Chemie živin. Vladimíra Kvasnicová

Transkript

1 Chemie živin Vladimíra Kvasnicová

2 Energie v potravě SACHARIDY / LIPIDY / PROTEINY 60 : 30 : kj/g 37 kj/g 17 kj/g 4 kcal/g 9 kcal/g 4 kcal/g -CH(OH)- -CH 2 - -CH(NH 2 )- CO 2, H 2 O CO 2, H 2 O CO 2, H 2 O, NH 3

3 Oxidace uhlíkaté kostry - jednotlivé kroky - alkan CH 3 -CH 3 alken CH 2 =CH 2 alkohol CH 3 -CH 2 -OH aldehyd CH 3 -CHO karboxylová kys. CH 3 -COOH CO 2 + H 2 O 2 CO H 2 O

4 17 kj/g

5 Sacharidy v potravě převažuje škrob (75% suché hmotnosti obilovin, 65% v bramborách) 20% amylóza (nevětvená, stočená do spirály, glc) 80% amylopektin (až 1000 glc, větvení na každé jednotce glukózy) glykogen v mase (větvení na každé jednotce glc) cukr = disacharid sacharóza (Glc-Fru) mléčný cukr = disacharid laktóza (Gal-Glc) vláknina = nestravitelné polysacharidy (celulóza, pektin)

6 Výskyt a funkce sacharidů v lidském těle v potravě polysacharidy, disacharidy, monosacharidy vstřebávají se jen monosacharidy, hlavní je glukóza zdroj energie pro všechny tkáně uloženy do zásoby ve formě glykogenu přeměna různých monosacharidů mezi sebou přeměna monosacharidů na různé deriváty sacharidů složené molekuly: proteoglykany, glykoproteiny, glykolipidy součást nukleových kyselin (ribóza, 2-deoxyribóza) nadbytek sacharidů se přemění na zásobní tuk

7 GLUKÓZA centrální postavení chirální uhlík Obrázky převzaty z knihy Harper s Biochemistry a z (říjen 2007)

8 MONOSACHARIDY glukóza galaktóza fruktóza glucitol (cukerný alkohol) H H H H H kyselina glukuronová (cukerná kyselina) ribóza glyceraldehyd dihydroxyaceton (nejjednodušší sacharidy)

9 DISACHARIDY SALÁM SAcharóza LAktóza Maltóza

10 POLYSACHARIDY homopolysacharidy škrob, glykogen, celulóza, inulin heteropolysacharidy glykoproteiny, proteoglykany zásobní škrob, glykogen, inulin strukturní celulóza, proteoglykany rozvětvené nerozvětvené

11 Chemická povaha, vlastnosti a reakce sacharidů polární, rozpustné ve vodě, bohatě hydratované polyhydroxyderiváty aldehydu nebo ketonu (karbonyl. slučeniny) alkoholová i karbonylová skupina: oxidace / redukce (vznik cukerných kyselin nebo alkoholů) aldehydová skupina: vazba na primární aminoskupiny proteinů (neenzymatická glykosylace = glykace proteinů) tvorba glykosidové vazby (enzymatická glykosylace - vazba na proteiny a lipidy přes -OH nebo -CONH 2 skupinu ) tvoří estery s kyselinou fosforečnou H 3 PO 4 (meziprodukty metabolismu)

12 Glykovaný hemoglobin fruktóza

13 Cesta z trávicího traktu do tukové tkáně do buňky vstupují usnadněnou difuzí (protein. přenašeč) v krvi volně rozpuštěné, krevní cukr = glukóza filtruje se v ledvinách, v proximálním tubulu se zpětně vstřebává (ledvinový práh pro Glc = 9-10 mmol/l) rychlost nárůstu glykemie po jídle závisí na glykemickém indexu potravin, schopnosti vstřebání a funkci jater (glukostatická funkce jater), max. za min. rychlost poklesu glykemie závisí na inzulinu glukózu využívají všechny buňky jako zdroj energie: oxidace na CO 2 a H 2 0 (anaerobně na laktát), nadbytek se přemění na glykogen nebo zásobní tuk

14 Obrázek převzat z Trends in Biochemical Sciences, reference edition, volume 6, str Elsevier/North-Holland Biomedical Press, 1981.

