Sarkoplazmatické bílkoviny – patří sem albuminy, myogen, myoglobin, hemoglobin. Sarkoplazmatické bílkoviny obsahují více neţ 50 druhů bílkovin. Mají svůj význam z hlediska zpracování masa, jeho barvy. Stromatické bílkoviny – jsou to také vazivové bílkoviny nebo bílkoviny pojivových tkání. Mezi stromatické bílkoviny patří zejména kolagen, elastin, retikulin, keratiny, muciny a mukoidy. Z nutričního hlediska bývají označovány za neplnohodnotné bílkoviny, protoţe neobsahují všechny esenciální mastné kyseliny. Nejvíce bývá ze stromatických bílkovin zastoupen kolagen. Jeho strukturální jednotkou je tropokolagen. Zastoupení kolagenu v mase má vliv na jeho křehkost. V mase a masných výrobcích se vyuţívá k určení jeho podílu hodnota obsahu hydroxyprolinu, který je relativně konstantní sloţkou kolagenu i s ohledem na podíl v jiných bílkovinách, kde se ve větším mnoţství nevyskytuje. Kolagen je společně s retikulinem a elastinem popsán v samostatné kapitole učebního textu.
Mléko a mléčné výrobky Jsou zdrojem kvalitních bílkovin, kterých obsahují cca 3,3 – 3,5 %. Stravitelnost je nejlepší ve fermentovaných mléčných výrobcích. Proteiny mléka jsou z hlediska nutričního nejcennější sloţkou mléka. Podíl bílkovin v celkových proteinech kravského mléka je následující – kasein 75-85 %, syrovátkové bílkoviny 15-22 %, další proteiny 3,9-9,3 % z celkových bílkovin mléka. Zastoupen je i podíl imunoglobulinů v mnoţství 1,9-3,3 %. Vlivy na sloţení mléčných proteinů jsou: -
laktační stadium, krmná dávka (kvalita, sloţení a mnoţství), plemeno dojnic, zdravotní stav dojnic.
Nutriční přínos proteinů mléka je dán také zastoupením esenciálních aminokyselin. Kaseinové frakce obsahují všechny nepostradatelné aminokyseliny, zvláště vyšší je obsah lysinu. Společně s α-laktoalbuminem má β-laktoglobulin výhodné aminokyselinové sloţení. Má globulinový charakter. Druhou nejdůleţitější syrovátkovou bílkovinou v mléce je αlaktoalbumin. Zastoupení druhů syrovátkových bílkovin mléka je uváděno v poměru βlaktoglobulin 7-12 %, α-laktoalbumin 2-5 % podílu na veškerých bílkovinách mléka.
39
Kaseiny kravského mléka (fosfoproteiny) mají vysoký obsah prolinu, nízký obsah cysteinu. Kaseiny se navzájem liší primární strukturou, tj. zastoupením aminokyselin. Kasein je v mléce vázán na vápník. Převáţná část kaseinu je v mléce přítomna ve formě micel.
Vejce a vaječné výrobky Ve vejcích jsou zastoupeny esenciální aminokyseliny a vejce jsou bohatým zdrojem proteinů. Literatura uvádí obsah 12,1 % proteinů u vajec vcelku. Větší část proteinů je ve ţloutku tj. 16,6 %, v bílku je 10,6 %. Vejce jsou jeden z nejkvalitnějších zdrojů proteinů. Vaječné bílkoviny mají nejvyšší stravitelnost (98-100 %), mají vysokou biologickou hodnotu. Bílkovina vajec se vyuţívá jako referenční protein pro stanovení kvality aminokyselinového sloţení bílkovin. Vaječný bílek obsahuje asi 40 proteinů, zejména globulinů, glykoproteinů a fosfoproteinů. Proteiny bílku jsou následující – ovoalbumin (54 %), ovotransferin (13 %), ovomukoid (11 %), globulin (4 %), lysozym (3,5 %), ovomucin (1,5-2,0 %). Bílkoviny ţloutku jsou fosfoproteiny, zastoupen je např. vitelin a fosvitin.
40
6
ZÁKLADNÍ OXIDOREDUKČNÍ DĚJE
6.1 Dýchací řetězec Aerobní organismy velmi efektivně vyuţívají metabolickou energii získanou respiračními pochody ze sacharidů, tuků nebo proteinů, pro biosyntézu, membránový transport, či jiné metabolické kroky nebo tuto energii následně ukládají. Energii určenou k výměně přeměňuje buňka do formy ATP (adenosintrifosfát). Zatímco přímým výsledkem substrátové fosforylace je ATP získané v glykolyse (z 1,3-bisfosfoglycerátu a fosfoenolpyruvátu) a citrátovém cyklu (ze sukcinyl-CoA), výsledkem aerobní fosforylace je syntéza ATP vyuţívající redukční ekvivalenty NADH+H+ a FADH2. Energie (elektrony) uloţená ve formě těchto koenzymů NADH+H+ nebo FADH2 prochází přes komplikovaný a vysoce organizovaný řetězec proteinů a koenzymů, tzv. dýchací řetězec.
Redukční ekvivalenty NADH+H+ a FADH2 Zdroje redukčního ekvivalentu NADH+H+ jsou v matrix mitochondrie: citrátový cyklus (isocitrát, 2-oxoglutarát, malát), β-oxidace mastných kyselin (β-hydroxyacyl-CoA), oxidační dekarboxylace (pyruvát, 2-oxoglutarát, 2-oxokyselin z valinu, leucinu, isoleucinu), dehydrogenace ketolátek (β-hydroxybutyrát) a dehydrogenační deaminace (glutamát). Zdroje NADH+H+ v cytoplazmě jsou např. glykolysa (glyceraldehyd-3-P), glukoneogenese (laktát) nebo dehydrogenace ethanolu na acetaldehyd. Redukční ekvivalent FADH2 vzniká např. v matrix mitochondrie: β-oxidace mastných kyselin a citrátový cyklus (sukcinát).
NADH+H+ vznikající v cytoplazmě musí být transportován do matrix mitochondrie a protoţe vnitřní mitochondriální membrána není volně propustná, jsou pro tento transport redukčních ekvivalentů vyuţívány dva přenašečové mechanismy (člunky): • glycerolfosfátový člunek (glycerolfosfát-dihydroxyacetonfosfát; vyuţívá jej mozek a sval) • malátový člunek (aspartát-malát; je univerzální)
41
Glycerolfosfátový člunek:
Malátový člunek: (1. - 2-oxoglutarátový přenašeč; 2. - glutamát/aspartátový přenašeč – symport s H+)
42
Lokalizací pro vlastní dýchací řetězec je mitochondrie. Mitochondrie mají vnější membránu, která je propustná pro většinu metabolitů, a vnitřní membránu, která je selektivně propustná a obsahuje enzymy dýchacího řetězce. Vnitřní prostor tvoří matrix, coţ je hustý koloidní roztok bohatý na bílkoviny (zejména enzymy citrátového cyklu a β-oxidace mastných kyselin). Záhyby vnitřní membrány se označují jako kristy a poskytují velkou povrchovou plochu. Struktura mitochondrie:
Součásti dýchacího řetězce:
Dýchací řetězec představuje sled na sebe napojených redoxních reakcí, které začínají oxidací NADH+H+ a končí redukcí kyslíku a tvorbou metabolické vody. Oxidovatelným substrátům se takto postupně odebírají vodíky a v průběhu transportu elektronů se přes vnitřní mitochondriální membránu vytváří gradient protonů H+ (chemiosmotická teorie). Komponenty respiračního řetězce jsou transmembránové enzymové komplexy (I., II., III., IV.), které jsou uspořádány podle rostoucího oxidačně-redukčního potenciálu a součástí těchto komplexů jsou kofaktory dýchacího řetězce.
Transmembránové enzymové komplexy ve vnitřní mitochondriální membráně zajišťují transfer elektronů (e-), který je spojen s transferem protonů (H+) přes vnitřní mitochondriální membránu. V průběhu dýchacího řetězce se mezi vnitřní a vnější stranou vnitřní mitochondriální membrány vytvoří protonový gradient a jeho vybití je spojeno s uvolněním energie (protonmotivní síla). Tato energie se následně vyuţije na syntézu ATP, tepla nebo aktivního transportu metabolitů.
43
Transmembránové enzymové komplexy dýchacího řetězce a jejich funkce: Enzymový komplex: Enzym:
Kofaktory:
Transfer elektronů:
Komplex I.
NADHdehydrogenasa
FMN, Fe-S
NADH+ H+→ Q
Komplex II.
sukcinát-ubichinon reduktasa
FAD, Fe-S, cytochrom b
FADH2 → koenzym Q
Komplex III.
cytochrom creduktasa
Fe-S, cytochrom b, cytochrom c1
koenzym Q → cytochrom c
Komplex IV.
cytochrom c-oxidasa
cyt a, cytochrom a3, Cu
cytochrom c → O2
Čtyři typy kofaktorů v dýchacím řetězci: flavinové kofaktory (FMN, FAD) FMN = flavinmononukleoktid (riboflavin-5'-fosfát) můţe být redukován (FMN ↔ FMNH2) FAD = flavinadenindinukleotid (riboflavinadenosindifosfát) můţe být redukován (FAD ↔ FADH2)
nehemové železo a síra (Fe-S) bílkovina (metaloprotein) obsahující komplexy ţeleza a anorganické síry s cysteinovými zbytky, oxidační číslo mění pouze jeden atom ţeleza
ubichinon (koenzym Q) mobilní přenašeč, postupně přijímá elektron a proton (2×) a redukuje se na semiubichinon a ubichinol (redukční pár Q ↔ QH2) cytochromy (hem) bílkoviny vázané na membránu, obsahující ve své molekule hemové skupiny (podobná struktura jako v hemoglobinu a myoglobinu), zajišťují přenos elektronů střídavou redukcí a oxidací iontů ţeleza (Fe2+↔ Fe3+), cytochrom c je mobilním přenašečem
44
Dýchací řetězec - vlastní průběh Transmembránové enzymové komplexy a zjednodušený průběh dýchacího řetězce:
Komplex I. – NADH-ubichinon reduktasa (vstup NADH+H+)
dalším názvem je NADH-dehydrogenasa oxiduje NADH+H+ a redukuje ubichinon (koenzym Q) kofaktor FMN je redukován na FMNH2, 2 elektrony (2e-) z redukovaného FMNH2 jsou poté přeneseny na sérii Fe-S proteinů 2 protony (H+) se předají do mezimembránového prostoru 2 elektrony (e-) z Fe-S proteinů jsou přeneseny na koenzym Q, který je redukován na QH2 (2 H+ z matrix) vzniklá energie přenosu elektronů je tedy vyuţita k vypumpování celkově 4 H+ do mezimembránového prostoru (2 H+ z NADH+H+ a 2 H+ z matrix) Komplex I. a jeho součásti:
45
Komplex II. – sukcinát-ubichinon reduktasa (vstup FADH2)
dalším názvem je sukcinátdehydrogenasa (společná s citrátovým cyklem) nenavazuje na komplex I. oxiduje sukcinát a redukuje ubichinon (koenzym Q) redukčním ekvivalentem je FADH2 FAD je redukováno na FADH2 2 elektrony (2e-) z redukovaného FADH2 jsou ihned přeneseny Fe-S proteiny, které je předávají na koenzym Q, který je redukován na QH2 (2 H+ z FADH2) malá změna volné energie této reakce nepřispívá k transportu protonů přes vnitřní mitochondriální membránu
Komplex II. a jeho součásti:
Komplex III. – ubichinol-cytochrom c-reduktasa zprostředkovává transport elektronů z koenzymu Q na cytochrom c zahrnuje tři různé izoenzymy cytochromu a Fe-S protein redukovaný koenzym QH2 odevzdává 2 elektrony (2e-) cytochromu c pomocí unikátní redoxní dráhy (cytochrom b → Fe-S proteiny → cytochrom c1) koenzym Q se poté vrací zpět (cyklus koenzymu Q) cytochrom c je mobilní přenašeč elektronů průchod elektronů komplexem III. je doprovázen transportem 2 x 2 protonů (2 x 2 H+) přes vnitřní mitochondriální membránu
46
Komplex III. a jeho součásti:
Komplex IV. – cytochrom c-oxidasa
zprostředkovává transport elektronů z cytochromu c na konečný kyslík komplex zahrnuje cytochromy a jejich podjednotky cyt c→ ( cyt a/CuA→ cyt a3/CuB) → O2 průchod elektronů komplexem IV. je doprovázen transportem 2 protonů (2 H+) přes vnitřní mitochondriální membránu, komplex je tedy protonovou (H+) pumpou nakonec je redukován kyslík a vznikne voda Komplex IV. a jeho součásti:
Průchod elektronů jednotlivými komplexy dýchacího řetězce je doprovázen transportem protonů (H+) přes vnitřní mitochondriální membránu do mezimembránového prostoru a vzniká tak protonový gradient, který se poté se vyuţije jako pohon pro syntézu ATP: aerobní fosforylaci.
47
6.2 Aerobní fosforylace
Dýchací řetězec je za normálních podmínek spojen s aerobní fosforylací a vybití protonového gradientu, který vznikl v komplexech dýchacího řetězce, je spojeno s uvolněním energie - protonmotivní síly. Tato síla má dvě sloţky: elektrická složka je tvořena rozdílem membránových potenciálů a koncentrační složku utváří rozdíl pH. Vnitřní mitochondriální membrána je nepropustná pro protony (H+) a obvykle je jejich jediná moţná cesta zpět do matrix přes kanál ATP-synthasa. ATP-synthasa je enzym, který vytváří protonovou pumpu a funguje jako rotující molekulární motor, který vytváří ATP. Má dvě jednotky - F1 a F0 - a obě tyto velké části spojuje OSCP (oligomycin sensitivity conferring protein). F0 prochází membránou a tvoří tak transmembránový kanál (disk C), přes který procházejí protony (H+) díky gradientu zpět do matrix a způsobí tak současně otáčení γ-podjednotky F1. Další podjednotky F1 (α a β) se neotáčejí, jelikoţ jsou upevněny k membráně. Takto se vytvoří pohyblivý rotor a stacionární stator, kde do tohoto molekulárního motoru vstupuje ADP pomocí β-podjednotek spolu s Pi (anorganický fosfor), postupně dochází k fosforylaci a z kaţdé β-podjednotky vzniká molekula ATP. Jelikoţ je rotující γ-podjednotka postupně vyuţita kaţdou ze tří βpodjednotek, na jednu otáčku se takto vygenerují tři molekuly ATP.
ATP-synthasa a její podjednotky:
48
Rozpojovače dýchacího řetězce
Některé látky mají schopnost ovlivnit syntézu ATP, buď nepřímo ovlivněním protonového gradientu – rozpojovače dýchacího řetězce, nebo přímou vazbou na součásti dýchacího řetězce – inhibitory dýchacího řetězce. Rozpojovače narušují těsné spojení mezi transportem elektronů a ATP-synthasou tak, ţe sami získávají protony a způsobí rozptýlení protonového gradientu. Dýchací řetězec tedy probíhá, neprobíhá ale aerobní fosforylace a energie uvolněná v elektronovém transportu je rozptýlena ve formě tepla. Fyziologickým rozpojovačem je thermogenin nebo protein UCP1 (uncoupling protein 1), které jsou zvláštními bílkovinami s kanálem pro protony (H+). Thermogenin vybíjí protonový gradient na teplo a netvoří se ATP. Vyskytuje se v hnědé tukové tkáni (buňky mají více mitochondrií).
Poznámka: Další důležitou skupinou látek ovlivňující syntézu ATP jsou inhibitory dýchacího řetězce, které se přímo navazují na některý z proteinů elektron-dopravního řetězu nebo na ATP-synthasu. Komplex I inhibují např. amobarbital či jiné barbituráty, demerol (lék proti bolesti), nebo rotenon (insekticid); malonát inhibuje komplex II.; komplex III. je inhibován např. antimycinem A; komplex IV inhibuje např. oxid uhelnatý; ATP-synthasu inhibuje oligomycin.
49
7 ENZYMY Enzymy jsou biologické katalyzátory, které umoţňují biochemické reakce. Jejich charakteristickou vlastností je vysoká účinnost, která umoţňuje průběh reakce i za mírných podmínek ve vztahu k teplotě, tlaku a hodnotě pH. Enzymy jsou také snadno regulovatelné. Z hlediska struktury jsou enzymy bílkoviny a ke svoji aktivitě potřebují neproteinový faktor tzv. koenzym. Bílkovinná část enzymu se označuje jako apoenzym. Všechny enzymy jsou jednoduché nebo sloţené proteiny. Strukturou jsou globulární bílkoviny. Pro vlastní účinnost enzymu je nutný vznik tzv. enzym substrátového komplexu (zkr. ES komplex). Vyjádření vztahu je následující: E + S →ES → E + P
Tvorba enzym substrátového komplexu:
Substrát se při vzniku tohoto komplexu napojuje na tzv. aktivní místo enzymu (je malé a vyskytuje se na povrchu enzymu). Na této vazbě se uplatní tzv. nevazebné interakce. V aktivním místě se vyskytují dva druhy funkčních skupin tzv. vazebné skupiny a katalytické skupiny. Vedle aktivního místa mohou na povrchu enzymu být tzv. allosterická místa (jiná místa), která jsou charakteristická pro allosterické enzymy. Sloţení enzymu z hlediska zastoupení polypeptidového řetězce je následující: 1) enzym se skládá z jednoho řetězce 2) enzym se skládá z jednoho řetězce, který je sloţen z několika domén (se stejnou enzymovou specifičností) 3) enzym se skládá z jednoho řetězce, který je sloţen z několika domén (s rozdílnou enzymovou specifičností) 4) enzym vytváří tzv. multienzymový komplex, kdy podjednotky multienzymového komplexu mají různou specifičnost.
50
Existují i tzv. proenzymy (zymogeny), které jsou zpočátku neúčinné a aktivují se proteolytickým odštěpením části molekuly. Vedle proenzymů existují izoenzymy, kdy jejich rozdílnosti jsou dány geneticky. Příkladem isoenzymu je laktátdehydrogenasa. Další vlastností enzymů je jejich specifičnost, kterou rozlišujeme jako vazebnou (substrátovou) a kinetickou (specifičnost účinku).
Kinetika enzymových reakcí: V kinetice enzymových reakcí má svoji úlohu rychlost, maximální rychlost a koncentrace substrátu. Rychlost – je dána úbytkem substrátu (za časovou jednotku) nebo přírůstkem produktu. Rozlišuje se počáteční rychlost (je nejvyšší na počátku reakce) a maximální rychlost. Rychlost enzymové reakce se měří za standardizovaných podmínek (tj. určitá koncentrace enzymu a substrátu, teplota a pH). Rychlost je nejvyšší na počátku reakce a postupně jak reakce spěje k rovnováze, přírůstek rychlosti se sniţuje aţ na nulu. Charakteristikou enzymové reakce je tzv. Michaelisova konstanta Km. Michaelisova konstanta je koncentrace substrátu, při níţ enzymová reakce probíhá polovinou maximální rychlosti. Matematické vyjádření Michaelisovy konstanty Km zahrnuje koncentraci substrátu [S], rychlost v a maximální rychlost Vmax. Michaelisova konstanta se také můţe nazvat konstantou polovičního nasycení. Hodnota Michaelisovy konstanty je mírou afinity enzymu k substrátu. Platí, ţe čím je hodnota Km niţší, tím je afinita enzymu k danému substrátu větší. Matematickým vyjádřením hyperboly (závislost koncentrace substrátu na rychlosti při stejné koncentraci enzymu) je rovnice podle Michaelise a Mentenové. Tvar hyperboly (závislost rychlosti jednosubstrátové reakce na koncentraci substrátu) je vysvětlován změnou koncentrace substrátu, kdy se mění moţnost vzniku enzym-substrátového komplexu
Názvosloví a třídění enzymů Názvosloví enzymů je: 1) systematický název 2) triviální název Sloţení systematického názvu vychází z označení substrátu (popř. substrátů), reakce a koncovky -asa. Triviální název se skládá z označení substrátu a typu reakce.
51
Pro názvosloví enzymů zavedla Mezinárodní biochemická unie číselný kód, který zahrnuje třídu, podtřídu, podpodtřídu, pořadové číslo v oficiálním seznamu (příklad: glutathionreduktasa (EC 1.8.1.7). Enzymy se třídí do šesti tříd: 1) Oxidoreduktasy – katalyzují oxidačně-redukční reakce, přenášejí vodík, kyslík nebo elektrony z jedné látky na druhou, příkladem jsou dehydrogenasy 2) Transferasy – přenášejí skupiny atomů z jedné molekuly (donor) na druhou (akceptor), např. aminotransferasy, které přenášejí aminoskupiny 3) Hydrolasy – katalyzují hydrolytické reakce. Příkladem jsou proteasy, lipasy. 4) Lyasy – štěpí vazby mezi uhlíky nebo uhlíkem a dusíkem nehydrolyticky. Příkladem je aldolasa. 5) Isomerasy – katalysují izomerační reakce, příkladem jsou isomerasy, epimerasy. 6) Ligasy – spojují dvě sloučeniny za vytvoření nových vazeb mezi atomy za spotřeby energie získané štěpením ATP.
V enzymatických reakcích hraje roli působení pH (enzymy mají tzv. pH optimum) a vliv působení teploty (enzymy jako bílkoviny jsou citlivé vůči působení teploty, kdy vysoká teplota je poškozuje tepelnou denaturací, kdy enzymová aktivita je spojena s jejím sníţením aţ ztrátou enzymového působení). V aktivaci enzymů se uplatní aktivátory, které urychlují enzymovou reakci. Některé aktivátory jsou součástí enzymů, např. selen v glutathionperoxidase nebo zinek v karboxypeptidase A. Aktivací je i přechod proenzymu na enzym. Vedle aktivace enzymů je i inhibice enzymů, kdy se aktivita enzymu sniţuje.
52
8 VITAMINY Vitaminy jsou významné látky, které se vyskytují v celé řadě potravin rostlinného a ţivočišného původu. Jde o obsah vitaminů rozpustných ve vodě, např. B, B12 (mléko, maso), vitamin C, vitaminů rozpustných v tucích, např. A, D, E (maso, mléko, vejce). Vitaminy rozpustné ve vodě, hydrofilní vitaminy, organismus vylučuje močí, na rozdíl od lipofilních vitaminů, které jsou ukládány v organismu.
Základní dělení vitaminů: 1. Vitaminy rozpustné ve vodě, hydrofilní 2. Vitaminy rozpustné v tucích, lipofilní
8.1
Vitaminy rozpustné ve vodě
Vitaminy rozpustné ve vodě zahrnují vitamin C a vitaminy skupiny B neboli tzv. vitaminy B-komplexu.
Vitamin C (kyselina L-askorbová) Kyselina askorbová (askorbát) má čtyři moţné stereoizomery, aktivním vitaminem je však pouze kyselina L-askorbová, neboli vitamin C. Vitaminem je však jen pro člověka, primáty, morče a některé další ţivočichy, kteří jej nedokáží syntetizovat (chybí enzym gulonolaktonoxidasa). V organismu ostatních ţivočichů, kteří schopnost syntetizovat kyselinu L-askorbovou mají, se syntetizuje z glukosy přes kyselinu D-glukuronovou. Rostliny syntetizují kyselinu askorbovou rovněţ z glukosy, ovšem metabolickou cestou přes Lgalaktosu. Kyselina askorbová (2,3-endiol γ-laktonu kyseliny 2-oxo-L-gulonové) tvoří bezbarvé, ve vodě rozpustné krystaly a má kyselou chuť. V tepelně opracovaných pokrmech či za přístupu kyslíku nebo světla, je její obsah sníţený, neboť je málo odolná proti teplu a oxidaci, zvláště za přítomnosti kovů (kovové nádobí nebo noţe). Oxidovaným produktem je méně účinný dehydroaskorbát. Systém askorbát/dehydroaskorbát představuje významný oxidoredukční (redoxní) systém. Vitaminem C se někdy označuje celý oxidoredukční systém kyselina L-askorbová ↔ kyselina L-monodehydroaskorbová ↔ kyselina L-dehydroaskorbová, který tak svou moţností poskytnout protony H+ působí jako antioxidant podílející se na ochraně proti volným radikálům a současně můţe chránit před oxidací jiných antioxidantů (tokoferol a retinol). V metabolismu je askorbát faktorem potřebným pro hydroxylaci, podílí se na hydroxylaci steroidů nebo hydroxylaci prolinu a lysinu při biosyntéze kolagenu (potřebný 53
pro tvorbu a vyzrávání pojiva, hojení ran a vývin zubů). Rovněţ je nutným faktorem při biosyntéze katecholaminů, pomáhá absorpci železa ve střevech a inhibuje tvorbu nitrosaminů. Projevy nedostatku kyseliny L-askorbové se označují jako kurděje (skorbut) a primárně se projeví otokem sliznic, vypadáváním zubů, poškozením kapilár (podkoţní hemoragie), které jsou důsledkem nedostatečné hydroxylace prolinu nutné pro syntézu kolagenu. Malnutrice spojená s deficiencí vitaminu C u dětí je popisována jako MöellerBarlowova choroba se stejnými projevy, jako má skorbut u dospělých. Nespecifickými příznaky deficience vitaminu C jsou pak únava nebo sníţená obrana proti infekčním onemocněním. Nejlepším zdrojem kyseliny L-askorbové jsou ovoce a zelenina. Nejvyšší obsah mají například semena hlohu, černý rybíz, šípky, guava, jahody a citrusové plody. Ze zeleniny je to pak kapusta, paprika, brokolice, petrţel a špenát. Z potravin ţivočišného původu jsou to orgány, jako játra a ledviny, naopak velmi malé mnoţství je uváděno ve svalovině a minimální mnoţství v mléce či vejcích.
Biosyntéza kyseliny L-askorbové u živočichů a její redoxní systém:
54
Vitaminy skupiny B- jsou: Vitamin B1 (thiamin), vitamin B2 (riboflavin), vitamin B3 (niacin), vitamin B5 (kyselina pantothenová), vitamin B6 (pyridoxin), vitamin B7 (biotin), vitamin B9 (kyselina listová), vitamin B12 (kobalamin).
Vitamin B1 (thiamin nebo aneurin) Vitamin B1 je nejdéle známým vitaminem. Biologicky aktivní formou je koenzym thiamindifosfát – TDP. Volný thiamin je nestabilní, neboť má ve struktuře kvartérní dusík; ve vodě vytváří thiolovou formu. Vitamin B1 je důleţitý pro metabolismus glukosy a energetické zásobení nervových a svalových buněk. Je kofaktorem pro multienzymové komplexy (pyruvátdehydrogenasový, α-ketoglutarátdehydrogenasový, dehydrogenasy α-keto kyselin) a transketolasy (pentosový cyklus). Pro správnou činnost vyţadují TDP-dependentní enzymy také Mg2+ (nebo jiný divalentní kationt). Nedostatek thiaminu se projevuje např. ztrátou chuti k jídlu (anorexie), srdečními a různými neurologickými příznaky. Nemoc beri-beri je z nedostatku vitaminu B1 v potravě (pouze loupaná rýţe) a následkem jsou nervové poruchy, zejména periferních nervů, edémy a postiţení srdce. Porucha resorpce se vyskytuje zejména u alkoholiků a projevuje se tzv. Wernickeovou encephalopathií. Zvýšenou potřebu mají těhotné a kojící ţeny. Thiamin se vyskytuje téměř ve všech potravinách, ale většina obsahuje pouze nízké koncentrace vitaminu. Nejbohatším zdrojem jsou kvasinky (např. sušené pivovarské pekařské kvasnice). Z potravin rostlinného původu jsou nejdůleţitějším zdrojem obiloviny, luštěniny a obecně všechna rostlinná semena. Thiamin je pak nejvíce zastoupen v klíčku a obalech semen (otruby, celozrnné mouky). Zejména jako thiamindifosfát se pak vitamin B1 vyskytuje také v potravinách ţivočišného původu, nejvíce ve vepřovém mase a játrech, v ostatních druzích masa, v mléce a ve vejcích.
Thiamindifosfát (TDP):
55
Vitamin B2 (riboflavin) Metabolicky aktivní fomy vitaminu B2 jsou fosforylované formy, v organismu jako flavinmononukleotid (FMN) a flavinadenindinukleotid (FAD). Riboflavin je nezbytný pro intermediární metabolismus sacharidů, aminokyselin, lipidů. Je rovněţ nezbytný pro některé oxidoredukční reakce (přenos elektronů v dýchacím řetězci) podporuje antioxidační ochranu. Nedostatek riboflavinu se spíše podílí na příznacích a chorobách, které jsou důsledkem celkového deficitu také ostatních vitaminů skupiny B. Deficit se projevuje zejména jako poruchy kůţe či sítnice, onemocnění jater, anemie, nebo nedostatečné hojení ran. Zvýšená potřeba je nutná u kojících matek a dále při infekčních onemocněních. Riboflavin se nachází především v potravinách ţivočišného původu (játra, maso, sýry, vejce), ale také rostlinného původu (obiloviny, luštěniny, špenát). Jako u většiny vitaminů ze skupiny B, vyskytuje se bohatě v kvasnicích a některých druzích listové zeleniny. Odhadem je uváděno, ţe asi 40 % vitaminu získává lidský organismus z mléka a mléčných výrobků, 20 % poskytuje maso a 15 % cereální výrobky. Riboflavin, flavinmononukleotid (FMN) a flavinadenindinukleotid (FAD):
Vitamin B3 (niacin) Niacin je obecný název pro kyselinu nikotinovou nebo nikotinamid vykazující biologickou aktivitu. Starší název je vitamin PP (z angl. Pellagra Preventive factor). Kyselina nikotinová i nikotinamid jsou prekurzory oxidoredukčních koenzymů – + + nikotinamidadenindinukleotid (NAD ) a nikotinamidadenindinukleotidfosfát (NADP ), které fungují jako redukční ekvivalenty pro mnoho metabolických drah. Niacin je pouţíván při léčbě vysokého krevního tlaku a rovněţ se uvádí, ţe sniţuje hladinu krevního cholesterolu.
56
Nedostatek vitaminu B3 se projeví nespecifickými symptomy jako je nespavost, bolesti břicha nebo nechutenství. Úplnou avitaminózou je onemocnění pelagra, která se projevuje koţními změnami, zánětlivými změnami na sliznicích ústní dutiny, jazyka a ţaludku, průjmem nebo demecí (odtud ,,nemoc tří D―- dermatitis, diarea, demence). Niacin se nachází v potravinách rostlinného původu (spíše jako kyselina nikotinová) nebo ţivočišného původu (více jako nikotinamid). Nejvíce je ho v kvasnicích, mase (zejména ryby) a vnitřnostech, dále v arašídech, cereáliích, naturální rýţi a těstovinách. Niacin, nikotinamid a NAD+/NADP+:
Vitamin B5 (kyselina pantothenová) Kyselina pantothenová (pantothenát) představuje podstatnou součást koenzymu A (CoA). Jako prekurzor koenzymu A plní četné metabolické funkce při metabolismu sacharidů a lipidů (acetyl-CoA, malonyl-CoA, sukcinyl-CoA, propionyl-CoA atd.) a rovněţ při syntéze důleţitých látek, např. aminokyselin, hemoglobinu, hormonů nebo acetylcholinu. Jako součást proteinu přenášející acyl (ACP) se rovněţ účastní reakcí syntézy mastných kyselin. Nedostatek kyseliny pantothenové není častý a projevuje se nespecificky mnoha příznaky, jako je nechutenství, křeče v nohách, nespavost, deprese nebo sníţená odolnost vůči infekcím. Pantothenát je obsažen v potravinách a surovinách ţivočišného a rostlinného původu v relativně nízkém mnoţství, ale má dobrou stabilitu při kulinárním zpracování. Zdrojem 57
vitaminu jsou zejména maso a játra, vaječné ţloutky, rybí maso, sýry, luštěniny, rýţe, zelenina, kvasnice, obilná zrna a jako u ostatních vitaminů B komplexu je bohatě obsaţen v kvasnicích. Kyselina pantothenová jako součást koenzymu A:
Vitamin B6 (pyridoxin) Vitamin B6 je obecný název tří pyridinových derivátů (pyridoxin=pyridoxol, pyridoxal a pyridoxamin) vykazující biologickou aktivitu. Účinnou formou vitaminu B6 je pyridoxalfosfát. Aldehydové skupiny pyridoxalfosfátu jsou schopné reagovat s primárními aminoskupinami (např. aminokyselin), za vzniku Schiffových bazí, a tak slouţí jako důleţitý kofaktor enzymů. Vitamin B6 je nezbytný pro funkci řady enzymů, které metabolizují aminokyseliny (transaminasy, dekarboxylasy) a v glykogenolyse (fosforylasy). Projevy nedostatku vitaminu B6 jsou koţní problémy a záněty sliznic, svalové křeče a nervosvalová dráţdivost. Deficience samotného vitaminu B6 je ovšem vzácná a projevy obvykle provází nedostatek vitaminy celé skupiny B. Nedostatek se projevuje nervovými poruchami. Zdrojem vitaminu B6 je mnoho potravin, v největších koncentracích se vyskytuje v játrech a v mase (zejména kuřecím a rybím). Dalším zdrojem jsou také celozrnné výrobky, zelenina a ořechy.
58
Pyridoxin a pyridoxalfosfát:
Vitamin B7 (biotin) Biotin nazývaný také vitamin H nebo koenzym R. Z osmi moţných stereoisomerů vykazuje biologickou aktivitu pouze d-biotin, a to jako karboxybiotin.Vitamin B7 je důleţitý pro metabolismus aminokyselin a mastných kyselin, je kofaktorem karboxylas (pyruvátkarboxylasa, acetyl-CoA-karboxylasa, propionyl-CoA-karboxylasa) přičemţ slouţí jako přenašeč pro CO2. Působí rovněţ jako regulátor genové exprese. Nedostatek biotinu je spíše neţ z nedostatečného příjmu většinou důsledkem poţitím antibiotik (redukce střevní flóry) nebo většího mnoţství syrových vajec (avidin – váţe biotin). Příznaky deficitu se poté projevují na kůţi, nervovými poruchami, nechutenstvím a svalovými bolestmi. Zdrojem biotinu jsou různé potraviny, ale většinou je v nich obsaţen v malém mnoţství. Nejdůleţitější jsou mléko, játra, ledviny, kvasnice, vejce a některé potraviny rostlinného původu (ořechy, čokoláda, luštěniny, rajčata), avšak v hojném mnoţství se syntetizuje střevní flórou a jako všechny vitaminy skupiny B, také biotin je ve velkém mnoţství v kvasnicích.
59
Biotin a karboxybiotin:
Vitamin B9 (kyselina listová) Kyselina listová (folát či folacin) je obecný název pro sloučeniny, které mají podobnou strukturu (obsahují pterin, kyselinu p–aminobenzoovou a glutamovou) a vykazují biologickou aktivitu kyseliny listové. Velký význam má zejména redukovaná forma – tetrahydrofolát a jeho moţné deriváty. Folát (zejména jako tetrahydrofolát) se účastní v mnoha reakcích metabolismu aminokyselin a nukleotidů, je důleţitý pro biologické metylace (S-adenosylmethionin). V kaţdé z těchto funkcí slouţí jako akceptor nebo dárce jediné jednotky uhlíku a souhrnně se tyto reakce označují jako metabolismus jednouhlíkatých fragmentů. Spolu s vitaminem B12 je nezbytná pro biosyntézu nukleových kyselin (DNA), je důleţitý pro buněčné dělení a pro tkáně s vysokou mitotickou aktivitou. Nedostatek zvyšuje hladinu homocysteinu v plazmě, coţ je povaţováno za rizikový faktor aterosklerózy. Má význam pro embryogenezi. Nedostatek vitaminu B9 se objevuje zejména při nedostatečném přívodu, poruchách vstřebávání nebo při zvýšené potřebě v těhotenství. Vzniká poté anemie z nedostatku krvetvorby a v těhotenství je příčinou různých rozštěpů u plodu. Kyselina listová se vyskytuje zejména v játrech (hovězí, kuřecí), v zelenině (chřest, brokolice, špenát), v mase, vejcích a v mléku. Velkým zdrojem jsou pivovarské kvasnice a vlastní syntéza flórou tlustého střeva.
60
Kyselina listová a tetrahydrofolát:
Vitamin B12 (kobalamin) Vitamin B12 je souhrnný název pro všechny korinoidy (tj. sloučenin obsahujících korinové jádro), které vykazují biologickou aktivitu. Vitamin B12 je jediná biogenní sloučenina, která obsahuje jinak vzácně se vyskytující kobalt. Kobalamin je kofaktorem řady metabolických procesů, zejména se podílí na krvetvorbě, vývoji centrální nervové soustavy v dětském věku, přeměny homocysteinu, přeměny methylmalonyl-CoA na sukcinyl-CoA, katabolismu isoleucinu a valinu a na tvorbě methioninu. Kobalamin je esenciální látkou pro všechny ţivočichy a jeho nedostatek se projevuje jako anemie, psychické a nervové příznaky s poškozením periferních nervů a míchy, nebo jako sníţená odolnost vůči infekcím. Zdrojem kobalaminu jsou pouze ţivočišné potraviny, zejména játra a ostatní vnitřnosti, maso, ryby, vejce (ţloutek), mléko a sýry.
61
8.2
Vitaminy rozpustné v tucích
Mezi vitaminy rozpustné v tucích patří vitamin A, D, E a K.
Vitamin A Vitamin A je označován také jako retinol nebo axeroftol. Jedná se o isoprenoid, který má v molekule pět konjugovaných dvojných vazeb. V potravinách můţeme nalézt řadu jeho analogů. Jedním příkladem je 3-dehydroretinol, který se vyskytuje ve sladkovodních rybách. Nejvýznamnějším provitaminem vitaminu A je β-karoten, který je v potravinách často doprovázen α-karotenem, β-kryptoxanthinem, γ-karotenem a echinenonem. Vitamin A se uplatňuje v organismu zejména v biochemii zrakového vjemu a při syntéze proteinů. Enzymy, které regulují metabolismus vitaminu A, vyţadují jako esenciální kofaktor zinek. V procesu jeho biologické inaktivace dochází ke změně na 4. uhlíku (oxidaci) za vzniku oxo- nebo hydroxyderivátu. Potřeba vitaminu A je kryta asi z poloviny provitaminy obsaţenými v potravinách rostlinného původu. Avitaminosa se projevuje poruchami vidění, inhibicí růstu a deformacemi kostí a reprodukčních orgánů. Na druhou stranu hypervitaminosa vyvolává zvýšení jaterní rezervy vitaminu a můţe vést aţ k akutní nebo chronické intoxikaci organismu s různými příznaky včetně strumigenicity. V potravinách rostlinného původu se vitamin A nevyskytuje, ale můţeme ho zde nalézt ve formě provitaminů. Dobrým zdrojem je například listová zelenina (zelí, špenát), mrkev, rajčata (zejména oranţové odrůdy), případně ovoce (meruňky, mango). Velmi dobrým zdrojem jsou také jaterní rybí tuky, zejména pak z tresky. Dalším zdrojem mohou být sýry a mléko. Přirozeně se vyskytující all-trans isomery retinoidů velmi snadno isomerují během skladování (zejména při vystavení účinku světla a vyšších teplot). Všechny retinoidy jsou citlivé vůči oxidaci lipooxygenasami, vzdušným kyslíkem nebo chemickými činidly. Reagují ale také s volnými radikály a tím se podílejí na inhibici negativních účinků těchto radikálů, jinými slovy vykazují antioxidační účinek. Hlavními produkty reakce jsou alkoxylový radikál a epoxid. Za anaerobních podmínek, respektive v přítomnosti malého mnoţství kyslíku, vykazují karotenoidy vyšší antioxidační účinky. Výsledkem reakce s hydroperoxylovým radikálem jsou polární produkty. β-karoten je schopný „zhášet― singletový kyslík za vzniku kyslíku v tripletovém stavu (3O2) a β-karotenu v excitovaném stavu. Degradací β-karotenu a dalších karotenoidů vzniká také řada nízkomolekulárních produktů, jako jsou uhlovodíky a kyslíkaté sloučeniny (např. epoxidy, ketony), které jsou významnou sloţkou aroma mnoha potravin.
62
Vitamin D Mezi nejvýznamnější deriváty vitaminu D patří cholekalciferol (vitamin D3) a ergokalciferol (vitamin D2). Vitaminy D vznikají účinkem UV záření ze svých provitaminů.
