3.1. Přeměna sacharidů

Transkript

1 3.1. Přeměna sacharidů Trávení a resorpce sacharidů Přehled základních pochodů Metabolicky významným zdrojem sacharidů v naší potravě jsou převážně rostlinný škrob a rostlinné mono- a disacharidy. Ze živočišných produktů se dále získává glykogen a z mléka laktosa. Je třeba myslet i na to, že při nesprávné výživě, zvláště u dětí, může být silným zdrojem sacharidů - a tedy i energie - sacharosa ze sladkostí. Slinná α-amylasa nemá pro trávení sacharidů žádný větší význam. Trávicí pochody začínají proto prakticky až ve dvanáctníku díky aktivitě pankreatické α-amylasy (1,4-α-D-glukan-glukanhydrolasy). Produkty jsou maltosa, maltotriosa a větší zbytky, tzv. α-limitní dextriny o 6 až 8 glukosových jednotkách. V dalších etážích tenkého střeva jsou zdrojem sacharolytických enzymů enterocyty, resp. jejich kartáčkový lem. Enzymový komplex sacharasa-isomaltasa štěpí sacharosu na glukosu a fruktosu, a současně maltosu i isomaltosu na glukosu. β- galaktosidasa uvolňuje galaktosu z laktosy a glukoamylasa (α-glukosidasa) štěpí škrob, glykogen, maltotriosu a maltosu na glukosu. Resorpce sacharidů ze střeva do portálního řečiště probíhá nejrychleji u galaktosy a potom se s klesající rychlostí resorbuje glukosa, fruktosa, manosa, xylosa a arabinosa. Transport sacharidů přes buněčnou membránu do nitra buňky v tenkém střevě a podobně i v ledvinových tubulech je aktivním transportem, při němž glukosa a galaktosa sdílí společný transportér se sodíkovým iontem, tzv. glukosový transportér závislý na Na + (SGLT

2 1). Jedná se o bílkovinu, která 12x prostupuje buněčnou membránou na způsob matracového stehu a která umožňuje současně vstup glukosy i Na + ze střeva do nitra enterocytu. Resorpci glukosy v tenkém střevě, stejně jako v proximálním tubulu ledvin, hormon insulin neovlivňuje. Jaterní buňka přijímá glukosu také bez ovlivnění insulinem. V případě svalové a tukové tkáně však insulin výrazně podporuje vstup glukosy do buňky. Sodný kation se z enterocytu odstraňuje Na +,K + -ATPasou a glukosa prostupuje dále do intersticia a posléze do krve prostou nebo usnadněnou difuzí. Vstřebávání fruktosy se odehrává usnadněnou difuzí, není závislé na Na + ani na resorpci glukosy či galaktosy, ale část fruktosy se už v enterocytu mění na glukosu. Pentosy se vstřebávají prostou difuzí. Účelem přeměny sacharidů je zisk energie a vznik substrátů pro jiné metabolické děje v organismu. Základní metabolismus sacharidů probíhá ve čtyřech navzájem spjatých pochodech: glykolýze, glukoneogenezi, glykogenolýze a pentosovém cyklu. Ve všech z nich se mohou vyskytovat vrozené metabolické poruchy, které jsou zřejmé především tehdy, jestliže dotyčný pochod je pro buňku nebo tkáň hlavním zdrojem energie. Kromě toho existují závažné primární i sekundární poruchy v neurohumorální regulaci sacharidového metabolismu. Malabsorpce sacharidů Snížená aktivita jedné nebo několika střevních disacharidas způsobí hromadění disacharidů, které na jedné straně váží vodu a tím zvětšují objem střevního obsahu, a na druhé straně jsou v tlustém střevě předmětem bakteriálního štěpení na oxid uhličitý a vodu. To vede k průjmům, nadýmání, flatulenci (plynatost) a k distenčním (pnutí) kolikovitým bolestem v břiše známým jako syndrom malabsorpce disacharidů. Deficit disacharidas může provázet jiné malabsorpční syndromy, podvýživu, ulcerózní kolitidu (vředovitý zánět tlustého střeva), dráždivý tračník, cystickou fibrózu (zmnožení kolagenního vaziva) nebo osteoporózu (prořídnutí kostí). Bývá však i dědičný a přenáší se autosomálně recesívně. Postihuje nejčastěji laktasu (β-galaktosidasu), sacharasu a maltasu. Projevy začínají už v kojeneckém věku, při správné diagnóze a následném vyloučení disacharidů z potravy jsou však léčitelné. Zvláštní postavení v malabsorpci disacharidů má porucha resorpce laktosy způsobená ponejvíce jen sníženou aktivitou laktasy. Deficit laktasy se projevuje intolerancí mléka, což lze považovat za patologický stav pouze u kojenců. Pro tento enzym je totiž u většiny savců typická vysoká aktivita při narození a v kojeneckém věku, poté pokles aktivity v průběhu adolescence se stagnací na nízkých hladinách v dospělosti. Pokles až ztráta aktivity v dospělosti jsou velmi výrazné např. v africké a východoasijské populaci, zatímco u