15

16 Přehled metabolismu sacharidů katabolické dráhy glykogenolýza (odbourávání glykogenu) glykolýza: 1x glukóza 2x pyruvát, 2x NADH, 2xATP aerobně: pyruvát acetyl-coa Krebsův cyklus CO 2 anaerobně: pyruvát + NADH laktát pentózový cyklus: glukóza CO 2 + pentózy anabolické dráhy glukoneogeneze (syntéza Glc z necukerných látek) syntéza glykogenu syntéza mastných kyselin (z acetyl-coa) a zásob. tuků

17 graf ukazuje zdroj krevní glukózy v různém čase po jídle a při hladovění Obrázek převzat z knihy Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, ISBN

18 Množství glykogenu v játrech během dne Obrázek převzat z knihy Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, ISBN

19 GLYKOGEN (Glc) n (polysacharid: glukan) OH neredukující konec redukující konec Obrázek převzat z (říjen 2007)

20 Glykogen - struktura větvený polymer glukózy (= glukan), na každé Glc větev α(1 4) vazby v lineárním řetězci, větev připojena α(1 6) jeden redukující konec, ostatní konce neredukující (větve) v buňce bývá na redukujícím konci kovalentně navázán na protein glykogenin (= enzym zahajující syntézu glykogenu) glykogen je uložen v cytoplazmě buněk bohatě hydratované glykogenové inkluze, histochemický průkaz PAS reakcí vyskytuje se v mnoha tkáních, nejvíce v játrech (10 % hmotnosti tkáně, 100 g celkem) a svalech (2 %, 400 g celkem) kromě jater využívají ostatní tkáně glykogenové zásoby glukózy jen pro svou vlastní potřebu jaterní glykogen je hlavním zdrojem krevní Glc na počátku hladovění

21 Monosacharidy v buňce tvoří estery kyseliny forforečné ( fosfáty ) jejich uhlíkatá kostra je částečně oxidovaná : -CH(OH)- (při oxidaci poskytnou méně energie než oxidace tuků) zdroj energie: Glc, Fru, Gal / zásoba energie: glykogen přeměna na další sacharidy (složky nukleotidů, glykoproteinů) nebo deriváty sacharidů (aminocukry, uronové kyseliny v proteoglykanech) přeměna na tuk (zásoba energie) významné meziprodukty metabolismu: glyceraldehyd-3-fosfát dihydroxyacetonfosfát (DHAP) 1,3-bisfosfoglycerát anhydridová vazba

22 Monosacharidy glukóza produkce energie (glykolýza) zásoba energie (glykogen nebo přeměna na tuk) přeměna na další sacharidy, např. ribózu (pentózový cyklus kromě ribózy aj. sacharidů produkuje NADPH+H + ) přeměna na kyselinu glukuronovou (oxidace glukózy) fruktóza přeměna na glukózu produkce energie (glykolýza) zásoba energie (přeměna na tuk) galaktóza přeměna na glukózu nebo laktózu syntéza glykoproteinů a proteoglykanů ribóza syntéza nuklotidů

23 Glukóza glykemie: 3,6 5,6 mm (nalačno) / až 10 mm (po jídle) po jídle: glykolýza, syntéza glykogenu, přeměna na tuk během hladovění: glykogenolýza, glukoneogeneze ostatní přeměny glukózy podle potřeby (pentózový cyklus, přeměna na jiné monosacharidy a deriváty) glykogen: syntéza z UDP-glukózy přeměna na galaktózu: z UDP-glukózy přeměna na kys. glukuronovou: z UDP-glukózy všechny přeměny glukózy vycházejí z glukóza-6-fosfátu

24 zdroj: Fruktóza sacharóza (Glc-Fru): štěpena sacharázou ve střevě volná v ovoci ( ovocný cukr = fruktóza) a medu část fruktózy se přeměňuje na glukózu už ve střevě, metabolizována je hlavně v játrech fruktokináza (Fru-1-P), hexokináza (Fru-6-P) aldoláza B (defekt: vrozená intolerance fruktózy) fruktóza nezvyšuje produkci inzulinu, její vstup do buněk i metabolismus je na inzulinu nezávislý fruktóza aktivuje glykolýzu (glukokinázu) a sama je metabolizována rychleji než Glc (nejde přes PFK-1) osud: glykolýza, lipogeneze; syntéza mannózy (pro glykoproteiny)