Biosyntéza vitaminu D: JÁTRA
CHOLESTEROL
7-Dehydrocholesterol
UV záření KŮŽE
Cholekalciferol JÁTRA 25-Hydroxylasa
LEDVINY
1, 25-Dihydroxycholekalciferol
25-Hydroxycholekalciferol 1-Hydroxylasa
1,25-Dihydroxycholekalciferol, neboli kalcitriol, je aktivní formou vitaminu D. Po své syntéze je transportován do střeva, kde napomáhá resorpci vápníku stimulací syntézy CaBP proteinu (z angl. Calcium Binding protein). Na metabolismu vápníku a fosforu se tento protein podílí společně s parathormonem a kalcitoninem. Nedostatek vitaminu D se projevuje u dětí křivicí (rachitis) a u dospělých osteomalácií. Stejně jako hypovitaminosa má na organismus negativní účinek i zvýšený příjem, který vede k hyperkalcemii. Přebytečný vápník mobilizovaný z kostí se ukládá v různých orgánech, jako např. srdci, plicích a ledvinách. Savci, ptáci a ryby synthetisují cholekalciferol podobně jako člověk a z toho důvodu se cholekalciferol běţně vyskytuje v potravinách ţivočišného původu (společně s 7dehydrocholesterolem). Dobrým zdrojem cholekalciferolu jsou jaterní tuky mořských ryb (např. halibut, treska, makrela) a také maso tučných ryb (sleď, makrela, losos). K dalším zdrojům patří také maso a vnitřnosti hospodářských zvířat a ţivočišné produkty (mléko, mléčné výrobky a vejce). Ergosterol je hlavním sterolem většiny plísní a kvasinek, vyskytuje se také v houbách. V semenech olejnin, v obilovinách a cereálních výrobcích slouţí proto jako indikátor bakteriální kontaminace. Na druhou stranu ho mohou obsahovat také plísňové sýry.
Vitamin E Aktivitu vitaminu E vykazuje osm základních derivátů chromanu, které vykazují strukturní podobnost. Jejich základní struktura vychází z tokolu nebo tokotrienolu. Jako tokoferoly jsou označovány formy vitaminu E s nasyceným terpenoidním postranním 63
řetězcem odvozeným od tokolu. Nenasycený terpenoidní postranní řetězec odvozený od tokotrienolu mají ve své struktuře tokotrienoly. α-tokoferol patří mezi nejvýznamnější lipofilní antioxidanty, které se uplatňují jako ochrana před poškozením buněk volnými radikály. Spolu s β-karotenem a ubichinony se podílí na ochraně integrity biomembrán. V krvi je také transportován společně s LDL lipoproteiny (jedna molekula LDL obsahuje 6 molekul tokoferolu). Vitamin E je také faktorem zpomalujícím proces stárnutí organismu a dále se uplatňuje v prevenci kardiovaskulárních onemocnění. Vitamin E se vyskytuje především v potravinách rostlinného původu. V malé míře ho obsahují i potraviny ţivočišného původu. V obilovinách se vyskytuje zejména v klíčku a otrubách, proto ho celozrnné mouky obsahují více, neţ mouky bílé. Dalším zdrojem vitaminu E jsou rostlinné oleje a to zejména oleje panenské. V menší míře je obsaţen také v ovoci a zelenině. Antioxidační aktivita tokoferolů a tokotrienolů je v potravinách závislá na řadě faktorů. Jedním z nich je zastoupení a obsah nenasycených mastných kyselin. Tokoferoly jsou účinnějšími antioxidanty v ţivočišných tucích (obsahují kyselinu olejovou) ve srovnání s rostlinnými oleji (vyšší obsah kyseliny linolové). Tokoferoly reagují s celou řadou volných radikálů včetně reaktivních forem kyslíku. Inhibují autooxidaci lipidů a to díky tomu, ţe reagují s peroxylovými radikály lipidů za vzniku hydroperoxidů a radikálu tokoferolu. Tím přerušují řetězovou radikálovou autooxidační reakci uhlovodíkového řetězce lipidů v jeho propagační fázi. Jedna molekula tokoferolu můţe reagovat se dvěma hydroperoxylovými radikály. Vzniklý radikál tokoferolu není dostatečně reaktivní a nemůţe se proto podílet na štěpení další molekuly lipidu. V terminační fázi autooxidační reakce se radikál tokoferolu stabilizuje nevratnou reakcí s jiným radikálem, nejčastěji s hydroperoxylovým. Tokoferoly mohou reagovat také se singletovým kyslíkem podobným účinkem jako β-karoten nebo za vzniku různých oxidačních produktů. Schéma regenerace vitaminu E pomocí vitaminu C: R-OOH
R-OO●
T-OH
T-O●
AA
GSH
NADPH+H+
DHA
GSSG
NADP+
(Pozn.: R-OO●=peroxylový radikál, R-OOH=hydroperoxid, T-OH=tokoferol, T-O●=tokoferolový radikál, AA=kys. askorbová, DHA=dehydroaskorbát, GSH=glutathion redukovaný, GSSG=glutathion oxidovaný)
64
Vitamin K Struktura vitaminu K vychází z menachinonu s nenasyceným isoprenoidním postranním řetězcem. Rozeznáváme dvě základní varianty vitaminu a to vitamin K1 neboli fyllochinon, který se vyskytuje v potravinách rostlinného původu a vitamin K2 neboli menachinon, který je produkován mnoha bakteriemi a aktinomycetami. U ptáků a savců je vitamin K v redukované formě esenciálním faktorem pro karboxylaci některých proteinů (např. v jejich struktuře vázané kyseliny glutamové na γkarboxyglutamovou). Tyto karboxyglutamové zbytky propůjčují příslušným proteinům důleţité vlastnosti jako je například schopnost vázat vápenaté ionty a fosfolipidy, nezbytné pro jejich aktivaci a funkci při sráţení krve. Největší význam má reakce, při které je neaktivní prothrombin přeměňován na aktivní trombin. Hlavní formou vitaminu, která se vyskytuje v plazmě je K1, která je transportovaná ve vazbě na VLDL lipoproteiny. Hypovitaminosa vitaminu K se můţe projevit poruchou sráţlivosti krve. Zvláště citlivá jsou k nedostatku vitaminu kuřata (jako důsledek podávání antibiotik, které inhibují střevní mikroflóru), u kterých se přidává vitamin K do krmných směsí k prevenci krvácivosti do svalů a kůţe. Antagonisty vitaminu K jsou kumariny, především dikumarol. Maso a masné výrobky mají středně vysoký obsah vitaminu K, na druhou stranu v játrech je vitamin K obsaţen ve větší míře. V potravinách rostlinného původu se vyskytuje výhradně vitamin K1, který je běţnou sloţkou buněk, které se specializují na fotosyntézu. Z toho vyplývá, ţe bohatým zdrojem jsou hlavně zelené listové zeleniny. Dalším dobrým zdrojem je také většina rostlinných olejů. Nízký obsah je v ovoci, bramborech a obilovinách. K neţádoucím ztrátám aktivity vitaminu K dochází působením světla, při reakci s redukčními činidly a v alkalickém prostředí. Při ztuţování rostlinných olejů dochází podobně jako u mastných kyselin k hydrogenaci postranního řetězce. Tím vznikají rozkladné produkty a původní obsah vitaminu K je sníţen aţ o jednu polovinu.
65
9
MINERÁLNÍ LÁTKY, VÝSKYT V POTRAVINÁCH A SUROVINÁCH
Minerální látky představují významnou oblast výţivy a jsou nezbytné pro zdraví, růst a reprodukci organismu. Obsah minerálních látek v potravinách je definován jako obsah prvků v popelu, který zůstává po spálení organické části. Minerální látky se rozdělují podle potřeby pro organismus na makroprvky, jejichţ denní potřeba pro člověka je vyšší neţ 100 mg a dále na mikroprvky, jejichţ denní potřeba je niţší neţ 100 mg. Mezi makroprvky jsou řazeny sodík, draslík, chlor, vápník, fosfor, hořčík a síra. Všechny tyto prvky jsou esenciální pro ţivot. Obsah makroprvků v jednotlivých potravinách je velmi variabilní a pohybuje se od desítek aţ do tisíců mg/kg. Druhou skupinou látek jsou mikroprvky, které bývají nazývány rovněţ stopovými prvky. Z pohledu biochemie jsou stopovými prvky nazývány ty prvky, jejichţ koncentrace v lidských tkáních je niţší neţ 50 mg/kg a obsah těchto prvků v potravinách je většinou do desítek mg/kg s výjimkou ţeleza a zinku, jejichţ koncentrace v potravinách se pohybuje v desítkách aţ stovkách mg/kg. Esenciální stopové prvky jsou charakterizovány jako prvky, které při přerušení dodávky/příjmu způsobují reprodukovatelné funkční nebo strukturální abnormality spojené s biochemickými změnami. Dodání prvku je prevencí vzniku těchto abnormalit a brání biochemickým změnám, resp. změny vzniklé při nedostatku se po zvýšení příjmu prvku odstraní. Esenciálními stopovými prvky s definovanou denní dávkou jsou železo (Fe), zinek (Zn), selen (Se) a jod (I). Druhá skupina esenciálních prvků má sice definovanou úlohu v metabolismu. Do této skupiny patří měď (Cu), mangan (Mn), kobalt (Co), chrom (Cr), molybden (Mo) a fluor (F).
66
9.1
Makroprvky
Sodík Biochemické funkce Sodík je hlavním anorganickým kationtem v extracelulárním prostředí, kde se také většina sodíku nachází. Koncentrace kationtu sodíku (Na+) v krvi se pohybuje kolem 132 – 145 mmol/l. Hlavní funkcí kationtu sodíku je udrţování osmotického tlaku extracelulární tekutiny. Reguluje objem krevní plazmy a acidobazickou rovnováhu. Dále ovlivňuje činnost nervů a svalů přenosem vzruchu na membránách (Na+/K+-ATPasa).
Metabolismus Sodík se vstřebává v trávicím traktu velmi dobře, při běţných zdrojích představuje resorpce aţ 90 % přijatého mnoţství. Mnoţství sodíku v organismu je regulováno především exkrecí močí. Močí je vyloučeno aţ 95 % sodíku. Dále je sodík vylučován potem, proto je potřeba při extrémním pocení zvyšovat příjem sodíku. Hospodaření se sodíkem řídí hormon aldosteron, který podporuje reabsorpci kationtů sodíku v tubulech ledvin, a tím obsah iontů sodíku v těle zvyšuje. Dalšími hormony, které ovlivňují metabolismus sodíku, jsou natriuretické peptidy (z angl. Atrial Natriuretic Peptide ANP, Brain Natriuretic Peptide - BNP), které zvyšují diurézu a exkreci sodíku močí. Zdroje sodíku Obsah sodíku v potravinách je velmi proměnlivý, základní obsah především v potravinách rostlinného původu je většinou poměrně nízký, vyšší je v mase a vejcích. Koncentrace sodíku se ale významně zvyšuje úpravou potravin solením (zdrojem je chlorid sodný) nebo konzervací, kdy je zdrojem glutamát sodný. Především sůl představuje významný zdroj sodíku, protoţe představuje aţ 75 % přijatého sodíku.
Draslík Biochemické funkce Draslík je po sodíku druhým nejvíce zastoupeným kationtem těla. Je hlavním anorganickým kationtem v intracelulárním prostředí. Koncentrace kationtu draslíku (K+) v buňkách představuje asi 115 – 150 mmol/l, v krevní plazmě je koncentrace pouze 3,8 – 5,2 67
mmol/l. Hlavní funkcí draselného kationtu je udrţování osmotického tlaku v buňkách, reguluje hospodaření s vodou a acidobazickou rovnováhu. Při metabolické acidóze dochází ke zvyšování koncentrace draslíku v krvi a při alkalóze naopak k jeho sníţení. Dále udrţuje klidový membránový potenciál v nervové tkáni, svalech a v myokardu (Na+/K+-ATPasa). Ovlivňuje zejména aktivitu myokardu. Metabolismus Draslík se vstřebává v trávicím traktu velmi dobře, při běţných zdrojích představuje resorpce aţ 90 % přijatého mnoţství. Mnoţství draslíku v organismu je regulováno především exkrecí močí, čímţ je organismus chráněn při nadměrném příjmu draslíku. Hospodaření organismu s draslíkem je do značné míry společné se sodíkem, řídí je hormon aldosteron, který podporuje vylučování draslíku močí. Zdroje draslíku Obsah draslíku v potravinách je proměnlivý, vysoký obsah je především ve vybraných potravinách rostlinného původu, jako je zelenina, brambory, citrusové plody, banány a káva. V kávě a čajích můţe dosahovat koncentrace draslíku aţ 2 %. Obsah draslíku v ţivočišných potravinách se pohybuje kolem 2 000 – 4 000 mg/kg v mase, 1 000 - 2 000 mg/kg v mléce, mléčných výrobcích a ve vejcích.
Chlor Biochemické funkce Chloridový aniont je hlavním aniontem extracelulárního prostředí, jeho koncentrace v krevní plazmě je 97 – 108 mmol/l. Nejvyšší koncentrace je v ţaludeční šťávě. Metabolismus Chlor se vstřebává v trávicím traktu velmi dobře, jeho resorpce dosahuje aţ 90 % přijatého mnoţství. Mnoţství chloridů v organismu je regulováno především exkrecí močí. Hospodaření organismu s chloridy je stejné jako u sodíku, koncentrace v krvi sleduje pohyby sodíku. Zdroje chloru Hlavním zdrojem chloru je sůl (chlorid sodný) a jeho obsah v potravinách je závislý především na jejich zpracování a mnoţství pouţité soli. Přirozený obsah v potravinách ţivočišného původu se pohybuje kolem 400 – 700 mg/kg v mase, 1 000 mg/l v mléce, 1200 – 1400 mg/kg ve vejcích, v potravinách rostlinného původu pak kolem 200 – 700 mg/kg.
68
Vápník Biochemické funkce V lidském organismu je 1,0 – 1,5 kg vápníku, přičemţ 99 % je uloţeno v tvrdých tkáních ve formě fosforečnanu vápenatého. V kostech má vápník významnou stavební funkci, váţe se na bílkoviny osteokalcin a osteonektin. V krevní plazmě je koncentrace vápníku 2,1 – 2,6 mmol/l, vyskytuje se zde v nedifusibilní formě vázaný na plazmatické bílkoviny a v difusibilní formě komplexně vázaný (citrát, laktát, hydrogenkarbonát) nebo ionizovaný. Vápník je významný pro sráţení krve. V buněčném cytosolu je koncentrace vápníku velmi nízká (0,1 – 10 mol/l), je přítomen v mitochondriích a endoplazmatickém retikulu. Vápník se účastní nervové a svalové činnosti, k výrazným změnám v koncentraci dochází především při svalové kontrakci. Řada metabolických dějů je regulována vápenatými ionty navázanými na polypeptid kalmodulin, který ovlivňuje aktivitu některých enzymů (adenylátcyklasa, proteinkinasy) a je intracelulárním poslem v účinku hormonů. Metabolismus Vápník se vstřebává v gastrointestinálním traktu v závislosti na příjmu, formě a potřebách organismu (2 – 70 %). Se stoupajícím příjmem se resorpce sniţuje a rovněţ klesá s věkem. Resorpce probíhá aktivním transportem a v menší míře i pasivní difuzí. Aktivní transport je regulován kalcitriolem (aktivní forma vitaminu D), který indukuje ve střevní sliznici syntézu speciálního proteinu umoţňujícího přenos vápníku. Resorpce je dále ovlivňována pH, při alkalické reakci vznikají nerozpustné a nevstřebatelné vápenaté soli. Střevní resorpci zpomaluje rovněţ kyselina šťavelová a fosforečná tvorbou nerozpustných solí s vápníkem nebo volné mastné kyseliny, které tvoří nerozpustná vápenatá mýdla. Metabolismus vápníku je regulován parathyreoidálním hormonem (PTH) a kalcitoninem. Parathyreoidální hormon zvyšuje koncentraci vápníku v extracelulární tekutině přímým působením na kosti (zvyšuje odbourávání kostí) a ledviny (zvyšuje reabsorpci vápníku) a nepřímým působením na střevní sliznici tím, ţe stimuluje syntézu kalcitriolu. Kalcitonin naopak sniţuje koncentraci v extracelulární tekutině tím, ţe zabraňuje uvolňování vápníku z kostí a působí tak proti osteoporóze. Z organismu je vápník vylučován stolicí (nevstřebaný vápník) a močí. Exkrece močí je velmi proměnlivá, závisí na příjmu, kalcemii a acidobazické rovnováze. Zdroje vápníku Nejvyšší obsah vápníku je v sýrech (1 – 12 g/kg), mléčných výrobcích a mléce. Obsah v mase se pohybuje kolem 30 – 150 mg/kg a v potravinách rostlinného původu 30 – 800 mg/kg s výjimkou fazolí a sóji, kde je obsah vyšší (1 – 2 g/kg).
69
Fosfor Biochemické funkce Celkově je v lidském těle 500 – 800 g fosforu, přičemţ většina (80 – 85 %) je deponována ve tvrdých tkáních ve formě hydroxyapatitu. V intracelulárním prostředí (intracelulární tekutině) je koncentrace fosfátů vysoká, jsou zde přítomny jednak jako volný anorganický fosfát a dále jako součást organických sloučenin (fosfolipidy, makroergické fosfáty, nukleové kyseliny). V krevní plazmě (extracelulární tekutině) je fosfor přítomen jak v anorganické formě tak i jako součást organických sloučenin. Koncentrace fosforu v krevní plazmě je 1,0 – 2,2 mmol/l. Fosfor zastává důleţitou stavební funkci jako součást biologických struktur (anorganické fosfáty v kostech, fosfolipidy v membránách). Velmi významná je úloha v energetickém metabolismu, kde při katabolických reakcích (oxidativní fosforylace, citrátový cyklus, glykolysa) je uvolněná energie uloţena do ATP a naopak při hydrolýze makroergických fosfátů (ATP, GTP, fosfoenolpyruvát, kreatinfosfát) se uvolňuje energie pro energeticky náročné biosyntetické reakce. Dále má fosfor funkce aktivační (aktivace substrátů fosforylací), regulační (aktivace enzymů fosforylací – proteinkinasy) a katalytické (kofaktory enzymů obsahující fosfor – FAD, FMN, NAD, pyridoxal fosfát, thiamin difosfát). Fosfor je rovněţ obsaţen v nukleových kyselinách a podílí se tak na přenosu genetické informace. Metabolismus Fosfor se vstřebává v tenkém střevě jak aktivním transportem tak i pasivně. Stupeň resorpce můţe dosahovat 50 – 90 % v závislosti na formách přijímaného fosforu, potřebě, věku a přítomnosti dalších minerálních látek (vápník, ţelezo, hliník). Významný je obsah vápníku v potravě, doporučuje se poměr fosforu:vápníku = 1:1 – 1,5. V případě nadbytku vápníku se resorpce fosforu sniţuje a zvyšuje se jeho exkrece. Fosfáty z masa a mléčných výrobků se vstřebávají lépe neţ fosfáty ze zeleniny. Nejniţší je resorpce fosforu ve formě kyseliny fytové (20 – 50 %), která se vyskytuje především v obilovinách, luštěninách a olejninách a vytváří soli s vápníkem, hořčíkem, sodíkem, draslíkem, zinkem a ţelezem. Hospodaření s fosfáty je regulováno parathyreoidálním hormonem (PTH) a kalcitoninem. Při zvýšené resorpci kostí pod vlivem PTH dochází spolu s Ca k uvolňování fosfátů. PTH však zvyšuje renální exkreci fosfátů močí, takţe dochází k jejich sníţení v krvi. Exkrece fosfátů probíhá stolicí (stoupá při alkalóze) a močí. Zdroje fosforu Z hlediska potravinových zdrojů určitým problémem však můţe být správný poměr vápníku k fosforu, protoţe ve většině potravin je obsah fosforu vyšší neţ obsah vápníku (maso – 1:15 – 20; vejce 1:4 – 5; pšenice 1:10; brambory 1:5 – 10; luštěniny 1:5 – 10). Pouze mléko, mléčné výrobky a listová zelenina mají vyšší obsah vápníku. Vysoký obsah fosforu je 70
v luštěninách (3000 – 4000 mg/kg), mase (1 200 – 2 500 mg/kg), pšeničné mouce (1 000 – 3 500 mg/kg), nízký naopak v bramborách (320 – 580 mg/kg), jablkách (100 – 130 mg/kg) a v tropickém ovoci (230 – 300 mg/kg). Obsah fosforu v některých potravinách je navyšován pouţíváním aditiv na bázi solí fosforečných kyselin. Přídavek fosfátů ovlivňuje hydrataci bílkovin a polysacharidů, vyuţívá se ke zvýšení vaznosti vody v některých masných výrobcích, při zmrazování mořských ryb jsou fosfáty pouţívány k zabránění úbytku vody během manipulace. Při výrobě tavených sýrů fungují jako stabilizátor mléčných disperzí. Dále se fosfáty přidávají do sušených výrobků (polévky), zmrzlin, nealkoholických nápojů, trvanlivého pečiva, cukrářských výrobků, moučkového cukru apod.
Hořčík Biochemické funkce Hořčík je v těle rovněţ hojně zastoupen, jeho obsah činí 25 – 40 g. Většina hořčíku (60 %) je přítomna v tvrdých tkáních. Koncentrace v extracelulární tekutině je poměrně nízká (1 mmol/l), ale v buňkách je Mg druhým nejzastoupenějším kationtem, poměrně hojně se vyskytuje v erytrocytech, svalech, játrech a v nervové tkáni. Hořčík je nezbytný pro energetický metabolismus, účastní se všech metabolických dějů, při kterých vzniká nebo se hydrolyzuje ATP. Je nezbytný k aktivaci řady enzymů (kinasy, fosfatasy), účastní se stabilizace molekul DNA, je nutný pro proteosyntézu, neboť bez něj není moţná vazba obou podjednotek ribosomu. Hořčík je dále nutný pro činnost svalů, myokardu a nervový systém. Společně s vápníkem hořčík ovlivňuje permeabilitu buněčných membrán a dráţdivost buněk. Nedostatek hořčíku vede ke zvýšené dráţdivosti a přebytek naopak k útlumu nervové činnosti. Metabolismus Hořčík se vstřebává v tenkém střevě, účinnost resorpce se pohybuje kolem 40 – 50 %. Resorpce klesá s věkem, se zvyšující se dávkou, dále je potlačována vápníkem, sulfáty, fosfáty, alkoholem a potravou bohatou na proteiny. Regulace metabolismu hořčíku v organismu není doposud ujasněna, pravděpodobně se jí účastní kalcitonin a parathyreoidální hormon. Exkrece hořčíku probíhá stolicí a močí. Exkrece močí má důleţitou regulační roli v hospodaření s hořčíkem. Zdroje hořčíku Hlavním zdrojem hořčíku je rostlinná strava (chlorofyl). V potravinách ţivočišného původu je obsah poměrně nízký (maso 100 – 300 mg/kg, vejce 120 mg/kg, mléko 110 – 140 mg/kg, sýry 170 - 500 mg/kg). V potravinách rostlinného původu jsou velké rozdíly v obsahu 71
hořčíku, koncentrace se pohybují od 30 aţ do 2500 mg/kg. Nejvyšší obsah je v pivovarských kvasnicích, pšeničných klíčcích, otrubách, fazolích a sóje.
Síra Biochemické funkce Celkový obsah síry v těle dospělého člověka je přibliţně 140 g. Nachází se ve všech buňkách, ve vyšších koncentracích je v kůţi, nehtech a ve svalech jako součást bílkoviny keratinu. Síra je obsaţena v proteinogenních aminokyselinách methioninu a cysteinu. Síra vázaná v methioninu vytváří vazby s dalšími sloučeninami za vzniku komplexů, které umoţňují průběh důleţitých reakcí. Cystein se jako součást molekuly glutathionu podílí na eliminaci kyslíkových radikálů. Síra je dále obsaţena ve sloučeninách, které fungují jako biokatalyzátory (thiamin, kyselina panthothenová, biotin, koenzym A). Zdroje síry Většinou se u potravin neudává celkový obsah síry, ale hlavní sloučeniny síry a jejich obsah.
72
9.2
Mikroprvky
Železo Biochemické funkce Celkový obsah ţeleza v těle dospělého člověka je přibliţně 3 – 5 g. Nejvyšší koncentrace jsou v krvi (hemoglobin), játrech a slezině (hemosiderin, ferritin), niţší koncentrace jsou v ledvinách, srdci a kosterních svalech (myoglobin). Hlavní funkcí ţeleza je transport kyslíku krevním řečištěm (ţeleznaté ionty vázané v hemoglobinu) a skladování kyslíku ve svalové tkáni (ţeleznaté ionty Fe2+ vázané v myoglobinu). Ţelezo je součástí enzymů (Fe-metaloenzymy), které je moţno rozdělit do dvou skupin na hemové enzymy obsahující Fe ve struktuře hemu a nehemové enzymy, v nichţ je Fe vázáno na atom síry v cysteinu. Do skupiny hemových enzymů patří peroxidasy, katalasa a cytochromy. Patří sem jak mitochondriální cytochromy, které se účastní uvolňování energie z oxidativní fosforylace (ATP), tak i cytochromy přítomné v endoplazmatickém retikulu (cytochrom P450, cytochrom b5), které se účastní detoxikačních reakcí. Ze skupiny nehemových enzymů jsou to např. enzymy, které působí v citrátovém cyklu (sukcinátdehydrogenasa, akonitasa), dále xanthinoxidasa a flavinové oxidoreduktasy. Metabolismus Ţelezo se vstřebává v tenkém střevě, celková resorpce se pohybuje kolem 5 – 15 %. Působením ţaludeční šťávy je přijaté ţelezo převedeno do rozpustné formy za vzniku chelátů s kyselinami askorbovou, citronovou, mléčnou a s aminokyselinami a dochází k redukci ţelezitých iontů na ţeleznaté. Transportní systém pro dvojmocné kovové ionty (ţelezo, mangan, zinek, měď) ve střevě je společný, proto je resorpce ovlivňována i jejich mnoţstvím v potravě. Ţelezo, které je přijímáno v hemové formě je vstřebáváno působením HCP (z angl. Haem Carrier Protein) a teprve uvnitř enterocytů je hem působením hemoxygenasy rozkládán. Vstřebávání ţeleza sniţuje kyselina fytová a šťavelová, které tvoří se ţelezem nerozpustné komplexy. Obdobně sniţuje resorpci ţeleza vysoký příjem vápníku a fosfátů. Významnou redukci resorpce (aţ o 60 %) způsobují fenolové látky obsaţené v čaji, kávě a čokoládě. Naopak pomerančový dţus resorpci zvýší aţ o 85 %. Ţeleznaté ionty přecházející do krve jsou oxidovány na ţelezité působením ferooxidasy ceruloplasminu, ţelezité ionty (Fe3+) vstupují do transferrinu a jsou transportovány do cílových tkání. Velká část ţeleza je vyuţita v kostní dřeni k syntéze erytrocytů (70 – 90 %), malé mnoţství je vyuţíváno k syntéze myoglobinu, peroxidas a dalších Fe-proteinů. Přebytečné ţelezo je ukládáno intracelulárně ve formě ferritinu nebo hemosiderinu v RES. Vylučování ţeleza probíhá především trávicím traktem, ale organismus má omezenou kapacitu a je schopen vyloučit pouze asi 0,9 mg denně.
73
Zdroje železa Hlavním zdrojem ţeleza s vysokou vyuţitelností jsou vnitřnosti (játra 130 – 170 mg/kg), maso (5 – 30 mg/kg) a vejce (20 – 26 mg/kg). Dále je ţelezo obsaţeno v pivních kvasnicích, čočce (69 – 130 mg/kg), hrachu (47 – 68 mg/kg), v zelenině (5 – 10 mg/kg), máku, mandlích a špenátu (10 – 40 mg/kg), ve kterém je však ţelezo vázáno na oxaláty, které významně sniţují jeho resorpci.
Zinek Biochemické funkce Celkový obsah zinku v těle dospělého člověka je přibliţně 1,5 – 3 g, přičemţ 50 % se nachází ve svalovině a 30 % v kostech. Vysoký obsah je rovněţ v epidermálních útvarech (kůţe, vlasy, nehty), játrech, ledvinách, slezině a varlatech. V hepatocytech a ledvinných buňkách se Zn nachází ve formě Zn-thioneinu. Zinek je nejhojnější intracelulární stopový prvek, který má řadu katalytických, strukturálních a regulačních funkcí. Je součástí biomembrán, je nezbytný pro stabilizaci RNA, DNA a ribosomů (z angl. Zinc Finger Proteins), stabilizuje některé komplexy hormonů s jejich receptory. Zinek je kofaktorem více neţ 200 metaloenzymů (karbonátdehydratasa, karboxypeptidasa, alkoholdehydrogenasa, laktátdehydrogenasa, alkalická fosfatasa, glutamátdehydrogenasa, superoxiddismutasa). Z dalších funkcí je zinek významný pro syntézu tzv. RBP (retinol vázající protein) a pro tvorbu a působení insulinu. Významná je funkce zinku v ochraně organismu před oxidativním poškozením (součást superoxiddismutasy – Cu/Zn-SOD) a před infekcemi jak svým podílem na udrţení integrity a bariérové funkce kůţe, tak účastí v imunitním systému. Při deficitu zinku je postiţena především buněčná imunita. Zinek je potřebný také pro syntézu nukleových kyselin, ovlivňuje rychlost buněčného dělení, růstu, regenerace a hojení ran. U samců ovlivňuje spermatogenezi a produkci testosteronu. Metabolismus Zinek se vstřebává v tenkém střevě, účinnost resorpce se pohybuje kolem 30 %, přičemţ je regulována dle aktuálních potřeb organismu. Stupeň resorpce je ovlivňován rovněţ sloţením stravy. Vysoký obsah bílkovin a aminokyselin zvyšuje účinnost resorpce, naopak vláknina a kyselina fytová resorpci sniţují. Resorpce na úrovni enterocytů probíhá za účasti transportéru pro dvojmocné kovové ionty. Po vstupu do enterocytu je zinek vázán na metalothionein, který zajišťuje homeostázu transportu zinku do krve. V krvi je transportován vázaný na proteiny – albumin (66 %), α2-makroglobulin (32 %) a volné aminokyseliny. Zinek je transportován do jater a odtud je dále uvolňován do cirkulace. Nejvyšší koncentrace je v játrech, ledvinách, svalech, vejcích, pankreatua slezině. 74
Celkový obsah zinku v těle je regulován na úrovni intestinální resorpce a v menší míře vylučováním. Hlavní cestou exkrece je trávicí trakt a menší část se vylučuje močí (2 – 10 %). Do gastrointestinálního traktu je zinek vylučován pankreatickou šťávou, ţlučí, gastroduodenálními sekrety a transepiteliálním přestupem zinku z mukózy. Zdroje zinku Zdrojem biologicky dostupného zinku je především maso (20 – 40 mg/kg), játra (130 – 370 mg/kg), vejce (21 – 26 mg/kg). V řadě potravin rostlinného původu je rovněţ poměrně vysoký obsah zinku, ale je méně dostupný, protoţe obsahují látky sniţující resorpci zinku.
Měď Biochemické funkce Celkový obsah mědi v těle dospělého člověka je přibliţně 50 - 150 mg a je třetím nejhojněji zastoupeným stopovým prvkem. Největší koncentrace mědi je v játrech, která jsou zásobním orgánem, vysoké mnoţství je dále v myokardu, svalech, ledvinách, slezině a mozku. Měď je kofaktorem mnoha metaloenzymů a sloţkou důleţitých proteinů. Většina funkcí vychází z reakcí katalyzovaných enzymy obsahujícími měď. Jsou to zejména cytochromoxidasa, superoxiddismutasa, monoaminooxidasy, hydroxylasy, galaktosaoxidasa a další oxidoreduktasy. Cytochrom c oxidasa je enzym (potřebuje měď a ţelezo), který katalyzuje finální reakci dýchacího řetězce. Superoxiddismutasa (Cu/Zn-SOD) je důleţitou součástí ochrany buněk před oxidativním poškozením, katalyzuje vznik peroxidu vodíku ze superoxidových radikálů. Monoaminooxidasy zajišťují oxidativní deaminaci biogenních aminů. Lysyloxidasa katalyzuje posttranslační deaminaci lysinu, čímţ umoţňuje zasíťování pojivových tkání a má tak zásadní význam pro pevnost, pruţnost a ohebnost bílkovin. Měď je důleţitá při výstavbě kostí, jejich mineralizaci a podílí se na zabezpečení integrity pojivových tkání v srdci a cévách. Důleţitou roli má měď v metabolismu ţeleza a erytropoéze. Oxidasová aktivita ceruloplasminu je rozhodující pro oxidaci ţeleznatých iontů na ţelezité, čímţ je umoţněna mobilizace zásobního ţeleza z ferritinu, jeho vestavění do transferrinu a vyuţití pro syntézu hemoglobinu. Přítomností v enzymu tyrosinase je měď zapojena do syntézy melaninů, podílí se na pigmentaci kůţe, vlasů a očí. Významná je úloha mědi v centrální nervové soustavě, kde ovlivňuje tvorbu myelinu a katecholaminů.
75
Metabolismus Měď se vstřebává v ţaludku a v tenkém střevě, účinnost resorpce je velmi variabilní, odhaduje se v rozmezí 25 – 70 %, přičemţ je regulována dle aktuálních potřeb organismu a je ovlivňována obsahem mědi v dietě. Stupeň resorpce je ovlivňován rovněţ sloţením potravy. Vysoký obsah vitaminu C, molybdenu, ţeleza a zinku sniţuje resorpci. Vyuţitelnost mědi zvyšuje přítomnost bílkovin, aminokyselin, karboxylových a hydroxykarboxylových kyselin v dietě. Resorpce na úrovni enterocytů probíhá za účasti transportéru pro dvojmocné kovové ionty. Po vstupu do enterocytu je měď vázána na metalothionein, který zajišťuje homeostázu transportu mědi do krve. V krvi je měď transportována ve vazbě na albumin. Takto vázaná je rychle vychytávána játry, v menší míře pak ledvinami. Játra mají centrální úlohu v homeostáze mědi v organismu, měď se zabudovává do ceruloplasminu a metalothioneinu. Ceruloplasmin je uvolňován do krve, kde je vázáno aţ 90 % mědi přítomné v plazmě. Měď je vylučována především ţlučí ve formě špatně vstřebatelných komplexů, určité mnoţství mědi se dostává do střeva také z pankreatické a intestinální tekutiny a společně s nevyuţitou mědí je vyloučena stolicí. Vylučování mědi trávicím traktem je důleţitým regulačním mechanismem pro udrţování rovnováhy mezi příjmem a potřebou. Zdroje mědi Dobrým zdrojem mědi jsou vnitřnosti (především játra, která obsahují 10 – 23 mg/kg), ryby (0,2 -3,1 mg/kg), luštěniny (5 – 15 mg/kg), zelenina, ořechy, sušené ovoce a čokoláda.
Mangan Biochemické funkce Celkový obsah manganu v těle dospělého člověka je přibliţně 10 - 20 mg. Nejvyšší koncentrace manganu je v kostech, játrech, pankreatu, ledvinách, v ostatních tkáních je zastoupení nízké. Na subcelulární úrovni je nejvíce manganu v mitochondriích. Mangan je kofaktorem řady metaloenzymů a podílí se na aktivaci některých enzymů společně s hořčíkem nebo můţe hořčík nahradit. Je přítomen v oxidoreduktasach, kde katalýza oxido-redukčních reakcí souvisí se změnou mocenství manganu. K nejdůleţitějším enzymům patří pyruvátkarboxylasa, která katalyzuje vznik oxalacetátu z pyruvátu a arginasa, která katalyzuje hydrolýzu argininu na močovinu a ornithin. Jako součást mitochondriální superoxiddismutasy chrání buňky před poškozením oxidativními radikály. Mezi enzymy aktivované manganem patří hydrolasy, dekarboxylasy, glykosyltransferasy a kinasy, účastnící se metabolismu sacharidů a lipidů. Mangan se podílí na syntéze glykoproteinů a proteoglykanů při tvorbě chrupavek. 76
Metabolismus Mangan se vstřebává v tenkém střevě, účinnost resorpce je poměrně nízká, odhaduje se v rozmezí 2 – 15 %. Vstřebávání manganu ovlivňuje chemická forma, přítomnost komplexotvorných látek, mnoţství vápníku a fosforu. Resorpce manganu se zvyšuje při deficitu ţeleza a sniţuje při vyšším příjmu hemového ţeleza. Mechanismus resorpce není přesně znám, ale předpokládá se, ţe je obdobný jako u ţeleza. Vstřebává se ve formě manganatých iontů (Mn2+) pomocí transportéru divalentních kovových iontů. V enterocytech je oxidován na manganité ionty (Mn3+) a je transportován krví vázaný na transferrin. Část manganu je vázána v krvi na albumin a α2-makroglobulin. Mangan je transportován do jater a dalších cílových tkání. Nadbytek manganu je vyloučen ţlučí, přičemţ malé mnoţství se můţe znovu vstřebat (enterohepatální oběh). Zdroje manganu Dobrým zdrojem manganu jsou obiloviny (30 – 50 mg/kg), luštěniny (10 – 20 mg/kg), lesní plody (maliny 10 – 50 mg/kg). Vysoký obsah manganu má čaj (320 – 1040 mg/kg) a některé druhy koření (hřebíček 600 mg/kg, zázvor 160 mg/kg). Obsah manganu v potravinách ţivočišného původu je nízký (maso 0,1 – 0,2 mg/kg).
Selen Biochemické funkce Celkový obsah selenu v těle dospělého člověka je přibliţně 5 – 15 mg. Nejvyšší koncentrace selenu je v ledvinách, játrech, slezině, pankreatu, vlasech a kostech. V krevní plazmě je nejvíce selenu ve formě selenoproteinu P, menší mnoţství je v glutathionperoxidase a asi 9 % je vázáno na albumin. Selen je přítomen v těle ve formě selenoproteinů, z nichţ řada má enzymatickou funkci. Nejdůleţitějšími enzymy jsou glutathionperoxidasa, thioredoxinreduktasa a jodhyronin-dejodasa. Nejvýznamnější funkcí selenu je ochrana buněk před oxidačním poškozením kyslíkovými radikály. Tato funkce je zajišťována enzymem glutathionperoxidasou, který katalyzuje redukci kyslíkových radikálů redukovaným glutathionem. Toto působení je synergické s vitamínem E. Další enzym účastnící se oxidoredukčních reakcí je thioredoxinreduktasa, která udrţuje v redukovaném stavu thioredoxin - protein, který působí jako antioxidant. Enzym jodthyronin-dejodasa katalyzuje dejodaci hormonu štítné ţlázy tetrajodthyroxinu na metabolicky aktivní trijodthyronin, čímţ významně ovlivňuje činnost štítné ţlázy. Dále je selen přítomen v řadě selenoproteinů, jejichţ funkce však není dostatečně známa. V enzymech je selen přítomen ve formě selenocysteinu, který je syntetizován v organismu. Dále můţe být selen přítomen v proteinech ve formě
77
selenomethioninu, který v nich nahrazuje methionin a představuje tak určitou zásobu selenu. Selen je dále důleţitý pro reprodukční funkce, imunitu a má antikarcinogenní účinky. Metabolismus Selen je resorbován především v duodenu, účinnost resorpce je závislá na přítomné formě selenu. Organické formy (selenomethionin, selenocystein) jsou resorbovány aktivním transportem za účasti transportérů aminokyselin, u selenomethioninu byla zjištěna resorpce 95 – 97 %. Anorganické formy selenu (seleničitany, selenany) jsou resorbovány pasivně na principu koncentračního gradientu. Odhaduje se, ţe se tímto způsobem vstřebá asi 50 % selenu. V současné době není znám mechanismus, kterým by resorpce selenu v trávicím traktu byla regulována. Selen vstupující do krevního oběhu je transportován ve formě selenoproteinu P. V organismu není selen ukládán do zásoby, proto vzniká při sníţeném příjmu poměrně rychle deficit. Hlavní cestou vylučování je exkrece selenu močí, čímţ je do určité míry regulováno mnoţství selenu v organismu. Zdroje selenu Zdrojem selenu je především česnek, cibule, paţitka, pórek, vnitřnosti (játra, ledviny), vepřové a hovězí maso. Dobrým zdrojem mohou být rovněţ celozrnné obiloviny. Obsah selenu v potravinách rostlinného původu a do značné míry i ţivočišného původu je ovlivněn obsahem selenu v půdě, kde byly rostliny (krmiva) produkovány. Česká republika patří mezi oblasti s nízkým obsahem selenu v půdě (0,07 – 0,12 mg/kg), proto je obsah selenu u domácích potravin často nízký. V současnosti se studují moţnosti produkce tzv. funkčních potravin např. masa se zvýšeným obsahem selenu, kterého je dosaţeno suplementací krmných dávek zvířat selenem především ve formě selenomethioninu. Naopak některé oblasti ve světě (USA) mají vysoký obsah selenu v půdě a především při pastvě zvířat můţe dojít aţ k příjmu toxických dávek. Existují rostliny, které mají schopnost selen akumulovat a koncentrace pak dosahuje aţ tisíce mg (kozince, bobovité rostliny).