3 kavkazského etnika bývá pokles menší. Poruchy transportu monosacharidů a jejich zvýšené přetrvávání ve střevním obsahu má podobné klinické příznaky jako malabsorpce disacharidů. Nejčastěji je postižen transport glukosy a galaktosy a onemocnění se proto nazývá také "glukoso-galaktosovou malabsorpcí". Projeví se jako dědičné onemocnění už záhy po narození a bývá spojeno s poruchou resorpce těchto monosacharidů v ledvinových tubulech a tedy s glukosurií a galaktosurií. Glykolýza a glukoneogeneze Glykolýza Je to anaerobní děj probíhající v cytoplazmě prakticky každé buňky našeho organismu. Všechny enzymy glykolýzy jsou přítomné v cytoplazmě bez vazby na buněčné struktury. Jde o fylogeneticky starý biochemický děj, který poskytuje málo energie - pouze dvě molekuly ATP na jednu molekulu glukosy, některé mikroorganismy však tímto způsobem kryjí celou svoji energetickou potřebu. Za skutečně anaerobních podmínek se konečný produkt glykolýzy pyruvát redukuje na laktát. Přístup kyslíku, tedy porušení anaerobiózy, glykolýzu "brzdí", což prakticky znamená, že se sníží spotřeba glukosy a zcela ustane produkce laktátu. Děj probíhá stejnými kroky až po pyruvát, který oxidační dekarboxylací a reakcí s koenzymem A poskytuje acetylkoenzym A jako substrát citrátového cyklu. Kvasinky za těchto podmínek dekarboxylují pyruvát na acetyldehyd a ten redukují na ethanol. Podle svého objevitele se "zbrzdění" glykolýzy za přístupu kyslíku nazývá Pasteurovým efektem. Reakce glykolýzy začínají fosforylací glukosy na glukosa-6-fosfát.

4 Ten je společným meziproduktem glykolýzy a fosforolytického odbourávání glykogenu. Po isomeraci na fruktosa-6-fosfát a další fosforylaci vzniká fruktosa-1,6-bisfosfát, který se v aldolasové reakci štěpí na dva triosafosfáty: dihydroxyacetonfosfát a glyceraldehyd-3-fosfát. Mohou v sebe přecházet v reakci katalyzované triosafosfátisomerasou. Proto je všech dalších produktů vždy dvojnásobek oproti počtu vstupujících molekul glukosy. Rovnováha reakce je posunuta výrazně ve prospěch glyceraldehyd-3-fosfátu. Dehydrogenace glyceraldehyd-3- fosfátu a souběžně probíhající fosforylace poskytuje 1,3-bisfosfoglycerát, z něhož se v další reakci zvané "1. substrátová fosforylace" tvoří ATP a 3-fosfoglycerát. Další ATP se tvoří při přeměně fosfoenolpyruvátu na pyruvát, při "2. substrátové fosforylaci". Důležitým krokem souvisejícím s glykolýzou v erytrocytech je vznik 2,3-bisfosfoglycerátu v mutasové reakci z 1,3-bisfosfoglycerátu. 2,3-bisfosfoglycerát je látkou, která snižuje afinitu hemoglobinu ke kyslíku. Účinkem fosfatasy se může štěpit na 3-fosfoglycerát a tak vstupovat zpět do glykolýzy. V anaerobních podmínkách pokračuje glykolýza redukcí pyruvátu na laktát v reakci katalyzované laktátdehydrogenasou se spoluúčastí koenzymu NADH. Velké množství laktátu vytvořené při glykolýze v buňkách pracujícího kosterního svalu se dostává do cirkulace a odtud do jater a ledvin. Tam je laktát glukoneogenezou přeměněn postupně až na glukosa-6- fosfát, tedy substrát, který může být za energetického dostatku vestavěn do molekuly glykogenu, nebo při potřebě energie poskytne opět glukosu a doplní tím její nabídku v cirkulaci (Coriho cyklus).

5 Přesáhne-li při zvýšeném anaerobním metabolismu nabídka laktátu metabolické možnosti jater a ledvin, zvyšuje se koncentrace laktátu v tkáních i v cirkulaci a vyvíjí se metabolická acidóza. Za přítomnosti kyslíku přestupuje pyruvát z cytoplazmy do mitochondrií, kde je oxidačně dekarboxylován, jak bylo už výše uvedeno, na acetylkoenzym A + NADH + H +, které jsou dále oxidovány v citrátovém cyklu a v dýchacím řetězci. Z pohledu dostatečné nabídky NAD + pro oxidační fosforylaci glyceraldehyd-3-fosfátu je za anerobních podmínek zřejmá jeho regenerace v laktátdehydrogenasové reakci a za aerobních podmínek zase jeho regenerace v dýchacím řetězci.