Jod Biochemické funkce Celkový obsah jodu v těle dospělého člověka je přibliţně 10 - 30 mg. Nejvyšší koncentrace jodu je ve štítné ţláze, která obsahuje 70 - 90 %. Jod je součástí hormonů štítné ţlázy tetrajodthyroxinu a trijodthyroninu. Působení jodu v organismu je proto shodné s funkcí štítné ţlázy. Thyreoidální hormony regulují rychlost oxidačních procesů, ovlivňují spotřebu kyslíku v játrech, ledvinách a myokardu, zvyšují resorpci glukosy a galaktosy, lipolysu, glykogenolysu a ovlivňují termoregulaci.
78
Metabolismus Jod je resorbován v gastrointestinálním traktu především ve formě jodidů, jiné formy (jodičnany) jsou nejprve redukovány. Účinnost resorpce můţe dosahovat aţ 100 %, ke sníţení dochází při vysokých dávkách vápníku a tuků v dietě. Jod je transportován krví vázaný na plazmatické proteiny, aktivně je vychytáván ve štítné ţláze jodidovou pumpou (Na+/K+ATPasa). V granulárním endoplazmatickém retikulu je syntetizován thyreoglobulin, ve kterém je vázáno 90 % jodu štítné ţlázy ve formě jodizované aminokyseliny tyrosinu (monojodtyrosin, dijodtyrosin, trijodthyronin, tetrajodthyroxin). V případě potřeby je thyreoglobulin zachycen thyreocyty a proteolýzou dochází k uvolnění hormonů do krve. Tato reakce je regulována thyreotropinem (TSH). Jod, který není vychytán štítnou ţlázou je exkretován močí a v laktaci rovněţ mlékem. Koncentrace jodu v moči koreluje s příjmem jodu a je proto vyuţívána k hodnocení příjmu jodu. Zdroje jodu Obsah jodu v potravinách je významně ovlivňován obsahem jodu v půdě. Česká republika patří mezi oblasti s deficitem jodu. Nejvyšší koncentrace jodu jsou v mořských rybách a řasách. Ke zvýšení příjmu byla zavedena fortifikace kuchyňské soli jodem (jodičnany, jodidy). Obsah jodu v soli bývá 20 -50 mg/kg.
Fluor Biochemické funkce Celkový obsah fluoru v těle dospělého člověka je 0,8 – 2,5 g. Nachází se hlavě v kostech a v zubech, kde je obsaţen ve formě fluoroapatitu. Fluor má význam především při růstu zubů, dále pro zubní sklovinu, kde inhibuje růst a metabolismus bakterií. Fluoridy stimulují osteoblasty k vyšší tvorbě osteoidu a tvoří se po nich větší krystaly kostního minerálu, odolnější vůči osteoklastům. Metabolismus Fluor se vstřebává zejména v ţaludku a tenkém střevě, resorpce se pohybuje kolem 80 – 90 %. Předpokládá se, ţe resorpce probíhá pasivní difuzí a je inverzní k pH (při vyšší sekreci ţaludeční šťávy se resorpce zvyšuje). V krevní plazmě se fluor nachází ve formě F-, který je vychytáván v kalcifikovaných tkáních (kosti, zuby), kde se ukládá asi 50 % přijatého fluoru. Zbytek fluoru je vylučován močí.
79
Zdroje fluoru Zdrojem fluoru je především pitná voda, z jejíhoţ příjmu pochází 1,0 – 3,4 mg. Dalšími zdroji jsou mořské ryby (5 – 10 mg/kg), čaj (100 mg/kg), cereálie (1 – 3 mg/kg) a kravské mléko (1 – 2 mg/kg sušiny).
80
10
VYBRANÉ METABOLICKÉ DĚJE
10.1
Citrátový cyklus
V anaerobních podmínkách je jedna molekula glukosy přeměněna na pyruvát a ten je redukován na laktát (ţivočichové) nebo na etanol (kvasinky), přičemţ se produkují pouze dvě molekuly ATP na jednu molekulu glukosy a velká část potenciální energie molekuly glukosy tak zůstává nevyuţita. Za aerobních podmínek se ovšem odehrává termodynamicky mnohem zajímavější dráha – citrátový cyklus. Za aerobních podmínek je pyruvát z glykolysy přeměněn na acetyl-CoA (v pyruvátdehydrogenasovém komplexu) a poté vstupuje do citrátového cyklu (rovněţ nazýván cyklus trikarboxylových kyselin – TCA nebo Krebsův cyklus), kde se acetyl-CoA oxiduje na oxid uhličitý CO2. Elektrony uvolněné tímto oxidačním procesem jsou předávány prostřednictvím redukčních ekvivalentů NADH+H+a FADH2 přes komplikovaný systém (dýchací řetězec) aţ na finální akceptor elektronů – molekulární kyslík O2. Převod elektronů pak slouţí k vytvoření protonového gradientu, energie uloţená v tomto gradientu se pouţívá k pohonu ATP-synthasy (aerobní fosforylace). Celá aerobní metabolická cesta oxidace glukosy, spolu s citrátovým cyklem, tak umoţňuje získat 36-38 molekul ATP z jedné molekuly glukosy. Ačkoli dvě molekuly ATP pocházejí ze substrátové fosforylace z glykolysy a další dvě z citrátového cyklu (CKC proběhne 2x), většina ATP vzniká tedy aerobní fosforylací (z redukčních ekvivalentů).
Citrátový cyklus je terminální metabolickou dráhou, společnou pro metabolismus sacharidů, tuků i aminokyselin bílkovin tři typy produktů: redukční ekvivalenty – kofaktory (3 x NADH+H+, 1 x FADH2) 1 x GTP (→ATP) 2 x CO2 se vydýchá
81
Vlastní průběh citrátového cyklu:
1) OXALACETÁT + ACETYL-CoA → CITRÁT enzym citrátsynthasa kofaktorem je koenzym A (CoA) typ reakce: kondenzace
2) CITRÁT → [Cis-AKONITÁT] → ISOCITRÁT enzym akonitasa kofaktorem je Fe-S jedná se o dvě reakce: dehydratace citrátu → meziprodukt cis-akonitát → hydratace cis-akonitátu
3) ISOCITRÁT → [OXALSUKCINÁT] + NADH+H+ → 2-OXOGLUTARÁT enzym isocitrátdehydrogenasa tvoří se meziprodukt [OXALSUKCINÁT] kofaktorem je NAD+ jedná se o dvě reakce: dehydrogenace a dekarboxylace
4) 2-OXOGLUTARÁT (α-KETOGLUTARÁT) → SUKCINYL-CoA + NADH+H+ enzym 2-oxoglutarátdehydrogenasový komplex (α-ketoglutarátdehydrogenasový komplex) kofaktory jsou TDP, lipoamid, CoA, FAD+, NAD+ typ reakce: oxidační dekarboxylace
5) SUKCINYL-CoA + GDP + Pi → SUKCINÁT + GTP (ATP) enzym sukcinátthiokinasa (sukcinyl-CoA-syntetasa) kofaktorem je koenzym A GTP se přemění na ATP (enzym nukleosiddifosfátkinasa): GTP+ADP ↔ ATP+GDP typ reakce: substrátová fosforylace
82
6) SUKCINÁT + FAD → FUMARÁT + FADH2 enzym sukcinátdehydrogenasa kofaktorem je FAD+ s nehemovým ţelezem typ reakce: dehydrogenace
7) FUMARÁT → L-MALÁT enzym fumarasa typ reakce: hydratace
8) L-MALÁT → OXALACETÁT+ NADH+H+ enzym malátdehydrogenasa kofaktorem je NAD+ typ reakce: dehydrogenace
Citrátový cyklus:
83
CITRÁTOVÝ CYKLUS – energetický zisk Reakce citrátového cyklu:
Energetický zisk:
1) OXALACETÁT + ACETYL-CoA→ CITRÁT
X
2) CITRÁT → [Cis-AKONITÁT] → ISOCITRÁT
X
3) ISOCITRÁT → [OXALSUKCINÁT] → 2-OXOGLUTARÁT
+ NADH+H+
4) 2-OXOGLUTARÁT (α-KETOGLUTARÁT) → SUKCINYL-CoA
+ NADH+H+
5) SUKCINYL-CoA + GDP + Pi → SUKCINÁT
+ GTP (ATP)
6) SUKCINÁT + FAD → FUMARÁT
+ FADH2
7) FUMARÁT → L-MALÁT
X + NADH+H+
8) L-MALÁT → OXALACETÁT Zisk z citrátového cyklu
substrátová fosforylace:
+ 1 ATP + 3 NADH + H+
redukční ekvivalenty:
+ 1 FADH2
Dýchací řetězec a aerobní fosforylace + 9 ATP (3x3ATP)
3 NADH + H+
+ 2 ATP (1x2ATP)
1 FADH2
Celkový zisk z jedné otočky citrátového cyklu
84
+ 12 molekul ATP
Zapojení citrátového cyklu do intermediárního metabolismu a energetická bilance aerobního průběhu utilizace molekuly glukosy:
2xATP
32-34 ATP aerobní fosforylace + 4 ATP substrátová fosforylace =
2xATP (=2xCKC)
celkem 36-38 molekul ATP
85
10.2
Metabolismus sacharidů
10.2.1 Glykolysa – aerobní a anaerobní
Glykolysa je hlavní metabolickou drahou utilizace glukosy. Vyskytuje se ve všech buňkách. Představuje také hlavní dráhu pro metabolismus fruktosy a galaktosy, které pocházejí z potravy. Glykolysa je konverze jedné molekuly glukosy na dvě molekuly pyruvátu. Hlavní význam této biochemické dráhy je produkce ATP a to i za nedostatečného přísunu kyslíku (v anaerobních podmínkách). Glykolysa tedy probíhá jak za anaerobních podmínek (konečným produktem je laktát), tak za podmínek aerobních (konečným produktem je acetyl-CoA a NADH+H+). Anaerobní glykolysa je z hlediska kompartmentace lokalizovaná v cytosolu buňky, zatímco aerobní v cytosolu a v mitochondriích. Obě formy glykolysy mají od glukosy aţ po pyruvát shodný průběh a lokalizaci (cytosol). Za nepřístupu kyslíku je pyruvát měněn laktátdehydrogenasou na laktát (rovněţ v cytosolu), zatímco za přístupu kyslíku pyruvát vstupuje do mitochondrie, kde je oxidačně dekarboxylován v pyruvátdehydrogenasovém komplexu na acetyl-CoA a NADH+H+. Porovnání anaerobní a aerobní glykolysy: Anaerobní
Aerobní
Lokalizace
Cytosol
Cytosol i mitochondrie
Reversibilní děj
Ano (aţ na tři reakce)
Ne
Konečný produkt
Laktát
Acetyl-CoA
Přeměna
Glukosa-pyruvát-laktát
Glukosa-pyruvát-acetyl-CoA
Zisk ATP
2
36-38
Porovnání enzymů glykolysy – glukokinasy a hexokinasy: Glukokinasa
Hexokinasa
Lokalizace
Játra
Extrahepatální tkáně
Specifita
Pro glukosu
Pro hexosy
Afinita pro glukosu
Nízká
Vysoká
Km
Vysoká
Nízká 86
Schéma anaerobní glykolysy: ATP
ADP Mg2+
GLUKOSA
Glukosa-6-fosfát Hexokinasa
Fosfohexosaisomerasa
Fruktosa-6-fosfát
Glukokinasa ATP ADP
Mg2+
Fosfofruktokinasa 1
Fruktosa-1,6-bisfosfát
Aldolasa A
Glyceraldehyd-3-fosfát
Dihydroxyacetonfosfát
Fosfotriosaisomerasa
NAD+ Glyceraldehy-3-Pdehydrogenasa
Pi
NADH+H+
1,3-Bisfosfoglycerát ADP Mg2+
Fosfoglycerátkinasa
ATP
3-Fosfoglycerát
Fosfoglycerátmutasa
2-Fosfoglycerát
Mg2+
Enolasa ADP 2+ ATP
Fosfoenolpyruvát
Mg
Pyruvátkinasa
NADH+H+
Pyruvát 87
NAD+
Laktátdehydrogenasa
LAKTÁT
Schéma aerobní glykolysy – cytosolová část: ATP
ADP Mg2+
GLUKOSA
Glukosa-6-fosfát Hexokinasa
Fosfohexosaisomerasa
Fruktosa-6-fosfát
Glukokinasa ATP ADP
Mg2+
Fosfofruktokinasa 1
Fruktosa-1,6-bisfosfát
Aldolasa A
Glyceraldehyd-3-fosfát
Fosfotriosaisomerasa
Dihydroxyacetonfosfát
NAD+ Glyceraldehy-3-Pdehydrogenasa
Pi
NADH+H
přes člunky vstup do mitochondrie → do dýchacího řetězce
+
1,3-Bisfosfoglycerát ADP Mg2+
Fosfoglycerátkinasa
ATP
3-Fosfoglycerát
Fosfoglycerátmutasa
2-Fosfoglycerát
Mg2+
Enolasa ADP Mg2+
Fosfoenolpyruvát
ATP
Pyruvátkinasa
Pyruvát 88
vstup do mitochondrie
Schéma aerobní glykolýzy – mitochondriální část – pyruvátdehydrogenasový komplex:
GLUKOSA
PYRUVÁT CYTOSOL MITOCHONDRIE
CoA-SH PYRUVÁT
TDP
Acetyllipoamid
Pyruvátdehydrogenasa
CO2
Dihydrolipoyltransacetylasa
TDP
Oxidovaný lipoamid
hydroxyethyl
Dihydrolipoamid FADH2 NAD+
ACETYL-CoA
Dihydrolipoyldehydrogenasa
FAD
NADH+H+
89
ANAEROBNÍ A AEROBNÍ PRŮBĚH GLYKOLYSY – energetický zisk
ANAEROBNÍ GLYKOLYSA: hexokinasa/glukokinasa
- 1 ATP
fosfofruktokinasa
- 1 ATP
fosfoglycerátkinasa
+ 1 ATP x 2*
pyruvátkinasa
+ 1 ATP x 2*
Celkový zisk:
+ 2 ATP
AEROBNÍ GLYKOLYSA: CYTOSOL: hexokinasa/glukokinasa
- 1 ATP
fosfofruktokinasa
- 1 ATP
glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa
+ 1 NADH+H+ x 2* = 4-6 ATP (dle člunku)
fosfoglycerátkinasa
+ 1 ATP x 2*
pyruvátkinasa
+ 1 ATP x 2*
MITOCHONDRIE: pyruvátdehydrogenasový komplex
1 NADH+H+ x 2* = 6 ATP
citrátový cyklus (2* x acetyl-CoA)
24 ATP
Celkový zisk:
+ 36-38 ATP
*Poznámka: Od fáze přeměny fruktosa-1,6-bisfosfát na glyceraldehyd-3-fosfát + dihydroxyacetonfosfát je nutné násobit 2x (jsou dva meziprodukty, tj. glyceraldehyd-3fosfát + dihydroxyacetonfosfát).
90
10.2.2 Glukoneogenese Glukoneogenese je proces, při kterém z necukerných zdrojů je vytvářena glukosa. Tento cyklus probíhá pouze v játrech a ledvinách a to jak v cytosolu, tak i mitochondriích (v případě zapojení citrátového cyklu). Důvodem orgánové kompartmentace je klíčový enzym glukoneogenese – glukosa-6-fosfatasa, který se vyskytuje pouze v těchto dvou orgánech. Hlavními substráty pro glukoneogenesi jsou laktát, glukogenní aminokyseliny (vstupují přes meziprodukty citrátového cyklu a pyruvát), glycerol a propionát (zejména u přeţvýkavců). Aminokyseliny účastnící se glukoneogenese jsou: - serin, cystein, threonin, glycin, alanin (vstupují přes pyruvát) - isoleucin, methionin, valin (vstup přes sukcinyl-CoA) - glutamát, glutamin, histidin, prolin, arginin (vstup přes 2-oxoglutarát) - tyrosin, fenylalanin (vstup přes fumarát) - aspartát (vstup přes oxalacetát) Glukoneogenese není klasickým zvratem glykolysy. Tomuto zvratu zabraňují tři termodynamické bariéry – mezi pyruvátem a fosfoenolpyruvátem, mezi fruktosa-1,6bisfosfátem a fruktosa-6-fosfátem a mezi glukosa-6-fosfátem a glukosou. Tyto reakce jsou nerovnováţné, uvolňují mnoho energie jako teplo, proto jsou fysiologicky nezvratné. Je moţné je pro potřeby tvorby glukosy obejít reakcemi, které katalyzují tyto klíčové enzymy: pyruvátkarboxylasa, fosfoenolpyruvátkarboxykinasa, fruktosa-1,6-bisfosfatasa a glukosa-6fosfatasa. Proces tvorby glukosy z laktátu je zahájen jeho přeměnou na pyruvát, který je přenesen do mitochondrie pomocí svého vlastního speciálního přenašeče. Zde je přeměněn na oxalacetát, který vychází z mitochondrie zpět do cytosolu. To můţe být realizováno jeho hydrogenací na malát, nebo transaminací na aspartát. V cytosolu znovu vzniká oxalacetát, který přechází na fosfoenolpyruvát. Tím se obešla první termodynamická bariéra (reakce pyruvátkinasy). Následující reakce jsou shodné s glykolysou aţ do druhé termodynamické bariéry (reakce fosfofruktokinasy), která je katalyzována enzymem fruktosa-1,6-bisfofatasa. Poslední bariéru představuje reakce z glukosa-6-fosfát na glukosu, kterou katalyzuje glukosa6-fosfatasa. Energetická bilance glukoneogenese z laktátu je záporná. Některé reakce jsou endergonní a je třeba dodávky ATP (nebo GTP), a to pro karboxylaci pyruvátu, tvorbu fosfoenolpyruvátu a 1,3-bisfosfoglycerátu. Na jednu molekulu nově synthetisované glukosy se spotřebuje celkově 6 makroergních fosfátových vazeb. Zdrojem energie můţe být spálení laktátu za aerobních podmínek, případně také β-oxidace mastných kyselin. Pro glukoneogenesi z glycerolu se vyuţívají především triacylglyceroly tukové tkáně. Za den se uvolní asi 19 g glycerolu a téměř všechen je spotřebován pro tvorbu glukosy, kam glycerol vstupuje přes dihydroxyacetonfosfát. 91
Schéma glukoneogenese z laktátu: Pi
H2O
GLUKOSA
Glukosa-6-fosfát Glukosa-6fosfatasa
Fosfohexosaisomerasa Pi
Fruktosa-6-fosfát
H2O Fruktosa-1,6bisfosfatasa
Fruktosa-1,6-bisfosfát
Aldolasa A
Glyceraldehyd-3-fosfát
Dihydroxyacetonfosfát
Fosfotriosaisomerasa
NAD+ + Pi Glyceraldehy-3-Pdehydrogenasa
NADH+H+
ADP
ATP
GLYCEROL
2+
Mg
1,3-Bisfosfoglycerát
3-Fosfoglycerát
Fosfoglycerátkinasa Fosfoglycerátmutasa Mg2+
Fosfoenolpyruvát
NADH+H+
GDP+CO2
GTP
2-Fosfoglycerát
Enolasa
Fosfoenolpyruvátkarboxykinasa
Pyruvát
NAD+
Laktátdehydrogenasa
LAKTÁT
Pyruvát ATP+CO2 Mg2+
Oxalacetát
ADP+Pi NADH+H+ NAD
Malát
Pyruvátkarboxylasa
Oxalacetát
+
Malátdehydrogenasa
Citrátový cyklus
Malát Sukcinyl-CoA
PROPIONÁT 92
Schéma zapojení propionátu do glukoneogenese : ATP
CoA-SH
AMP+PPi
PROPIONÁT
Propionyl-CoA
ATP+CO2+H2O
Acyl-CoA-synthetasa
ADP+Pi Propionyl-CoAkarboxylasa
D-Methylmalonyl-CoA
Methylmalonyl-CoAracemasa
B12
SUKCINYL-CoA
L-Methylmalonyl-CoA
Methylmalonyl-CoAisomerasa
Citrátový cyklus
Schéma zapojení glycerolu do glukoneogenese:
ATP
NAD+
ADP
NADH+H+
2+
Mg
GLYCEROL
Glycerolkinasa
Glycerol-3-fosfát
Glycerol-3-fosfátdehydrogenasa
dihydroxyacetonfosfát Fosfotriosaisomerasa
GNG
Fruktosa-1,6-bisfosfát
Glyceraldehyd-3-fosfát
93
Regulace glukoneogenese a glykolysy: -
Fruktosa-2,6-bisfosfát – vzniká při nadměrném přísunu glukosy do organismu účinkem enzymu fosfofruktokinasa II. z fruktosa-6-fosfátu. Jeho účinkem dochází k stimulaci glykolysy (urychlení pomalého allosterického enzymu fosfofruktokinasa 1) a inhibici glukoneogenese. Fosfofruktokinasa má kinasovou i bisfosfatasovou aktivitu (tzn., ţe při poklesu koncentrace glukosy přeměňuje fruktosu-2,6-bisfosfát na fruktosu-6-fosfát).
-
Fosfofruktokinasa 1 – je aktivována fruktosou-2,6-bisfosfátem a AMP, naopak je inhibována ATP a citrátem.
-
Fruktosa-1,6-bisfosfatasa – je aktivována citrátem a inhibována AMP a fruktosou-2,6bisfosfátem.
-
Pyruvátkinasa – je aktivována fruktosou-1,6-bisfosfátem a inhibována ATP a alaninem.
-
Pyruvátkarboxylasa – je aktivována acetyl-CoA a inhibována ADP, které inhibuje také fosfoenolpyruvátkarboxykinasu.
-
Na regulaci obou biochemických procesů se rovněţ podílejí hormony regulace hladiny glykemie, jako je insulin, glukagon, adrenalin, noradrenalin, STH atd. Je potřeba ale vzít v úvahu, ţe hormony regulující metabolismus sacharidů ovlivňují také metabolismus lipidů.
94
10.2.3 Biosyntéza a odbourávání glykogenu Glykogen je hlavní zásobní formou sacharidů u ţivočichů. Svým významem odpovídá u rostlin jinému polysacharidu, kterým je škrob. Stejně jako škrob je i glykogen rozvětveným polymerem glukosových jednotek (vazby α 1→4 a α 1→6).
Struktura glykogenu (G = glykogenin):
Vazby ve struktuře glykogenu:
95
Glykogen se vyskytuje zejména v játrech (aţ do 6 %) a v menší míře také ve svalech (do 1 %). Vzhledem ke své větší celkové hmotnosti svaly obsahují 3-4 krát vyšší koncentraci glykogenu neţ játra. Svalový glykogen funguje jako snadno dostupný zdroj glukosy pro glykolysu ve svalech. Jaterní glykogen se podílí na udrţování normoglykemie a to zejména v době mezi jídly. Regulace procesu tvorby glykogenu (glykogenese) a jeho odbourávání (glykogenolysy) zabezpečuje cyklický adenosinmonofosfát (cAMP), který se označuje jako tzv. druhý posel. Vzniká působením adenylátcyklasy, která je aktivována alfa podjednotkou G-proteinu. G-protein je aktivován vazbou hormonu na receptor, kdy dochází k odštěpení beta a gama podjednotky G proteinu. Cyklický adenosinmonofosfát dále aktivuje proteinkinasu A. Na konci celé kaskády dochází k aktivaci glykogenfosforylasy (fosforylací pomocí 4 ATP), která zahajuje glykogenolysu. Ve stejný okamţik musí být fosforylací inaktivován enzym glykogensynthasa, který naopak zahajuje tvorbu glykogenu (glykogenesi). Glykogenolysa v játrech můţe být vyvolána také bez účinku cAMP a to díky působení Ca2+ iontů, které aktivují fosforylasakinasu (bez účinku proteinkinasy). Tato cAMP-independentní glykogenolysa je vyvolána vasopresinem, oxytocinem a angiotensinem II.
BIOSYNTÉZA GLYKOGENU Proces tvorby glykogenu se označuje jako glykogenese a probíhá hlavně v játrech a ve svalech. Glukosa je v prvním kroku aktivována na glukosu-6-fosfát. Ta je mutasou přeměněna na glukosu-1-fosfát, z které vzniká další aktivní forma glukosy, UDP glukosa. Glukosa se z vazby na UDP uvolňuje a je vyuţita enzymem glykogensynthasa pro tvorbu nové molekuly glykogenu. Glukosové jednotky se musí navázat na primer. Tím můţe být zbytek po předchozím glykogenu, nebo tzv. glykogenin, coţ je malý protein, na kterém syntéza můţe začít od začátku – de novo . Pro biosyntézu glykogenu jsou důleţité dva klíčové enzymy – glykogensynthasa a tzv. větvící enzym. Prvně jmenovaný enzym vytváří vazby α 1→4 a to aţ do doby, neţ je takto spojeno nejméně 11 glukosylových zbytků. V tom okamţiku zahajuje svoji činnost i druhý enzym (glukan-1,6-transferasa), který přenese 6 glukosylových zbytků na vedlejší řetězec za tvorby vazby α 1→6. Jednotlivé větve rostou další přidáváním α 1→4 glukosylových jednotek a jejich dalším větvením.
96
Schéma biosyntézy glykogenu:
ODBOURÁVÁNÍ GLYKOGENU Odbourávání glykogenu neboli glykogenolysa není obratem glykogenese, ale představuje samostatnou metabolickou dráhu. Pro tento proces jsou zapotřebí dva klíčové enzymy – glykogenfosforylasa a odvětvující enzym (transglykosylasa). Štěpení zahajuje glykogenfosforylasa, která fosforolyticky (tzn. pomocí zbytku kyseliny fosforečné) odštěpuje glukosové jednotky z vazby α 1→4. Tím vzniká molekula glukosa-1-fosfát. Toto štěpení probíhá aţ do chvíle, kdy před větvení α 1→6 zbývají 4 glukosylové zbytky. V tento moment zahajuje svoji činnost odvětvující enzym, který nejprve přenese tři glukosylové zbytky na vedlejší větev, kde je naváţe vazbou α 1→4. Poté hydrolyticky odštěpí poslední glukosylový zbytek z vazby α 1→6 za vzniku volné glukosy. Procesem glykogenolysy tedy vznikají dva základní produkty. Glukosa-1-fosfát a volná glukosa. Při pohledu na strukturu glykogenu je moţné si všimnout, ţe v jeho struktuře převaţují vazby α 1→4 nad vazbami α 1→6 (větvení), a proto i produkce glukosa-1-fosfátu bude převaţovat nad volnou glukosou. Schéma odbourávání glykogenu:
97
10.2.3 Pentosový cyklus Pentosový cyklus probíhá v cytosolu. Jednotlivé reakce mohou proběhnout v tukové tkáni, játrech, kůře nadledvin, v laktující mléčné ţláze, erytrocytech a v oční čočce. Pentosový cyklus neprodukuje ATP. Vytváří NADPH+H+ (kofaktor se širokým vyuţitím při redukčních syntézách, např. syntéza mastných kyselin, syntéza cholesterolu, oxidační deaminace, odbourávání glutamátu).
Přínos pentosového cyklu v metabolismu: Hlavním přínosem pentosového cyklu je zmíněná produkce NADPH+H+, který je dárcem vodíku pro hydrogenaci steroidních hormonů, syntézu katecholaminů, pro udrţení integrity membrán erytrocytů, rovněţ redukuje oxidovaný glutathion (GSSG), který se vytváří v erytrocytech při eliminaci peroxidu vodíku a organických hydroperoxidů. Dalším přínosem je syntéza pentos pro tvorbu nukleotidů a nukleových kyselin. Průběh pentosového cyklu: Pentosový cyklus je cyklický aerobní děj skládající se ze tří molekul glukosa-6-fosfátu (zahájení pentosového cyklu), kdy vznikají tři molekuly CO2 a tři pětiuhlíkaté zbytky. Následně jsou pětiuhlíkaté zbytky přeuspořádány na dvě molekuly glukosa-6-fosfátu a jednu molekulu glyceraldehyd-3-fosfátu.
Vlastní průběh v oxidační a neoxidační fázi: V oxidační fázi je glukosa-6-fosfát dehydrogenována na 6-fosfoglukonát (přes molekulu 6-fosfoglukonolakton, enzymem glukosa-6-fosfátdehydrogenasa, který je závislý na NADP+). Dále působí 6-fosfoglukonátdehydrogenasa (vyţaduje NADP+ jako akceptor). Na dehydrogenaci navazuje dekarboxylace za tvorby ribulosa-5-fosfát. Dále pokračuje neoxidační fáze, kdy epimerací (ribulosa-5-fosfát-epimerasa) se vytváří z ribulosy-5-fosfát epimer xylulosa-5-P a dále keto-isomerasa přeměňuje ribulosa-5fosfát na ribosa-5-fosfát. V této fázi vstupuje transketolasa, která přenesením dvou-uhlíkaté jednotky přemění xylulosa-5-fosfát a ribosa-5-fosfát na glyceraldehyd-3-fosfát a sedoheptulosa-7-fosfát (reakce vyţaduje thiamindifosfát a Mg2+ ionty). Další reakcí je transaldolace, kdy transaldolasa přenese tří-uhlíkatý zbytek ze sedoheptulosa-7-fosfát na glyceraldehyd-3-fosfát, z něhoţ vznikne fruktosa-6-fosfát a dále erythrosa-4-fosfát.
98
Následuje další působení transketolasy, kdy produktem je fruktosa-6-fosfát a glyceraldehyd-3-fosfát. Dále se produkty můţou přeměnit účinkem fosfohexoisomerasy: fruktosa-6-fosfát na glukosa-6-fosfát a glyceraldehyd-3-fosfát můţe vstupovat do glykolysy, nebo s další molekulou glyceraldehyd-3-fosfát můţe regenerovat aţ na glukosa-6-fosfát a vstoupit tak do glukoneogenese.
Regulace pentosového cyklu: Buněčná koncentrace NADP+ urychluje průběh cyklu, nadbytek NADPH+H+ pentosový cyklus zpomaluje. Regulační limitující reakcí je přeměna glukosa-6-fosfát na 6-fosfoglukonát za účasti enzymu glukosa-6-fosfát dehydrogenasy. V průběhu pentosového cyklu účinkem enzymů transketolasy a transaldolasy probíhají dvě reakce, kdy jsou působením těchto enzymů přenášeny dvouhlíkové a tříuhlíkové zbytky.
Transketolasa: Katalyzuje přenos C2 štěpů, kdy ze dvou C5 cukrů (ribosa a xylulosa) vznikne sedoheptulosa-7-fosfát a glyceraldehyd-3-fosfát, tj. 5 uhlíků + 5 uhlíků = 7 uhlíků + 3 uhlíky. V závěru pentosového cyklu nastupuje reakce opět s účastí transketolasy, kdy dojde ke vzniku fruktosa-6-fosfátu a a glyceraldehyd-3-fosfátu, tj. celkem děvět uhlíků (z xylulosy-5fosfátu a erytrosy-4-fosfátu, tj. 5 uhlíků + 4 uhlíky = 9 uhlíků). Koenzymem reakce je thiamindifosfát (TDP), který se účastní i reakce dehydrogenas oxokyselin (např. pyruvátdehydrogenasový komplex, 2-oxoglutarátdehydrogenasový komplex citrátového cyklu, enzymy z katabolismu aminokyselin, např. komplex dehydrogenasy rozvětvených řetězců, který se podílí na odbourávání aminokyselin valinu, leucinu a isoleucinu.
99
Transaldolasa: Katalyzuje přenos C3 fragmentů (štěpů), kdy přeměňuje heptosofosfát a triosofosfát na tetrosofosfát a hexosofosfát (7 uhlíků + 3 uhlíky = 4 uhlíky + 6 uhlíků).
Pentosový cyklus neprobíhá v srdeční a kosterní svalovině, ale také tyto tkáně jsou schopny syntetizovat ribosu-5-fosfát pro výstavbu potřebných nukleotidů (ATP). Syntéza probíhá reakcemi neoxidační fáze s vyuţitím fruktosa-6-fosfátu.
100
Pentosový cyklus:
101
10.2.4 Metabolismus fruktosy, galaktosy, laktosy
Metabolismus fruktosy:
Potrava bohatá na sacharosu způsobuje, ţe do portálního oběhu proniká velké mnoţství fruktosy (a také glukosy). Sacharosa je přítomna v mnoha rostlinách, v jejich vegetativních částech, například v listech a stoncích (cukrová třtina, cukrová kukuřice), v plodech (jablka, pomeranče, meruňky, broskve, ananasy, datle). V zelenině se obsah sacharosy pohybuje v rozmezí 0,1 – 12 % (například v cibuli je obsah sacharosy asi 10 – 11 % a v řepě v rozmezí 3 – 20 %). Sacharosu můţeme najít také v semenu hořčice, řepky a jiných olejnin, pšeničné mouce, zelené kávě, hlízách a oddencích rostlin a luštěninách. Významným zdrojem fruktosy je med. Fruktosa na rozdíl od glukosy nevyvolává pocit sytosti.
Hlavní dráha metabolismu fruktosy probíhá v játrech, další metabolismus probíhá také v extrahepatálních tkáních, jako jsou například svaly a ledviny. V průběhu metabolismu fruktosy vznikají významné intermediáty, které se dále mohou zapojovat do glykolysy, glukoneogenese, syntézy triacylglycerolů aj.
Fruktosa v játrech podléhá glykolyse rychleji neţ glukosa a to díky tomu, ţe obchází krok, který je katalyzovaný pomalým allosterickým enzymem fosfofruktokinasou (místo ní zde působí specifický jaterní enzym fruktokinasa). To můţe mít za následek vyšší intenzitu takových metabolických drah v játrech, které vedou k syntéze masných kyselin, esterifikaci mastných kyselin, k syntéze triacylglycerolů a sekreci VLDL lipoproteinů. Zvýšený příjem fruktosy do organismu tedy můţe vést k metabolickým stavům, které organismus zatěţují a mohou vyvolat i negativní účinky. Řadíme sem hyperurikemii, hypercholesterolemii, hypertriacylglycerolemii a hyperlipoproteinemii. Hyperurikemie (tedy zvýšení koncentrace kyseliny močové v krvi) vzniká díky zvýšené potřebě po fosforylaci fruktosy a dalších meziproduktů jejího cyklu. Vzniklý ADP se odbourává v cyklu purinových nukleotidů právě na kyselinu močovou. Hyperchoelsterolemie (zvýšená koncentrace cholesterolu v krvi) je důsledkem zvýšeného aerobního odbourávání fruktosy na konečný produkt acetyl-CoA. Ten je zapojen v játrech do syntézy cholesterolu, ale také mastných kyselin. Mastné kyseliny jsou vyuţity spolu s glycerolem (i zde vlivem rychlejšího metabolismu dochází k nadprodukci) na syntézu triacylglycerolů. Zvýšená koncentrace triacylglycerolů v krvi se označuje jako triacylglycerolemie. Aby se hepatocyty zbavily zvyšujícího mnoţství tuku, je zapotřebí aby zvýšily syntézu a sekreci VLDL lipoproteinů, do kterých hepatocyty uloţí nejen cholesterol, ale i triacylglyceroly. Zvýšenou sekrecí VLDL lipoproteinů se zvýší i jejich mnoţství v krvi. Tento stav se označuje jako hyperlipoproteinemie.
102
Schéma metabolismu fruktosy v játrech (fruktokinasa) a extrahepatálních tkáních (hexokinasa):
Glucitol NAD+ Iditoldehydrogenasa NADH+H+ ATP
ADP 2+
POTRAVA
Mg
FRUKTOSA
Fruktosa-6-fosfát
Hexokinasa
(sacharosa)
ATP Mg2+
Fruktokinasa
glykolysa
ADP
glukoneogenese glykogenese
FRUKTOSA-1-FOSFÁT
Aldolasa B
Dihydroxyacetonfosfát
Glyceraldehyd ATP Mg2+
NADH+H+ Triokinasa
ADP
NAD+
Glyceraldehyd-3-fosfát
Glycerol-3-fosfát
metabolismus triacylglycerolů
glykolysa, glukoneogenese pentosový cyklus
a fosfolipidů
103
Metabolismus galaktosy a laktosy:
Galaktosa vzniká střevní hydrolysou disacharidu laktosy, jejíţ strukturu tvoří spolu s glukosou. Kromě laktosy je galaktosa výchozí látkou pro biosyntézu glykolipidů, glykosaminoglykanů a proteoglykanů. Účastní se rovněţ metabolismu uronových kyselin. Laktosa je hlavní cukr obsaţený v mléce a v mléčných výrobcích. Za normálních podmínek je laktosa štěpena v trávicím traktu enzymem laktasa na glukosu a galaktosu. Tyto monosacharidy jsou dále vyuţívány například jako zdroj energie. V případě laktosové intolerance enzym laktasa chybí, případně je málo katalyticky aktivní. To má za následek, ţe se laktosa ve střevech nestráví a jejím přebytkem se pak ţiví přirozené střevní bakterie, které při jeho zpracování produkují plyny (CO2 či H2) a další látky, které dráţdí tlusté střevo a tím způsobují nadýmání, střevní koliky, průjmy a zvracení.
Schéma metabolismu galaktosy a laktosy: GALAKTOSA ATP Mg2+
Galaktokinasa
Glykogen
Glykogensynthasa
ADP
Pi
Galaktosa-1-fosfát
Fosforylasa
UDP-glukosa Uridindifosfátgalaktosa4- epimerasa
Galaktosa-1-fosfáturidylyltransferasa
Glukosa-1-fosfát
NAD+
Mutasa
Glukosa 1-fosfát
UDP-galaktosa Glukosa-6-fosfát NAD+
GLUKOSA
UDP-glukosa
ATP Mg2+
Hexokinasa
PPi
ADP
Glukosa-6-fosfát
Fosfoglukomutasa
UDP-galaktosa
UridindifosfátgalaktosaGlukosa 4- epimerasa UDPglukosapyrofosforylasa UDP
Glukosa-1-fosfát
104
Laktosasynthasa
LAKTOSA
10.3 Metabolismus lipidů
10.3.1 Biosyntéza mastných kyselin Za biosyntézu mastných kyselin odpovídá extramitochondriálně uloţený multienzymový systém – komplex synthasy mastných kyselin. Biosyntéza probíhá v cytosolu a případná další elongace v endoplazmatickém retikulu v játrech. U většiny savců je hlavním substrátem pro tvorbu mastných kyselin glukosa (u přeţvýkavců je hlavním substrátem acetát). U ptáků je lipogenese omezena na játra, kde dochází k syntéze lipidů potřebných pro tvorbu vajec. Biosyntéza de novo (od počátku) se vyskytuje v cytosolu jater, ledvin, mozku, plic, mléčné ţlázy a v tukové tkáni. Vyţaduje NADPH+H+, ATP, Mn2+, biotin a HCO3- (zdroj CO2) jako kofaktory. Primárním substrátem je acetyl-CoA a konečným produktem palmitát.