6 Celková produkce energie při anaerobním průběhu glykolýzy činí 2 ATP. V aerobních podmínkách je však celkový zisk odbourání glukosy touto cestou ekvivalentní 36 molekulám ATP. Glukoneogeneze Glukoneogeneze je tvorba glukosy (a glykogenu) z jiných než sacharidových zdrojů. Mezi nejvýznamnější výchozí látky pro syntézu glukosy patří laktát nebo pyruvát, glukogenní aminokyseliny a glycerol. Smyslem tohoto děje je udržet glykémii ve fyziologických mezích i za stavu lačnění nebo nadměrné spotřeby. Dalšími úkoly jsou doplňování meziproduktů citrátového cyklu (což je důležité např. v tukové tkáni pro tvorbu glycerolfosfátu, v laktující mléčné žláze pro tvorbu laktosy, v těhotenství pro výživu plodu) a konečně zpracování katabolitů: laktátu z pracujícího svalu a glycerolu z mobilizace mastných kyselin v tukové tkáni. Některé reakce glukoneogeneze probíhají v cytoplazmě a jiné v matrix mitochondrií. Orgánově je převaha glukoneogeneze lokalizována v játrech a v kůře ledvin. Úvodní částí reakcí je tvorba fosfoenolpyruvátu z pyruvátu. Opačný děj, tj. vznik pyruvátu z fosfoenolpyruvátu, jsme viděli u glykolýzy. Nelze ji však jednoduše obrátit a proto v glukoneogenezi probíhá "obchvat pyruvátkinasové reakce", tedy tvorba fosfoenolpyruvátu přes oxalacetát. Potřebný enzym, pyruvátkarboxylasa, je lokalizován v matrix mitochondrií, kam pyruvát proniká bez obtíží. Oxalacetát však neprochází mitochondriální membránou, a proto je redukován na malát, který tuto možnost má. V cytoplazmě se potom malát převádí zpět na oxalacetát a ten se v karboxykinasové reakci přeměňuje na fosfoenolpyruvát. Následují reakce známé z glykolýzy v obráceném sledu až po glyceraldehyd-3-fosfát, který poskytuje s dihydroxyacetonfosfátem fruktosa-1,6-bisfosfát. Také další reakce pokračují v cytoplazmě. Z fruktosa-1,6-bisfosfátu je specifickou fruktosa-1,6-bisfosfatasou odštěpen zbytek kyseliny fosforečné v poloze 1 ("obchvat fosfofruktokinasové reakce") a fruktosa-6- fosfát se dále přeměňuje na glukosa-6-fosfát. Z tohoto meziproduktu může být získána glukosa v reakci katalyzované glukosa-6-fosfatasou ("obchvat hexokinasové reakce"), nebo mohou navazovat reakce směřující k syntéze glykogenu (viz kapitola 3.2). Glukosa-6- fosfatasa je obsažena v endoplazmatickém retikulu buněk jater, ledvin a střeva. Chybí ve svalu a v mozku, takže fosforylovaná glukosa tam zůstává v buňce jako metabolické palivo. Poruchy glykolýzy a glukoneogeneze Ve všech reakcích té části glykolýzy, která vede k tvorbě triosafosfátů, a také ve většině reakcí zbývající části se mohou vyskytovat enzymové defekty. Jsou podkladem různě těžkých dědičných metabolických poruch, postihujících zejména erytrocyty a krvetvorné tkáně. Poruchy se dědí autosomálně recesivně a projevují se změnou tvaru spojenou se zkrácenou

7 životností červených krvinek a s jejich rychlejším rozpadem, který způsobuje chronickou nebo akutní hemolytickou anémii. Deficit hexokinasy vede ke snížené fosforylaci glukosy, což má v erytrocytech za následek zhoršení průběhu glykolýzy a rychlejší zánik krvinek, který je podkladem chronické hemolytické anémie. V kostní dřeni je někdy přítomna panmyelopatie (porucha tvorby všech krvinek v kostní dřeni) Fanconiho typu. Podobné následky má i deficit hexosafosfátisomerasy (glukosafosfátisomerasy), fosfoglycerátkinasy a bisfosfoglycerátmutasy. Při deficitu bisfosfoglycerátmutasy je v erytrocytech nedostatek 2,3-bisfosfoglycerátu, což zvyšuje afinitu hemoglobinu ke kyslíku. Deficit hexokinasy a hexosafosfátisomerasy lze částečně obejít pentosovým cyklem. Deficit fosfofruktokinasy je porucha glykolýzy spojená s hromaděním glykogenu ve svalech a jen s malou hemolýzou (glykogenóza VII. typu). Také zde je možný částečný obchvat pentosovým cyklem. Deficit triosafosfátisomerasy působí méně závažnou chronickou hemolytickou anémii a těžké neurologické poruchy centrální i periferní. V moči se vylučuje zvýšené množství dihydroxyacetonfosfátu. Pentosovým cyklem se doplňuje zčásti nabídka glyceraldehyd-3- fosfátu a ten se dále přeměňuje volně na 1,3-bisfosfoglycerát. K nejčastějším poruchám glykolýzy náleží deficit pyruvátkinasy, který však může být různě významný. Proto se klinická symptomatologie nemoci může lišit od lehkých změn morfologie erytrocytů s lehkou anémií až k těžkým poruchám. Z poruch glukoneogenetického mechanismu je významný nedostatek fruktosa-1,6- bisfosfatasy. Hromadící se metabolity fruktosa-1-fosfát a fruktosa-1,6-bisfosfát inhibují fosforylaci a tím i přeměnu glykogenu na glukosu podobně jako při nesnášenlivosti fruktosy (viz dále). Jde o těžké onemocnění projevující se už u novorozence hypoglykémií a laktátovou acidózou, které záhy končí fatálně. Tvorba a odbourávání glykogenu Glykogenolýza Štěpení glykogenu probíhá jinak v zažívacím traktu (viz kapitola 3.6.) a jinak v případě endogenního glykogenu v buňce. Glykogen, jako zásobní forma glukosy, je v cytoplazmě uložen ve formě glykogenových granulí. Jsou to kulovité útvary proměnlivé velikosti (10 až 40 nm), na jejichž povrchu je vrstva enzymů, které se účastní jak glykogenolýzy - tedy štěpení glykogenu - tak jeho syntézy. Glykogenolýza je pochod fosforolytického štěpení glykogenu.

8 Enzym fosforylasa odštěpuje od neredukujícího konce glykogenového řetězce jednotlivé molekuly glukosy, které byly na sebe vázané navzájem vazbami α-1,4. Štěpení se zastavuje tři glukosové jednotky před glukosou, která je vázána vazbou α-1,6; tedy tři glukosové jednotky před místem větvení glykogenové molekuly. Specifický enzym přenese tyto tři glukosové jednotky na konec jiného řetězce a tím je zpřístupní další fosforolýze. V místě vazby 1,6 zasahuje jiný enzym, amylo-1,6-glukosidasa, zvaný též odvětvující enzym. Produktem fosforolýzy je glukosa-1-fosfát. Z něho vzniká dále glukosa-6-fosfát, který je metabolickou křižovatkou v metabolismu sacharidů. Může se totiž přeměňovat na glukosu v glukosa-6-fosfatasové reakci; je výchozí látkou pentosového cyklu (viz dále) anebo přes něj pokračuje dále odbourávání glykogenu reakcemi popsanými u glykolýzy. Přeměna na glukosu a tím např. doplňování její koncentrace v krevním řečišti je vázána na přítomnost glukosa-6- fosfatasy v tkáni. Tento enzym je přítomen např. v jaterní nebo ledvinové buňce, ale chybí typicky v buňkách svalů a centrálního nervového systému (CNS). To znamená, že odbourávání bohatých zásob glykogenu ve svalech nemůže být zdrojem glukosy pro cirkulaci a jejím prostřednictvím ani pro ostatní tkáně. Glykogeneze Molekula glykogenu je vystavěna spojováním glukosových jednotek vazbami α-1,4- glykosidovými do lineárního řetězce a vazbami α-1,6-glykosidovými v místě větvení, tj. na každém 3. až 5. glukosovém zbytku. Celkový počet glukosových jednotek v tomto polysacharidu se může značně lišit. Výchozím bodem je glykosylovaný "startér". Tím je peptidový řetězec obsahující

9 navázaný oligosacharid. Na něj se v reakci katalyzované glykogensynthasou připojují glukosové jednotky vazbami 1,4. Donorem těchto jednotek je uridinbisfosfátglukosa (UDP-Glc) vznikající z Glc-1-P a uridintrifosfátu. Po dosažení určité délky řetězce se koncový kus, obsahující 6 7 glukos, přenese v reakci katalyzované glukan-1,6-transferasou (větvícím enzymem, branching enzyme) do polohy α-1,6 poslední předchozí glukosy. Na obou koncových glukosových jednotkách se řetěz dále prodlužuje vazbami 1,4 a celý proces se opakuje. Do regulace syntézy a odbourávání glykogenu jsou zapojeny dva klíčové enzymy obou procesů, glykogensynthasa a fosforylasa Klíčem k pochopení je rozdílné chování fosforylovaných forem těchto enzymů. Fosforylovaná glykogensynthasa D je inaktivní, defosforylovaná glykogensynthasa I je aktivní. Fosforylovaná fosforylasa "a" je aktivní, zatímco defosforylovaná fosforylasa "b" je

10 inaktivní. O fosforylaci a defosforylaci se podle metabolické situace starají proteinfosfatasa a ve svalech též fosforylasakinasa aktivovatelná svalovým stahem. Glykogenózy Jsou to onemocnění, způsobená deficitem enzymů a enzymových systémů přeměňujících glukosu a/nebo glykogen. Glykogen s normální nebo abnormální strukturou se přitom hromadí v některém orgánu (játra, srdce, kosterní svaly, apod.) nebo generalizovaně. Existuje nejméně 12 forem glykogenóz, které se označují římskými čísly (nebo jmény objevitelů) podle toho, jak byly od konce 20.let minulého století popsány. Spolu se zpřesňováním etiopatogeneze (příčiny vzniku) těchto poruch se jejich rozdělení v posledních letech poněkud mění. U jaterních glykogenóz mohou poruchy spočívat v glukosa-6-fosfatasovém systému (typ I), větvicím (typ IV) nebo odvětvovacím (typ III) enzymu, v jaterní fosforylase nebo fosforylasa-kinase (typ VI, resp.ix). V případě svalových glykogenóz bývají poruchy v aktivitě lysosomové α-1,4-glukosidasy (typ II), svalové fosforylasy (typ V) nebo fosfofruktokinasy (typ VII). Klinické příznaky závisí na typu glykogenózy a na míře postižení. U svalových a srdečních glykogenóz převládá zvětšení srdce a nedostatečnost jeho funkce, hypotonie svalů, někdy též postižení nervů a narušený psychomotorický vývoj. Jaterní glykogenózy bývají spojeny s hepatomegalií a rozvojem jaterní cirhózy, která vede k selhání jater. Glykogenózy patří mezi vrozené poruchy metabolismu s převážně autosomálně recesi vní dědičností. Průměrná frekvence výskytu v evropské populaci činí 1:20000 až 1:25000 živě narozených. K nejčastějším patří glykogenózy typu I, II, III, VI a IX. Pentosový cyklus a jeho poruchy Pentosový cyklus Pentosový cyklus, nepřesně též hexosomonofosfátový zkrat (shunt) nebo přímá oxidace glukosy, je soubor vzájemných přeměn sacharidů, které probíhají v nejtěsnějším spojení s glykolýzou, tedy také v cytosolu. Jeho úkolem je vytvořit především koenzym NADPH (redukovaný nikotinamidadenindinukleotidfosfát) a dále vytvořit ribosa-5-fosfát. NADPH je nezbytný k redukčním syntézám, zvláště k syntéze mastných kyselin, a je koenzymem glutathionreduktasy, která z oxidovaného glutathionu (GSSG) regeneruje redukovaný glutathion (GSH). GSH je sloučenina udržující redukční prostředí v erytrocytech mj. pro zachování redukovaného stavu iontů Fe 2+ v molekule hemoglobinu. Ribosa-5-fosfát je