Zdroje NADPH+H+: - pentosový cyklus - isocitrátdehydrogenasa cytosolová - jablečný (malic) enzym Acetyl-CoA potřebný pro biosyntézu mastných kyselin vzniká v mitochondriích. Jak jiţ bylo uvedeno, biosyntéza mastných kyselin probíhá v cytosolu. Acetyl-CoA tedy musí být do cytosolu přenesen a to tzv. citrát štěpící cestou. Citrát štěpící cesta:
CYTOSOL
Acetyl-CoA Pyruvát Pyruvátdehydrogenasový MITOCHONDRIE komplex
ATP, CoA-SH
Citrát
Citrát
Citrátsynthasa
ATP-citrátlyasa
Acetyl-CoA Oxalacetát
105
Oxalacetát
Schéma biosyntézy mastných kyselin: HCO3- + biotin
ATP
ADP+Pi
ACETYL-CoA
MALONYL-CoA Acetyl-CoA-karboxylasa
Acetyltransacylasa
CoA
Malonyltransacylasa
vazba na komplex synthasy mastných kyselin
CoA
Acyl (acetyl)-malonyl-enzym 3-Ketoacylsynthasa CO2
3-Ketoacyl-enzym NADPH+H+ 3-Ketoacylreduktasa NADP+
3-Hydroxyacyl-enzym Hydratasa H2O
2,3-Nenasycený acyl-enzym (Enoyl) NADPH+H+ Enoylreduktasa NADP+
Acyl-enzym
106
Úvodní reakci zahajuje karboxylace acetyl-CoA na malonyl-CoA. Druhá molekula acetyl-CoA se potom spolu s malonyl-CoA navazuje na enzym (komplex synthasy mastných kyselin – acetyl se navazuje na SH skupinu cysteinu a malonyl na SH skupinu kyseliny panthotenové). Dochází k dekarboxylaci, redukci, dehydrataci a druhé redukci. Na konci první otočky vzniká acyl-enzym, který má čtyři uhlíky. Tento meziprodukt vstupuje do další otočky, kde dochází k jeho elongaci pomocí malonyl-CoA. V momentě, kdy je vytvořen řetězec o poţadovaném počtu uhlíků (C16 palmitát), dochází vlivem enzymu thioesterasy k hydrolytickému uvolnění mastné kyseliny z vazby na enzym. Enzym má volná obě vazebná místa a čeká na další biosyntézu. K elongaci (prodluţování) mastných kyselin dochází v endoplazmatickém retikulu enzymatickým komplexem elongasa mastných kyselin. K elongaci dochází pomocí malonylCoA a NADPH+H+. Hladovění výrazně elongaci naruší. Elongace kyseliny stearové se zvyšuje v mozku v době myelinisace z důvodu potřeby mastných kyselin s 22 a 24 uhlíky pro tvorbu sfingolipidů.
Schéma elongace mastných kyselin: ACYL-CoA + MALONYL-CoA 3-Ketoacyl-CoA-synthasa CO2 + CoA-SH
3-Ketoacyl-CoA NADPH+H+ 3-Ketoacyl-CoA-reduktasa NADP+
3-Hydroxyacyl-CoA Hydratasa H2O
2,3-Nenasycený acyl-CoA (Enoyl) NADPH+H+ Enoylreduktasa NADP+
Acyl-CoA
107
10.3.2 Beta-oxidace mastných kyselin
Jak bylo zmíněno v předchozí kapitole, tak mastné kyseliny jsou syntetizovány z acetyl-CoA. Na stejný produkt jsou mastné kyseliny rozloţeny v procesu zvaném beta oxidace (změny se dějí na β, tj. třetím uhlíku). I přesto, ţe výchozí látka a produkt jsou shodné, nejedná se o prostou reversibilní cestu. Největší změnou je rozdílná kompartmentace obou pochodů – biosyntézy i beta oxidace mastných kyselin. Zatímco biosyntéza probíhá v cytosolu, tak beta oxidace probíhá v mitochondriích, kam je nutno mastnou kyselinu z cytosolu nejprve transportovat. V transportu napomáhá tzv. karnitinový systém. Ještě před transportem musí být mastná kyselina (FFA, z angl. free fatty acid) aktivována na příslušný acyl-CoA. V plazmě jsou neesterifikované (volné) mastné kyseliny transportovány ve vazbě na transportní protein albumin. Schéma karnitinového přenašeče: ATP+CoA
FFA
AMP+PPi
Acyl-CoA
Karnitinpalmitoyltransferasa I.
Acyl-CoAsynthetasa
vnější mitochondriální membrána
Acyl-CoA Karnitin
Acylkarnitin
Karnitinacylkarnitintranslokasa
Karnitinpalmitoyltransferasa II.
vnitřní mitochondriální membrána
CoA Acylkarnitin
Acyl-CoA
Acylkarnitin
Karnitin β - oxidace
108
Hlavním účelem oxidace mastných kyselin je produkce ATP. To se děje utilizací hlavních produktů, mezi které patří acetyl-CoA (v citrátovém cyklu zisk 12 ATP), koenzym FADH2 (v dýchacím řetězci zisk 2 ATP) a koenzym NADH+H+ (v dýchacím řetězci zisk 3 ATP). Jedná se tedy o aerobní proces, který vyţaduje přítomnost kyslíku. Při metabolických onemocněních nebo v důsledku hladovění dochází k lipomobilizaci tukových zásob a nadprodukci acetyl-CoA. Ten se nestačí všechen utilizovat v citrátovém cyklu a je přeměňován na ketolátky. K tomuto procesu dochází v játrech a má za následek nárůst koncentrace ketolátek v krvi (ketosu). Jelikoţ jsou ketolátky kyselé povahy (jedná se o kyseliny), tak jejich dlouhodobě zvýšená koncentrace můţe vést aţ ke ketoacidose. Na oxidaci mastných kyselin je závislá glukoneogenese, takţe porucha tohoto cyklu vede ke vzniku hypoglykemie. Schéma beta oxidace mastné kyseliny: ACYL-CoA FAD Acyl-CoA-dehydrogenasa FADH2
2,3-nenasycený acyl-CoA (Enoyl) H2O
trans-Enoyl-CoA-hydratasa
3-Hydroxyacyl-CoA NAD+ 3-Hydroxyacyl-CoA-dehydrogenasa NADH+H+
3-Ketoacyl-CoA Thiolasa
Acyl-CoA + acetyl-CoA
109
Kaţdou otočkou je mastná kyselina zkrácena o dva uhlíky (ve formě acetyl-CoA). Zkrácená mastná kyselina vstupuje do nové otočky, dokud v poslední otočce z acetacetylCoA nevzniknou dva acetyl-CoA. V kaţdé otočce jsou produktem také NADH+H+ a FADH2.
Výpočet energetického zisku z beta oxidace mastných kyselin:
Pro názorný příklad počítejme s oxidací mastné kyseliny s 16-ti uhlíky. 1. Vznik acetyl-CoA Acetyl-CoA má dva uhlíky, takţe z C16 mastné kyseliny vznikne 8 molekul acetyl-CoA 2. Vznik redukovaných koenzymů V kaţdé otočce oxidace vznikne 1x NADH+H+ a 1x FADH2. Počet otoček ovšem není osm, jak by se mohlo na první pohled zdát, ale sedm! V poslední otočce vzniknou dva acetyl-CoA, a proto je počet otoček vţdy o jedno menší, neţ počet molekul acetyl-CoA. V našem případě je to tedy 7 otoček.
1x acetyl-CoA v citrátovém cyklu
12 ATP
8x12 = 96 ATP
1x NADH+H+ v dýchacím řetězci
3 ATP
7x3 = 21 ATP
1x FADH2 v dýchacím řetězci
2 ATP
7x2 = 14 ATP 131 ATP
131 molekul ATP, ale není konečné číslo. Na počátku se spotřebovaly 2 molekuly ATP na aktivaci mastné kyseliny (enzym acyl-CoA synthetasa). To znamená, ţe konečný celkový zisk z oxidace C16 mastné kyseliny (kyseliny palmitové) je 129 ATP. Při oxidaci mastné kyseliny s lichým počtem atomů uhlíků je postup výpočtu stejný, jen je nutné si uvědomit, ţe v poslední otočce nevznikají dva acetyl-CoA (C2+C2), ale acetylCoA a propionyl-CoA (C2+C3). Propionyl-CoA vstupuje do citrátového cyklu přes sukcinylCoA, takţe zisk ATP z něj bude menší jak 12 molekul ATP. Propionyl-CoA spotřebuje při přeměně na sukcinyl-CoA jednu molekulu ATP (pro karboxylaci na D-methylmalonyl-CoA). Ze sukcinyl-CoA vzniká v citrátovém cyklu (po oxalacetát) 6 molekul ATP. Po odečtení jiţ zmíněné jedné molekuly pro karboxylační reakci je tedy čistý zisk z propionyl-CoA 5 molekul ATP.
110
10.3.3 Biosyntéza acylglycerolů Acylglyceroly jsou převládajícími lipidy v těle. Z nich tvoří hlavní lipidy triacylgylceroly, které jsou uloţeny zejména v tukové tkáni. Triacylglyceroly jsou také hlavními lipidy potravy. Acylglyceroly jsou zahrnovány mezi komplexní lipidy. Jsou hlavní sloţkou biomembrán a plicního surfaktantu, v membráně vytvářejí prekursor druhých poslů a zahrnují faktor aktivující krevní destičky (PAF - Platelet-Activating Factor). Triacylglyceroly slouţí v rostlinných i v ţivočišných organismech hlavně jako rezerva energie, protoţe mají vysoký energetický obsah (kolem 38 kJ/g – to je asi dvojnásobek obsahu energie, kterou vykazují sacharidy nebo proteiny). Rostliny z této zásoby čerpají například při klíčení semen rostlin. Triacylglyceroly podléhají degradaci účinkem enzymů ze skupiny lipasy, které přeměňují triacylglyceroly na volné mastné kyseliny a glycerol. Tato hydrolysa (lipolysa) probíhá v tukové tkáni. Mastné kyseliny, které jsou uvolněny do krevní plazmy, jsou navázány na albumin a transportovány do orgánů k jejich utilisaci (oxidací nebo reesterifikací). Jak jiţ bylo uvedeno dříve, mezi tkáně vyuţívající mastné kyseliny pro zisk energie jejich oxidací patří játra, srdce, ledviny, svaly, plíce, testes a tuková tkáň. Glycerol je vyuţit ve tkáních, které mají enzym glycerolkinasa. Tento enzym se nejvíce vyskytuje v játrech a ledvinách, dále také ve střevě, hnědé tukové tkáni a v mléčné ţláze v době laktace. Výchozí sloučeninou pro biosyntézu triacylglycerolů je glycerol-3-fosfát, který můţe být vytvořen dvěma cestami. První cestou je za vyuţití enzymu glycerolkinasa, druhou cestou je hydrogenace dihydroxyacetonfosfátu (reakci katalyzuje glycerol-3-fosfátdehydrogenasa). Na glycerol-3-fosfát se postupně navazují mastné kyseliny (jejich aktivní formy – acyl-CoA). Tyto reakce katalyzují enzymy acyltransferasy. Na první a třetí pozici se obvykle napojují mastné kyseliny s nasyceným řetězcem, na druhou pozici velmi často mastná kyselina s nenasyceným řetězcem (obsahující dvojnou vazbu).
Schéma biosyntesy triacylglycerolu: Glycerol-3-fosfát
Dihydroxyacetonfosfát
Fosfatidát
Plasmalogeny
1,2-Diacylglycerol
Fosfatidylinositol
Fosfatidylcholin (ethanolamin)
Triacylglycerol
111
PAF
Kardiolipin
Schéma přeměny acylglycerolů: ATP
NAD+
ADP
NADH+H+
Mg2+
Glycerol
Glycerol-3-fosfát
Glycerolkinasa
Acyl-CoA
Glycerol-3-fosfátdehydrogenasa
(nasycený)
CoA
Glycerol-3-fosfátacyltransferasa
1-Acylglycerol-3-fosfát Acyl-CoA
(nenasycený)
1-Acylglycerol -3-fosfátacyltransferasa
CoA
2-Monoacylglycerol
1,2-Diacylglycerolfosfát (fosfatidát) Monoacylglycerolacyltransferasa (střevo)
Acyl-CoA
H2O
Fosfatidátfosfohydrolasa
Pi
1,2-Diacylglycerol CoA
Acyl-CoA Diacylglycerolacyltransferasa CoA
Triacylglycerol
112
Dihydroxyacetonfosfát
10.3.4 Cholesterol
Cholesterol je významná biomolekula, která je součástí řady struktur a dějů v ţivočišném organismu. Termín cholesterol pochází z řeckého slova cholé (ţluč) a stereos (pevný). Plní především úlohu stavební a metabolickou. Biochemicky jde o jediný sterol, který umí savci syntetizovat. Jeho úloha stavební je dána tím, ţe je integrální součástí biomembrán a transportních lipoproteinů. V buněčných membránách určuje cholesterol jejich vlastnosti, zejména viskozitu, kdy při vyšším podílu cholesterolu viskozitu sniţuje a při vyšších teplotách ji stabilizuje. Jeho účastí v lipoproteinech je umoţněna resorpce, transport a utilizace triacylglycerolů a lipofilních vitaminů. V metabolismu cholesterol představuje výchozí sloučeninu biosyntézy steroidních hormonů, které se podílejí na regulaci minerálních látek, vody, glukoneogenese, pohlavní diferenciace, reprodukčních funkcích a reakci organismu na stresovou zátěţ. Cholesterol se podílí na metabolismu ţlučových kyselin. Současně je 7-dehydrocholesterol prekursorem vitaminu D3 (cholekalciferolu), který se účastní regulace kalcium-fosfátového metabolismu. Fyziologicky je rozlišován endogenní cholesterol, který je syntetizován cestou biosyntézy a exogenní cholesterol, tj. cholesterol přijímaný potravou. Vzájemná interakce exogenního a endogenního cholesterolu je v úrovni příjmu cholesterolu potravou ve smyslu sníţení jeho endosyntézy vlivem dostatečného příjmu dietou.
Biosyntéza cholesterolu Vlastní biosyntéza endogenního cholesterolu je komplexní děj lokalizovaný v cytosolu. Syntéza cholesterolu probíhá ve všech tkáních, nejvíce se jej syntetizuje v játrech, distální části tenkého střeva a v kůţi. Biosyntéza představuje sloţitý děj, která sestává z více neţ dvaceti postupných biochemických reakcí. Biosyntéza cholesterolu vychází z acetyl-CoA, který je v 1. fázi přeměněn na acetacetyl-CoA a dále na 3-hydroxy-3-metylglutaryl-CoA, který je následně redukován za účasti enzymu 3-hydroxymetylglutaryl-CoA-reduktasa (HMG-CoA-reduktasa) a vznikne mevalonát. V ději se 3-hydroxymetylglutaryl oddělí od CoA a současně se redukuje pomocí NADPH+H+ na mevalonát. Klíčovým enzymem biosyntézy cholesterolu je 3-hydroxymetylglutaryl-CoAreduktasa (HMG-CoA-reduktasa). Mevalonát se dále přemění na isopentenyldifosfát a to dekarboxylací a fosforylací za spotřeby ATP.
113
Isopentenyldifosfát se postupně přemění přes dimetylallyldifosfát na geranyldifosfátu. Reakcí geranyldifosfátu s isopentenyldisfosfátem vzniká farnesyldifosfát. Následně vzájemnou reakcí dvou molekul farnesyl-difosfátu vznikne skvalen, a dále se skvalen mění cyklizací na lanosterol. Z něj za odštěpení tří metylových skupin vzniká cholesterol. Významným aspektem v biosyntéze endogenního cholesterolu jsou regulační mechanismy, kdy hlavní úlohu v nich sehrává enzym 3-HMG-CoA-reduktasa ve fázi vzniku mevalonátu. Z dalších vlivů se uplatní neurohumorální působení insulinu a glukagonu. Současně se projeví působení LDL receptorů lokalizovaných na povrchu buňky. Hormon glukagon syntézu cholesterolu inhibuje zvýšením cAMP a insulin sníţením cAMP biosyntézu cholesterolu stimuluje. Vlastní regulační mechanismus systémově probíhá několika mechanismy v řadě úrovní – tj. hormonální, signální, transkripční, proteolytická a zpětnovazebná.
Jednotlivé kroky biosyntézy cholesterolu lze souhrně rozdělit na pět postupných dějů: 1) reakce vzniku 3-hydroxy-3-metylglutaryl-CoA (z acetyl-CoA a acetoacetyl-CoA), 2) vznik mevalonátu, reakce se spotřebou NADPH+H+, 3) biochemická přeměna mevalonátu na aktivní isopren, tj. isopentyldifosfát (proběhne dekarboxylace se spotřebou ATP), 4) přeměna isopentenyldifosfátu na skvalen, 5) tvorba cholesterolu přeměnou skvalenu. NADPH+H+ se uplatní jako kofaktor 3-hydroxy-3-metylglutaryl-CoA reduktasy a současně je zdrojem elektronů pro redukci HMG-CoA. Podobně je v biosyntéze ATP vyuţíván k fosforylaci mevalonátu.
Metabolismus cholesterolu Významnou úlohu sehrává esterifikace cholesterolu probíhající především v hepatocytech a enterocytech. Esterifikací se uskuteční vazba převáţně s kyselinou linolovou, méně s kyselinou olejovou, palmitovou a arachidonovou. Esterifikace probíhá za účasti enzymu acyl-CoA-cholesterolacyltransferasy (ACAT). Aktivita tohoto enzymu je regulována zpětnou vazbou, kdy nadbytek cholesterolu je ukládán do zásoby ve formě esterů. Děje se účastní i cholesterolesterhydrolasa, která při nedostatku cholesterolu katalyzuje jeho uvolnění z esterifikované formy. V celkovém profilu metabolismu cholesterolu mají důleţitou úlohu ţlučové kyseliny. Základem biochemických přeměn je hydroxylace cholesterolu v poloze 7-α katalyzované 7α-hydroxylasou a probíhající v endoplazmatickém retikulu. Cholesterol plní svoji roli při syntéze ţluče, zejména její součásti kyseliny cholové a chenodeoxycholové. Vylučování ţluče je jedinou cestou eliminace cholesterolu z organismu.
114
Nedílnou součástí metabolismu cholesterolu jsou přeměny společně s lipidy, děje v enterocytu a transport v návaznosti na lipoproteiny. V těchto dějích se projeví katalytická aktivita lipolytického enzymu cholesterolesterasy, který se podílí na odštěpení mastné kyseliny z esterifikovaného cholesterolu. Absorpce cholesterolu probíhá společně s lipidy, kdy vzniká tzv. směsná micela. V ní jsou zastoupeny 2-monoacylglyceroly, neesterifikované mastné kyseliny, fosfolipidy, vitaminy rozpustné v tucích a ţlučové kyseliny. Následně se směsná micela rozpadne a její sloţky se pasivně transportují přes fosfolipidovou dvojvrstvu membrány enterocytu. V transportu cholesterolu se uplatňují částice LDL a HDL. V metabolismu se cholesterol uplatní i jako prekursor při syntéze vitaminu D3 a steroidních hormonů. Z hormonů se jedná o progesteron, glukokortikoidy (kortisol a kortison), mineralokortikoidy (kortikosteron a androsteron), androgeny a estrogeny. Primárním krokem je vznik progesteronu, který je výchozím substrátem pro hormony kůry nadledvin. V krevní plazmě je součást lipoproteinů, kdy 25 – 40 % cholesterolu je volný, neesterifikovaný a 60 – 75 % tvoří cholesterol esterifikovaný. Klinicky se v rámci biochemického vyšetření stanovuje celkový cholesterol (cholesterolemie). Z klinických aspektů je významná vzájemná interakce exogenního a endogenního cholesterolu.
Cholesterol v potravinách Cholesterol se vyskytuje v řadě potravin a potravinových surovin. Zdrojem jsou zejména produkty ţivočišného původu - maso, masné výrobky, mléko a vejce. Význam cholesterolu pro organismus je dán celou řadou faktorů. Jeho biosyntéza probíhá neustále, v těle člověka se tvoří asi 0,5 g denně. Z pohledu klinické biochemie je celá řada souvislostí a vzájemných interakcí vybraných biomolekul. Cholesterol je tak např. metabolický prekurzor všech steroidních hormonů, přeměňuje se na ţlučové kyseliny (asi 75 % syntetizovaného mnoţství). Další návaznosti jsou na hormony kůry nadledvin, pohlavní hormony a vitamin D3. Cholesterol patří mezi významné látky, které mají vliv na organismus člověka a zdravotní stav. Hladina cholesterolu v populaci kolísá, na coţ působí genetická dispozice a řada dalších faktorů. Hodnotu cholesterolu a dalších krevních lipidů lze však i pozitivně ovlivnit skladbou výţivy, především úpravou její lipidické sloţky. Celkově se však výzkumné práce shodují v tom, ţe vhodnou skladbou výţivy lze dosáhnout pozitivních výsledků. Cholesterol je zastoupen v komoditách a potravinách ţivočišného původu v různém mnoţství. Bohaté zdroje cholesterolu jsou komodity maso, masné produkty, ţivočišné tuky a vejce. Cholesterol z pohledu výţivy je významným ukazatelem, neboť jeho hladina představuje aterogenní potenciál. Jsou však individuální rozdíly v příjmu cholesterolu. Publikovány jsou i práce prezentující hodnoty cholesterolu ve vzájemném poměru endogenní biosyntéza cholesterolu a exogenní příjem do organismu.
115
Informace o obsahu cholesterolu jsou aktuální především pro jeho vliv na zdravotní stav, ovlivnění hladiny cholesterolu v krvi (cholesterolemie) a způsob stravování. Vlastní obsah cholesterolu je prezentován jako nutriční ukazatel v řadě prací, potravinářských tabulek a nutričních databází. Důleţitým aspektem je zastoupení cholesterolu (nejčastěji uvedeno v hodnotách jedlého podílu). Příjem cholesterolu je v literatuře nejčastěji uváděn v hodnotě 0,3 g denně, coţ představuje 300 mg denně. Cholesterolemie je ovlivňována skladbou výţivy a souvisejícími vlivy. Hodnota cholesterolemie je nejčastěji uváděna v rozmezí hodnot 5,2 – 6,5 mmol/l. Podíl cholesterolu v komoditách ţivočišného původu je uváděn v průměrných hodnotách (mg/100 g jedlého podílu). Zastoupení cholesterolu je následující – maso vepřové (rozmezí hodnot podle tučnosti) 64 – 76, maso hovězí 59 – 67, maso drůbeţí 65-82, maso rybí 50 – 85. U mléka je uváděna hodnota 14 mg/100 g pro mléko tučnosti 3,5 % tuku. U ţivočišných tuků másla a vepřového sádla jsou uváděny hodnoty 240 a 94 mg. Zastoupení cholesterolu ve vejcích se uvádí v hodnotě 400 mg/100 g a pro majonézu 110 mg/100 g.
Poznámka: Jedlý podíl – hodnoty uvádějí obsah živin a dalších faktorů v potravině zbavené nejedlých částí, např. slupek, pecky, kostí, apod. Ve vztahu k zastoupení cholesterolu a jeho hladině je i interakce cholesterolu s vlákninou, která je dána přímým efektem. Hemicelulosy a nerozpustná vláknina váţe ţlučové kyseliny a tak ovlivňují hladinu cholesterolemie a současně zvyšují vylučování ţlučových kyselin stolicí.
116
10.3.5 Metabolismus žlučových kyselin Rozeznáváme tři základní skupiny ţlučových kyselin – primární, sekundární a terciární. Primární ţlučové kyseliny se synthetisují v játrech a to z cholesterolu. Mezi primární ţlučové kyseliny patří kyselina cholová a chenodeoxycholová. Cholová kyselina se vyskytuje ve velkém mnoţství ve ţluči. Předpokládá se, ţe se primární ţlučové kyseliny vyskytují ve formě esterů Co-A, tzn. choloyl-CoA a chenodeoxycholoyl-CoA. Prvním krokem biosyntézy ţlučových kyselin je hydroxylace cholesterolu na 7αhydroxycholesterol. Tuto reakci katalyzuje enzym 7α-hydroxylasa, pro který je nezbytná přítomnost koenzymu NADPH+H+, cytochromu P450 (jedná se o typickou monoogygenasu) a přítomnost vitaminu C. Při syntéze ţlučových kyselin dochází ke vzniku dvou větví. Ta první vede k primární ţlučové kyselině, kyselině cholové, a ta druhá ke kyselině chenodeoxycholové. Obě kyseliny se liší v přítomnosti OH skupiny na uhlíku C12 (kyselina cholová). Aby mohly být ţlučové kyseliny sekretovány do ţluče, musejí být konjugovány (tím se zvýší jejich rozpustnost). Ke konjugaci jsou vyuţity dvě aminokyseliny – glycin a taurin. Poměr konjugátu glycinu a taurinu je u člověka za normálních okolností 3:1. Ţluč má alkalické pH a obsahuje velké mnoţství sodných a draselných kationtů. Konjugáty ţlučových kyselin jsou tedy ve formě solí – odtud jejich označení ţlučové soli. Část primárních ţlučových kyselin můţe ve střevě podléhat změnám v důsledku působení střevních bakterií. K těmto změnám patří 7α-dehydroxylace a dekonjugace. Tím vznikají sekundární ţlučové kyseliny (kyselina deoxycholová z kyseliny cholové a kyselina lithocholová z kyseliny chenodeoxycholové). Většina ţlučových kyselin se vrací zpět do jater cestou enterohepatálního oběhu. Primární a sekundární ţlučové kyseliny jsou resorbovány většinou pouze v ileu. Kyselina lithocholová se zpětně resorbuje jen ve velmi malém mnoţství (díky její nerozpustnosti). Malá část ţlučových kyselin je vyloučena ve feces. Tyto kyseliny představují hlavní dráhu vylučování cholesterolu.
117
Základní schéma biosyntézy žlučových kyselin: 7α-Hydroxycholesterol
CHOLESTEROL
Choloyl-CoA
Taurocholová kys.
Chenodeoxycholoyl-CoA
Glykocholová kys. Tauro- a glykochenodeoxycholová kys.
Deoxycholová kys.
Oxolithocholová kys. Lithocholová kys. Ursodeoxycholová kys.
Přeměna cholesterolu na žlučové kyseliny: NADPH+H+
NADP+
O2
CHOLESTEROL
7α-Hydroxylasa
7α-Hydroxycholesterol 12α-Hydroxylasa
NADPH+H+ O2
2 CoA-SH
NADP+ Propionyl-CoA
Choloyl-CoA Taurin
Glycin
CoA-SH
CoA-SH
Taurocholová kyselina
Glykocholová kyselina
dehydroxylace a dekonjugace
Deoxycholová kyselina
118
Přeměna cholesterolu na žlučové kyseliny:
NADPH+H+
NADP+
O2
CHOLESTEROL
7α-Hydroxycholesterol
7α-Hydroxylasa
NADPH+H+ O2
2 CoA-SH
NADP+ Propionyl-CoA Taurin
Chenodeoxycholoyl-CoA Glycin
CoA-SH CoA-SH
Taurochenodeoxycholová kyselina
Oxolithocholová Glykochenodeoxycholová kyselina kyselina
dehydroxylace a dekonjugace
Ursodeoxycholová kyselina
Lithocholová kyselina
119
10.3.6 Fosfolipidy Tyto lipidy tvoří jednu z největších a nejdůleţitějších tříd přírodních lipidů. Jedná se o základní sloţky buněčných membrán ţivočichů i rostlin. Důleţitý význam mají pro nervovou tkáň. Glycerolfosfolipidy Jsou deriváty kyseliny fosfatidové (kyselina glycerol-3-fosforečná) a jejich základem jsou tedy glycerol a kyselina fosforečná. V těchto sloučeninách je na kyselině fosforečné substituována řada polárních sloučenin. Podle typu substituentu navázaného na kyselinu fosfatidovou dělíme glycerolfosfolipidy na: fosfatidylcholiny (lecithiny), fosfatidylethanolaminy (kefaliny), fosfatidylseriny, fosfatidylinositoly, kardiolipiny a plasmalogeny.
Kyselina fosfatidová – základní složka glycerolfosfolipidů:
Fosfatidylcholiny (lecithiny) Substituentem je cholin, tvoří nejčastější sloţku biologických membrán. Jsou důleţité pro přenos nervového vzruchu, sniţují povrchové napětí a po průmyslové úpravě se pouţívají v potravinářství jako emulgační činidla. Fosfatidylcholin (lecithin):
120
Fosfatidylethanolaminy (kefaliny) Obsahují esterově vázaný ethanolamin, mají podobné vlastnosti jako fosfatidylcholiny a jsou rovněţ důleţitou součást biologických membrán. Fosfatidylseriny Na kyselinu fosfatidovou mají navázaný serin a vyskytují se ve většině tkání. Fosfatidylinositoly Obsahují cukerný alkohol inositol navázaný na kyselinu fosfatidovou, ovlivňují propustnost biologických membrán a působí v systému vnitřní buněčné signalizace. Kardiolipiny První pozorován v tkáni srdce (název kardio-), mastná kyselina ve fosfoglycerolu je na pozici C1 nahrazena esterově vázaným vyšším nenasyceným alkoholem, jsou podobné lecithinům a kefalinům. Plasmalogeny Mají na uhlíku C1 glycerolu vázán alifatický nenasycený řetězec etherovou vazbou. Plasmalogeny jsou častou součástí buněčných membrán svalových a nervových buněk a tvoří většinu fosfolipidů v mitochondriích. Rozlišují se tři typy plasmalogenů: cholinové, ethanolaminové a serinové. Důleţitý je cholinový plasmalogen, tzv. krevní destičky aktivující faktor (PAF), který je mediátorem hypersenzitivy, akutních zánětlivých reakcí a anafylaktického šoku. Po uvolnění PAF dochází k agregaci destiček a sekreci serotoninu.
Krevní destičky aktivující faktor (PAF):
121
Výskyt Fosfolipidy se vyskytují v buněčných membránách a jsou součástí všech ţivočichů a rostlin, tvoří rovněţ nervovou tkáň ţivočichů, jsou také ve vaječném ţloutku nebo v sójových bobech.
Syntéza glycerolfosfolipidů Syntéza vţdy vychází z kyseliny fosfatidové a 1,2-diacylglycerolu. Glycerolfosfolipidy se syntetizují v endoplazmatickém retikulu dvěma cestami, které se liší místem aktivace slučujících se výchozích sloţek. Fosfatidylcholin a fosfatidylethanolamin se syntetizují aktivací cholinu nebo ethanolaminu, vzniká CDP-cholin nebo CDP-ethanolamin, poté se připojí 1,2-diacylglycerol, vzniká fosfatidylcholin nebo fosfatidylethanolamin a z nich se poté tvoří fosfatidylserin. Fosfatidylinositol a kardiolipin vznikají aktivací 1,2diacylglycerolfosfátu, vzniká CDP-diacylglycerol, ze kterého vniká kardiolipin, nebo působením transferasy se napojí inositol a vzniká fosfatidylinositol.
Syntéza glycerolfosfolipidů:
122
Fosfolipasy K hydrolytickému štěpení fosfolipidů slouţí specifické enzymy - fosfolipasy. Nacházejí se v pankreatické šťávě a lysozomech buněk. Podle místa zásahu se dělí na fosfolipasu A1, A2, C a D: Fosfolipasa A1 – odštěpuje acylový zbytek na C1 pozici glycerolového zbytku Fosfolipasa A2 – odštěpuje acylový zbytek na C2 pozici glycerolového zbytku Fosfolipasa C – odštěpuje diacylglycerolový zbytek Fosfolipasa D – katalyzuje hydrolýzu fosfodiesterové vazby glycerofosfolipidů za vzniku fosfatidové kyseliny (diacylglycerolfosfát) Místa štěpení glycerolfosfolipidů fosfolipasami: (X=substituent)
Další třídu lipidů představují sfingolipidy, které se stejně jako fosfolipidy často nacházejí v biologických membránách. Základní stavební jednotkou sfingolipidů je sfingosin (18-uhlíkatý aminoalkohol). Ke sfingosinu je amidovou vazbou připojen acyl-CoA mastných kyselin (např. cerebronová) za vzniku ceramidu. Sfingomyeliny představují podtřídu sfingolipidů, obsahujících sfingosin, mastné kyseliny, kyselinu fosforečnou a cholin. Jsou zvláště důleţité v nervové tkáni vyšších ţivočichů.
123
10.4 Metabolismus proteinů 10.4.1 Metabolismus aminokyselin Základní mechanismus přeměn aminokyselin představují obecné reakce zahrnující dekarboxylaci, transaminaci a oxidační deaminaci. V obecných reakcích jde tedy o souvislosti s aminoskupinou, která se uvolní jako amoniak nebo je přenesena na oxokyselinu. Přeměna aminokyselin dekarboxylací se vztahuje ke karboxylové skupině. V metabolismu aminokyselin se dále uplatní speciální reakce, které se vztahují k vazbě na citrátový cyklus a tvorbu ketolátek. Dekarboxylace představuje odštěpení oxidu uhličitého působením enzymů dekarboxylas, transaminace je přenos aminoskupiny pomocí transaminas a deaminace je odštěpení aminoskupiny jako amoniak pomocí deaminas.
Dekarboxylace, tj. odštěpení oxidu uhličitého z karboxylové skupiny, enzymy dekarboxylace jsou příslušné dekarboxylasy, jejich působením vznikají biogenní aminy, které mají svůj význam a podílí se na řadě úloh v organismu. Koenzymem dekarboxylas je pyridoxalfosfát. Významnými biogenními aminy jsou histamin z histidinu, etanolamin ze serinu, spermin a spermidin z ornithinu a methioninu, beta-alanin z aspartátu, cysteamin z cysteinu, dopamin z tyrosinu, GABA z glutamátu, fenyletylamin z fenylalaninu, serotonin z tryptofanu. Degradace biogenních aminů probíhá pomocí flavinových monoaminooxidas (MAO) a diaminooxidas. Vznikající biogenní aminy jsou fyziologicky aktivní, jsou vysoce účinné a podílí se na řadě fyziologických pochodů. Některé biogenní aminy se přivádějí do organismu potravinami, ve kterých se mohou i přirozeně vyskytovat.
Transaminace je děj, při kterém se přenese aminoskupina na akceptor, tj. 2oxokyselinu. Transaminace jsou vratné reakce. Transaminace má význam pro přestavbu aminokyselin na klíčové ketokyseliny (oxokyseliny). Přestavba oxokyselin na neesenciální aminokyseliny představuje spojení s citrátovým cyklem, umoţňuje pohyb substrátu mezi kompartmenty buňky. Významné transaminasy jsou ALT – alaninaminotransferasa, AST aspartátaminotransferasa. Transaminasy mají diagnostický význam. Enzymy, které katalyzují transaminaci, působí za přítomnosti pyridoxalfosfátu, tj. fosforylovaného derivátu vitaminu B6 (pyridoxal). Enzymy transaminasy mají významnou úlohu v metabolismu, kdy představují propojení aminokyselin se sacharidy a s citrátovým cyklem.
124
Průběh transaminace je podle následujícího schématu: 1) vytvoření aldiminové vazby (Schiffovy báze) připojením koenzymu na aminokyselinu 2) vznik ketiminu – přesunem dvojné vazby v aldiminu 3) hydrolytické odštěpení oxokyseliny, kdy aminoskupina zůstane na komplexu pyridoxalfosfátu s enzymem 4) přeměna α-oxokyseliny na aminokyselinu. Významné transaminasy jsou jiţ uvedené ALT a AST, které se vyuţívají v klinické biochemii. Alaninaminotransferasa (ALT) katalyzuje reakci alanin a pyruvát (2-oxoglutarát a glutamát) a je ukazatelem změn jaterního parenchymu. Aspartátaminotransferasa (AST) katalyzuje reakci aspartát a oxalacetát (2-oxoglutarát a glutamát) a má vysokou aktivitu v srdci a kosterní svalovině.
Deaminace je reakce, kdy se aminoskupina uvolní jako amoniak. Reakci katalyzuje La D-oxidasa aminokyselin. Deaminace (deaminace oxidační cestou se označuje jako oxidační deaminace) se liší od transaminace tím, ţe aminoskupina se uvolní jako amoniak.
Příkladem deaminací jsou následující typy reakcí: - aerobní deaminace glutamátu, kdy vzniká z glutamátu 2-oxoglutarát, - deaminace L a D-aminokyselin za vzniku 2-oxokyseliny, - deaminace histidinu za vzniku urokanátu , - deaminace serinu pomocí dehydratace na alanin přes pyruvát (současně probíhá dehydratace), - deaminace v cyklu purinových nukleotidů (aspartátový cyklus), - degradace pyrimidinů, - hydrolytické štěpení amidoskupiny. Vedle těchto reakcí podílejících se na přeměnách aminokyselin je další reakcí transdeaminace, kdy dochází ke spojení transaminace a deaminace. Aminokyseliny lze také členit podle způsobu přeměny aminokyselin, kdy rozlišujeme: - glukogenní aminokyseliny (přeměňují se na glukosu přes intermediáty citrátového cyklu) - ketogenní aminokyseliny (přeměňují se na acetoacetát nebo acetyl CoA) - gluko- i ketogenní aminokyseliny (mohou se přeměňovat oběma mechanismy)
125
Glukogenní aminokyseliny: Glycin, Alanin, Valin, Kyselina asparagová, Kyselina glutamová, Serin, Threonin, Cystein, Methionin, Prolin, Hydroxyprolin, Arginin, Histidin
Ketogenní aminokyseliny: Leucin
Glukogení i ketogenní aminokyseliny: Isoleucin, Lysin, Fenylalanin, Tyrosin, Tryptofan
10.4.2 Přeměny aminokyselin Aminokyseliny z pohledu jejich syntézy můţeme dělit na aminokyseliny esenciální, semiesenciální a neesenciální. Z pohledu jejich metabolismu dělíme aminokyseliny na glukogenní a ketogenní. Mezi esenciální aminokyseliny patří: valin, leucin, isoleucin, threonin, methionin, lysin, fenylalanin a tryptofan. Semiesenciální aminokyseliny jsou arginin a histidin. Valin je nejvíce obsaţen ve strukturní bílkovině elastinu, dále pak i v mléce, mase, obilovinách, a bílkovinách vajec. Leucin se vyskytuje ve všech běţných bílkovinách. Z obilovin je obsaţen zejména v kukuřičné a pšeničné bílkoviny. Jako volný vzniká při zrání sýrů činností bakterií. Isoleucin je nejvíce obsaţen v mléčných a vaječných bílkovinách. Bohatým zdrojem threoninu jsou pivovarské kvasnice a bílkoviny masa, vajec a mléka. Methionin je v luštěninách limitující aminokyselinou. V ţivočišných bílkovinách je obsaţen asi 2 – 4 %, zatímco v rostlinných jen asi 1 – 2 %. Lysin je v bílkovinách obsaţen v průměru asi ze 7 %. Nejvíce ho obsahují ţivočišné bílkoviny (masa, vajec, mléka). Hojně je zastoupen také v bílkovinách ryb a korýšů. Na druhou stranu, v rostlinných bílkovinách je jeho obsah nízký. Fenylalanin je zastoupen v běţných bílkovinách v dostatečném mnoţství. U fenylalaninu je moţné se setkat metabolickým onemocněním fenylketonurií, jehoţ podstatou je porucha přeměny fenylalaninu na tyrosin. Tryptofan je obsaţen v ţivočišných bílkovinách asi z jednoho procenta. Není obsaţen v histonech, kolagenu, ţelatině a v kyselých bílkovinných hydrolysátech. V organismu je tryptofan částečně vyuţíván pro biosyntézu kyseliny nikotinové (prekurzor pro tvorbu koenzymů NAD+ a NADP+ včetně jejich redukčních ekvivalentů). Glukogenní aminokyseliny jsou takové, které jsou vyuţity v procesu glukoneogenese. To znamená, ţe jsou přeměňovány na meziprodukty citrátového cyklu, případně na pyruvát. Ketogenní aminokyseliny jsou odbourávány na produkty, které slouţí pro syntézu ketolátek (ketogenesi). Některé aminokyseliny jsou glukogenní i ketogenní, takţe se mohou zapojovat 126
jak do metabolismu glukosy, tak i ketolátek. Mezi takové aminokyseliny patří isoleucin, fenylalanin, tyrosin, tryptofan, (lysin).