11 sloučenina ze které vychází syntéza nukleotidů. Reakce pentosového cyklu se rozdělují na část oxidační a dekarboxylační, v níž vznikají NADPH, a na zbývající reakce vedoucí k ribosa-5-fosfátu. V první části se glukosa-6-fosfát oxiduje glukosa-6-fosfátdehydrogenasou s NADP + na glukonolakton. Hydrolytickým otevřením cyklu potom vzniká 6-fosfoglukonát a při jeho oxidaci a následné dekarboxylaci vzniká ribulosa-5-fosfát a současně se redukuje další molekula NADP + na NADPH + H +. Ve druhé části se v transaldolasových, transketolasových a isomerasových reakcích přeměňuje ribulosa-5-fosfát na pentosy ribosa-5-fosfát a xylulosa- 5-fosfát, ty dále na heptosu sedoheptulosa-7-fosfát a na glyceraldehyd-3-fosfát. Z nich vzniká v dalším stupni tetrosa erytrosa-4-fosfát a hexosa fruktosa-6-fosfát a v posledním kroku poskytuje erytrosa-4-fosfát s další molekulou xylulosa-5-fosfátu jeden fruktosa-6-fosfát a glyceraldehyd-4-fosfát. Spojitost s glykolysou vyplývá ze skutečnosti, že oba cykly mají společné meziprodukty glyceraldehyd-3-fosfát a glukosa-6-fosfát vznikající isomerací z fruktosa-6-fosfátu. Přizpůsobení kvantitativním potřebám syntéz je zajištěno tím, že všechny reakce pentosového cyklu jsou reverzibilní. Tak při vyšších požadavcích na NADPH probíhají v plném rozsahu reakce oxidační, při vyšších nárocích na dodávku ribosa-5-fosfátu jsou výchozími substráty glyceraldehyd-3-fosfát a fruktosa-6-fosfát vznikající v glykolýze nebo při glukoneogenezi. Poruchy pentosového cyklu v erytrocytech O poruchách pentosového cyklu platí do značné míry to, co bylo napsáno výše v úvodu k poruchám glykolýzy: poruchy tohoto cyklu existující v mnoha tkáních se projevují závažným způsobem zejména v erytrocytu, který je na produktech pentosového cyklu životně závislý. Navíc zde poruchy pentosového cyklu úzce souvisejí s regenerací glutathionu a s redukcí vnitřního prostředí erytrocytu. Společným znakem těchto poruch je skutečnost, že jde o poruchy částečné, a že jejich klinický projev - hemolýza - může být vyvolán teprve podáním nějaké vnější noxy, např. léčiv typu sulfonamidů nebo derivátů chininu (antimalarika). Historicky je známa i přírodní noxa obsažená v bobech, která po požití způsobí u disponovaných jedinců totéž (favismus hemolytická anémie z bobů). Diagnostika poruch je možná vyšetřením aktivity enzymů pentosového cyklu v hemolyzátu erytrocytů. Deficit glukosa-6-fosfátdehydrogenasy patří k častým poruchám spojeným s X chromosomem přenášeným neúplně dominantně. Je zajímavé, že touto nemocí trpí více jen určité populační celky, v Evropě například obyvatelé okolí Středozemního moře (právě zde byl popsán favismus). Životnost erytrocytů je jen o trochu kratší a hemolýza je při této poruše malá, hemolytickou krizi lze však vyvolat některými léčivy.