1. Přeměna alaninu - neesenciální a glukogenní aminokyselina - podléhá transaminaci na pyruvát glutamát
2-oxoglutarát
PYRUVÁT
ALANIN
Alaninaminotransferasa
2. Přeměna serinu - neesenciální a glukogenní aminokyselina Glukosa 3-fosfoglycerát 3-fosfohydroxypyruvát
Fosfatidylserin
3-fosfoserin CH2OH-THF
Fosfatidylethanolamin Ethanolamin
THF
GLYCIN
SERIN
CO2
Cholin PYRUVÁT
Fosfatidylcholin, acetylcholin
NH3
Sfingosin
127
Sfingomyeliny
3. Přeměna threoninu - esenciální aminokyselina, převaţuje glukogenní charakter THREONIN
Glycin
acetaldehyd
THREONIN
PYRUVÁT
Serin
ACETYL-CoA
Propionyl-CoA
SUKCINYL-CoA
4. Přeměna glycinu - neesenciální a glukogenní aminokyselina BIOSYNTÉZA:
Glyoxalát
kreatinu (kreatininu) THF
SERIN
purinů
CH2OH-THF
porfyrinů
GLYCIN
glutathionu konjugáty glycinu (ţlučové kyseliny)
128
5. Přeměna methioninu a cysteinu - methionin: esenciální a glukogenní aminokyselina - cystein: neesenciální a glukogenní aminokyselina
METHIONIN Serin SAM
Cystin CYSTEIN
(S-adenosylmethionin)
Cysteamin Glutathion
Homoserin Merkapturové kyseliny
SUKCINYL-CoA Cysteinsulfinát SO32PAPS (3-fosfoadenosyl-5-fosfosulfát)
Taurin PYRUVÁT
6. Přeměna kyseliny asparagové (aspartátu) a asparaginu - obě jsou neesenciální a glukogenní aminokyseliny Asparaginasa H2O NH3
ASPARAGIN
2-oxoglutarát
ASPARTÁT
glutamát
OXALACETÁT
Aspartátaminotransferasa
glutamát glutamin +AMP+2Pi + ATP Asparaginsynthetasa
CO2
β-alanin
129
pyrimidiny, puriny
7. Přeměna kyseliny glutamové (glutamátu) a glutaminu - vše jsou neesenciální a glukogenní aminokyseliny glutaminasa H2O
pyruvát
NH3
alanin
GLUTAMÁT
GLUTAMIN
2-OXOGLUTARÁT
Alaninaminotransferasa ADP+Pi NH4+ +ATP Glutaminsynthetasa H2O
NADP+ Glutamátdehydrogenasa
NH3
NADPH+H+
2-OXOGLUTARÁT
GLUTAMÁT
Glutamát-5-semialdehyd CO2
PROLIN ORNITHIN
GABA (kyselina γ-aminomaselná)
Histidin Glutathion
ARGININ
8. Přeměna valinu, leucinu a isoleucinu - esenciální aminokyseliny - valin: glukogenní - leucin: ketogenní - isoleucin: glukogenní a ketogenní VALIN
PROPIONYL-CoA
LEUCIN
HMG-CoA
ISOLEUCIN
PROPIONYL-CoA
SUKCINYL-CoA ACETACETÁT+ACETYL-CoA
ACETYL-CoA 130
SUKCINYL-CoA
9. Přeměna lysinu - esenciální aminokyseliny, ketogenní (a glukogenní)
LYSIN + 2-oxoglutarát
Glutaryl-CoA
ACETACETYL-CoA
GLUTAMÁT
10. Přeměna tryptofanu
TRYPTOFAN
α-Ketoadipát
3-Hydroxyantranilát ALANIN
Hydroxylace
ACETACETYL-CoA CO2
kyselina nikotinová NAD+
TRYPTAMIN 5-Hydroxytryptofan SEROTONIN
MELATONIN
CO2
11. Přeměna fenylalaninu a tyrosinu - fenylalanin: esenciální, glukogenní a ketogenní aminokyselina - tyrosin: neesenciální, glukogenní a ketogenní aminokyselina
FENYLALANIN
Hydroxylace
Fumarylacetoacetát
TYROSIN Hydroxylace
FUMARÁT
Thyroxin (T4)
ACETOACETÁT
Dopa CO2
DOPAMIN
Hydroxylace
SAM
Noradrenalin 131
ADRENALIN
11
ANTIOXIDANTY A JEJICH BIOCHEMICKÉ ASPEKTY
11.1 Oxidativní stres a volné radikály Oxidativní stres, jiným shodným názvem oxidační stres, je proces, při kterém dochází k nerovnováze mezi produkcí a eliminací volných radikálů ve prospěch jejich produkce, jehoţ důsledkem je poškození různých struktur biologických systémů nebo potravin vlivem volných radikálů a jiných reaktivních meziproduktů. Oxidativní stres je tedy následkem zvýšené produkce volných radikálů, nebo sníţením antioxidační obrany. Volné radikály jsou definovány jako ionty, atomy, nebo molekuly s nepárovými elektrony ve valenční sféře, které mohou mít negativní, pozitivní nebo nulový náboj. Vznikají přijetím, či ztrátou elektronu, a přestoţe se jedná o látky vysoce reaktivní a málo stabilní, jsou schopné samostatné existence. Pro volné radikály jsou charakteristické řetězové reakce, které mají obvykle tři fáze: iniciaci, propagaci a terminaci. V iniciační fázi dochází ke vzniku volného radikálu, v propagační reaguje s jinými molekulami za vzniku dalších radikálů a v terminační fázi pak dochází k zániku volného radikálu reakcí dvou molekul volných radikálů. Častěji ovšem získá radikál elektron z jiné molekuly, ze které se pak stává nový radikál, který můţe opět reagovat s jinými atomy či molekulami, přeměnit je na radikály a radikálová řetězová reakce se takto neustále propaguje dále. Volné radikály, které obsahují molekulu kyslíku, nazýváme reaktivní formy kyslíku nebo reaktivní sloučeniny kyslíku (ROS, z angl. Reactive Oxygen Species). Dalšími volnými radikály jsou reaktivní formy dusíku, neboli reaktivní sloučeniny dusíku (RNS, z angl. Reactive Nitrogen Species). K těmto reaktivním formám řadíme rovněţ některé sloučeniny kyslíku nebo dusíku, které nejsou radikálového charakteru, ale mohou být příčinou vzniku radikálů. Příklady reaktivních sloučenin kyslíku a dusíku jsou uvedeny níţe. Reaktivní formy kyslíku Volné kyslíkové radikály: • - Alkoxyl (RO ) • - Hydroperoxyl (HO2 ) • - Hydroxylový radikál (HO ) • - Peroxyl (ROO ) •- Superoxid (O2 )
Neradikálové látky: - Singletový kyslík (1O2) - Peroxid vodíku (H2O2) - Kyselina chlorná (HClO) - Ozon (O3)
Reaktivní formy dusíku Volné radikály dusíku: • - Oxid dusnatý (NO ) • - Oxid dusičitý (NO2 )
Neradikálové látky: - Alkylperoxynitrit (ROONO) - Kyselina dusitá (HNO2) - Nitrosylový kationt (NO+) - Nitroxid (NO) - Peroxynitrit (ONOO-)
132
Vznik volných radikálů V biologických systémech vznikají volné radikály z mnoha metabolických procesů, nebo se do organismu mohou dostávat z vnějšího prostředí. Zdrojem jsou například UV a ionizující záření, znečištění prostředí nebo kouření. Z metabolických procesů je to pak vznik methemoglobinu nebo kyseliny močové, rozpad makrofágů nebo autooxidační procesy. V potravinách je pak častým zdrojem volných radikálů technologický proces zpracování nebo skladování potravin (tepelná úprava, nevhodné podmínky uskladnění s působením světla nebo za přístupu kyslíku). Přijetím jednoho elektronu se molekula kyslíku redukuje na superoxid, který se dalším elektronem poté redukuje na peroxid vodíku: O2 + e- → O2
•-
•-
O2 + e- + 2 H+ → H2O2
Superoxid můţe podléhat spontánní dismutaci nebo v organismech katalyzuje dismutaci enzym superoxiddismutasa (SOD), produktem je kyslík a peroxid vodíku: •-
•-
O2 + O2 + 2 H+ → O2 + H2O2
Haber-Weissova reakce, která probíhá mezi superoxidem a peroxidem vodíku za vzniku hydroxylového radikálu, se odehrává velmi pomalu. Avšak peroxid vodíku v přítomnosti přechodných kovů, jako jsou dvojmocné ţelezo Fe2+ nebo jednomocná měď Cu+, • se dále redukuje rychle a vzniká vysoce reaktivní hydroxylový radikál HO (Fentonova reakce): Haber-Weissova reakce: Fentonova reakce:
•-
•
H2O2+ O2 → OH + OH-+ O2 •
H2O2 + Fe2+ → OH + OH- + Fe3+
133
Schéma vzniku a dalších reakcí volných radikálů
Z reakcí je velmi důleţitý vznik singletového kyslíku, superoxidu a následující formace hydroxylových radikálů, které jsou velmi nestálé a existují pouze krátkou dobu, za kterou jsou schopní reagovat s nenasycenými mastnými kyselinami a iniciují tak peroxidaci mastných kyselin - lipoperoxidaci. Význam volných radikálů a oxidativního stresu Nejzávaţnějšími důsledky oxidativního stresu jsou poškození fosfolipidů biologických membrán, které můţe vést aţ k zániku buňky, dále poškození nukleových kyselin (DNA) a oxidace bílkovin. V potravinách jsou působením volných radikálů znehodnocovány důleţité sloţky jako polynenasycené mastné kyseliny lipidů nebo aminokyseliny bílkovin. Dochází tak ke sníţení jakosti a hodnoty potravin, nebo se potravina v důsledku oxidačních procesů můţe stát hygienicky nevyhovující. Volné radikály se u ţivočichů podílejí na vzniku a rozvoji některých významných onemocnění a chorob, nebo jiná onemocnění mohou zhoršovat. Oxidační stres je často označován jako příčina nádorových onemocnění, imunodeficiencí, onemocnění srdce a cév nebo různých mutací DNA Volné radikály mají však kromě škodlivých účinků na organismus a potraviny rovněţ důleţité fyziologické úlohy. Velké mnoţství energie se uvolňuje elektronovým přenosem ze ţivin na kyslík (cytochromoxidasa v dýchacím řetězci). Dalším příkladem jsou monooxygenasy, které podobným aktivují kyslík v endoplazmatickém retikulu jater nebo v mitochondriích a účastní se například detoxikační činnosti organismu.
134
11.2 Antioxidanty Mezi významné antioxidanty v potravinách patří vitaminy a řada bioaktivních látek. Role vitaminů značně roste s ohledem na jejich antioxidační působení. Vedle antioxidačního efektu působí i v látkové přeměně a v metabolismu. Dalšími významnými antioxidanty v potravinách je skupina bioflavonoidů, které vykazují silné antioxidační účinky. Při hodnocení antioxidantů v potravinách je třeba uvést řadu bioaktivních látek jako je lykopen, glutathion, koenzym Q10, aj. Zdrojem těchto látek jsou komodity rostlinného původu, ale i ţivočišného původu. Vedle přírodních antioxidantů, resp. látek přírodního původu existují i syntetické antioxidanty, které mají silný účinek a vyuţívají se v potravinářské technologii. Vyuţití antioxidantů je limitováno příslušnou legislativou. Antioxidanty se vyskytují jak v potravinách a surovinách rostlinného původu, tak v komoditách ţivočišného původu. Nejčastější zdroje antioxidantů v potravinách a surovinách rostlinného původu jsou ovoce (jiţní, mírného pásma), zelenina, plody, čaj, káva, ovocné nápoje. Z ovoce jde především o citrusové plody, kiwi, avokádo, mango, ananas, papája, granátové jablko, z ovoce mírného pásu jablka, hrušky, švestky, třešně, višně, rybíz, angrešt, meruňky, broskve, maliny, jahody, hrozny. V komoditách ţivočišného původu je zastoupení ve vejcích, ale i v mase, zejména ryb a rybích produktech pro obsah glutathionu, vitaminu E a vitaminu A. Antioxidační účinky jsou popisovány i u medu. Významný antioxidační účinek vykazuje i karotenoid astaxantin (zdroj losos, pstruh). Antioxidační působení má i šalvěj, tymián, oregano, pepř, kopr a máta peprná. Antioxidační kapacita byla prokázána i u kávy, čaje (zelených i černých), kakaa, výrobků s obsahem kakaa a olivového oleje. Samostatnou kapitolu tvoří otázky týkající se antioxidačního účinku, antioxidační kapacity a vzájemných vztahů jednotlivých antioxidantů, včetně ovlivnění hladiny těchto látek v potravinářské technologii. V ochraně zdraví se antioxidanty uplatní v prevenci neinfekčních civilizačních onemocnění, především kardiovaskulárních. Na základě poznatků o antioxidantech a látkách s antioxidačním efektem je doporučována konzumace potravin s obsahem antioxidantů s ohledem na jejich pozitivní působení na zdraví. V souvislosti s antioxidanty je aktuální problematika tzv. antioxidační kapacity a aktivity potravin. Antioxidační kapacita byla označována jako biologický účinek potravy na zdraví. Rozhodujícím faktorem je schopnost v jiţ malém mnoţství eliminovat působení a negativní vliv volných radikálů.
135
Antioxidační působení vitaminů Role jednotlivých vitaminů s antioxidačním efektem – vitaminu C, vitaminu A a vitaminu E: Vitamin C – kyselina L-askorbová, je významný v řadě biochemických dějů např. hydroxylačních reakcích, při syntéze mukopolysacharidů a transportu iontů. Vitamin C patří mezi významné antioxidanty. Vazby na antioxidační působení - je nutný k regeneraci vitaminu E po přeměně na tokoferoxylový radikál. Významnou úlohu plní při redukci ţelezitých iontů na ţeleznaté ionty, kdy ţeleznaté ionty mohou vstoupit do Fentonovy reakce, která vede k tvorbě hydroxylového radikálu. Důleţitou reakcí související s antioxidačním působením vitaminu C jsou reakce s aktivními formami kyslíku, volnými radikály. Askorbát můţe přímo vychytávat volné kyslíkové radikály. Jako antioxidant reaguje se superoxidem a peroxidem vodíku. Ve vztahu k antioxidačnímu působení je tedy významnou úlohou vitaminu C regenerace vitaminu E. Vitamin A – je celá skupina látek, které mají podobné sloţení. Nejdůleţitější je retinol, který vykazuje největší aktivitu. Existuje v různých stereoizomerních formách. Nejdůleţitějším zdrojem vitaminu A jsou ryby, zejména tučné, vejce a plnotučné mléko. Prekursory vitaminu A se označují jako karotenoidy, které tvoří skupinu červených, oranţových a ţlutých pigmentů, které se vyskytují v potravinách. Vlastní provitamin betakaroten má antioxidační působení na volné kyslíkové radikály. Karotenoidy eliminují alkylperoxidové radikály v lipidech a současně mohou eliminovat, zhášet singletový kyslík. Za antioxidačně vysoce účinnou směs karotenoidů se povaţují ty, které obsahují sloţky vzájemně se podporující (ve smyslu synergismu), tj. β-karoten, α-karoten, γ-karoten, lutein, zeaxanthin a lykopen. Antioxidační vlastnosti karotenoidů se uplatňují především v prevenci degenerativních onemocnění. Problémem z hlediska biochemického je malá stabilita vitaminu A vůči oxidaci. Z hlediska antioxidačního působení patří do této skupiny významný efekt lykopenu v rajčatech. Do skupiny karotenoidů v souvislosti s fyziologickými účinky patří i lutein, ţlutý rostlinný pigment, který je účinným antioxidantem. Uplatní se především ve fyziologii vidění a ochraně zraku před makulární degenerací. Jeho biologická dostupnost a vyuţitelnost závisí na přírodních zdrojích a je velmi různorodá. Vysoká vyuţitelnost luteinu je z vaječného ţloutku a velmi nízká z listové zeleniny. Sladkovodní ryby jej přeměňují na anhydrolutein, který postupnou redukcí přechází na vitamin A. Za přírodní zdroje luteinu se uvádí listová zelenina – špenát, kapusta, brokolice (forma volného luteinu), ovoce – mango, pomeranč, papája a další, zelenina – paprika, kukuřice (forma esteru luteinu s mastnými kyselinami). Koncentrace luteinu v ovoci a zelenině závisí na druhu, odrůdě, stupni zralosti, části plodu, tepelné úpravě, způsobu konzervace a skladování.
136
Provedené studie ukazují na roli luteinu v ochraně před kardiovaskulárními onemocněními, chrání vitamin E před jeho oxidací, pravděpodobně se podílí na funkci imunitního systému a je velmi důleţitým antioxidantem, kdy funkčně chrání zrak. Jeho antioxidační účinek se podílí i na ochraně tuků proti peroxidaci. Karotenoidy jsou pigmenty rostlinného původu. Nejvýznamnější jsou -karoten, karoten, lutein a lykopen. Z nich nejvýznamnější je -karoten, který je prekurzorem vitaminu A a retinolu. V antioxidačním působení hraje svoji roli zhášením singletového kyslíku. Vitamin E - patří mezi významné lipofilní antioxidanty, které se uplatňují v ochraně nenasycených lipidů před poškozením volnými radikály. Vitamin E, tj. osm isomerů tokoferolu, kdy nejvyšší biologickou účinnost vykazuje -tokoferol. Jeho úloha je v udrţení struktury a integrity biomembrán. Vitamin E patří mezi antioxidanty, které se uplatní v ochraně nenasycených mastných kyselin v lipidech a fosfolipidech před jejich poškozením volnými radikály. Společně s beta-karotenem chrání strukturu a integritu biomembrán, včetně buněčných organel. Antioxidační působení tokoferolu spočívá v přeměně alkylperoxylových radikálů na hydroperoxylový při peroxidaci lipidů. Dochází tak k eliminaci peroxylových radikálů mastných kyselin. Vzniklé hydroperoxidy eliminuje glutathionperoxidasa. Ochranný účinek tokoferolu se projevuje na nenasycených mastných kyselinách, membránových fosfolipidů a také u LDL lipoproteiny. Antioxidační efekt vitaminu E je provázen vznikem tokoferoxylového radikálu. Regeneraci vitaminu E zajišťuje vitamin C. Dalšími vybranými antioxidanty v potravinách je skupina bioflavonoidů, které vykazují silné antioxidační účinky inhibicí enzymů působících v produkci superoxidového radikálu. Látky tohoto typu se vyskytují v řadě potravin a surovin rostlinného původu, ale i v kávě a ovocných nápojích. Antioxidanty a vybrané biochemické poznatky Antioxidanty jsou látky, které působí proti volným radikálům. V systému antioxidační ochrany organismu představují skupinu látek, které lze členit podle různých kritérií. Nejčastější dělení antioxidantů je na enzymové a neenzymové antioxidanty. Antioxidanty neenzymové – vitamin E, vitamin C, koenzym Q10, glutathion, kyselina močová, bioflavonoidy.
-karoten a další karotenoidy,
Antioxidanty enzymové - superoxiddismutasa, glutathionperoxidasa, glutathionreduktasa, katalasa, peroxidasa.
137
Enzymové antioxidanty:
Superoxiddismutasa patří mezi základní antioxidační enzymy, vyjadřuje dismutaci superoxidu podle reakce: 2 O2 .- + 2 H+
H2O2 + O2
Kontroluje hladinu superoxidů tím, ţe katalyzuje dismutaci superoxidu na peroxid vodíku. Vyskytuje se ve třech formách - cytoplazmatická Cu,Zn-superoxiddismutasa (Cu/ZnSOD), mitochondriální Mn-superoxiddismutasa a extracelulární superoxiddismutasa (ECSOD).Superoxiddismutasa ve formě Cu/Zn-SOD se vyskytuje v buňkách rostlinných a ţivočišných. U člověka se nachází v hepatocytech, mozku, erytrocytech a cytoplazmě.
Glutathionperoxidasa je enzym, který katalyzuje redukci peroxidu vodíku a současnou oxidaci glutathionu na oxidovanou formu glutathionu (GSSG). H2O2 + 2 GSH
2 H2O + GSSG
Glutathionperoxidasa se vyskytuje ve třech formách – cGSHPx (výskyt v cytoplazmě), eGSHPx (výskyt v krevní plazmě, extracelulární tekutině) a pGSHPx (fosfolipidová glutathionperoxidasa). Fosfolipidová forma chrání i fosfolipidy biomembrán a přeměňuje řetězovou reakci lipidů (lipoperoxidaci), kdy brání tvorbě malondialdehydu. Ve vztahu ke glutathionperoxidase je nutné uvést význam selenu zastoupeného v aminokyselině selenocysteinu, kdy nedostatek selenu vede k poklesu aktivity glutathionperoxidasy.
Glutathionreduktasa katalyzuje přeměnu oxidovaného glutathionu (GSSG) na redukovaný glutathion (GSH) za spotřeby NADPH+H+, tímto tedy regeneruje redukovanou formu glutathionu. Obsahuje dvě podjednotky s flavinem jako aktivní částí. GSSG + NADPH+H+
2 GSH + NADP+
Katalasa - enzym katalyzuje štěpení peroxidu vodíku na vodu a molekulární kyslík: 2 H2O2
2 H2O + O2
Biochemicky navazuje katalasa na činnost superoxiddismutasy.
138
Vybrané neenzymové antioxidanty Glutathion – nejvýznamnější intracelulární antioxidant, chemicky je tripeptid ( glutamylcysteinylglycin). Vyskytuje se v redukované a oxidované formě. V redukované formě je thiol, v oxidované formě disulfid. Je nutné udrţet stabilní poměr redukované a oxidované formy (GSH/GSSG). Převahu má redukovaná forma před oxidovanou. Hlavním posláním redukované formy glutathionu je ochrana bílkovin obsahujících sulfhydrylové skupiny. Glutathion se svým antioxidačním působením uplatní v likvidaci peroxidu vodíku a organických hydroperoxidů v buňce. Kyselina močová - má významnou roli v antioxidační ochraně organismu. Její antioxidační působení je dáno přímou vazbou volných radikálů, kdy vzniká urátový radikál. Také zde se uplatní regenerační vliv kyseliny askorbové Z dalších látek antioxidační úlohu plní např. koenzym Q10, bilirubin, albumin a lykopen.
Přehled neenzymových antioxidantů:
Nízkomolekulární
Vysokomolekulární
antioxidanty
antioxidanty
bilirubin
albumin
karotenoidy
ceruloplasmin
kyselina močová
ferritin
thioly a disulfidy
haptoglobin
ubichinon (koenzym Q10) vitamin A
hemopexin
vitamin C
laktoferrin
vitamin E
transferrin
chaperony
139
11.3 Antioxidační kapacita potravin Problematice antioxidantů, antioxidační kapacitě a metodickým přístupům k jejímu stanovení se věnuje intenzivní studium. Celá problematika je komplexně analyzována především v jejím přímém vztahu k ochraně veřejného zdraví a prevenci civilizačních onemocnění. Součástí řady moderních výzkumných projektů a studií je i vliv působení antioxidantů a látek s antioxidačním efektem na imunostimulaci. Předmětem studia v těchto souvislostech je řada biomolekul s antioxidačním účinkem, např. resveratrol, kyselina Laskorbová, glutathion, apod. Antioxidanty jsou definovány jako látky, jejichţ molekuly omezují aktivitu kyslíkových radikálů, které převádějí do méně reaktivních nebo nereaktivních forem. Jiná definice je charakterizuje jako sloučeniny, které regulují oxidační pochody v organismu, zabraňují neţádoucím reakcím a poskytují ochranu buněčným strukturám proti volným radikálům. Základní dělení je na antioxidanty enzymové a neenzymové. Vlastní antioxidanty, resp. látky s antioxidačním efektem mají značný význam z hlediska eliminace tzv. volných radikálů, zejména kyslíku a dusíku. Antioxidační působení se týká ochrany buněk a jejich struktur před neţádoucím působeních těchto radikálů a podílejí se současně na eliminaci účinků tzv. oxidačního stresu v ţivočišných i rostlinných buňkách. Antioxidanty enzymové a neenzymové tvoří tzv. přirozený ochranný systém organismu. Problematika látek s antioxidačním efektem má svůj význam v ochraně organismu proti negativním účinkům volných radikálů. Antioxidanty (enzymové i neenzymové) vytvářejí přirozený ochranný systém organismu před neţádoucími změnami nejčastěji u nenasycených mastných kyselin a některých aminokyselin. Působení a neţádoucí změny se projeví na integritě a následně permeabilitě membrán a řadě strukturálních dezintegračních změn s funkčními projevy. Ve vztahu k problematice antioxidační kapacity se uvádí výskyt antioxidantů v mase, vejcích, ovoci, zelenině, rýţi, čaji, vínu a dalších komoditách. Antioxidační systémy zahrnují antioxidační enzymy, tj. superoxiddismutasa , katalasa, glutathionperoxidasa , glutathion-Stransferasa, peroxidasa a neenzymatické substráty tripeptid glutathion, kyselinu močovou, kyselinu lipoovou, bilirubin, koenzym Q, vitamin C, vitamin A, vitamin E, flavonoidy a karotenoidy, např. astaxanthin, zeaxanthin, lykopen, fosvitin, resveratrol ze skupiny bioflavonoidů, teinové sloučeniny zeleného čaje. Svoji úlohu v antioxidačním působení sehrávají i přechodné prvky ţelezo a měď. Prvky hrají svoji úlohu v donor-akceptorovém systému. Ţelezo je vázáno na hemoglobin a jeho biochemické funkce v organismu při transportu kyslíku, uplatní se i v tzv. Fentonově reakci in vivo a plní celou řadu dalších fyziologických funkcí v organismu. Měď sehrává vedle ţeleza svoji úlohu v řadě enzymů. Je součástí superoxiddismutasy, cytochromoxidasy a biomolekuly ceruloplazminu. V superoxiddismutase je deponována měď jako součást Cu/ZnSOD. Vedle mědi, která působí jako redoxní centrum, plní zinek svoji strukturní úlohu.
140
Stanovení antioxidační kapacity: V dnešní době existuje mnoho postupů, které umoţňují stanovit tzv. celkovou antioxidační kapacitu TAC (z angl. Total Antioxidant Capacity). Jejich základním významem je charakterizovat v podmínkách blízkým fysiologickému prostředí antioxidační účinnost jako souhrnnou vlastnost potraviny. Aby vyjadřování antioxidační kapacity bylo standardizováno, stanovuje se TAC v přepočtu na pouţitý standard, jako je např. askorbát, Trolox, galát, epikatechiny aj. Celková antioxidační kapacita je dnes jiţ rutinně stanovována v klinickobiochemických laboratořích ve vzorcích krevní plazmy a také i v jiných typech biologického materiálu včetně potravin (maso, čaje, káva, oleje a řada dalších). Chemické techniky stanovení antioxidační kapacity jsou zaloţeny na pouţití činidel poskytujících s volnými kyslíkovými radikály barevné produkty, jejichţ vzniku brání ve vzorku obsaţené antioxidanty. Intenzita zbarvení se většinou měří spektrofotometricky. Mezi tyto metody patří např. techniky zaloţené na eliminaci syntetických stabilních radikálů jako jsou DPPH nebo ABTS, případně na eliminaci kyslíkových radikálů ORAC (z angl. Oxygen Radical Absorbance Capacity), dále pak metody vyuţívající redukci ţelezitých komplexů, např. FRAP (z angl. Ferric Reducing Antioxidant Power/Ferric Reducing Ability of Plasma). Inhibice zmíněných radikálů se běţně vyjadřuje v procentech. Ke sledování antioxidačního potenciálu rostlinného materiálu nebo samotného antioxidantu lze vyuţít testy studující schopnost látky zachycovat volné radikály, např. TEAC (z angl. Trolox Equivalent Antioxidant Capacity), ORAC, DPPH, atd. Ke stanovení TAC existuje velké mnoţství metod, přičemţ nejčastěji pouţívanou technikou je TEAC, která měří antioxidační kapacitu vzorku, jeţ je vztaţena ke standardní látce - Troloxu, coţ je ve vodě rozpustný analog vitaminu E. Principem metody TEAC je reakce činidel s jinou látkou přecházející na radikálové formy, jeţ jsou barevné a relativně stabilní. V přítomnosti antioxidačně aktivních sloţek extrahovaných ze vzorků potravin se tyto formy redukují, a tím tedy odbarvují. Rychlost a míra odbarvování jsou přímo úměrné antioxidační kapacitě vzorků. Parametr TRAP se vyjadřuje v jednotkách TEAC, tj. jako koncentrace Troloxu, která vyvolá stejnou prodlevu jako samotný vzorek. Relativní antioxidační kapacita se pak vyjadřuje jako koncentrace Troloxu se stejnou antioxidační kapacitou jako má 1 mmol, 1 g či 1 ml stanovovaného vzorku. Pro měření antioxidační kapacity potravin lze dále vyuţít i metody zaloţené na zhášení fluorescence ORAC (z angl. Oxygen Radical Absorbance Capacity), která je velmi podobná technice TRAP. Jako fluorescenční indikátor je pouţíván fluorescein. Metoda ORAC měří oxidační degradaci fluorescenční látky po přidání generátorů volných radikálů, které vytvářejí peroxylové radikály, jeţ poškozují danou fluorescenční sondu, coţ následně zapříčiní ztrátu její fluorescence. Antioxidanty naopak chrání fluorescenční molekulu před oxidačním poškozením. Princip techniky spočívá ve vytvoření peroxylového radikálu fluorescenční látky a to její oxidací činidlem ABAP. Radikál se stanovuje kvantitativně fluorimetricky a hodnotí se rychlost úbytku signálu po přidání testovaného vzorku. 141
Dalším způsobem stanovení TAC je pomocí metody zaloţené na chemiluminiscenci (CL). Při této metodě se vyuţívá CL indikátor, kterým je téměř výhradně Luminol. Jako systém generující ROS nebo i jiné radikály je vyuţívána např. iniciace enzymovými rozklady systémy H2O2-křenová peroxidasa nebo xanthin-xanthinoxidasa, případně rozkladem H2O2 kationty přechodných kovů (tzv. Fentonova reakce), apod. Rovněţ i tyto techniky bývají běţně kvantifikovány pomocí kalibrace pouţívající jako standard Trolox. Ke stanovení antioxidační kapacity je moţno také pouţít metody na principu redoxní reakce FRAP (z angl. Ferric Reducing Antioxidant Power/Ferric Reducing Ability of Plasma). Tato technika je zaloţena na redukci ţelezitých komplexů, např. FeIII - TPTZ (TPTZ = 2,4,6-tris(2-pyridyl)-1,3,5-triazin), které jsou bezbarvé a po redukci a případné reakci s dalším činidlem vytvářejí barevné produkty, např. berlínskou modř. Metoda FRAP tedy kvantifikuje schopnost antioxidantů redukovat tento komplex, jehoţ přeměnou vzniká intenzivně fialově zbarvený produkt, který je detekován spektrofotometricky při vlnové délce 593 nm. Na rozdíl od technik TRAP a ORAC jsou touto metodou měřeny spíše redukční vlastnosti antioxidantů. Velká výhoda FRAP spočívá v její relativní jednoduchosti.
Stanovení specifických antioxidantůve vzorcích potravin Současně se s určením TAC analyticky v témţe vzorku běţně zjišťuje také obsah vitaminů C a E, celkový obsah karotenoidů nebo jednotlivě β-karoten, lykopen a celkový obsah fenolických látek, případně téţ separátně obsah flavonoidů. Některé studie zařazují do svých analýz také chromatografické separace, často na principu HPLC (vysokoúčinná kapalinová chromatografie). Samostatným metodickým problémem měření TAC potravin je zpracování vzorků (především vlastní extrakce účinných látek, zahušťování popř. předčištění extraktů, jejich spolehlivé uchovávání, atd.) a rovněţ pouţití standardů, s jejichţ pomocí se TAC vyjadřuje.
Stanovení antioxidační kapacity přístrojem Photochem Photochem® je přístroj firmy Analytik Jena (Německo), který pracuje na principu jiţ zmíněné fotochemiluminiscence. Přístroj vyuţívá dvě základní metody - a to metodu ACW (water-soluble antioxidant capacity; antioxidační kapacity ve vodě rozpustných látek) a metodu ACL (lipid-soluble antioxidant capacity; antioxidační kapacita v tuku rozpustných látek). Obě metody pracují na stejném principu, tj. produkce volného radikálu (superoxidového radikálu) optickou excitací fotosenzitivního roztoku. Tyto radikály jsou částečně eliminovány ze vzorku reakcí s antioxidanty přítomnými ve vzorku. Po tomto 142
vyvázání zbylé volné radikály přítomné v měřící komůrce přístroje způsobí luminiscenční reakci, která je detekována jako signál. Srovnáním signálu vzorků a kalibrační křivky standardů je stanovena antioxidační kapacita vzorku v mmol/l pouţitého standardu (tj. pro ACW kyselina askorbová a pro ACL Trolox).
11.4 Lipoperoxidace Oxidace lipidů- lipoperoxidace, je destruktivní proces oxidace mastných kyselin, během kterého jsou volnými radikály oxidačně poškozovány mastné kyseliny s více dvojnými vazbami (PUFA- polynenasycené mastné kyseliny). Vyšší pravděpodobnost lipoperoxidace mají zejména mastné kyseliny s vyšším stupněm nenasycenosti. V potravinách a biologických systémech popisujeme neenzymový průběh oxidace (autooxidace, oxidace hydroperoxidy (HO2•), oxidace peroxidem vodíku (H2O2), oxidace singletovým kyslíkem (1O2), oxidace kovy a fotooxidace) a enzymy katalyzovanou oxidaci. Mezi hlavní produkty lipoperoxidace patří malondialdehyd (MDA), 4-hydro-2nonenal a 4-hydroxy-2-hexenal. Neenzymová lipoperoxidace vzniká nekontrolovatelnou přeměnou mastných kyselin lipidů charakterizovanou jako radikálová řetězová reakce. Potraviny, které obsahují katalyzující kovy s přechodnou valencí (hemoglobin a myoglobin v mase obsahující ţelezo), nebo s kovy přijdou do kontaktu, podléhají lipoperoxidaci katalyzovanou těmito kovy, v průběhu které se generují radikály mastných kyselin. Takto vzniklé radikály zvyšují rychlost autooxidační reakce. Všeobecně lipoperoxidace poškozuje biologické systémy, mění fluiditu membrán, zvyšuje propustnost pro ionty a má vliv na membránově vázané enzymy, coţ způsobuje zánik buněk. V potravinách v důsledku lipoperoxidace vzniká rovněţ řetězová reakce, znehodnocují se vlastní lipidy, ale také díky radikálům také ostatní biomolekuly jako aminokyseliny. Vznikají rovněţ senzoricky aktivní produkty lipoperoxidace - nasycené a nenasycené aldehydy a nenasycené uhlovodíky.
Neenzymová lipoperoxidace probíhá jako radikálová řetězová reakce ve třech fázích – iniciace, propagace a terminace: 1) Iniciace lipoperoxidace: Mezi iniciátory této reakce patří zejména volné radikály (hydroxylový radikál HO •, alkoxylový radikál RO•, hydroperoxylový radikál HO2• a peroxylový radikál ROO•). 143
Nejchoulostivějším místem mastné kyseliny pro tuto iniciaci je mezi dvěma dvojnými vazbami. Dochází ke vzniku radikálu mastné kyseliny (L•): LH + HO• → L• + H2O
2) Propagace lipoperoxidace: Radikál mastné kyseliny je velmi nestabilní molekula, dojde k přeuspořádání molekuly a konjugaci dvojných vazeb a radikál reaguje ihned kyslíkem za vzniku peroxylového radikálu (LOO•): L• + O2 → LOO•
Vzniklý peroxylový radikál atakuje další mastnou kyselinu, která se takto stává novým radikálem a peroxylový radikál se přemění na lipidový hydroperoxid (LOOH):
LOO• + LH → LOOH + L•
2
2
2
2
2
3) Terminace lipoperoxidace: Radikálová řetězová reakce lipoperoxidace je ukončena, pokud se radikál setká s molekulou antioxidantu nebo s jiným radikálem a vytvoří se tak neradikálová molekula. 144
Řetězová reakce se neukončí, dokud se nevytvoří stabilní dimerní produkty a propagační fáze se takto ukončí - terminuje. L• + L•→ L-L L•+ LOO•→ LOOL LOO• + LOO•→ LOOL + O2
Primární produkty propagační fáze (hydroperoxidy a cyklické endoperoxidy mastných kyselin) se však mohou setkat s prvky, které katalyzují Fentonovu reakci (Fe2+ či Cu+). Mění se poté znovu na radikály mastných kyselin LO• (alkoxylové radikály) za vzniku hydroxidového aniontu OH- a tato řetězová reakce se znovu můţe iniciovat: LOOH + Fe2+ (Cu+) → LO• + Fe3+ (Cu2+) + OH-
L-L
Enzymová lipoperoxidace: Enzymová lipoperoxidace v ţivém organismu vede k tvorbě biologicky aktivních produktů důleţitých pro regulaci buněčných pochodů (např. leukotrieny či prostaglandiny). V ţivočišné říši jsou rozšířeny enzymy lipoxygenasy, které jsou přítomné i ve většině potravinářských surovin a ve výrobcích, pokud nebyly zahřívány, neboť po tepelném zpracování denaturují a ztrácí svou účinnost. Lipoxygenasy, dříve nazývané lipoxidasy, katalyzují oxidaci esenciálních mastných kyselin (např. linolová a α-linolenová kyselina) na hydroperoxidy (hydroperoxidace). Tyto hydroperoxidy se od hydroperoxidů vzniklých neenzymaticky liší optickou aktivitou. Finálním produktem lipoxygenas jsou tedy hydroperoxidy, které však mohou být přeměněny na další reaktivní volné radikály. Lipoxygenasy obsahují ţelezo, které napomáhá katalyzovat oxidaci. V potravinách rostlinného původu hraje důleţitou roli lipoperoxidace katalyzovaná enzymy, neboť dodává specifické aroma pro ovoce či zeleninu (banány, jahody, květák, rajčata). V ţampionech je přítomna specifická lipoxygenasa, která katalyzuje tvorbu nekonjugovaného hydroperoxidu, který je zodpovědný za specifické houbové aroma. 145
Produkty lipoperoxidace Proces lipoperoxidace poskytuje velké mnoţství sekundárních produktů – jsou to zejména hydroxyaldehydy a 4-hydroxy-2-alkenaly, které jsou velmi reaktivní, značně umocňují míru oxidativního stresu v organismu a mají poměrně dlouhou ţivotnost. Nejvíce prostudovanými produkty jsou v současnosti zejména malondialdehyd (MDA), dále 4-hydroxy-2-nonenal (HNE) a 4-hydroxy-2-hexenal (HHE). V poslední době je velká pozornost věnována F2-isoprostanům, které jsou produkty lipoperoxidace kyseliny arachidonové. Malondialdehyd (MDA) je jedním z hlavních biochemických markerů míry lipoperoxidace a posouzení účinků oxidativního stresu. Vyskytuje se především v enol-formě a primárním zdrojem MDA je peroxidace nenasycených mastných kyselin řady PUFA. V organismu způsobuje zesíťování a polymeraci proteinů nebo nukleotidů s následnou mutací.
146
12 VYBRANÉ ASPEKTY V BIOCHEMII POTRAVIN
12.1 Biogenní aminy Nízkomolekulární biogenní aminy vznikají jako produkty metabolismu aminokyselin působením dekarboxylas (třída lyasy), které obsahují jako kofaktor pyridoxal fosfát a odštěpí oxid uhličitý z karboxylové skupiny, přičemţ vzniká bazický biogenní amin. Biogenní aminy vedle negativních zdravotních účinků sniţují jakost potravin a potravinových surovin. Ve fermentovaných potravinách se vyskytují jako přirozená sloţka, např. kysané zelí, pivo, víno.
Význam biogenních aminů v organismu V organismu vykonávají biogenní aminy řadu důleţitých fyziologických funkcí a jsou pro ţivé organismy nepostradatelné. Hrají roli v růstu, proliferaci buněk a působí jako neuromediátory v centrálním nervovém systému. Biogenní aminy jsou rovněţ základními látkami pro syntézu dalších významných a sloţitějších sloučenin (fosfolipidů, koenzymu A, pantothenátu). Histamin se jako mediátor uplatňuje i v patofyziologických procesech a ve vysokých koncentracích je důleţitým mediátorem alergických reakcí 1. typu, které se projevují rinitidou, kopřivkou, bolestí břicha, průjmem nebo zvracením. Symptomy příjmu vysokého mnoţství biogenních aminů se projevují zejména u citlivých jedinců, jako jsou malé děti, pacienti se zhoršenou funkcí jater a lidé trpící vysokým nebo nízkým krevním tlakem. Významné produktů dekarboxylace jednotlivých aminokyselin a jejich následné přeměny v organismu jsou shrnuty v následující tabulce.