12 Nedostatek glutathionreduktasy se přenáší autosomálně dominantně. I bez provokace léčivy je zde přítomna hemolýza způsobující anémii, dále bývá granulocytopenie a trombopenie (nízký počet krevních elementů) a neurologické příznaky způsobené postižením CNS. Jestliže je nízká aktivita glutathionsyntetasy, nemůže se vázat glycin na γ- glutamylcystein a netvoří se tak v dostatečné míře glutathion. Konečně deficitem glutathionperoxidasy vázne odstraňování peroxidů vznikajících v průběhu metabolismu, zvyšuje se lipoperoxidace erytrocytárních membrán a tím se snižuje životnost krvinky. Obě posledně zmíněné poruchy vedou i bez provokace léčivy ke zřetelné hemolýze. Metabolismus fruktosy a galaktosy Fruktosa se může hexokinasou fosforylovat na fruktosa-6-fosfát. Tato reakce je však ve většině tkání inhibována přítomností glukosy. Vznik fruktosa-6-fosfátu a jeho další odbourávání glykolysou hraje významnější roli patrně jen v CNS a dále při vysokém příjmu fruktosy potravou. Jinde (játra, střevo) vzniká za katalýzy fosfofruktokinasou fruktosa-1-fosfát a ten se aldolasou štěpí na glyceraldehyd a dihydroxyacetonfosfát. Glyceraldehyd se pravděpodobně dále fosforyluje na glyceraldehyd-3- fosfát a oba triosafosfáty se odbourávají glykolýzou, nebo vyžaduje-li to metabolická situace, vstupují do glukoneogeneze a poskytují glukosu. Při deficitu fruktokinasy dochází k poruše známé jako esenciální fruktosurie. Jde o lehko u dědičnou metabolickou poruchu, která se přenáší autosomálně recesivně a projevuje se zvýšeným vylučováním fruktosy močí. Bývá spojena se špatnou snášenlivostí ovoce. Podstatně vzácnější poruchou je intolerance fruktosy, která je zapříčiněna dědičným (autosomálně recesivně přenášeným) deficitem fruktosa-1-fosfátaldolasy a též fruktosa-1,6- bisfosfátaldolasy v játrech. Nadbytkem fruktosy je inhibován metabolismus glukosy a stav je provázen těžkou hypoglykémií, fruktosurií, albuminurií a aminoacidurií s vysokými hladinami mastných kyselin a močové kyseliny a nízkou hladinou anorganických fosfátů v séru. Choroba se projevuje od narození a způsobuje v akutním stavu zvracení, kóma a křeče, při delším průběhu zaostávání růstu, hepatosplenomegalii (zvětšení jater a sleziny), psychomotorické opožďování a poškození CNS. Při vyloučení zdrojů fruktosy (všech sladkostí a ovoce) se chorobný stav upraví k normě. Galaktosa je součástí mléčného cukru, glykoproteinů a glykolipidů. K jejich syntézám se nepoužívá galaktosa přijatá potravou, nýbrž UDP-galaktosa vytvořená epimerací UDPglukosy. Naopak, galaktosa z potravy se musí před dalším odbouráním fosforylovat. Pro

13 poruchy metabolismu galaktosy se používá název galaktosémie a dělí se na 3 typy. Poměrně vzácnou dědičnou poruchou je deficit galaktokinasy. Je provázena vysokou hladinou galaktosy v krvi a galaktosurií. Vysoká galaktosémie způsobí po určité době rozvoj katarakty (šedý zákal). Onemocnění lze diagnostikovat vyšetřením enzymového defektu v erytrocytech. Častější je deficit galaktosa-1-fosfáturidyltranferasy. Jde o dědičnou metabolickou poruc hu přenášenou autosomálně recesivně s incidencí 1: (v některých zemích i vyšší). V tkáních se hromadí galaktosa-1-fosfát a jeho redukovaný produkt galaktitol. Onemocnění se projevuje záhy po narození s příjmem mateřského mléka a probíhá v různě těžkých formách. Nejtěžší z nich jsou v akutní fázi provázeny bolestmi břicha, zvracením, průjmy, horečkou a hypoglykemickými stavy s křečemi. V dalším průběhu se potom vyvíjí hepatomegalie, žloutenka, ascites (výpotek), katarakta a mentální retardace. Laboratorně se nachází hypergalaktosémie, galaktosurie, proteinurie a aminoacidurie. Onemocnění lze diagnostikovat vyšetřením enzymového defektu v erytrocytech a při včasném záchytu je tato galaktosémie léčitelná odstraněním galaktosy a laktosy z potravy. Poslední typ galaktosémie je způsoben deficitem UDP-Glc-epimerasy. Je to vysoce vzácné onemocnění, projevující se zvýšenou hladinou galaktosy v krvi bez dalších klinických příznaků. Regulace glykémie, insulin a další hormony Hlavním zdrojem sacharidů jsou rostliny, které je tvoří fotosyntézou z vody a oxidu uhličitého. Živočichové jsou na tomto zdroji přímo nebo nepřímo závislí. Sacharidy přijímají potravou převážně ve formě polysacharidů, v průběhu metabolismu je hydrolyticky štěpí a resorbují jako monosacharidy. Pro člověka však - s vyjímkou vitamínu C, tj. askorbové kyseliny - nejsou sacharidy v pravém smyslu nepostradatelnou složkou potravy. Procesem glukoneogeneze se v lidském organizmu syntetizují nezbytné sacharidy z nesacharidových zdrojů, především z glukogenních aminokyselin. Je ale prokázáno, že nízkosacharidové diety způsobují metabolickou nerovnováhu. Tak např. nízkosacharidová strava s relativní převahou lipidů vede k metabolické acidóze a nízkosacharidová strava s relativním nadbytkem bílkovin způsobí nadměrné ztráty dusíkatých látek močí, jimž lze zabránit právě zvýšením obsahu sacharidů v potravě. Z fyziologie je známo, že hladinu glukosy za normálních okolností nejvíce ovlivňuje příjem sacharidů potravou na straně jedné, a spotřeba glukosy pro tvorbu energie na straně druhé. Vyšší živočichové mají fylogeneticky vyvinut systém homeostázy glukosy, zajišťující