147
Nejvýznamnější biogenní aminy a jejich biologické funkce:
Histidin
Produkt dekarboxylace a metabolismu → histamin
Tyrosin
→ DOPA
melaniny
→ dopamin
katecholamin, neurotransmiter, hormon hypotalamu katecholamin, neurotransmiter, hormon nadledvin katecholamin, neurotransmiter, hormon nadledvin neurotransmiter neurotransmiter vyvolává stahy hladkého svalstva vazokonstriktor prekurzor melatoninu hormon epifýzy řízení rytmu dne a noci neurotransmiter indikátor hnití bílkovin indikátor hnití bílkovin předchůdce polyaminů indikátor hnití bílkovin polyaminy, důleţité růstové faktory buněk hlavní inhibiční neurotransmiter v CNS součást fosfolipidů (fosfatidylethanolamin) součást koenzymu A, kyseliny pantothenové a peptidů karnosinu a anserinu neurotransmiter součást koenzymu A
Aminokyselina
→ noradrenalin
→ adrenalin
→ oktopamin Tryptofan
→ serotonin
→ melatonin → tryptamin Lysin Ornithin
→ kadaverin → putrescin
Glutamát Serin
→ → → → →
Asparát
→ β-alanin
Cystein
→ cysteamin
spermidin spermin GABA (kyselina γ-aminomáselná) ethanolamin
148
Význam neurotransmiter (v CNS) tkáňový hormon - mediátor zánětu vyvolává alergické projevy vazodilatace
Biogenní aminy v potravinách: V potravinách, potravinových surovinách nebo krmivech vznikají nejčastěji dekarboxylací aminokyselin působením bakteriálních dekarboxylas. Další moţností vzniku biogenních aminů je transaminace aldehydů nebo ketonů. V nízkých koncentracích jsou biogenní aminy přirozenou součástí ţivočišných tkání a rostlinných pletiv. V potravinách se tedy vyskytují jako běţné produkty metabolismu, ovšem působením dekarboxylas mikroorganismů (mikrobiální činností) a při výrobě fermentovaných výrobků se jejich obsah zvyšuje. Vysoké koncentrace se vyskytují u potravin v pokročilém stupni kaţení a biogenní aminy (putrescin, kadaverin, histamin, tyramin) se tak pouţívají jako indikátory stupně kaţení nebo mikrobiální kontaminace. Sledování biogenních aminů v potravinách je proto důleţité z hlediska posouzení zdravotní nezávadnosti a kvality potravin. Fermentované potraviny mají vyšší obsah biogenních aminů, neboť se při jejich výrobě často vyuţívá mikrobiálních kultur. Fermentace pak vede k vytvoření biogenních aminů během zrání potravin a stárnutí. Mezi potraviny s vyšším obsahem biogenních aminů řadíme fermentované sýry a masné výrobky, pivo ale také víno. Nejrizikovější skupinou potravin jsou ryby. Obsah jednotlivých biogenních aminů v rybách je různý, avšak největší riziko představuje histamin. Příčinou jeho výskytu je přítomnost velkého mnoţství volného histidinu ve svalovině ryb (především ryby čeledi Scombroidae a Scomberesocideae). Legislativní omezení pro biogenní aminy je pouze pro histamin a jeho mnoţství v rybách a rybích výrobcích. Biogenní aminy jsou obecně dlouhodobě sledovány s ohledem na zdravotní nezávadnost potravin a potravinových surovin. Hodnoty biogenních aminů jsou limitovány příslušnými hygienickými předpisy s ohledem na jejich výskyt a zdravotní dopady.
149
Vznik biogenních aminů:
TRYPTOFAN HYDROXYLASA
β
150
Degradace biogenních aminů: Biogenní aminy mají v organismu velký význam, a proto musí být jejich hladina účinně regulována. Degradaci fyziologicky aktivních biogenních aminů nebo aminů přijatých potravou zajišťují mitochondriální aminooxidasy, mající charakter flavinových enzymů, které přeměňují aktivní biogenní aminy na neškodné oxidované produkty a amoniak. Enzymy degradace biogenních aminů: monoaminooxidasa (MAO) – nalézá se ve dvou formách: MAO-A – výskyt intracelulárně v centrálním nervovém systému a ve střevních buňkách; MAO-B – výskyt zejména v játrech a ve svalech. diaminooxidasa (DAO) – deaminuje fyziologicky aktivní aminy ve střevech a aminy z potravy histidinmethyltransferasa (HMT) – degradace histaminu (histaminasa), přítomná v gastrointestinálním traktu a játrech katechol-O-metyltransferasa (COMT) – degradace noradrenalinu a adrenalinu
151
12.2 Xenobiotické aminokyseliny Při zpracování potravin můţe docházet ke změnám stravitelnosti bílkovin, aminokyselinového spektra a následně biologické hodnoty bílkovin v potravinách obsaţených. Významný vliv má především dlouhodobé působení vysoké teploty (200 oC) a dále působení alkalických látek. Nejsnáze dochází k poškození aminokyselin obsahujících síru (cystein/cystin). Při vyšších hodnotách pH se však zjistily rovněţ ztráty serinu, threoninu, lysinu, argininu a dalších aminokyselin. Ve větším rozsahu dochází k poškození aminokyselin například při pečení masa, grilování, smaţení, kdy jsou isomerizovány L-aminokyseliny na odpovídající D-aminokyseliny. Dále dochází k příčnému zesíťování polypeptidových řetězců proteinové molekuly, přičemţ vznikají xenobiotické aminokyseliny jako je lysinoalanin, ornithoalanin, histidinoalanin, lanthionin, lysinomethylalanin, histidinomethylalanin a další (v současné době je známo jiţ více neţ 50 xenobiotických aminokyselin). Vznikem těchto xenobiotických aminokyselin dochází ke sníţení nutriční hodnoty potravin ztrátou esenciálních aminokyselin a sníţením stravitelnosti proteinů, protoţe vzniklé vazby jsou rezistentní vůči proteolytickým enzymům. V molekule lysinoalaninu nejsou aminokyseliny navázány peptidickou vazbou, ale kovalentní vazbou mezi aminoskupinou na koncovém uhlíku lysinu a koncovou CH3 skupinou alaninu (-CH2-NH-CH2-).
Využití v potravinářském průmyslu Praktické vyuţití má sledování lysinoalaninu, který se vyuţívá jako marker poškození proteinu, kdy za hraniční hodnotu je povaţována koncentrace 50 mg/kg proteinu. Pokud je tato hranice překročena, došlo k významnému poškození proteinu teplem nebo alkáliemi. U sýrů typu mozzarella a čedar lze dle obsahu lysinoalaninu rozlišit originální výrobek od imitací. Pravý čedar obsahuje menší mnoţství lysinoalaninu (6 mg/kg), ale u imitací jsou zjišťovány hodnoty >15 mg/kg. U masných výrobků můţe zvýšený obsah lysinoalaninu svědčit jako podpůrný důkaz uţití hydrolyzátů, zejména sójového (44 – 68 mg/kg).
152
12.3
Amoniak – biochemické a hygienické aspekty
Amoniak (NH3) vzniká v potravinách především u tzv. volných nukleotidů (např. při deaminaci AMP na IMP – viz deaminace – aspartátový cyklus) a hydrolysou amidů aminokyselin glutaminu a asparaginu. V kyselých potravinách je amoniak přítomen prakticky výhradně ve formě amonných solí. Amoniak je toxický pro většinu tkání, zejména pro nervovou soustavu. Proto je nutné udrţování koncentrace amonných iontů v krevním oběhu na nízké hladině. Před nadbytkem amoniaku, produkovaného z potravy zejména střevní mikroflórou, chrání tkáně portální oběh krve, který vede vstřebané látky do centrálního krevního oběhu přes játra, kde je amoniak přeměněn na močovinu. Tento ochranný mechanismus selhává při porušení jater toxickými látkami, především halogenovými uhlovodíky a ethanolem. Zvýšení koncentrace amoniaku v centrálním krevním oběhu vede k poškození nervových buněk, které se projeví jako jaterní kóma. Proti tomuto patologickému stavu lze pouţít sníţení obsahu aminokyselin v potravě, podávání ornithinu nebo citrullinu, popřípadě sníţení pH střevního obsahu. Amonné ionty na rozdíl od volného amoniaku totiţ nedifundují buněčnými membránami nekontrolovatelně.
Vznik amoniaku v organismu: aerobní deaminací glutamátu
glutamátdehydrogenasa
glutamát
2 – oxoglutarát
NH3
deaminací L – a D – aminokyseliny H2O
aminokyselina
oxidasy aminokyselin
FMN FAD
2 – oxokyselina
iminokyselina
NH3
FMNH2 FADH2
deaminací histidinu (desaturační deaminace)
histidin
histidinamoniaklyasa
NH3
153
urokanát
deaminací v cyklu purinových nukleotidů – významné pro sval
aspartátaminotransferasa
aspartát
2-oxoglutarát
oxalacetát malátdehydrogena sa
glutamát
malát
fumarasa
fumarát
GTP GDP + Pi
adenylosukcinátlyasa
adenylosukcinát IMP
AMP adenosinmonofosfátdeaminasa
NH3
H2O
hydrolytickým štěpením glutaminu a asparaginu:
glutaminsyntetasa (asparaginsynthetas a)
kys. glutamová (asparagová)
ATP + NH3
glutamin (asparagin)
ADP + Pi
glutaminasa (asparaginasa)
NH3
H2O
deaminací pomocí dehydratace
serin
serindehydratasa
NH3
pyruvát
H2O
154
alaninaminotransferasa
alanin
Vznik amoniaku ve svalech: Amoniak vzniká ve svalu fysiologicky – při odbourávání purinových nukleotidů. Tento cyklus má pro svaly velký význam, protoţe jeho meziprodukty, zejména pak fumarát, malát a oxalacetát, pomáhají nastartovat cyklus kyseliny citronové ve svalech. Dále můţe vznikat amoniak při obecných reakcích aminokyselin (deaminace, transdeaminace). Při dlouhodobějším hladovění jsou zdrojem amoniaku specifické degradační metabolické cesty aminokyselin. Po vzniku amoniaku dochází k jeho okamţité protonisaci (H+ iont odebrán laktátu, který ze svalu odchází ve formě aniontu). Amoniak vzniká rovněţ při kaţení masa.
Netoxické transportní formy amoniaku Amoniak je velmi toxický pro organismus a zvláště pro CNS (centrální nervovou soustavu), proto musí být v organismu krví transportován ve formě tzv. netoxických transportních forem amoniaku. Mezi tyto formy se řadí aminokyseliny alanin a glutamin, amonný ion NH4+ (k protonisaci dochází v ledvinách dle stavu acidobasické rovnováhy) a v játrech vznikající, při odbourávání amoniaku, močovina. Hlavní úlohou netoxických transportních forem amoniaku, je zajistit jeho transport po organismu pro potřeby řady reakcí a rovněţ také jeho transport do jater, kde dochází k jeho detoxikaci a přeměně na močovinu. Ta je potom v ledvinách vyloučena močí.
Způsoby eliminace amoniaku z organismu Amoniak, je pomocí svých netoxických transportních forem přinesen do jater a zde v ureosyntetickém cyklu přeměněn na močovinu, která je následně vyloučena z těla močí. Ureosyntetický cyklus probíhá v mitochondriích i cytosolu hepatocytů. Je energeticky náročný. Pro vznik jedné molekuly močoviny je potřeba 3 molekuly ATP. Jedná se o cyklický pochod, kdy degradací argininu vzniklý ornithin znovu vstupuje do mitochondrie, do nové reakce s karbamoylfosfátem. Cyklus syntézy močoviny je napojen částečně na cyklus kyseliny citronové a to přes vznikající fumarát, který je v mitochondriích přeměněn na malát, dále oxalacetát a ten transaminací na aspartát. Aspartát znovu vstupuje do syntézy močoviny.
155
Schéma ureosyntetického cyklu:
CO2 + NH4+ cytosol mitochondrie
urea
H2O
+
CO2 + NH4 2 ATP (Mg2+)
arginasa
karbamoylfosfátsynthasa
L – Ornithin
Arginin
2 ADP + Pi
Karbamoylfosfát
ornithinkarbamoyltransferasa
Fumarát
Pi argininsukcinátlyasa
Argininsukcinát
L - Citrullin argininsukcinátsyntethasa
(Mg2+)
AMP + PPi
ATP
L - Aspartát
Autolysa a proteolysa – význam ve změnách potravin
Autolysa masa: Autolysa (samovolný rozklad) masa představuje rozsáhlý soubor enzymových reakcí, které přeměňují svalové tkáně poraţených zvířat v maso. Biokatalyzátory těchto přeměn jsou nativní enzymy a změny, ke kterým dochází, jsou nevratné. Autolýza má u jednotlivých druhů masa odlišný průběh v rychlosti a intenzitě. Má několik fází s plynulým přechodem jedné ve druhou – posmrtné ztuhnutí (rigor mortis), zrání masa a hlubokou autolysu.
156
Rigor mortis Název fáze vystihuje její výsledný senzorický projev – svalová tkáň poraţeného zvířete ztuhne (rigor mortis). Tato první fáze zahrnuje především odbourávání glykogenu a ATP s hlavními degradační meziprodukty – kyselinou mléčnou a kyselinou inosinovou, které přechodně okyselí svalovinu. Dosáhne se maximálního moţného okyselení masa v celém průběhu postmortálních změn. Dosaţená hodnota pH se označuje jako konečná, ultimativní – pHult. Hlavní myofibrilární proteiny aktin a myosin přechodně vytvoří aktinomyosinový komplex. Udrţování tohoto komplexu umoţňuje velmi dobrou vaznost masa tzv. teplého masa. Je to maso, které ihned po poráţce nekleslo pod teplotu 27 °C (této fázi rigoru mortis se také říká pre–rigor mortis). Naopak maso, které poklesne v rigoru pod 27 °C, se vyznačuje nejmenší vazností vody. Zrání masa Druhou fází autolysy masa je jeho zrání. V této fázi maso dosahuje poţadovaných vlastností. Zrání masa se dotýká hlavně proteinů, především myofibrilárních. Fragmentaci myofibril katalyzují nativní proteolytické enzymy, ale uplatňují se i procesy mikrobiální. Uvolňování rigoru mortis je provázeno postupnou degradací kyseliny mléčné a současným zvyšováním pH masa. Dochází k disociaci aktinomyosinového komplexu na aktin a myosin. Maso nabývá křehkosti, postupně se zvyšuje i jeho vaznost. Výrazně se zlepšují senzorické vlastnosti. Zvyšuje se rozpustnost proteinů a roste koncentrace jejich degradačních produktů – peptidů a aminokyselin. Vytváří se typická chutnost a aroma zralého masa, na kterých se podílejí degradační produkty nukleotidů a proteinů.
Hluboká autolysa Hluboká autolysa masa je u běţných druhů mas neţádoucí, dochází při ní ke vzniku konečných produktů rozkladu proteinů aţ na amoniak, aminy, sulfan, merkaptany, oxid uhličitý a vodu, které mají neţádoucí projevy. Začínají se rozkládat tuky, maso se zřetelně kazí a je jako potravina nepřijatelná. Hluboká autolysa se ve zcela mírném stupni připouští u některých druhů zvěřiny, pokud byla po ulovení správně ošetřena.
Abnormální průběh autolysy masa Vlivem vnitřních i vnějších faktorů mohou probíhat autolytické procesy ve svalovině a v mase abnormálně a výsledný produkt má odlišné vlastnosti od normálního masa. Změněná 157
jakost masa se projevuje v různé intenzitě a postihuje zejména senzorické, technologické a kulinární vlastnosti. Zdravotní nezávadnost je zachována respektive není dotčena. Jakostní vady masa vzniklé abnormálním průběhem autolýzy jsou tyto: PSE maso (z angl. pale, soft, exudative – tedy bledé, měkké a vodnaté) DFD maso (z angl. dark, firm, dry – tedy tmavé, tuhé a suché) Cold shortening (zkrácení svalových vláken chladem) Hampshire faktor (zvláštní podoba PSE)
PSE a DFD u vepřového masa Jakostní odchylka PSE vepřového masa je původním jevem intenzivního šlechtění prasat na jejich vysokou zmasilost. Za zcela primární příčinu jakostní odchylky masa se pokládají výrazné biologické změny v organismech prasat, jako jsou změny v poměru svalové a tukové tkáně, změny v poměru srdce a dalších vnitřních orgánů k celému tělu a míry jejich fyziologického zatíţení a změna v zastoupení bílých a červených svalových vláken ve prospěch bílých, které mají větší tloušťku a vyznačují se větší biochemickou aktivitou v reakcích glykogenolysy. Tyto změny biologických poměrů v organismu prasat vedou ke zvýšené citlivosti vysoce zmasilých zvířat ke stresu a to je hlavní, byť aţ sekundární příčinou vzniku PSE vepřového masa. Kritériem pro PSE vepřové maso jsou hodnoty pH1 5,80 a niţší. Rychlý průběh glykogenolysy znamená uvolnění velkého mnoţství glykogenu a ATP. I přes odvádění tepla z těla poraţeného zvířete do okolního prostředí se zvýší teplota svaloviny PSE prasat aţ na 43 °C. Interakce zvýšené teploty svaloviny a její zvýšené kyselosti vyvolává částečnou denaturaci svalových proteinů. Tím se omezí schopnost PSE masa vázat vlastní vodu a z masa samovolně odtéká velké mnoţství masové šťávy. PSE maso nelze uplatnit ve výsekovém prodeji na porcování a balení a ani do výrobků celistvého charakteru (šunka, debrecínská a cikánská pečeně aj.). Lze jej uplatnit v menším podílu do velmi homogenních tepelně opracovaných masných výrobků, u nichţ se PSE maso setkává s velmi vazným hovězím masem. DFD vepřové maso na sebe neupozorňuje extrémní tmavou barvou a zvýšenou vazností, jako je tomu u DFD hovězího masa, ale prakticky nejzávaţnější jeho negativní vlastností je zhoršená údrţnost, tedy náchylnost k rychlému kaţení. Bezprostřední příčinou DFD vepřového masa je nadměrná fyzická námaha prasat před jejich poraţením. Fyzickou zátěţí se vyčerpá svalový glykogen a vzniklá kyselina mléčná je ještě před poráţkou odvedena ze svalu krví. Je – li v této situaci zvíře poraţeno, nemůţe se svalovina obvyklým způsobem okyselit, protoţe glykogen, jako zdroj tvorby kyseliny, jiţ chybí. Vzniká tedy vhodné prostředí pro rozvoj mikroorganismů a jejich proteolytických enzymů a tedy pro rychlé kaţení masa.
158
Kritéria pro hodnocení odchylek zrání masa Jakostní kritérium
normální
PSE
DFD
pH1
> 5,80
< 6,20
-
pH24
< 6,20
-
> 6,20
remise (%)
13 – 25
> 25
< 13
1–5
>5
<1
ztráta odkapáváním (%)
DFD u hovězího masa Příčiny vzniku DFD hovězího masa spočívají zejména ve fyzickém vyčerpání zvířat těsně před poráţkou. Vliv genetické dispozice k náchylnosti ke stresům se na vzniku DFD masa podílí mnohem méně, neţ je tomu u prasat. Největší výskyt DFD masa je zjišťován u poraţených býků, kteří byli vykrmováni ve vazném ustájení. Pokud jsou individuálně ustájená zvířata volně přepravována a předporáţkově ustájována společně s dalšími zvířaty, dochází mezi nimi k soubojům o pozice ve skupině a to vede k jejich nadměrnému fyzickému vyčerpání. U krav, jalovic a volků je frekvence jakostní odchylky DFD podstatně niţší . Jakostní odchylka DFD se posuzuje smyslově. Barva masa je velmi tmavá, maso je na řezu velmi lepivé a suché v tom smyslu, ţe na čerstvém řezu nevyvstává masná šťáva, coţ je dáno nadprůměrnou vazností DFD masa. DFD maso je určeno hodnotami pH24 vyššími neţ 6,20. Toto kritérium spolehlivě ukazuje na nejhorší vlastnost DFD masa, kterou je jeho sníţená údrţnost a snadná zkazitelnost mikroorganismy. DFD maso je krajně nevhodné pro výsekový prodej, pro porcování a balení a pro zpracování do syrových fermentovaných výrobků. Vhodné je pro zpracování do tepelně opracovaných masných výrobků, kde se výhodně uplatní jeho velmi dobrá vaznost.
Cold shortening Příčinou výskytu a projevu této jakostní odchylky je, ţe při účinném chlazení se dosáhne sníţení teploty pod 15 °C nebo dokonce pod 10 °C dříve, neţ proběhne glykogenolysa a tedy neţ vyvrcholí fáze rigoru mortis. Problém vznikl se zaváděním ultrarychlého nebo šokového chlazení jatečně zpracovaných zvířat, ve snaze sníţit hmotnostní ztráty a zlepšit hygienu chladírenského skladování. Maso je pak příliš tuhé, coţ nelze změnit ani dalším průběhem zrání ani tepelnou úpravou. Hampshire faktor Hampshire faktor představuje variantu problému PSE a rovněţ souvisí se šlechtěním prasat na zmasilost. U některých masných plemen prasat, konkrétně u plemene Hampshire, se ukládá ve svalech vyšší obsah glykogenu, coţ vyvolává rychlejší průběh postmortální glykogenolysy a dosahuje se pHult v blízkosti isoelektrického bodu proteinů. 159
Projev Hampshire faktoru se odvozuje z hodnoty pH24 menší neţ 5,40, coţ je provázeno zhoršenou vazností a světlejší barvou masa, ještě výraznější neţ u vady PSE.
Proteolysa masa Proteolysa – rozklad proteinů způsobený mikroorganismy a mikrobiálními enzymy, je proces exogenní probíhající ve svalovině poraţených zvířat a v mase souběţně s autolysou. Mají ale odlišnou rychlost a intenzitu. Autolysa vykazuje největší intenzitu ihned po poráţce a dále klesá. Zatímco proteolysa se v postmortálním období neprojevuje. Je to zapříčiněno přirozeným okyselením svaloviny coţ působí bakteriostaticky na mikroorganismy. Aţ postupné odbourávání kyseliny mléčné a vzestup pH masa nad 6,20 umoţňuje rozvoj mikroflóry. Počáteční fáze proteolysy tedy probíhá latentně bez vnějších projevů. Mikroorganismy ve vhodných podmínkách se značně pomnoţují. Při hodnotách v rozmezí 107 – 108 mikroorganismů v 1 g nebo na 1 cm3 povrchu masa zaznamenáváme jeho smyslové změny – osliznutí, změna barvy a počínající typický zápach hniloby. Index hniloby IH je první registrace hnilobných změn. Index je rozmezím mezi upotřebitelností či poţivatelností a nepoţivatelností, senzorickou nepřijatelností a tedy neupotřebitelností masa k potravním účelům. Skutečný počátek a průběh kaţení masa je velmi variabilní. V zásadě je dán aktuální mírou mikrobiální kontaminace a podmínkami uchovávání masa.
Základní formy kažení masa Kaţení masa je exogenní proces, tedy svalovina je uvnitř v okamţiku poráţky prakticky sterilní, kontaminace mikroorganismy nastává z vnějšího prostředí. Velké nebezpečí mikrobiální kontaminace nastává při a po bourání masa. Při bourání jatečně opracovaných těl se odstraňují mechanické bariéry pro vniknutí zárodků (kůţe, tukové tkáně, pojivové tkáně). Dělícími řezy se mnohonásobně zvětšuje plocha otevřených řezů masa. V tomto okamţiku maso ztratilo obranyschopnost na základě své kyselosti, protoţe kyselina mléčná ve fázi pokročilejšího zrání byla jiţ degradována. Vedle míry mikrobiální kontaminace je hlavním faktorem kaţení masa teplota masa a prostředí, ve kterém se nachází. Běţné kaţení má tři na sebe navazující fáze – povrchové osliznutí, povrchovou hnilobu a hlubokou hnilobu.
Povrchové osliznutí Povrchové osliznutí nastává masivním pomnoţením obecné mikroflóry na povrchu masa. Mikrobiální enzymy rozkládají sloţky masa na pestrou řadu degeneračních produktů, které vytvoří tenkou vrstvu slizu s šedohnědým barevným odstínem a typickým hnilobným zápachem. Rody, které mohou povrchové osliznutí způsobit, jsou Pseudomonas, Alcaligenes, 160
Streptococcus, Leuconostoc, Bacillus, Micrococcus, Lactobacillus a některé druhy kvasinek a plísní. Na zápachu se podílejí hlavně konečné produkty degradace proteinů – amoniak, aminy, a další. Povrchová hniloba Povrchová hniloba je pokračování povrchového osliznutí, pokud nebylo včas zachyceno a maso ošetřeno. Povrchová mikroflóra proniká do hloubky masa a její enzymy způsobují rozklad proteinů. Na jejich rozkladu se nejvíce podílejí Proteus vulgaris, Streptococcus pyogenes, Sarcina flava, mikrokoky, sporotvorné aerobní mikroorganismy (hlavně Bacillus subtilis), Pseudomonas liquefaciens, Alcaligenes faecalis, Flavobacterium a další. Hluboká hniloba Hluboká hniloba představuje mikrobiální napadení a zkaţení masa v celých anatomických nebo technologických kusech. Hluboké hniloby masa jsou obvykle lokálního charakteru nebo kaţení masa od kosti. Hlubokou hnilobu vyvolávají Clostridium putrefaciens, Clostridium sporogenes, Clostridium perfringens, Clostridium butyricum, Alcaligenes faecalis, E. coli a další. Zvláštní formy kažení masa Ložisková hniloba masa Nejčastější příčinou tohoto velmi specifického výskytu kaţení masa, je nedbalost při bourání nebo jiném zpracování masa. Zbytečnými zářezy nebo vpichy do masa mohou být do svaloviny zaneseny třeba jen jednotlivé mikrobiální zárodky. Zdrojem vnitřní mikrobiální infekce masa s obdobným následkem mohou být i drobné krváceniny ve svalu vzniklé samovolně, následkem úrazu nebo poranění zvířete.
Kažení masa od kosti Tato forma kaţení masa je vzácná. Vychází většinou z poranění nebo onemocnění jatečných zvířat v předporáţkovém období. Za takové situace se zvýší prostupnost mikroorganismů do tkání a svalovina tak přestane být sterilní. Proniknutí mikroorganismů do periostu a jejich usídlení se tam můţe vést k vytvoření hnilobného loţiska, které můţe ohrozit okolní svalovinu.
161
Zapaření masa Hlavní příčinou je vysoká teplota masa, nedostatečné nebo pomalé zchlazování. Teplota masa urychluje autolytické procesy, zejména glykolysu a degradaci kyseliny mléčné na oxid uhličitý. Jestliţe se za této situace dostanou do svaloviny anaerobní mikroorganismy, vyvolají kaţení, které se projevuje zvláštním ostrým nakyslým hnilobným zápachem. K zapaření můţe dojít i v případech bourání nedostatečně vychlazeného masa a jeho vrstvení do přepravek.
162
13 VYBRANÉ BIOMOLEKULY
13.1 Glykoproteiny Většina proteinů v ţivých organismech jsou glykoproteiny, tedy proteiny kovalentně vázané se sacharidy. Obsah proteinů v glykoproteinech je vysoce variabilní a podle typu se můţe pohybovat od 1 % aţ po více neţ 85 %. Glykoproteiny se vyskytují ve všech typech proteinů, včetně enzymů, transportních proteinů, receptorů, hormonů a strukturních proteinů. Sacharidové části glykoproteinů mají často významnou biologickou úlohu, ale v některých glykoproteinech není jejich funkce známá. Struktura glykoproteinů Struktura glykoproteinů je charakterizována centrálním bílkovinným řetězcem, na jehoţ povrchu jsou kovalentně navázány řetězce oligosacharidů (glykanů). Oligosacharidové řetězce glykoproteinů kódují biologickou informaci. Struktura připojené cukerné sloţky je vysoce variabilní, můţe se jednat o jednotlivé sacharidy, krátké nebo dlouhé větve, obsahující aţ 15 monosacharidových zbytků. Sacharidové řetězce obsahují hexosy (mannosa, galaktosa, glukosa), acetylhexosaminy (N-acetylglukosamin, N-acetylgalaktosamin), pentosy (arabinosa, xylosa), methylpentosy (L-fukosa) a sialové kyseliny (N-acylderiváty neuraminové kyseliny). Přítomnost sacharidových řetězců v glykoproteinech ovlivňuje jejich rozpustnost a viskositu, tvoří obranu proti proteolýze a je důleţitá pro biologickou funkci glykoproteinů. Oligosacharidy se váţí k proteinům buď přes dusíkový atom (N-glykosidová vazba) nebo přes kyslíkový atom (O-glykosidová vazba). Při N-glykosidové vazbě je sacharid vázán k amidovému dusíku asparaginu, O-glykosidová vazba směřuje u většiny proteinů k serinu nebo threoninu a k hydroxylysinu u kolagenu. N-vázané glykoproteiny představují hlavní třídu glykoproteinů. Patří do ní jak glykoproteiny vázané na membrány, tak glykoproteiny cirkulující (např. bílkoviny krevní plazmy). N-vázané glykoproteiny se dále rozdělují do tří hlavních tříd na typ komplexní, typ hybridní a typ s vysokým obsahem mannosy. Pro všechny typy je společný pentasacharid, který je sloţen ze tří mannosových zbytků a dvou N-acetylglukosaminových zbytků, na které jsou dále navázány další sacharidy, typické pro daný typ. Základní funkce glykoproteinů Glykoproteiny zastávají v ţivém organismu velké mnoţství různých funkcí, které jsou z hlediska celkového fungování organismu velmi důleţité. Jedná se o následující funkce: Strukturní funkce – glykoproteiny jsou důleţitou součástí buněčných stěn prakticky ve všech orgánech a tkáních, dále se vyskytují v kostní matrix, kolagenu, elastinu a fibrinu. Lubrikační a protektivní funkce – muciny jsou chemickou povahou glykoproteiny, jako součást mukosních sekretů chrání sliznice před negativním působením různých látek. 163
Transportní funkce – většina bílkovin krevní plazmy (s výjimkou albuminu) jsou glykoproteiny, řada z těchto molekul slouţí k transportu specifických látek (stopové prvky, vitaminy, lipidy apod.) v organismu. Imunitní funkce – molekuly zodpovídající za imunitní reakce organismu jsou většinou glykoproteiny (imunoglobuliny, komplement, interferon, histokompatibilní antigeny). Regulační funkce – některé hormony bílkovinného charakteru jsou glykoproteiny (choriový gonadotropin, thyreotropin). Enzymatická funkce – řada enzymů je charakteru glykoproteinů (proteasy, nukleasy, glykosidasy, hydrolasy) Sráţení krve – některé faktory sráţení krve jsou glykoproteiny. Přichycování buněk k podkladu – glykoproteiny umoţňují jak vzájemné interakce mezi buňkami, tak i interakce buněk s viry a bakteriemi, rovněţ receptory na povrchu buněk, které zprostředkovávají vazbu hormonů na buňky, jsou charakteru glykoproteinů. Ochrana před mrazem – mrazuvzdorné glykoproteiny antarktických ryb. Lektiny – glykoproteiny schopné s vysokou specifitou rozpoznávat a vázat sacharidy, nemají enzymatickou aktivitu, účastní se imunitních reakcí, zprostředkovávají kontakt mezi buňkami ve tkáních, účastní se reakce mezi patogenem a hostitelem.
Glykoproteiny v potravinách V mléce tvoří glykoproteiny jednu frakci kaseinu a to κ-kasein, který představuje asi 9 % z celkového kaseinu. Ze sacharidů je v κ-kaseinu přítomná D-galaktopyranosa, N-acetyl-Dgalaktosamin a N-acetylneuraminová kyselina. S vápenatými ionty (Ca2+) tvoří κ-kaseiny rozpustné soli, které stabilizují frakce dalších kaseinů v mléce. Ve vaječném bílku je přítomno velké mnoţství glykoproteinů, které obsahují různé oligosacharidy sloţené z galaktosy, mannosy, acetylderivátů glukosaminu, galaktosaminu a neuraminové kyseliny. Hlavní protein (glykoprotein) vaječného bílku je ovalbumin A.
164
13.2 Imunoglobuliny
Funkce imunoglobulinů Imunoglobuliny představují základ humorální imunity. Tato specifická látková imunita je zaloţena na aktivaci B-lymfocytů, které na podnět specifických antigenů syntetizují protilátky. Antigeny jsou látky schopné vyvolat produkci protilátek. Z chemického hlediska jsou to makromolekuly proteinů, glykoproteinů, polysacharidů, případně glykolipidů. Za produkci protilátek není zodpovědná celá molekula antigenu, ale pouze malé determinantní skupiny, které se nazývají epitopy. Počet epitopů na jednom antigenu se pohybuje od desítek aţ po tisíce. Struktura imunoglobulinů Imunoglobuliny jsou bílkoviny, které jsou přítomné ve tkáních a v krevní plazmě jsou součástí globulinových frakcí, především γ-globulinů. Podle struktury a imunitních vlastností se imunoglobuliny dělí do 5 tříd: IgA, IgD, IgE, IgG a IgM. Obecná struktura je pro imunoglobuliny všech tříd společná. Základní monomer má tvar písmene „Y― se dvěma výkyvnými rameny a sestává ze dvou identických lehkých a dvou identických těţkých řetězců. Těţké řetězce se označují jako H-řetězce (heavy = těţký), jejich molekulová hmotnost se pohybuje kolem 50 000. Lehké řetězce se označují L-řetězce (light = lehký), jejich molekulová hmotnost je 22 000 – 25 000. Oba typy řetězců obsahují kratší sacharidové řetězce, jejich počet se však mezi jednotlivými třídami imunoglobulinů významně liší, takţe mohou představovat 2 – 14 % celkové hmotnosti. Sacharidy se na bílkovinné řetězce váţí Nnebo O-glykosidovou vazbou. Většina řetězce H- i L- má konstantní sloţení a pouze menší část na konci ramen má variabilní sloţení, ve kterém je sled aminokyselin specifický pro danou protilátku a váţe antigen, respektive jeho specifický epitop. Rostlinným enzymem papainem je moţno molekulu imunoglobulinu rozštěpit na Fab-fragment (lehký řetězec + část těţkého řetězce) a Fc-fragment (zbytek těţkého řetězce). Na Fab-fragmenty se váţí antigeny, zatímco Fcfragment se váţe na Fc-receptory leukocytů. V jednotlivých třídách protilátek nejsou shodné typy L- a H-řetězců. Lehké řetězce se vyskytují ve dvou typech označovaných kappa (κ) a lambda (λ) a těţké řetězce se vyskytují v pěti formách (α, γ, δ, ε, μ) odpovídajících jednotlivým třídám imunoglobulinů. Označení jednotlivých typů H-řetězců odpovídá značení tříd imunoglobulinů: α v IgA, γ v IgG, δ v IgD, ε v IgE a μ v IgM. Protilátky, které produkuje jedna plazmatická buňka, se mohou lišit typy těţkého řetězce, buňka můţe produkovat více tříd imunoglobulinů naráz, ale všechny imunoglobuliny produkované jednou plazmatickou buňkou jsou specifické pro určitý antigen, mají stejnou variabilní oblast.
165
Typy imunoglobulinů Jednotlivé třídy protilátek mají v rámci imunitní reakce specifické funkce, liší se biologickým poločasem, procentuálním zastoupením sacharidů, typem H-řetězce a molekulovou hmotností. Zastoupení jednotlivých tříd imunoglobulinů v krevní plazmě je značně variabilní, závisí na typu imunitní reakce, ale majoritním typem jsou imunoglobuliny IgG, které představují 80 %, IgA 12 %, IgM 6 %, IgD 1 % a IgE pouze 0,0007 %. Imunoglobuliny IgG jsou monomery, vyskytují se v krvi i v tkáňovém moku a tvoří se při opakovaném kontaktu s antigenem (viry, bakterie, houby). Je to jediný typ, který můţe přecházet přes placentu a chrání tak plod dříve neţ si vytvoří vlastní funkční imunitní systém. Imunoglobuliny IgM se tvoří při prvním setkání s antigenem (bakterie, viry). Mají tvar pentameru nebo dokonce hexameru. Imunoglobuliny IgA mají specifickou funkci v rámci slizniční imunity, vyskytují se proto především v sekretech (sliny, slzy, nosní, bronchiální, střevní sekret) a jejich přítomnost v krevní plazmě je nízká. Nachází se rovněţ v mléce a pomáhají bojovat proti neţádoucím mikroorganismům na sliznici střeva u mláďat. Imunoglobuliny IgD se vyskytují v malém mnoţství v séru, ale jejich funkce není přesně známá, předpokládá se regulační funkce a podíl na alergických reakcích s uvolňováním histaminu z mastocytů a basofilů. Imunoglobuliny IgD mají tvar monomeru. Imunoglobuliny IgE jsou přítomny především ve tkáních (slezina, tonzily, plíce, gastrointestinální trakt) a jsou syntetizovány při alergických reakcích nebo po vniknutí parazitů. Imunoglobuliny IgE mají tvar monomeru. Imunoglobuliny v potravinách Obsah imunoglobulinů v potravinách je obecně velmi nízký. V mléce představují imunoglobuliny 2 % celkových proteinů, přičemţ jsou součástí frakce syrovátkových proteinů, které představují přibliţně 20 % celkových proteinů mléka. Přestoţe obsah imunoglobulinů je poměrně nízký, přispívají k biologické hodnotě mléka. Přítomné imunoglobuliny typu IgA, které zabezpečují slizniční imunitu a napomáhají obraně proti patogenům působícím uvnitř střeva a jsou tak prevencí především průjmových onemocnění. Určitou nevýhodou je, ţe imunoglobuliny jsou termolabilní, takţe při zahřátí mléka na vyšší teplotu dochází k jejich degradaci. Další potravinou, ve které se imunoglobuliny nacházejí, jsou vejce. Ve vaječném ţloutku je přítomen imunoglobulin IgY, který je obdobou savčích IgG imunoglobulinů. Přechází do ţloutku z krve nosnice, má významnou roli při vytváření imunity kuřete.
166
13.3 Glutathion Glutathion je významný intracelulární antioxidant u ţivočichů, rostlin, hub a některých bakterií. Vyskytuje se téměř ve všech buňkách a chrání je před poškozením oxidačními radikály. Koncentrace glutathionu v buňkách je vysoká, pohybuje se kolem 1 – 10 mmol/l. V buňkách, které jsou ve vyšší míře zatíţeny oxidačními radikály, jako jsou erytrocyty nebo hepatocyty je ve vyšší koncentraci. Z orgánů je nejvyšší koncentrace glutathionu v játrech, ledvinách a plicích. Glutathion není esenciální nutrient, protoţe v ţivočišných buňkách probíhá jeho syntéza. Struktura a syntéza glutathionu Chemicky se jedná o tripeptid -glutamylcysteinylglycin, který se v buňkách vyskytuje ve dvou formách: redukované jako thiol (GSH) a oxidované jako disulfid (GSSG), který je vlastně dimerem spojený disulfidickým můstkem. Poměr redukované a oxidované formy je za fyziologických podmínek 10 : 1 (GSH : GSSG), ale existují velké rozdíly podle metabolické zátěţe, věku apod. Molekula redukované formy glutathionu:
Oxidovaná forma glutathionu:
167
Glutathion je syntetizován převáţně v cytoplazmě, působí však i v jiných organelách (např. v jádře, mitochondriích, endoplazmatickém retikulu aj.) a částečně i v extracelulárním prostoru. Syntéza glutathionu probíhá především v játrech, denně je u člověka nasyntetizováno asi 14 g. Glutathion je syntetizován v -glutamylovém (Meisterově cyklu) postupnou adicí cysteinu ke glutamátu a následně glycinu. Reakce probíhá ve dvou fázích, které obě vyţadují energii ve formě ATP. První reakce je katalyzovaná -glutamylcysteinsyntethasou a reaguje při ní kyselina L-glutamová s Lcysteinem za vzniku -glutamylcysteinu. Druhá reakce je katalyzována glutathionsyntethasou a reaguje při ní -glutamylcystein s glycinem za vzniku -glutamylcysteinylglycinu (redukované formy glutathionu). Z jater je glutathion exportován plazmou do dalších orgánů. Syntéza glutathionu – Meisterův cyklus:
168
Funkce glutathionu Glutathion je zapojen do řady biologických procesů a vyznačuje se významnou rolí v oxidoredukčních reakcích, při ochraně buněk proti škodlivým účinkům xenobiotik. Hlavní funkce glutathionu jsou vázané na thiolovou skupinu (-SH) cysteinu obsaţeného v glutathionu. Tato skupina je zapojena jak do redukčních tak do konjugačních reakcí. Při působení volných radikálů dochází k oxidaci thiolové skupiny za vzniku disulfidické skupiny, čímţ dochází k propojení dvou molekul redukovaného glutathionu (GSH) a vzniká dimer oxidovaného glutathionu (GSSG). Celá reakce je katalyzována enzymem obsahujícím selen – glutathionperoxidasou (GPx). Regenerace glutathionu je katalyzována flavoproteinovým enzymem glutathionreduktasou (GR) za účasti NADPH+H+. Zapojení glutathionu při likvidaci peroxidu vodíku:
169
Thiolová skupina má rozhodující roli rovněţ v detoxikačních reakcích. Působením glutathionS-transferasy jsou xenobiotické látky navázány na redukovanou formu glutathionu a vzniká komplex R–S–G, kde R je elektrofilní xenobiotikum. Další významnou úlohou glutathionu je ochrana specifických bílkovin obsahujících sulfhydrylové (-SH) skupiny, které jsou většinou nezbytné pro jejich funkci. Patří k nim např. mnohé enzymy (dehydrogenasy, ATPasy, kreatinkinasa, enzymy podílející se na regeneraci poškozené DNA aj.), některé receptory, transportní a jiné proteiny. Glutathion se uplatňuje nejen v cytoplazmě, ale rovněţ v mitochondriích a buněčném jádře, kde chrání DNA před oxidačním poškozením. Intracelulární ochranná funkce glutathionu je dána jeho obsahem v mitochondriích, kde ovlivňuje buněčnou apoptosu a dále v jádře, kde se podílí na regulaci dělení buněk. Fyziologická role glutathionu v organismu by se dala shrnout následovně: Udrţuje homeostázi v buňkách a ovlivňuje řadu biologických procesů - Transport aminokyselin potřebných pro syntézu proteinů a nukleových kyselin - Udrţení enzymů v aktivní formě - Účast v řadě enzymatických reakcí jako kofaktor - Udrţení integrity membrán - Reserva cysteinu Význam v buněčném cyklu - Ochrana DNA - Regulace apoptózy - Regulace dělení buněk (diferenciace, proliferace) Pozitivní vliv na imunitní systém - Podílí se na regulaci počtu a funkčnosti erytrocytů a leukocytů Úloha v detoxifikačních reakcích - Ochrana buněk před xenobiotickými látkami (především v játrech) - Ochrana buněk před působením oxidačních látek z prostředí - Ochrana buněk před intracelulárními antioxidanty - Ochrana před ionizujícím zářením Sledování glutathionu lze vyuţít jako marker zátěţe organismu. Pro hodnocení zátěţe kyslíkovými radikály je důleţité sledování poměru redukovaného a oxidovaného glutathionu. Optimálně je aţ 99 % glutathionu v redukované formě. Mezi potraviny s nejvyšším obsahem glutathionu se uvádí citrusové plody, jahody, broskve, květák, brokolice nebo rajčata. Méně glutathionu je pak v některých masech nebo játrech.
170
13.4 Kyselina hyaluronová Kyselina hyaluronová je biopolymer, který se přirozeně vyskytuje u ţivočichů, bakterií, virů a hub. Patří do skupiny glykosaminoglykanů společně s dalšími látkami jako je chondroitinsulfát, keratansulfát, heparansulfát a dermatansulfát. Glykosaminoglykany jsou sloţeny z opakujících se disacharidových jednotek, které obsahují uronovou kyselinu společně s aminocukry typu hexosaminů. Jako součást tzv. základní substance jsou sdruţeny se strukturními elementy, jako jsou kost, elastin a kolagen. Kyselina hyaluronová je součástí extracelulární matrix mnoha tkání, vyskytuje se především v kůţi, očním sklivci, vlasech, kloubech a dásních. Struktura a syntéza Kyselina hyaluronová je tvořena disacharidovými jednotkami sloţenými z N-acetyl-Dglukosaminu a D-glukuronové kyseliny, které jsou vázány střídavě β-1,3 a β-1,4 glykosidickými vazbami. V organismu se rovněţ vyskytuje ve formě hyaluronátu sodného, který při fyziologickém pH převaţuje. Pro obě formy se pouţívá společný název hyaluronan. Lineární řetězce jsou syntetizovány střídavým připojováním aktivované kyseliny UDP-glukuronové a UDP-N-acetylglukosaminu za pomoci specifického enzymu hyaluronsynthasy. Počet disacharidů je vysoký, můţe dosahovat i více neţ 10 000 jednotek. Molekulová hmotnost řetězce má cca 4 000 kDa. Typickou vlastností kyseliny hyaluronové je schopnost vázat velké mnoţství vody a vyplňovat tak prostor. Schopnost vázat vodu je dána velkým mnoţstvím OH- skupin a zápornými náboji molekul, které odpudivými silami udrţují sacharidové řetězce od sebe vzdáleny. Degradace kyseliny hyaluronové v organismu probíhá enzymaticky působením hyaluronidas, ale na degradaci se rovněţ podílí kyslíkové radikály především v souvislosti s rozvojem zánětu. Hlavním místem degradace jsou játra. Funkce Kyselina hyaluronová má v organismu řadu funkcí lišících se podle typu tkáně, ve které je přítomná. Podílí se na udrţování osmotického tlaku, udrţuje vodu, zachovává a vyplňuje extracelulární prostor, zprostředkovává transport iontů a nutričních látek. V oku je kyselina hyaluronová hlavní sloţkou sklivce, napomáhá zvlhčování rohovky a udrţování její pruţnosti. Dále je významnou součástí synoviální tekutiny v kloubech, kde se její koncentrace pohybuje kolem 1,4 – 3,6 g/l. V kloubu chrání chrupavky před vysycháním a destrukčními procesy, čímţ se významně podílí na správné funkci kloubů. Kyselina hyaluronová napomáhá rovněţ hojení ran, neboť její degradační produkty (oligosacharidy) stimulují tvorbu nových cév.
171
Možnosti využití Fyzikálně-chemické a biologické vlastnosti polymeru hyaluronanu dávají předpoklad širokého vyuţití jak v medicíně, tak i v průmyslu. Především díky svým hydratačním a viskoelastickým vlastnostem je vyuţívána v kosmetickém průmyslu, ale široké vyuţití má i ve speciálních oblastech medicíny jako je dermatologie, oftalmologie, revmatologie, plastická chirurgie, při hojení ran apod.
13.5 Kolagen a elastin Většina savčích buněk je ve tkáních obklopena řadou biomolekul, které jsou souhrnně nazývány extracelulární matrix nebo pojivová tkáň. Hlavními komponenty extracelulární matrix jsou strukturální bílkoviny kolagen a elastin, dále se v ní vyskytují některé specializované bílkoviny (fibrilin, fibronektin, laminin) a proteoglykany, jejichţ jádro tvoří bílkovina a na ni jsou navázány glykosaminoglykany. Hlavní formy pojivové tkáně jsou vazivo, chrupavka a kost. Úloha pojivových tkání nespočívá pouze v zabezpečení pevnosti, elasticity a mechanické opory těla, ale podílí se rovněţ na imunitních pochodech, na dějích při zánětu a na hospodaření s vodou a elektrolyty. Kolagen Kolagen je hlavní sloţkou většiny pojivových tkání a představuje 25 - 30 % všech bílkovin v organismu savců. Nachází se ve šlachách, vazech, cévách, kůţi, v bazálních membránách, ve vazivu parenchymatózních orgánů, v rohovce, chrupavkách, kostech i v zubech. V současnosti je známo jiţ 28 rozdílných typů kolagenů, které se liší svou funkcí, strukturou a zastoupením v jednotlivých orgánech a tkáních. Základní sloţení všech typů kolagenů je však shodné. Struktura kolagenu Kolagen je ve vodě nerozpustná bílkovina tvořící kolagenní vlákna, která mají strukturu trojité šroubovice. Základní strukturální jednotkou je trojitá šroubovice (tropokolagen) sestávající ze tří α-řetězců, které se vyskytují ve dvou typech (α1, α2). Řetězceα1 a α2 jsou zastoupeny v tropokolagenu v různém poměru, čímţ je ovlivněna molekulární struktura kolagenu. Kaţdý α-řetězec je stočen do levotočivé spirály, ve které připadají na jeden závit tři aminokyseliny. V tripletech aminokyselin se pravidelně opakuje na kaţdé třetí pozici glycin, který je tak jedinou aminokyselinou v centru šroubovice. Struktura šroubovice je charakterizovaná sekvencí (Gly-X-Y)n, kde X a Y mohou být různé aminokyseliny, ale dominantními aminokyselinami jsou prolin, hydroxyprolin a hydroxylysin. Na hydroxylysin mohou být vázány O-glykosidovou vazbou sacharidy, nejčastěji galaktosa a galaktosyl-glukosa. Základní řetězce patří svým obsahem aţ 1000 aminokyselinových zbytků k nejdelším molekulám v těle.
172
Kvarterní struktura kolagenu se do určité míry liší podle typu a funkce kolagenu. Jsou rozlišovány dva základní typy kolagenů: -
-
Kolageny vytvářející histologicky definovaná vlákna – do této skupiny patří např. typy I, II, III, které se vyskytují v kůţi, cévách, šlachách, vazech, kostech, dentinu, fasciích, fetálním pojivu, chrupavkách a cévách. Kolageny, které typická vlákna nevytvářejí – do této skupiny patří např. typy IV, V, VI, VII, VIII, které se vyskytují v bazálních membránách, oční čočce, intimě cév, kůţi apod.
Vlákna fibrilárních typů kolagenu jsou sestavována podélným přikládáním tropokolagenu (trojšroubovice), přičemţ kaţdá jednotka je podélně posunuta vůči jednotce sousední o ¼ délky. Mezi jednotlivými vlákny se vytváří kovalentní příčné vazby, které mohou mít jak intramolekulární tak i intermolekulární charakter. Díky těmto příčným vazbám jsou kolagenní vlákna vysoce odolná v tahu. Některé typy kolagenů tvoří ve tkáních místo vláken vzájemně propojenou síťovitou strukturu. Tato struktura vzniká tím, ţe v α-řetězci je několik úseků, v nichţ není typická sekvence (Gly-X-Y), čímţ je narušena struktura šroubovice. Tyto úseky mají globulární strukturu. Syntéza kolagenu Kolagen je syntetizován v různých typech buněk, především však buňkami vaziva, chrupavek a kostí. Syntéza začíná uvnitř buňky, kde jsou na drsném endoplazmatickém retikulu syntetizovány polypeptidové řetězce. V endoplazmatickém retikulu dochází dále k řadě posttranslačních modifikací, které jsou pro správnou funkci kolagenu nezbytné (zrání kolagenu). Jedná se o tři základní reakce – hydroxylace, glykosylace a postupná tvorba trojšroubovice (vznik prokolagenu). Hydroxylace prolinových a lysinových zbytků za vzniku hydroxyprolinu a hydroxylysinu jsou katalyzovány specifickými hydroxylasami, které vyuţívají jako kofaktor ţeleznaté ionty, 2-oxoglutarát a kyselinu askorbovou (vitamin C). Nedostatek vitaminu C a ţeleza znemoţňuje hydroxylaci, čímţ dochází k narušení zrání kolagenu, protoţe nehydroxylovaný řetězec není schopen další maturace a nedostává se mimo buňku. Glykosylace navazuje na hydroxylaci a dochází při ní k navázání galaktosy nebo galaktosylglukosy na OH-skupinu hydroxylysinových zbytků. Intracelulárně dochází ještě ke vzniku trojité šroubovice (prokolagenu), která je vyloučena z buňky pomocí Golgiho aparátu. V extracelulárním prostoru postupně vzniká typická kvarterní struktura odpovídající jednotlivým typům kolagenu. Intracelulárně vytvořené fibrily nemají vyhovující mechanické vlastnosti a je nezbytné jejich zpevnění vytvořením příčných vazeb. Tyto vazby vychází z aminoskupin zbytků lysinu a hydroxylysinu, na které působí enzym lysyloxidasa (aminooxidasa). Dochází postupně k deaminaci a oxidaci dvou lysinových zbytků a takto vzniklé aldehydové skupiny spolu reagují. Vznikem těchto kovalentních příčných vazeb získává kolagenní fibrila vysokou pevnost, ale má minimální roztaţitelnost. Pro vznik příčných vazeb je nezbytná měď, která je součástí enzymu lysyloxidasy.
173
Degradace kolagenu probíhá enzymaticky působením kolagenas, které štěpí kolagen na specifických místech, čímţ vznikají menší části, které jsou jiţ dále štěpeny nespecifickými tkáňovými proteolytickými enzymy. Vlastnosti kolagenu Kolagenní vlákna vynikají vysokou pevností, ale jsou poměrně málo pruţná. Kolagen není rozpustný ve vodě ani v roztocích solí, zředěných kyselin a zásad. Při zahřívání na vyšší teplotu (40 – 65 oC) dochází ke smršťování molekuly kolagenu, při dalším zvýšení teploty (90 o C) dochází k narušení struktury kolagenu, přeruší se vazby mezi polypeptidovými řetězci a uvolní se jednotlivé molekuly tropokolagenu. Při ochlazení se náhodně obnovují vazby mezi částmi téhoţ řetězce nebo různými řetězci a vznikají struktury, které jsou schopny zachytit velké mnoţství vody – gely. Dlouhodobějším působení vyšších teplot dochází k částečné hydrolýze, a tím změnám primární struktury kolagenu a vzniku ţelatiny. V potravinářství se ţelatina vyrábí z kolagenu kůţí a kostí, nejprve je kolagen extrahován vodou a po té je částečně hydrolyzován působením alkalických nebo kyselých látek. Tímto způsobem jsou vyráběny různé typy ţelatiny, které se liší molekulovou hmotností a ţelírujícími schopnostmi. Z kolagenu škáry kůţe se vyrábějí klihová střívka, která se pouţívají jako jedlé obalové materiály pro masné výrobky. Elastin Elastin je další významnou sloţkou pojivových tkání vyznačující se vysokou ohebností a elasticitou. Je schopen se roztáhnout aţ na několikanásobek původní velikosti a po té se vrátit do původního stavu, čímţ dodává tkáním specifické vlastnosti jako je roztaţitelnost a smrštitelnost. Elastin má rovněţ určitou pevnost v tahu, ale podstatně menší neţ kolagen. Nachází se ve stěnách cév (především ve velkých arteriích), elastických vazech, kůţi, šlachách, chrupavkách ušního boltce a hrtanu a je významnou součástí plicního vaziva. Struktura elastinu Elastin tvoří síťovité struktury, jejichţ základní jednotkou je tropoelastin tvořený jedním polypeptidovým řetězcem. Aminokyselinové sloţení elastinového řetězce je zcela specifické s převahou nepolárních aminokyselin. Nejvyšší zastoupení má glycin, následuje alanin, valin, leucin a isoleucin (představují cca 80 % aminokyselin). Z polárních aminokyselin má význam pouze lysin. Elastin obsahuje také určité mnoţství hydroxyprolinu, ale v podstatně menším zastoupení neţ je v kolagenu a hydroxylysin není přítomen. Elastin neobsahuje opakující se sekvence aminokyselin ani ţádné sacharidové sloţky. Syntéza elastinu Elastin je syntetizován vazivovými nebo hladkosvalovými buňkami jako tropoelastin, který je globulárního charakteru. Ve struktuře tropoelastinu se střídají dva úseky. Majoritní část představuje hydrofobní β-spirála a druhá má strukturu α-helixu. V buňce dochází k hydroxylaci části prolinu na hydroxyprolin působením prolinhydroxylasy a po té je elastin 174
sekretován mimo buňku, kde se prostorově organizuje pomocí hydrofobních interakcí mezi globulemi. Konečná struktura vzniká působením lysyloxidasy, stejného enzymu který se podílí na zrání kolagenu. Působením tohoto enzymu dochází ke vzniku příčných vazeb mezi α-helixovými úseky tropoelastinu. Příčné vazby jsou tvořeny desmosiny, které vznikají kondenzací 3 aldehydů odvozených od lysinu a jednoho lysinu. Takto vzniklá příčná desmosinová vazba je podstatou vzniku trojrozměrné síťoviny. Zesíťovaná forma elastinu je nerozpustná, velmi stabilní a má nízký metabolický obrat. Pro vznik příčných vazeb je nezbytná měď, která je součástí enzymu lysyloxidasy. Degradace elastinu je moţná pouze působením specifických elastas, jejichţ účinnost je však v organismu inhibována řadou faktorů. Vlastnosti elastinu Elastin vyniká velkou pruţností a i po vysokém stupni roztaţení je schopen se vrátit do původního tvaru. Naopak pevnost je niţší neţ u kolagenu. Elastin dále vyniká vysokou odolností vůči proteolýze. Tato odolnost je dána jednak neschopností běţných proteolytických enzymů elastin rozloţit a dále tím, ţe v organismu existuje řada faktorů, které blokují účinnost specifických enzymů – elastas. Jsou to např. některé krevní proteiny (α1antitrypsin, α2-makroglobulin) a speciální inhibitor v bronších. V potravinářském průmyslu nemá elastin speciální vyuţití a není mu proto věnována pozornost.
175
14
GLYKEMICKÝ INDEX
Problematika glykemického indexu je aktuální problematikou. V biochemii se promítá do biochemie sacharidů a do problematiky neurohumorální regulace glykemie. Biochemická problematika, která navazuje a je současně základem glykemického indexu je také v úzké souvislosti s vybranými aspekty. Zastoupení druhů sacharidů má přímý vliv na glykemický index a je součástí teorie glykemického indexu v potravinách. Glycidy (sacharidy) v potravinách dělíme podle stravitelnosti na stravitelné a nestravitelné. Další členění je na monosacharidy, disacharidy a polysacharidy.
Příklady glycidů ze skupiny stravitelných a nestravitelných jsou následující: Glycidy (sacharidy, cukry) stravitelné - glukosa, fruktosa, sacharosa, laktosa, škrob, glycidy potravin nestravitelné - pektin, celulosa, hemicelulosy, fruktany, beta-glukany, rafinosy. Hlavními zástupci glycidů jsou zástupci všech tří uvedených skupin, tj. monosacharidy – glukosa, fruktosa, disacharidy – sacharosa, laktosa, maltosa a polysacharidy – škrob, glykogen. Zvláštní podskupinu oligosacharidů (spojených dvou maltooligosacharidy, fruktooligosacharidy a galaktooligosacharidy.
monosacharidů)
tvoří
Samostatně stojí i podskupina tzv. nestravitelných polysacharidů, která zahrnuje celulosu, necelulosové polysacharidy (hemicelulosy a pektin), fruktany a polydextrosu.
Biochemická problematika glykemického indexu (zkr. GI) Glykemický index biochemicky souvisí s glykemií, tj. hladinou glukosy v krvi ve smyslu normoglykemie, hyperglykemie a hypoglykemie. Její nejčastější hodnoty jsou uváděny u hypoglykemie pokles pod 3,3 mmol/l a u hyperglykemie vzestup hodnot nad 7,0 mmol/l Hladina krevního cukru (glykemii) je regulována hormonálně v systému neurohumorální regulace. Glukosa slouţí k udrţení glykemie, tj. hladiny glukosy v krvi, kterou organismus udrţuje konstantně. Glykemie regulována hormonálně především dvěma hormony produkovanými Langerhansovými ostrůvky pankreatu (jejich příslušnými buňkami) – insulinem a glukagonem. Insulin sniţuje hladinu glykemie a glukagon zvyšuje hladinu glykemie. Mezi nimi je antagonistický vztah.
176
Produkty buněk Langerhansových ostrůvků pankreatu jsou: - A (α) buňky - glukagon - B (β) buňky – insulin a další produkty
INSULIN Insulin je makromolekula bílkovinné povahy, sloţená ze dvou polypeptidových řetězců (A, B), které jsou spojeny disulfidickými můstky. Dohromady polypeptidové řetězce A + B mají 51 aminokyselin, z toho A = 21 aminokyselin, B = 30 aminokyselin. Insulin hladinu glykemie sniţuje mechanismy – zvýšením počtu transportéru GLUT4 v tukové tkáni a kosterní svalovině, zvýšením glykogenese v játrech a ve svalu, zvýšením glykolysy a lipogenese v játrech, svalu a tukové tkáni a sníţením glukoneogenese a glykogenolysy v játrech.
GLUKAGON Je polypeptid, sloţený z 29 aminokyselin, produktem alfa-buněk. Glukagon hladinu glykemie zvyšuje cestou zvýšení glykogenolysy a glukoneogenese v játrech a sníţením glykogenese a glykolysy v játrech, dále podporuje lipolysu a ketogenesi. Sekreci glukagonu ovlivňuje hladina glukosy v krvi. Na neurohumorální regulaci glykemie se podílejí i další hormony. Somatotropní hormon hladinu glykemie zvyšuje sníţením citlivosti na insulin. Trijodtyronin a tyroxin glykemii zvyšují mechanismem zvýšení resorpce glukosy ve střevě a glykogenolysy v játrech. Adrenalin glykemii zvyšuje, kdy zvyšuje glykogenolysu a glukoneogenesi. Kortizol zvyšuje glykemii zvýšením glukoneogenese v játrech.
Biochemie glykemického indexu (zkr. GI) Glykemický index vyjadřuje účinek poţité potraviny na hladinu glykemie v porovnání s účinkem standardní látky (glukosy), jejíţ glykemický index je 100. Představuje tedy schopnost potraviny, která obsahuje cukry, zvýšit hodnotu glukosy v krvi (glykemii). Glykemický index lze také definovat jako hodnotu, která udává do jaké míry je sacharidová potravina schopna zvýšit hladinu cukru v krvi. Glykemický index je bezrozměrné číslo, které má hodnoty od 0 do 100. Vedle glykemického indexu je také insulinemický index, který hodnotí insulinovou odezvu na potraviny. Pokud má potravina nízký glykemický index, bude pravděpodobně i nízký insulinemický index. 177
Glykemický index není moţné vypočítat nebo odhadnout z mnoţství zastoupených ţivin v potravině. V problematice glykemického indexu je základem přínos a význam glycidů pro organismus, tj. zdroj energie. Glukosa je zastoupena v řadě metabolických cyklů, jako je např. glykolysa, pentosový cyklus. Glykemický index souvisí s postavením glycidů, jako zdroje energie pro organismus, přičemţ 1 g cukrů poskytuje energii 17,2 kJ. Zdroje glycidů jsou především v potravinách rostlinného původu, tj. sacharosa, škrob (brambory, mouka) a mase je zastoupen glykogen.
Podle hodnot glykemického indexu (GI) potraviny následně dělíme na: - potraviny s nízkým glykemickým indexem, tj. pod 60, resp. 55 - potraviny se středním glykemickým indexem, tj. 55, resp. 60 – 70 - potraviny s vysokým glykemickým indexem, tj. nad 70
Příklady vybraných druhů potravin s hodnotami glykemického indexu jsou následující: Potraviny s nízkým glykemickým indexem: zelenina – 10, meruňky – 20, švestky, grepy, citrony, višně – 22, luštěniny – 22, jablka, broskve – 30, mléko polotučné – 30, jogurt – 35. Potraviny se středním glykemickým indexem: těstoviny – 55, sušenky – 55, banány, melouny – 65, kompoty – 65. Potraviny s vysokým glykemickým indexem: chipsy – 80, med – 90, rýţe – 90, pivo – 100. Ve vztahu ke spotřebě potravin a glykemickému indexu doporučují výţivová doporučení preferovat příjem potravin s niţším glykemickým indexem (méně neţ 70), tj. luštěniny, celozrnné výrobky, neloupanou rýţi, těstoviny, aj. Další biochemické souvislosti glykemického indexu souvisí s jeho hodnotou, tj. s nízkým a vysokým glykemickým indexem. Potraviny mají následně vlivy, které se projeví fyziologickými účinky. Potraviny s nízkým glykemickým indexem prodělávají pomalé trávení glycidů a současně se vyhýbají glykemické špičce a vylučování mastných kyselin z jater, dále mají pozitivní vliv na zlepšení funkce mozku a prodluţují sytost a pocit sytosti. Potraviny s vysokým glykemickým indexem mají pozitivní účinek na duševní výkonnost, který je pouze krátkodobý. Současně se zvyšuje insulinemie, glykemická reakce a vylučování adrenalinu. 178
Efekt glykemického indexu ovlivňují následující faktory: -
vzájemné působení obsahu glycidů v potravině, vzájemný poměr ţivin (bílkovin, tuků a cukrů), obsah vlákniny, způsob zpracování potraviny, kyselost potraviny.
S problematikou glykemického indexu souvisí i problematika vlákniny s ohledem na její příznivé působení na zdravotní stav člověka. Podle rozpustnosti ve vodě rozlišujeme nerozpustnou vlákninu (zahrnuje celulosu, hemicelulosu a lignin) a vlákninu rozpustnou ve vodě zahrnující pektin a slizy.
Přínosné působení vlákniny v organismu lze shrnout následovně: -
vláknina a zejména hemicelulosy zvětšují objem střevní náplně a podporují střevní peristaltiku a současně jsou prevencí zácpy, vláknina podporuje rozmnoţení sacharolytických bakterií tlustého střeva, které podporují prospěšné kvasné děje, potlačují hnilobné bakterie, vláknina má adsorpční vlastnosti pro některé nízkomolekulární dusíkaté látky a ţlučové kyseliny, čímţ přispívá současně ke sníţení cholesterolemie, vláknina sniţuje absorpci ţivin střevní stěnou, zpomaluje vstřebávání glukosy, sniţuje nároky na produkci insulinu, vláknina, její rozpustná forma, se podílí na zpomalení vyprazdňování ţaludku a prodluţuje tak pocit nasycení.
Příjem vlákniny pro člověka je doporučován v hodnotě 30 g na den. Příjem nad hodnotu 30 g se nedoporučuje s ohledem na moţnost sníţeného vstřebávání minerálních látek a vitaminů. Doporučován je i poměr rozpustné a nerozpustné vlákniny 3:1.
179
15
BIOCHEMICKÉ ASPEKTY POTRAVINOVÉ PŘECITLIVĚLOSTI
V souvislosti s příjmem některých druhů potravin se mohou vyskytovat u konzumentů neţádoucí reakce. Mohou se projevit buď u všech jedinců (po poţití dostatečného mnoţství alergizijící potraviny), nebo u přecitlivělých jedinců, tj. potravinová přecitlivělost.
15.1 Potravinová alergie Přibliţně 20 % populace je přesvědčeno o tom, ţe se jejich zdravotní potíţe rozvíjejí ve vazbě na poţití potravin. Při provedení testů se však potravinová alergie potvrdí pouze cca u 2 - 4 % dospělých a cca u 8 % dětí. U dětí se řada potravinových alergií vytrácí po 3 letech věku. Potravinová alergie je nepřiměřená reakce imunitního systému na specifickou sloţku určité potraviny. Imunitní odpověď organismu na potravinové antigeny probíhá humorální reakcí nebo buněčnou reakcí. Humorální odpověď organismu spočívá v produkci protilátek třídy IgE a nazývá se „časná přecitlivělost―. Druhý typ reakce je „pozdní přecitlivělost―, za kterou jsou zodpovědné non-IgE imunologické mechanismy. U některých jedinců dochází k výskytu smíšených typů alergické reakce IgE a non-IgE.
Časná přecitlivělost Časná přecitlivělost je způsobena alergickou reakcí I. typu, která spočívá v produkci protilátek třídy IgE, k jejichţ tvorbě dochází postupně v procesu senzibilizace. U zdravých jedinců se tyto protilátky vyskytují v minimálním mnoţství. Protilátky IgE se naváţí na specifické receptory na buněčné membráně ţírných buněk. Při dalším kontaktu s alergenem pak dochází k navázání alergenu přímo na tyto navázané IgE, čímţ dochází k uvolnění histaminu a dalších mediátorů zánětu (serotonin, TNF-α) ze ţírných buněk a dochází ke vzniku alergické reakce. Biologický poločas IgE činí cca 1 – 2 dny, avšak zvýšené hodnoty imunoglobulinů mohou být zjišťovány aţ 2 týdny. Alergická reakce nastupuje velmi rychle, většinou během 30 minut aţ 2 hodin (časná reakce) a způsobuje vznik různých typů klinických problémů. Často se objevují koţní potíţe (kopřivka, angioedém, exantém), postiţení respiračního systému (spasmus průdušek, edém), orální alergický syndrom (svědění dásní a patra, otoky rtů, jazyka, poruchy polykání, periorální exantémy) a zaţívací problémy (bolesti břicha, průjem, zvracení). V případě těţkých reakcí dochází k postiţení oběhového systému a poklesu krevního tlaku Při potravinových alergiích se někdy objevují těţké anafylaktické reakce organismu. Při anafylaktické reakci dochází současně k postiţení respiračního, kardiovaskulárního a gastrointestinálního aparátu, případně i postiţení kůţe. Velmi rychle vznikají edémy, spastická dušnost a dále dochází k dušení z důvodu neprůchodnosti horních cest dýchacích, 180
klesá krevní tlak a dochází i k poruše vědomí. Bez okamţitého lékařského zásahu můţe dojít k úmrtí v důsledku rozvoje anafylaktického šoku (selhání krevního oběhu) a/nebo udušení. Pozdní přecitlivělost Pozdní přecitlivělost je vlastně oddálený typ přecitlivělosti, za který jsou zodpovědné non-IgE imunologické mechanismy s fenomény oddálené přecitlivělosti za účasti imunokompetentních buněk typu T-lymfocytů nebo eosinofilů, moţná je i účast imunokomplexů, antimetabolitů a autoprotilátek. Hlavní podíl na oddáleném typu přecitlivělosti má buněčná imunitní odpověď, kdy dochází po příjmu alergenu k aktivaci Tlymfocytů a produkci cytokinů, způsobující další aktivaci makrofágů a lymfocytů. K poškození tkání dochází působením cytokinů a aktivovaných makrofágů a lymfocytů. Symptomy pozdní přecitlivělosti se objevují v delším časovém horizontu (dny aţ týdny). Většinou se projevují koţními problémy, dále postiţením gastrointestinálního aparátu a respiračního aparátu. Z pohledu klinických případů dochází často k výskytu smíšené (IgE a non-IgE) imunologické reakce, která se obdobně projevuje postiţením kůţe (atopická dermatitida), gastrointestinálního aparátu (záněty jícnu a ţaludku projevující se bolestí, refluxem, zvracením, průjmy) a respiračního aparátu (astma). Alergeny Alergeny jsou látky, které jsou schopny v organismu člověka vyvolat imunitní reakci, tedy produkci specifických protilátek nebo aktivaci buněčné imunity. Jako potravinové alergeny mohou působit různé sloţky potravin. Chemicky se jedná většinou o glykoproteiny, které jsou rozpustné ve vodě a jsou odolné vůči proteolyse a většinou i tepelnému zpracování. Molekulová hmotnost potravinových alergenů se pohybuje nejčastěji kolem 5 – 100 kDa. Z těchto poměrně sloţitých molekul působí jako vlastní alergen samotná sekvence několika aminokyselin v jednotlivých polypeptidech (většinou 5 – 10 aminokyselin) a rovněţ jejich prostorové uspořádání. Prostorové uspořádání do značné míry ovlivňuje termostabilitu i stabilitu k proteolytickému trávení. Tyto alergenní oligopeptidy jsou označovány jako epitopy. Epitopy představují pouze velmi malou část molekuly glykoproteinu (alergenu) a tato sekvence aminokyselin nemusí být v přírodě jedinečná. Obdobnou skladbu mohou mít buď příbuzné, nebo i zcela odlišné potraviny. Podle mnoţství shodných úseků bílkovin rozlišujeme alergeny homologní a panalergeny. Homologní alergeny (vyskytují se v nich shodné epitopy) způsobují vznik zkříţených alergických reakcí. Udává se, ţe podobnost jednotlivých úseků bílkovin je aţ 50 %. Zkříţené potravinové alergie bývají zjišťovány např. mezi kravským mlékem a hovězím masem (10 % případů), dále mezi kravským a kozím mlékem (90 % případů), mezi jednotlivými druhy ryb (50 % případů) a mezi pšenicí a jinými obilovinami (25 % případů). Dalším příkladem 181
zkříţených alergií je výskyt potravinové alergie při některých pylových alergiích. Uvádí se, ţe aţ 50 % dospělých postiţených pylovou alergií, trpí rovněţ potravinovou alergií v důsledku zkříţené alergie mezi pylem a potravinou. Např. u alergií na pyl břízy bývá často současně zjišťována přecitlivělost na stromové ořechy, jablka, kiwi, kořenovou zeleninu, syrové brambory či peckoviny. Panalergeny mají shodných aţ 80 % jednotlivých úseků bílkovin. Jedná se o vývojově velmi staré universální bílkoviny, které se objevily v rámci fylogenese a přecházely v nezměněné formě do řady dalších odlišných větví. Výskyt zkříţených reakcí je proto mezi těmito typy alergenů mnohem vyšší. Mezi panalergeny patří profiliny (pyly, potraviny), parvalbumin (ryby, obojţivelníci), tropomyosin (bezobratlí), alfa-livetin (vejce, peří) nebo LTP (lipid transfer protein), který je přítomen v různých rostlinách. Pro vyvolání alergické reakce je důleţitá dávka alergenu, přičemţ nejmenší dávka schopná vyvolat alergickou reakci je tzv. prahová dávka, která je však vysoce variabilní. Prahové dávky se liší nejen v závislosti na typu patogenu, ale také v závislosti na stupni přecitlivělosti a na druhu imunopatogenetického mechanismu. Důleţitý je rovněţ stav konkrétního jedince, protoţe v závislosti na dalších faktorech můţe dojít k ovlivnění citlivosti. Ke zvýšení citlivosti můţe dojít například současným poţitím alkoholického nápoje, následnou tělesnou námahou, poţitím léků zvyšujících vstřebávání potravinového alergenu do krve apod. Obecně lze říci, ţe časné alergické reakce zprostředkované IgE protilátkami mohou vzniknout jiţ při příjmu stopového mnoţství alergenu potraviny (μgmg), ale u pozdních alergických reakcí (typ non-IgE) jsou menší mnoţství alergenu tolerovány. Alergizující potraviny Z biochemického pohledu mohou být prakticky všechny potraviny obsahující bílkoviny/glykoproteiny alergizující a mohou vyvolat neţádoucí odpověď imunitního systému. Naštěstí však tuto reakci vyvolává poměrně úzké spektrum bílkovin obsaţených v potravinách. Podle incidence alergických reakcí se rozlišují hlavní alergeny, které způsobují alergickou reakci u 50 % jedinců alergických na danou potravinu a vedlejší alergeny, které jsou příčinou alergických reakcí spíše vzácně. Výskyt potravinových alergií se liší podle věku. Nejčastějšími potravinami, které vyvolávají alergické reakce u dětí, jsou kravské mléko, vejce, sója, arašídy, ořechy, ryby a korýši. U dospělých jsou pak nejčastější alergické reakce na arašídy, ořechy, korýše, ryby a vejce. Kravské mléko – alergeny jsou obsaţeny jak v syrovátce, tak i v mléčné sraţenině, nejčastějšími alergeny jsou kasein, α-laktoalbumin a β-laktoglobulin. Při zpracování mléka na mléčné výrobky většinou nedochází k narušení hlavních alergenogenních epitopů, takţe při alergiích na kravské mléko jsou často pacienti alergičtí rovněţ na mléčné výrobky. Bílkoviny kravského, kozího a ovčího mléka vykazují poměrně vysokou homologii v sekvenci 182
aminokyselin a vykazují zkříţené alergie. Z tohoto důvodu většinou nelze kravské mléko nahradit mlékem jiných ţivočišných druhů. Alergické reakce se projevují nejčastěji u dětí do věku 3 let. Byly zjištěny jak akutní alergické reakce včetně anafylaxe tak i chronické alergické reakce projevující se atopickým exémem a chronickými záněty střev. Vejce - alergeny se vyskytují především v bílku (ovalbumin, ovomukoid), ale někdy se objevují i alergie na vaječný ţloutek. Alergické reakce se objevují častěji u dětí, ale postiţeni bývají i dospělí. Obdobně jako u mléka bývají zjišťovány chronické atopické exémy. Arašídy – alergeny obsaţené v arašídech jsou především viciliny, leguminy a prolaminy. Významný podíl na vzniku alergií má zřejmě tepelná úprava arašídů. Praţení pravděpodobně alergenicitu zvyšuje, zatímco při vaření je výskyt alergií nízký. Alergické reakce na arašídy jsou většinou akutního charakteru a poměrně častý je i anafylaktický průběh reakce. Komplikujícím faktorem pak je, ţe anafylaktická alergická reakce můţe nastat i po přijetí stopového mnoţství arašídů, které se můţe v potravinách vyskytovat pouze jako kontaminant. Vedle těchto anafylaktických reakcí však mohou arašídy způsobovat i zhoršení některých chronických onemocnění, např. atopického exému nebo průduškového astma. Zkříţené alergie se projevují se sójou a u některých pylových alergií. Dále existuje zkříţená alergie mezi arašídy a ořechy různých druhů (mandle, vlašské, lískové, pistáciové, kešu). Zkříţené alergie fungují i mezi různými druhy ořechů, přestoţe jsou často botanicky velmi odlišné. Ryby – hlavním alergenem ve svalovině ryb je parvalbumin, protein obsahující 108 – 109 aminokyselinových zbytků, který je panalergenem vyskytujícím se u většiny druhů ryb. Alergické reakce se vyskytují především u dospělých v přímořských oblastech.. Korýši a měkkýši – hlavním alergenem je tropomyosin, který se nachází ve svalovině bezobratlých ţivočichů a patří mezi panalergeny. Alergické reakce se vyskytují především u dospělých v přímořských oblastech. Sója – obsahuje velké mnoţství proteinů s vysokou biologickou hodnotou (aţ 35 % v semenech), přičemţ alergie způsobuje vicilin a legumin, které jsou termostabilní. Nebezpečné je poţití sóji např. v masných výrobcích, kam můţe být sója přidávána. Sója je příčinou zhoršení atopického ekzému u dětí, ale byly zjištěny i anafylaktické reakce. Pšeničná mouka - v proteinech pšeničného zrna bylo izolováno dvacetsedm potenciálních alergenů, např. gluteliny, prolaminy, inhibitory serinových proteas. Alergické reakce bývají zjišťovány u dětí s atopickým ekzémem, v dospělosti mohou vyvolat vznik atopického ekzému a chronické zaţívací potíţe. Anafylaktické reakce byly popsány, následuje-li po poţití zvýšená tělesná námaha. Gluten alergickou reakci nezpůsobuje. Semena (hořčičná, sezamová, slunečnicová) – v semenech těchto rostlin se vyskytují bílkoviny, které mohou být alergenní. U sezamu byly identifikovány např. 7S vicellin a 2S albuminy, a obdobně byly nalezeny i bílkoviny zodpovědné za alergické reakce u slunečnice a 183
hořčice, která představuje 1 – 7 % potravinových alergií. Většinou byly popsány u těchto látek anafylaktické reakce. Celer – byly zjištěny minimálně 3 skupiny alergenních proteinů celeru, včetně přítomnosti profilinu (panalergen), coţ je zřejmě příčinou častých zkříţených alergií. Alergie na celer bývá spojena s alergií na pyl břízy a pelyňku, případně karotky a koření. Alergeny přítomné v celeru se vyskytují především v bulvě a jsou termostabilní, takţe můţe dojít ke vzniku alergické reakce i po tepelné úpravě. Byly popsány alergické reakce ve formě orálního alergického syndromu nebo došlo ke vzniku anafylaktických reakcí. Exotické ovoce – v souvislosti s rozšířením dovozu exotického ovoce do Evropy došlo k nárůstu vzniku alergických reakcí, přičemţ nejčastěji se jedná o kiwi, mango a papáju. Často se jedná o závaţné anafylaktické reakce. Koření – alergie na koření se vyskytují především u dospělých osob a byly pozorovány po širokém spektru koření. Nejčastěji jsou zjišťovány u koření příbuzných celeru, jako je fenykl, kmín nebo koriandr.