14 její stálou koncentraci v krvi a dalších tělesných tekutinách. Udržování koncentrace glukosy v krvi ve fyziologickém rozmezí - homeostáza glykémie - je výsledkem vzájemné souhry neurohumorálních regulačních mechanismů. Pro plnou krev platí referenční rozmezí glykémie u dospělých nalačno 3,9 až 5,55 mmol/l, pro plazmu nebo sérum 4,2 až 6,4 mmol/l (normoglykémie). V arteriální a kapilární krvi (v séru i v plazmě) jsou koncentrace asi o 10 % vyšší než ve venózní krvi. Rozhodující roli v regulaci glykémie má slinivka břišní (pankreas), resp. hormony buněk jejích Langerhansových ostrůvků. Buňky α produkují glukagon, jehož úkolem je podporovat mobilizaci energetických rezerv při lačnění, fyzické námaze a stresu. Buňky β tvoří insulin, který podporuje vstup glukosy do tkáňových buněk (tím snižuje hladinu glukosy v krvi a dalších tělesných tekutinách), podporuje tvorbu glykogenu a syntézu triacylglycerolů. Kromě toho se v δ buňkách syntetizuje somatostatin a v buňkách hlavy pankreatu se tvoří ještě pankreatický polypeptid. O syntéze, struktuře a mechanismu sekrece i působení insulinu bude zmínka jinde (kapit ola 3.6.). Podnětem k jeho sekreci je zvýšení glykémie, vyšší přítomnost některých aminokyselin (lysin, arginin, leucin), lokálně v pankreatu působí stimulačně i vyplavení glukagonu. Hypoglykémie je naopak registrována chemoreceptory v CNS a vyvolá uvolnění adrenalinu. Insulin podporuje ukládání glukosy do buněk, kde podporuje glykolýzu i glykogenezi, a tím snižuje koncentraci cirkulující glukosy. Insulin také podporuje syntézu bílkovin, tj. podporuje růst svalstva a má tedy anabolický účinek. Při zvýšené nabídce mastných kyselin, např. při jejich zvýšené syntéze z nadbytku sacharidů, podporuje insulin jejich esterifikaci, tj. tvorbu triacylglycerolů spolu s jejich ukládáním do tukových tkání a současně brzdí lipolýzu. Podnětem k vyplavení glukagonu je hypoglykémie (hlad). Glukagon zvyšuje glyko genolýzu v játrech (nikoliv ve svalech!!) a stimuluje glukoneogenezi z laktátu, aminokyselin a glycerolu. Tím se vytvoří dostatek glukosy k vyrovnání snížené glykémie. Kombinovaný účinek insulinu a glukoneogenetického působení glukagonu je třeba mít na mysli při léčebném podání aminokyselinových roztoků s cílem podpořit u pacienta anabolismus: spolu s aminokyselinami je třeba podat i glukosu, jinak by se aminokyseliny spotřebovaly ke glukoneogenezi. Do metabolismu sacharidů dále zasahují adrenalin a noradrenalin, adrenokortikotropní hormon (ACTH) z předního laloku hypofýzy, (gluko)kortikoidy a tyreoidální hormony. Všechny zmíněné hormony, včetně glukagonu, působí ve většině svých efektů jako

15 antagonisté insulinu. Teprve výsledkem jejich vzájemné souhry je za fyziologických okolností udržení stálé koncentrace glukosy v cirkulaci. Diabetes mellitus Metabolismus sacharidů a jeho regulační mechanismy mohou být postiženy patolo gickými procesy, v jejichž důsledku se homeostáza glykémie trvale poruší ve smyslu zvýšení koncentrace glukosy (hyperglykémie) nebo jejího snížení (hypoglykémie). Diabetes mellitus (úplavice cukrová) je multifaktoriálně podmíněné chronické onemocnění charakterizované zvýšenou koncentrací glukosy v krvi s následným rozvojem mnoha život ohrožujících poruch a komplikací. Postihuje u nás dnes téměř 5 % populace. Primární diabetes mellitus se dělí na typ I, závislý na insulinu, a typ II, nezávislý na insulinu. Existuje také sekundární (druhotný) diabetes mellitus, jehož prvotní příčiny spočívají např. v nádorovém nebo zánětlivém onemocnění slinivky břišní a v jiných endokrinních onemocněních (tyreotoxikóza zahlcení hormony štítné žlázy, feochromocytom nádor dřeně nadledvin produkuje velké množství katecholaminů, akromegalie růst okrajových částí těla, aj.). Diabetes vzniklý z nadbytku glukokortikoidů, ať už při Cushingově syndromu (nadměrná produkce), nebo při léčbě glukokortikoidy, se nazývá steroidní diabetes. Názvem renální diabetes se označuje benigní autosomálně dominantní porucha resorpce glukosy v proximálním tubulu ledvin, spojená se zvýšeným vylučováním glukosy do moči (renální glykosurie). Diabetes mellitus I. typu, insulin dependentní (na insulinu závislý diabetes, IDDM), se vyznačuje téměř úplným chyběním endogenního insulinu. Obvykle začíná v dětství nebo u mladistvých, a proto býval dříve označován jako juvenilní diabetes. Dnes však víme, že se může vyskytnout i v pozdějším věku. Vzácně se popisuje rodinný výskyt a jeho souvislost s určitým typem HLA systému. V etiopatogenezi onemocnění tedy mohou hrát roli genetické faktory, spíše však takové, které vedou k vyšší dispozici vůči virovým onemocněním postihujícím β buňky Langerhansových ostrůvků pankreatu. Pozměněním antigenní struktury povrchů těchto buněk je začnou imunitní systémy vlastního organismu považovat za cizorodé a reagují vůči nim produkcí protilátek, případně cytotoxickou odpovědí. Výsledkem je destrukce β buněk a silné omezení nebo zánik produkce insulinu. Časnými klinickými příznaky diabetu I. typu jsou polyurie a následná žízeň spolu s hubnutím, únavností a slabostí. Laboratorně se nalézá postupující hyperglykémie, glykosurie a metabolický rozvrat se sklonem ke ketoacidóze. Mezi chronickými komplikacemi převládá