Alergizující vliv přídatných látek v potravinách Látky, které jsou přidávány do potravin, jsou často povaţovány za hlavní příčinu zdravotních problémů spojených s přecitlivělostí na potraviny. Na základě studií však lze říci, ţe pouze minimum přídavných látek vyvolává klasickou alergickou reakci s produkcí IgE protilátek. Častěji se jedná o reakce, které nejsou alergické. Celá tato oblast je komplikovaná rovněţ vysokou heterogenitou látek, které jsou do potravin přidávány. Nejčastěji se objevují reakce na přídatné látky v potravinách u jedinců s chronickými koţními problémy (atopický ekzém, chronická kopřivka), u nichţ dochází k akutnímu zhoršení jiţ existujícího onemocnění. Přídatné látky v potravinách z pohledu potravinové přecitlivělosti je moţno rozdělit do dvou skupin na látky syntetické a látky přírodního původu. Syntetické přídatné látky v potravinách jsou vyuţívány například ke konzervaci, jako barviva, antioxidanty, náhradní sladidla a látky zvýrazňující chuť. Z konzervačních látek mohou způsobovat těţké alergické, většinou astmatické reakce oxid siřičitý a jeho deriváty. Dále kyselina benzoová a její soli mohou vyvolávat alergickou kontaktní kopřivku nebo exantém a zřídka se můţe objevit i astma a anafylaktická reakce. V menší míře byly popsány alergické reakce na parabeny (ekzémy), kyselinu sorbovou (kopřivka). Ze syntetických barviv byly zaznamenány reakce na azo-barviva, hlavně po poţití ţlutého barviva tartrazin. Většinou se jednalo o koţní reakce. Z antioxidantů byly popsány alergické reakce na butylhydroxyanisol a butylhydroxytoluen, které vyvolaly kontaktní exantém. Obdobně náhradní sladidla aspartam a sacharin vyvolávají ojediněle koţní změny.
184
Přídatné látky přírodního původu jsou vyuţívány jako barviva, zahušťovadla, emulgátory a aromatizující látky. Z pohledu alergických reakcí představují tyto látky větší riziko, protoţe mohou obsahovat bílkoviny z původních přírodních substancí, které mohou být alergizující. Barvivo karmín je vyráběno z hmyzu Dactylopius coccus, jehoţ bílkovina je obsaţena i v konečném produktu. Po poţití potraviny s karmínem byly popsány závaţné alergické reakce zprostředkované IgE protilátkami. Přírodní zahušťovadla jsou vyráběny většinou na bázi gumy, kde mohou být obsaţeny zbytky proteinů původní suroviny, ale alergické reakce jsou vzácné. Vyšší riziko představují lecithinové emulgátory, které jsou vyráběny ze sóji a vajec a jsou proto potenciálním rizikem pro jedince alergické na tyto potraviny. Látky určené k aromatizaci potravin jsou pouţívány ve velmi nízkých koncentracích, a přestoţe např. přírodní aromatické látky mohou obsahovat stopy bílkoviny původní suroviny, není jasné, zda by mohly alergickou reakci vyvolat. Speciální aromatizující látky jako je vanilin, cinnamal, peruánský balzám nebo mentol mohou vyvolat kontaktní ekzémy nebo mohou zhoršovat atopický ekzém. Papain a α-amylasa jsou enzymy bílkovinné povahy, u kterých byly popsány IgE zprostředkované imunitní reakce jak při inhalaci, tak i při poţití potravin s obsahem těchto enzymů. Alergizující vliv kontaminujících látek v potravinách Z látek kontaminující potraviny představují riziko alergických reakcí residua léčiv pouţívaných ve veterinární medicíně, která se mohou objevit v mléce a v mase při nedodrţení ochranných lhůt pro jednotlivá léčiva. Problém představují v tomto ohledu antibiotika, které mohou způsobovat alergické reakce. Těţké anafylaktické reakce zprostředkované IgE protilátkami způsobuje například penicilin, který je schopen vyvolat alergickou reakci i ve stopových mnoţstvích, která mohou být v mase nebo mléce léčených zvířat přítomna. Vliv zpracování potravin na jejich alergenicitu Pro potravinové alergie je významná stabilita alergenů při zpracování potravin. Této problematice je věnována zvýšená pozornost, protoţe sníţení alergenní potence zpracováním představuje moţnost sníţení výskytu alergií a zlepšení stravovacích moţností pro alergické jedince. Bohuţel alergeny, které způsobují závaţné anafylaktické reakce, jsou často velmi rezistentní, vyznačují se odolností vůči nízkému pH, působení proteas a mají vysokou termostabilitu. Z moţností úpravy potravin je sledován vliv různých způsobů tepelné úpravy, rafinace a hydrolysy proteinů. Tepelná úprava – tepelná úprava alergenicitu řady potravin neovlivňuje, u některých ji sniţuje, ale někdy dochází naopak ke zvýšení mnoţství alergenů v potravině. Tepelná úprava ničí alergeny ovoce a zeleniny zkříţeně reagující s pylovými alergeny, které vyvolávají v syrovém stavu potíţe po kontaktu se sliznicí dutiny ústní (svědění, edém, exantém). Mírné sníţení alergenicity potravin (destrukce pouze části alergenů) v závislosti na pouţité teplotě bylo zjištěno např. u mléka, vajec, celeru a vlašských ořechů. Řada dalších alergenů je termostabilní, takţe alergenicitu těchto potravin nelze tepelnou úpravou významně ovlivnit. Do této skupiny patří např. sezam, ryby, korýši, měkkýši, pšeničná mouka, hořčičné 185
semeno. Naopak alergenicita arašídů se tepelnou úpravou můţe zvýšit. Bylo zjištěno, ţe praţením arašídů dochází ke vzniku nových alergenů, ale vařením arašídů se alergenicita nemění nebo mírně sniţuje. Rafinace olejů – rafinováním olejů ze sezamu, slunečnice, arašídů a sóji bylo dosaţeno odstranění alergenicity výchozích potravin. Naopak při lisování olejů za studena zůstává alergenicita původních surovin zachována. Hydrolysa proteinů – se jeví jako perspektivní metoda, protoţe v závislosti na stupni hydrolýzy dochází k významnému sníţení alergenicity výchozí potraviny. Tato metoda se vyuţívá především u mléčných výrobků, které se tak stávají přístupné pro přecitlivělé jedince. Další přípravky se vyrábí na bázi hydrolysy sójového, arašídového nebo pšeničného proteinu. Nicméně sníţení alergenicity závisí na stupni hydrolysy, takţe je nutno počítat s tím, ţe si tyto výrobky určitou alergenogenní potenci mohou zachovat. Léčba potravinové alergie Jedinou racionální léčbou potravinových alergií je v současné době důsledná eliminace alergizující potraviny z jídelníčku postiţeného jedince. V této souvislosti je nezbytné, aby byly pro spotřebitele dostupné přesné informace o sloţení potravinářských výrobků, coţ umoţňuje postiţeným jedinců vyhnout se příjmu alergizujících potravin. Imunoterapie spočívající v opakované aplikaci stoupajících dávek antigenu, která bývá u některých druhů alergií účinná, se při potravinových alergiích neosvědčila. Ochrana před alergizujícími potravinami Lidé, kteří trpí některým typem potravinové alergie, musí alergenní potraviny ze svého jídelníčku zcela vyloučit. U jedinců s rizikem anafylaktické reakce je nebezpečný příjem jiţ stopových mnoţství alergenů a je proto nezbytné, aby postiţení jedinci byli dokonale informováni. V současné době existuje široké spektrum různých potravinářských výrobků, ve kterých se alergizující potraviny mohou v různém mnoţství vyskytovat. Z tohoto důvodu je nutné co nejpodrobnější značení sloţení výrobku na obalech. Tato problematika je zpracována ve vyhlášce č. 127/2008 Sb., kterou se mění vyhláška č.113/2005 Sb., o způsobu označování potravin a tabákových výrobků, kde je v příloze č. 1 uveden seznam alergenních sloţek potravin. Podle těchto předpisů kaţdá alergenní sloţka uvedená v tomto seznamu nebo jakákoliv látka z ní pocházející, která byla pouţita při výrobě potraviny a je v konečném výrobku obsaţena, a to i ve změněné formě, musí být zřetelně označena názvem alergenní sloţky ve sloţení potraviny. Poţadavek na deklaraci alergenní sloţky se nevztahuje na potraviny, u kterých bylo prokázáno, ţe v důsledku pouţité technologie výroby nebo zpracování jiţ výsledná potravina neobsahuje rezidua alergenních látek. Vyhláška ČR vychází z doporučení komise Codex Alimentarius, která vznikla v roce 1963 a od té doby realizuje program potravinových standardů s cílem ochránit spotřebitele a vytvořit pravidla pro trh s potravinami.
186
Vyhláška č. 113/2005 Sb., o způsobu označování potravin a tabákových výrobků, ve znění pozdějších předpisů. Příloha č. 1 uvádí seznam alergenních složek, který obsahuje: -
-
-
-
-
-
Obiloviny obsahující lepek (tj. pšenice, ţito, ječmen, oves, pšenice špalda, kamut nebo jejich hybridní odrůdy) a výrobky z nich s výjimkou glukosového sirupu a dextrosy z pšenice (*), maltodextrinů na bázi pšenice (*), glukosového sirupu vyrobeného z ječného škrobu a obilovin pouţívaných k výrobě destilátů nebo lihu zemědělského původu pro lihoviny a jiné alkoholické nápoje korýši a výrobky z nich vejce a výrobky z nich ryby a výrobky z nich s výjimkou rybí ţelatiny pouţívané jako nosič u vitamínových nebo karotenoidních přípravků, rybí ţelatiny nebo vyziny pouţívané jako čeřidlo při výrobě piva a vína jádra podzemnice olejné (arašídy) a výrobky z nich sójové boby (sója) a výrobky z nich s výjimkou zcela rafinovaného sójového oleje a tuku (*), přírodní směsi tokoferolů (E306), přírodního D-alfatokoferolu, přírodního D-alfatokoferolacetátu, přírodního D-alfa tokoferolu sukcinátu získaného ze sójových bobů, rostlinného oleje získaného z fytosterolů a esterů fytosterolů ze sójových bobů, rostlinný stanol ester vyrobený ze sterolů z rostlinného oleje ze sójových bobů mléko a výrobky z něj (včetně laktisy) s výjimkou syrovátky pouţívané k výrobě destilátů nebo lihu zemědělského původu pro lihoviny a jiné alkoholické nápoje a lacitolu suché skořápkové plody, tj. mandle (Amygdalus communis), lískové ořechy (Corylus avellana), vlašské ořechy (Juglans regia), kešu ořechy (Anacardium occidentale), pekanové ořechy (Carya illinoiesis Wangenh), para ořechy (Bertholletia excelsa), pistácie (Pistacia vera), ořechy makadamie a queensland (Macadamia ternifolia) a výrobky z nich s výjimkou suchých skořápkových plodů pouţívaných k výrobě destilátů nebo lihu zemědělského původu pro lihoviny a jiné alkoholické nápoje celer a výrobky z něj hořčice a výrobky z ní sezamová semena (sezam) a výrobky z nich oxid siřičitý a siřičitany v koncentracích vyšších neţ 10 mg/kg nebo 10 mg/l, vyjádřeno jako SO2 vlčí bob (lupina) a výrobky z něj měkkýši a výrobky z nich
(*) včetně výrobků obsahujících tyto sloţky, pokud zpracování, kterým prošly, nezvyšuje úroveň alergie, kterou Evropský úřad pro bezpečnost potravin (EFSA) stanovil pro příslušný základní produkt.
187
15.2 Nealergická potravinová přecitlivělost Nealergická potravinová přecitlivělost je často nazývána potravinovou intolerancí a vzniká jinými neţ imunitními mechanismy. Mechanismy, které se podílí na vzniku potravinové intolerance, jsou různé metabolické defekty, nadměrná reaktivita na látky s farmakologickým účinkem, které se přirozeně vyskytují v potravinách, a v mnoha případech není mechanismus známý. Látky s fyziologickým účinkem v potravinách V potravinách se mohou vyskytovat různé látky s fyziologickým účinkem. Jsou to např. biogenní aminy působící na cévy (histamin, tyramin, serotonin, dopamin, fenyletylamin), dále metylxantiny (kofein, teobromin, teofylin) a významný farmakologický účinek má rovněţ etanol. Mnoţství těchto látek v potravinách je velmi variabilní. Závaţný problém můţe představovat např. histamin, jehoţ mnoţství v téţe potravině můţe kolísat a ke zvýšení můţe dojít v souvislosti s přípravou potraviny. Vyšší obsah histaminu můţe být v sýrech, některých červených vínech, orientálních fermentovaných potravinách a rybích konzervách. K nárůstu koncentrace histaminu dochází při pozdním nedostatečném zamraţení ryb (tuňák, makrela, sardinky, ančovičky). Ve zkaţené rybě můţe být tak vysoká koncentrace histaminu, ţe můţe vyvolat reakci i u zdravého člověka. Na běţné dávky histaminu ve stravě zdravý člověk nereaguje, ale u jedinců s histaminovou přecitlivělostí se mohou objevit příznaky působení histaminu v organismu (spasmus průdušek, zarudnutí kůţe, bušení srdce, hypotenze, bolest hlavy, křečovitá bolest v břiše). Příčinou histaminové přecitlivělosti jsou změny v metabolismu histaminu u postiţených jedinců, kteří mají narušené enzymatické odbourávání histaminu cestou diaminooxidasy a histaminové metyltransferasy. Přecitlivělost na látky s farmakologickým účinkem se většinou projevuje akutním vzplanutím chronických, hlavně koţních onemocnění, jako je chronická kopřivka nebo atopický ekzém. Metabolické defekty Při potravinové intoleranci způsobené metabolickými defekty chybí v organismu látky (většinou enzymy), které degradují, případně dále metabolizují určitou sloţku potraviny. Po příjmu takové potraviny se u postiţených jedinců objevuje netypická reakce organismu, např. zvracení, průjmy, plynatost, bolesti břicha, křeče, koţní projevy. Nejběţnějším příkladem je laktosová intolerance, která je způsobena deficitem enzymu laktasy, který ve střevě štěpí mléčný cukr – disacharid laktosu na glukosu a galaktosu. Důsledkem je, ţe nestrávená laktosa je fermentována v tlustém střevě bakteriemi, coţ způsobuje plynatost, průjem a nevolnost. Intenzita reakce organismu je ovlivněna mnoţstvím přijatého mléčného cukru. Z dalších metabolických defektů se můţe vyskytovat např. fenylketonurie (vrozená porucha, při níţ postiţení jedinci nesmí konzumovat potraviny obsahující fenylalanin), hereditární fruktosová intolerance (deficit enzymu aldolasa B, který štěpí fruktosa-1-fosfát nebo fruktosu-1,6-bisfosfát), favismus (insuficience enzymu glukosa-6-fosfátdehydrogenasy 188
v erytrocytech zvyšuje jejich citlivost vůči oxidačnímu stresu, k projevu hemolytické anemie dochází typicky po poţití bobů) apod. Jiné potravinové přecitlivosti Celiakie je onemocnění, u něhoţ není známa přesná patogeneze, respektive se předpokládá několik patogenetických mechanismů. Někdy je toto chronické zánětlivé onemocnění trávicího aparátu řazeno mezi potravinové alergie. Pro celiakii se pouţívá také označení celiakální sprue, gluten senzitivní enteropatie, glutenová enteropatie. Celiakie je geneticky podmíněná choroba, která je způsobena celoţivotní nesnášenlivostí lepku (glutenu), coţ je bílkovinný komplex obsaţený v povrchové části obilných zrn. Po poţití lepku dochází k rozvoji chronického zánětu sliznice tenkého střeva s postupnou atrofií střevních klků, coţ způsobuje rozvoj malabsorpčního syndromu. První příznaky se objeví aţ 3 - 6 měsíců po kaţdodenní konzumaci stravy obsahující lepek. Z patogenetického hlediska se jedná o sloţité onemocnění, u kterého se uplatňuje autoimunitní imunopatologická reaktivita v kombinaci s rysy potravinové přecitlivělosti, infekčními vlivy a dalšími abnormalitami.
189
16 FUNKČNÍ POTRAVINY V současné době je ve většině rozvinutých zemí vyřešen problém kvantity potravin a stoupá proto zájem konzumentů o kvalitu přijímaných potravin. V této souvislosti se objevují nové pojmy, jako jsou nutraceutika, funkční potraviny, light potraviny, bio potraviny nebo geneticky modifikované potraviny. Nutraceutika jsou definovány jako potraviny nebo jejich extrakty, které mají prokazatelně pozitivní vliv na lidské zdraví. Do skupiny nutraceutik patří potravinové doplňky, které obsahují koncentrovanou účinnou látku z dané potraviny a funkční potraviny. V České republice jsou nutraceutika definována ve vyhlášce č. 225/2008 Sb., kde jsou stanoveny poţadavky na doplňky stravy a obohacování potravin zdravotně prospěšnými látkami (doplněná vyhláškou 352/2009 Sb.), dále téţ zákonem o potravinách (zákon 110/1997 Sb., ve znění pozdějších přepisů). Pojem „funkční potraviny― není jednoznačně legislativně definován. Nejčastěji jsou funkční potraviny charakterizovány jako potraviny, které mají vedle výţivové hodnoty další prokazatelný příznivý vliv na lidské zdraví, respektive na fyzický a duševní stav člověka. Do funkčních potravin nepatří ţádné potravinové doplňky ani léčiva. Funkční potraviny by měly být součástí denní stravy a přidanou hodnotou těchto potravin je pozitivní vliv na biologické funkce organismu. K projevům pozitivního vlivu nedochází okamţitě, jako je tomu například u léčiv, ale teprve po dlouhodobém pouţívání. Light potraviny jsou potraviny s minimálním obsahem tuku a pouţíváním umělých sladidel. Bio potraviny jsou potraviny, které byly vyrobeny bez pouţití chemických látek. Speciální předpisy pak platí jak pro zemědělskou výrobu, tak i pro zpracování potravin v potravinářském průmyslu. Geneticky modifikované potraviny jsou potraviny, pro jejichţ výrobu byla pouţita surovina geneticky modifikovaná (např. sója). Tato skupina potravin je stále velmi kontraverzní.
Výroba funkčních potravin Funkční potraviny jsou přirozené potraviny, které mohou být vyrobeny různými postupy. Základní charakteristikou však je, ţe se musí jednat o potravinu a ne potravinový doplněk v různých lékových formách (tobolky, tablety, sirupy) 1) Potraviny rostlinného původu, ve kterých byl díky speciálním podmínkám při pěstování, šlechtěním nebo biotechnologickými prostředky zvýšen nebo sníţen obsah specificky působících nutričních látek. 190
2) Potraviny ţivočišného původu, ve kterých byl způsobem chovu, šlechtěním, krmením zvýšen nebo sníţen obsah specificky působících nutričních látek. 3) Potraviny, které byly obohaceny specificky působícími látkami. 4) Potraviny, které byly upraveny technologickými nebo biotechnologickými postupy tak, aby byl sníţen obsah těch sloţek, které mají negativní vliv na zdravotní stav. 5) Potraviny, které byly modifikovány enzymovými, chemickými nebo technologickými prostředky s cílem změny biologické dostupnosti některých látek.
Probiotika Probiotika představují ţivé organismy, které jsou součástí potravin nebo jsou do potravin uměle přidávány a mají pozitivní vliv na zdravotní stav konzumenta. Probiotika jsou z pohledu historie vyuţívány ve výţivě jiţ velmi dlouhou dobu. Původně byly vyuţívány v souvislosti s prodlouţením trvanlivosti potravin. Jednalo se např. o fermentované mléčné nebo masné výrobky. Probiotika mají pozitivní vliv na organismus konzumentů, především díky zlepšení rovnováhy střevní mikroflóry. Předpokládá se, ţe v trávicím traktu dospělého člověka je aţ 400 druhů bakterií a jejich počet se odhaduje na cca 1014. V současné době je na trhu řada mléčných výrobků (jogurty, jogurtové nápoje, acidofilní a kysaná mléka), která obsahují vybrané bakteriální kmeny s vysokou rezistencí vůči pH a ţlučovým kyselinám. Mezi nejčastěji pouţívané probiotické mikroorganismy patří bakterie mléčného kvašení rodu Lactobacillus (acidophilus, bulgaricus, casei), Streptococcus, Lactococcus, Enterococcus, ale celkový výčet je daleko pestřejší. Mechanismus účinku probiotik je rozmanitý, nejčastěji jsou popisovány následující funkce: -
Bariérový efekt – produkce antimikrobiálních látek, blokování adherence patogenů a produkce ţivin pro buňky střevní sliznice. Redukce kolonizace, invazivity, metabolismu a mnoţení neţádoucích bakterií. Ovlivnění sloţení střevní mikroflóry sníţením pH, ovlivnění aktivity mikrobiálních enzymů a ovlivnění střevní motility. Antikancerogenní aktivita – produkcí kyseliny mléčné a octové ve střevech se sniţuje mnoţství hnilobných bakterií Sníţení koncentrace laktosy, a tím problémů s laktosovou intolerancí u postiţených jedinců. Sníţení koncentrace cholesterolu v krvi.
Prebiotika Problematika prebiotik je podstatně mladší a tento termín se začal vyuţívat aţ na konci minulého století. Prebiotika jsou definovány jako „selektivně fermentované ingredience, které umoţňují specifické změny ve sloţení a/nebo aktivitě střevní mikroflóry, 191
coţ má příznivý vliv na hostitelovo prospívání a zdravotní stav.― Prebiotické substance musí být látky rezistentní vůči ţaludečním kyselinám a hydrolytickým enzymům trávicího traktu, ale musí být fermentovatelné střevními bakteriemi a musí selektivně stimulovat růst a /nebo aktivitu střevních bakterií, které mají příznivý vliv na hostitelovo prospívání a zdravotní stav. Tenké a tlusté střevo mají důleţitou úlohu nejen pro příjem ţivin, ale rovněţ pro celkovou imunitu. Substrátem pro růst bakterií tlustého střeva jsou především nestravitelné sacharidy, které jsou metabolizovány v tlustém střevě na mastné kyseliny s krátkým řetězcem (octová, propionová, máselná). Tyto mastné kyseliny jsou významným zdrojem energie pro tlusté střevo. Kyselina máselná má rovněţ schopnost zasahovat do metabolismu rakovinných buněk a zkracovat jejich ţivotnost. Podporou růstu vybraných bakteriálních kmenů dochází rovněţ k omezení růstu potenciálně patogenních bakterií. Jako prebiotika jsou pouţívány nestravitelné oligosacharidy, rezistentní škroby a neškrobové polysacharidy tvořící vlákninu. Nestravitelné oligosacharidy Nejvýznamnějším přirozeným prebiotikem je inulin, který se nachází v kořenu čekanky, hlízách topinamburu, v česneku, pórku, cibuli. Inulin získaný z těchto surovin (čekanka, topinambur) se přidává do mléčných výrobků, nealkoholických nápojů, marmelád apod. Synteticky se vyrábí probiotické oligosacharidy oligomerací sacharosy nebo laktosy (fruktooligosacharidy, galaktooligosacharidy, laktulosa), chemickou úpravou škrobu nebo inulinu a alkoholické cukry (maltiol, laktiol). Pro člověka je významným zdrojem prebiotik mateřské mléko, které obsahuje aţ 15 g nestravitelných oligosacharidů v 1 litru. Tyto oligosacharidy představují vlastní probiotickou podporu bifidobakterií ve střevě kojenců, negativně působí na adherenci patogenních bakterií na střevní stěnu, ovlivňují vstřebávání vápníku a rozvoj nervové soustavy. Kravské mléko tyto látky prakticky neobsahuje.
Rezistentní škroby Dalšími zdroji prebiotik jsou rezistentní škroby. Škroby jsou obsaţeny v řadě potravin ve formě škrobových granulí. Jejich stravitelnost se dá ovlivnit fyzikálními metodami, především pak tepelnou úpravou a rozemletím zrn. Niţší stravitelnost škrobů v tenkém střevě je např. v syrových banánech a bramborách, chlebu, kukuřičných lupíncích, nahrubo rozemletých semenech. Sníţením stravitelnosti škrobů v tenkém střevě stoupá podíl rezistentních škrobů, které mají vlastnosti prebiotik. Neškrobové polysacharidy tvořící vlákninu Jako prebiotická vláknina jsou označovány neškrobové polysacharidy, které nejsou tráveny v tenkém střevě, ale mohou být zcela nebo částečně fermentovány střevní mikroflórou v tlustém střevě. Mezi částečně nebo málo fermentovatelnou vlákninu patří celulosa, některé 192
hemicelulosy, lignin a rostlinné vosky, mezi vysoce fermentovatelnou vlákninu patří βglukany, pektiny a některé hemicelulosy.
Synbiotika Synbiotika nepředstavují samostatnou skupinu, ale jsou definovány jako směs probiotik a prebiotik, která zlepšuje osídlení, přeţití a mnoţení prospěšných bakteriálních kmenů ve střevech. Společným podáváním probiotik a prebiotik se dosahuje synergického efektu, a tím zvýšení vlivu na organismus konzumenta. S cílem dalšího maximálního efektu bývají synbiotika obohacovány o další biologicky účinné látky jsou antioxidanty, minerální látky, mastné kyseliny, fosfolipidy apod. Další nutraceutika jako součást funkčních potravin V širším pojetí jsou za funkční potraviny označovány rovněţ potraviny se zvýšeným podílem biologicky účinných látek, které je moţno rozdělovat podle mechanismu působení nebo chemické struktury. Počet látek, které jsou do těchto skupin zařazovány, se s postupujícím vědeckým poznáním neustále mění a nelze proto na tomto místě uvést vyčerpávající seznam. Podrobnější přehled některých skupin těchto látek a jejich mechanismus působení je popsán v jiných částech těchto skript. Jedná o následující skupiny nutraceutik: Antioxidanty – vitamin E, karotenoidy, vitamin C, rostlinné fenoly, Se, Mn, Zn, Cu, Biologicky aktivní sloţky lipidů – polynenasycené mastné kyseliny (ω-3 mastné kyseliny, ω-6 mastné kyseliny), fytosteroly, lecithin Biologicky aktivní bílkoviny a peptidy – laktoferrin, karnitin, esenciální aminokyseliny Vybrané sekundární metabolity rostlin – glukosinoláty, thiokyanáty, fytoestrogeny, flavonoidy, fenolové kyseliny (kávová, gallová, ellagová, salicylová) Minerální látky – Na, K, Ca, Mg, P, Se, Zn, Cu, Fe, Mn, Vitaminy – hydrofilní (thiamin, riboflavin, niacin, biotin, kobalaminy, folicin, kys. lipoová, kys. panthotenová, pyridoxin, kys. askorbová), lipofilní (retinol, kalciferoly, tokoferoly, fyllochinon), karotenoidy, ubichinony.
193
17 ANTINUTRIČNÍ LÁTKY Antinutriční látky jsou látky zejména rostlinného původu, nebo mohou být i bakteriálního či ţivočišného původu. Jsou to látky, působící nepříznivě na vstřebávání nebo metabolismus ţivin, minerálů či vitamínů, a tímto působí potenciální rizika jako malnutrici, avitaminózy nebo deficience. Chemicky jsou to velmi rozmanité sloučeniny a jejich systematizace je velmi nejednotná. Většinou se popisují se tři hlavní skupiny antinutričních látek: Antiproteiny - fenolové sloučeniny interferující s metabolismem proteinů (taniny) a rovněţ se mezi ně řadí antienzymy – látky interferující s enzymy (inhibitory enzymů) Antiminerály - látky interferující s metabolismem minerálních látek Antivitaminy - látky interferující s metabolismem vitaminů (antagonisté vitaminů)
Antiproteiny jsou látky, které interferují s trávením, vstřebáváním nebo vyuţitím proteinů a vyskytují se v mnoha rostlinách, houbách, bakteriích a některých ţivočiších. Řadí se mezi ně různé inhibitory proteas, které inhibují střevní proteolytické enzymy obvykle tím, ţe se naváţí na jejich aktivní místo.
Lektiny jsou antiproteiny, které mají vazebná místa pro buněčné receptory podobné jako protilátky a přestoţe jsou neimunitního původu, dokáţí s vysokou mírou specifity rozpoznávat a vázat cukry (volné nebo vázané na glykoproteinech či glykolipidech). Lektiny se také nazývají hemaglutininy, neboť mohou aglutinovat červené krvinky. Rostlinné lektiny mají silnou biologickou aktivitu a nachází se v obilovinách, kukuřici, rajčatech, fazolích, čočce, sóji, rýţi nebo bramborech. Ovomuciny a ovoinhibitory se nacházejí ve vejcích a inhibují proteolytické enzymy trypsin a chymotrypsin. Jsou obsaţeny ve vaječném bílku a mnohé z nich jsou citlivé na tepelné ošetření, neboť se inaktivují při varu po dobu 15 minut. Další inhibitory trypsinu a chymotrypsinu se rovněţ nacházejí v luštěninách, zelenině, mléku, pšenici a bramborech. Inhibitory těchto enzymů nalezené v mléce jsou zničeny po zahřátí na 85 °C po dobu nejméně 1 hodiny. Inhibitory elastasy byly izolovány ze sójových bobů, fazolí a brambor.
194
Antiminerály jsou sloučeniny vyskytující se převáţně v potravinách rostlinného původu a interferují s absorpcí nebo metabolickým vyuţitím minerálů. K nejznámějším patří kyselina šťavelová, kyselina fytová, glukosinoláty, gossypol a vláknina.
Kyselina šťavelová rovněţ sniţuje dostupnost bivalentních kationtů tvorbou komplexů. Sniţuje zejména vyuţitelnost vápníků. Zdroje kyseliny štavelové jsou špenát, rebarbora, brambory, pravý čaj, káva nebo kakao. Čaj je v zemích, kde se pije ve větším mnoţství, hlavním zdrojem této kyseliny a ztráty vápníku jsou kompenzovány pitím čaje s mlékem.
Kyselina fytová (fytin) váţe minerální látky (vápník, zinek, ţelezo, hořčík, fosfor, měď, mangan) do obtíţně vyuţitelných komplexů a způsobuje jejich niţší vyuţitelnost. Kyselina fytová se nachází v otrubách, klíčcích, obilninách nebo luštěninách. Malé mnoţství obsahují také jahody, brambory, mrkev či brokolice. K určitým ztrátám kyseliny fytové dochází například louhováním luštěnin, varem ji odstranit nelze, ale fermentace a další techniky zpracování jsou uţitečné při sniţování hladiny fytátu.
Kyselina fytová s navázanými minerálními látkami:
Glukosinoláty (hlavně progoitrin) nepříznivě ovlivňují činnost štítné ţlázy tím, ţe inhibují vychytávání jódu do štítné ţlázy. Zdrojem jsou vodnice, tuřín, zelí, broskve, jahody nebo také křen, ředkve či hořčice, ve kterých jsou glukosinoláty příčinou štiplavého aroma.
195
Gossypol je fenolová sloučenina izolována z bavlníku (Gossypium) a je schopen chelátově vázat ţelezo. Tato významná toxická sloučenina je obsaţena aţ v mnoţství 1 % hmotnosti sušiny semene bavlníku a konzumace bavlníkového oleje byla spojena s velkým výskytem neplodnosti a potratů. Je rovněţ inhibitorem několika dehydrogenas a jsou prokázány jeho genotoxické účinky.
Vláknina můţe mít negativní vliv na vstřebávání vápníku, hořčíku, zinku a fosforu. Zdrojem vlákniny jsou zejména rostlinné potraviny (buněčná stěna rostlin), ale je rovněţ doplňkem stravy nebo se přidává i do potravin ţivočišného původu. Vláknina můţe působit jako iontoměnič a tím také navazovat další minerály.
Antivitaminy jsou látky, které inaktivují nebo ničí vitamíny nebo inhibují jejich biologickou aktivitu. Sloučenin působících jako antivitaminy je mnoho a jsou rozmanitých chemických struktur. Oxidasy kyseliny askorbové, enzymy nacházející se v ovoci a zelenině, mohou oxidovat kyselinu askorbovou na méně aktivní dehydroaskorbát, zejména za aerobních podmínek, a tak sniţují antioxidační vlastnosti vitaminu C. Uvádí se, ţe čerstvé dţusy ztrácejí 50 % vitaminu C za méně neţ 1 hodinu. Thiaminasa je obsaţena například v syrových rybách či mlţích a působí jako antivitamin pro thiamin (vitamin B1), který rozkládá přerušením vazby mezi pyrimidinovým a thiazolovým kruhem.
Dalším látkou je linatin, obsaţený ve lněném oleji, antivitamin pro vitamin B6 (antipyridoxin). Avidin, obsaţený ve vaječném bílku, je sloučenina tvořící komplex s biotinem.
196
Rozklad thiaminu (vitamin B1) thiaminasou:
Mezi další látky s antinutriční aktivitou řadíme třísloviny a oligosacharidy. Třísloviny (taniny) jsou fenolové sloučeniny, které způsobují trpkou chuť některých potravin, jako například čaj, káva nebo kakao. Tvoří komplexy s bílkovinami a sniţují rovněţ absorpci některých minerálů. Uvádí se rovněţ, ţe zpomalují růst hospodářských zvířat. Oligosacharidy (přesněji α-galaktosidy) jsou zodpovědné za trávicí potíţe (nadýmání, plynatost) po konzumaci luštěnin. Sniţují tak jejich stravitelnost a vyuţitelnost ţivin.
197
LITERATURA Biesalski, H. K., Grimm, P.: Taschenatlas der Ernahrung., Thieme Verlag, Stuttgart, 2002. Braunová, J.: Potravinová alergie. Interní medicína pro praxi, 2001, 12:556-558. Cempírková, R., Lukášová, J., Hejlová, Š. Mikrobiologie potravin. České Budějovice: Jihočeská univerzita, 1997, 165 s. ISBN 80-7040-254-7. Combs, G. F. Jr.: The vitamins: fundamental aspects in nutrition and health. 3rd Edition. Ithaca, NY: Elsevier Academic Press; 2008; 583s. Contaldo, F.: Vyuţití parenterálního glutathionu v klinické praxi, In: International Congress of PRM, 2013, http://www.prmcongress.com/images/presentations/presentation_contaldo_en.pdf Dlouhý, P., Anděl, M.: Jak se mění pohled na tuky ve výţivě. Interní Med. 2009, 11(12), 549551. Fernandez, J., Perez-Alvarez, J.A., Fernandez-Lopez, J.A.: Thiobarbituric acid test for monitoring lipid oxidation in meat. Food Chemistry. 1997, 59 (3), 345-353. Frič, F.: Střevní mikroflóra, gastrointestinální ekosystém a probiotika. 2010, Medicína pro praxi 7(11):408-413. Fuchs, M.: Potravinová alergie. Practicus, 2008, 6:30-36. Garrett, R. H., Grisham, Ch. M.: Biochemistry. 4th Edition.Boston, USA: Brooks/Cole, Cengage Learning; 2010, 1184s. Grieger, C., Holec,J.: Hygiena mlieka a mliečnych výrobkov. Príroda Bratislava a SZN Praha, 1990, 397 s. ISBN 80-07-00253-7. Harvey, RA., Ferrier, DR. Lippincott´s Illustrated Reviews: Biochemistry. 5th ed. Baltimore: Lippincot Williams &Wilkins, 2011, 520 p. ISBN 978-1-60913-998-8 Kalač, P.: Funkční potraviny - kroky ke zdraví. DONA, 2003, 150 s. (ISBN 80-7322-029-6) Kohout, P.: Moţnosti ovlivnění imunitního systému nutraceutiky, 2010, Interní medicína pro praxi 12(3):140-144. Ledvina, M., Stoklasová, A., Cerman, J.: Biochemie pro studující medicíny – I.díl. Univerzita Karlova v Praze, nakladatelství Karolinum, 2005, 274 s. (ISBN 80-246-0849-9) Murray, R. K., Bender, D. A., Botham, K. M., Kennelly, P. J., Rodell, V. W., Weil, P. A.: Harper´s illustrated biochemistry . Lange Medical Bbook, 29th edition, 2012, 818 pp. Murray, RK. et al. Harper´s Biochemistry. 25th ed. NY: Appleton & Lange, 2000, 927 pp. ISBN 0-8385-3684-0
198
Murray, RK. et al. Harper´s Illustrated Biochemistry. 28th ed. NY: The McGraw-Hill Companies, 2009, 693 pp. ISBN 978-0-07-162591-3 Murray, RK. et al. Harperova Biochemie. 2.vyd. Jinočany: H&H, 1998, 872 s. ISBN 8085787-38-5 Nováková, E.: Balastní látky a prebiotika v pekařské výrobě. 2012, Potravinářská revue 2:1315. Racek, J. et al. Klinická biochemie. 1.vyd. Praha: Galén, 1999, 316 s. ISBN: 80-7262-023-1 Rada, V.: Vyuţití probiotik, prebiotik a synbiotik. 2010, Interní medicína pro praxi 12(2):9297. Standara, S. Tvorba xenobiotických aminokyselin v bílkovinách a surovinách ţivočišného původu. In Sborník XXXII. Lenfeldovy aHöklovy dny. Brno : Veterinární a farmaceutická univerzita, 2002, s. 45 – 50. Steinhauser, L. et al. Produkce masa. LAST Tišnov, 2000, 464 s. ISBN 80-900260-7-9 Steinhauser, L. et al. Hygiena a technologie masa. 1.vyd. Brno: LAST, 1995, 664 s. ISBN 80900260-4-4 Suhaj, M., Kováč, M. Metódy identifikácie falšovania a autentifikácie potravín. VÚP Bratislava. 1998, 210 s. Szarka, A., Tomasskovics, B., Bánhegyi, G. The Ascorbate-glutathione-α-tocopherol Triad in Abiotic Stress Response. Int. J. Mol. Sci. 2012, 13:4458-4483. 25pp. Šípal, Z., Anzenbacher, P., Peč, P., Pospíšil, J., Růţička, I. Biochemie. 1. vyd. Brno: Tisk s.p., 480 s. ISBN: 80-04-21736-2 Toro J., Rodrigo R. Oxidative stress: Basic Overview. In: Rodrigo R, editor. Oxidative Stress and Antioxidants: Their Role in Human Disease. New York: Nova Science Publishers, Inc., 2009. pp. 1-24. ISBN 978-1607415541 Vágnerová, B. Amoniak – dynamika změn v průběhu skladování masa. Brno: VFU Brno, 2012. 81 s. Bakalářská práce. Vajbarová, M. Stanovení antioxidační kapacity ve vybraných vzorcích vína. Brno:VFU Brno, 2014. 77 s. Diplomová práce. Vávrová, J., Pechová, A., Wilhelm, Z., Kazda, A., Friedecký, B., Jabor, A.: Vitaminy a stopové prvky. Česká společnost klinické biochemie, SEKK spol. s.r.o., Pardubice, 2007, 156 s. Vědecký výbor pro potraviny: Potravinová přecitlivělost: alergie a intolerance, veřejně dostupný průřezový dokument, SZÚ Brno, 2003, 38 s., http://www.chpr.szu.cz/vedvybor/vvp.htm 199
Velíšek, J., Hajšlová, J. et al. Chemie potravin I. OSSIS, Tábor 2009, 3. Rozšířené a přepracované vydání, 609 s. Velíšek, J. Chemie potravin I. 1.vyd. Tábor: OSSIS, 1999a, 352 s. ISBN 80-902391-3-7 Velíšek, J. Chemie potravin II. 1.vyd. Tábor: OSSIS, 1999b, 328 s. ISBN 80-902391-4-5 Velíšek, J., Hajšlová, J. Chemie potravin I. 3.vyd. Tábor: OSSIS, 2009, 602 s. ISBN 978-8086659-15-2 Vernerová, E.: Potravinová alergie v dětském věku. Pediatrie pro praxi, 2007, 8(5):268-274. Vyhláška č. 113/2005 Sb. o způsobu označování potravin a tabákových výrobků, ve znění pozdějších předpisů. Yildiz, F. Advances In Food Biochemistry. Boca Raton, Florida, USA:CRC Press Taylor & Francis Group, 2010. 507s. http://www.cszm.cz/clanek.asp?typ=1&id=894 (nahlédnuto dne 25. 11. 2013) http://www.cszm.cz/clanek.asp?typ=1&id=895 (nahlédnuto dne 25. 11. 2013)
200
Autoři:
MVDr. Vladimír Kopřiva, Ph.D. MVDr. Martin Hostovský MVDr. Tomáš Nekvapil, Ph.D. Doc. MVDr. Alena Pechová, CSc.
Název:
Vybrané kapitoly z biochemie potravin
Ústav:
Ústav biochemie a biofyziky
Počet stran:
200
Vydání:
1.
Povoleno:
Rektorátem VFU
Podpořeno:
Projektem OP VK reg. č. CZ.1.07/2.2.00/28.0287
Vydavatel:
Veterinární a farmaceutická univerzita Brno
ISBN 978-80-7305-678-0