16 mikroangiopatie (poškození stěny krevních kapilár, malých arteriol a venul) s tvorbou výdutí a s rupturami. Diabetes mellitus II. typu, non-insulin dependentní (na insulinu nezávislý diabetes, NIDDM), představuje 80 až 90 % všech onemocnění diabetem. Nejčastěji se objevuje ve středním a vyšším věku a ve vysokém procentu postihuje osoby otylé. Má nápadně častý rodinný výskyt. Přejídání a otylost patří k etiopatogenezi onemocnění. Celý pochod se vysvětluje tak, že neustálou stimulací β buněk pankreatu zvýšenou glykémií se může postupně vyčerpat produkční kapacita jejich tvorby insulinu. Současně se může vyskytnout porucha receptorů pro insulin na membránách cílových tkáňových buněk, která sníží účinnost i toho množství insulinu, který se již vytvořil a secernoval do cirkulace. Onemocnění začíná zpravidla mírně a nenápadně, často je objeveno jen díky náhod nému vyšetření glykémie nebo glykosurie. Onemocnění se projevuje podobně jako IDDM, pouze příznaky nastupují později a zvolna. Teprve neléčený rozvinutý diabetes se projeví slabostí a únavností, svěděním kůže, mravenčením až bolestmi v dolních končetinách, špatnou hojivostí drobných poranění a zvýšeným výskytem zánětlivých afekcí na kůži a sliznicích. Mezi nejvážnější chronické komplikace NIDDM patří makroangiopatie (poškození stěny větších cév) a rozvoj aterosklerotických změn. Laboratorně se nalézá hyperglykémie a glykosurie. Rozvinuté onemocnění má sklon k hyperosmolárnímu kómatu. Glukosa je za normálních okolností v ledvinách účinně resorbována z tubulárního filtrátu zpět do krve. Jde o aktivní proces, o němž byla zmínka již na začátku této kapitoly. Absolutní nebo relativní nedostatek insulinu vede k hyperglykémii a přesáhne-li glykémie, (resp. koncentrace glukosy v tubulární tekutině ledvin) 10 mmol/l, nasytí se kapacita přenašeče a glukosa se začne vyskytovat v moči (glykosurie). Glykosurie se může vzácně objevit také při poruše tubulárního přenašeče za normální glykémie. Stanovení glykémie a zjišťování glykosurie patří k základním laboratorním vyšetřením metabolismu sacharidů, nikoliv však jediným. Skrytou poruchu (porušenou glukosovou toleranci) pomůže odkrýt funkční test, tzv. orální glukosový toleranční test (ogtt) spočívající v zatížení glukosou - vypitím určeného objemu roztoku o definované koncentraci - a opakovaným stanovováním glykémie a glykosurie. Z objemu vyloučené moči a změřené koncentrace glukosy v ní je možné vypočítat ztráty glukosy močí. Anamnestickou informaci o stavu glykémie přibližně před dvěma týdny poskytne vyšetření glykovaných proteinů (fruktosamin) a informaci o stavu glykémie před dvěma měsíci dává stanovení glykovaného hemoglobinu (HbA 1c ) v krvi.

17 Dnešní analytické metody umožňují stanovit také koncentraci samotného insulinu nebo jeho fragmentu C-peptidu v krvi, případně dalších hormonů. V indikovaných případech se stanovují cirkulující protilátky proti insulinu, proti β buňkám Langerhansových ostrůvků apod. Vyšetřeními, která sledují lipidový metabolismus diabetika, jsou běžná stanovení celkového cholesterolu, HDL a LDL-cholesterolu, triacylglycerolů, event. lipoproteinů. Funkční stav ledvin lze posuzovat na základě vyšetření clearance endogenního kreatininu. Diabetickou nefropatii glomerulů zjišťuje vyšetření proteinurie nebo v časné fázi vyšetření mikroalbuminurie. Stav ledvinových tubulů dokumentuje vyšetření N-acetylglukosaminidasy (NAG) a hrozící metabolický rozvrat vnitřního prostředí se posuzuje podle výsledků vyšetření ph krve, krevních plynů (dle Astrupa), osmolality a iontů. Literatura: 1. Schneiderka, P., Bezdíčková, D., Jirsa, M. et al. Stanovení analytů v klinické biochemii. I. část. Praha : Karolinum, 1999, 153 s., ISBN Schneiderka, P., Jirsa, M., Kazda, A. et al. Kapitoly z klinické biochemie, Praha : Karolinum, 2004, 365 s., ISBN X. 3. Voet, D., Voetová, J.G. Biochemie. Praha : Victoria Publishing, 1995, 1325 s., ISBN Murray, R.K., Granner, D.K., Mayes, P.A., Rodwell V.W. Harperova biochemie. Jinočany : Nakladatelství H&H, 1998, 872 s., ISBN