25 Sorbitol cukerný alkohol vznikající redukcí karbonylové skupiny fruktózy nebo glukózy (alternativní název: glucitol) glucitol jako umělé sladidlo (E420) se vstřebává v távicím traktu jen málo (polární látka) enzym aldóza reduktáza (glukóza sorbitol; NADPH): v mnoha tkáních, významný v játrech, sítnici, očníčočce, periferních nervech a ledvinách (problémy u pacientů s hyperglykemií: osmoticky aktivní sorbitol zadržuje v buňkách vodu, změna osmolarity je příčinou šedého zákalu, periferní neuropatie a cévních problémů vedoucích k poškození ledvin a oční sítnice) sorbitol je dále oxidován na fruktózu sorbitol dehydrogenázou (sorbitol fruktóza; NAD + ): významné v játrech a semenných váčcích (spermie získávají energii z Fru)

26 Galaktóza koncentrace v krvi: 0 0,3 mm zdroj: laktóza (Gal-Glc) štěpena laktázou ve střevě; vzniká i štěpením glykoproteinů a glykolipidů v lyzosomech syntéza: z glukózy (galaktóza je 4-epimer glukózy) vstup do buněk je nezávislý na inzulinu galaktokináza (Gal-1-P), v mnoha buňkách galaktóza se přeměňuje hlavně v játrech na glukózu uridyltransferáza: Gal-1-P + UDP-Glc UDP-Gal + Glc-1-P epimeráza: UDP-Gal UDP-Glc defekt galaktokinázy nebo uridyltransferázy: galaktosemie využití: glykoproteiny, glykolipidy, glykosaminoglykany, laktóza mateřského mléka

27 součást glykoproteinů (gp) Mannóza 2-epimer glukózy, ale nevzniká epimerací Glc, nýbrž z fruktózy (což je ketoizomer glukózy, >CO sk. v pozici 2) syntéza: Fru-6-P Man-6-P (izomerace); mannóza se touto cestou může i odbourávat (Fru-6-P je meziprodukt glykolýzy) z jejího derivátu N-acetylmannózaminu a z pyruvátu vzniká kyselina neuraminová: její deriváty označované jako sialové kyseliny (Sia, NeuAc) jsou také součástí glykoproteinů (vázány na koncích oligosacharidových větviček gp, nejsou v rostlinných glykoproteinech); mají záporný náboj (-COO - ), odpuzováním se navzájem načechrávají strukturu glykoproteinu v prostoru stárnoucí gp krevní plazmy ztrácejí tyto koncové struktury Sia a jsou tak rozeznány buňkami a odbourány

28 Klinické souvislosti glykemická křivka (normální a snížená tolerance glc, DM) - ogtt glykemický index (rychlost nárůstu glykémie po jídle) - GI vláknina (rozpustná a nerozpustná) glykace proteinů (glykovaný hemoglobin, fruktózamin) glykosurie (ledvinný práh pro glukózu) glykorachie (koncentrace glc v mozkomíšním moku) laktátová acidóza (metabolická acidóza) hemolytické anemie (při defektech enzymů glykolýzy a pent. cyklu) metabolismus svalu (anaerobní a aerobní cvičení)

29 37 kj/g

30 Tuky v potravě neutrální tuk (triacylglyceroly) a fosfolipidy obsahují: nasycené = saturované mastné kyseliny (SFA) mononenasycené mastné kyseliny (MUFA) polynenasycené mastné kyseliny (PUFA) = esenciální FA omega-6 (ω-6, n-6) omega-3 (ω-3, n-3) - v rybím oleji: EPA, DHA trans-mastné kyseliny (TFA) cholesterol nachází se v živočišném tuku

31 Příklady složení různých olejů máslo sádlo olivový olej řepkový olej slunečnic. olej kokosový olej SFA 14:0 10% 16:0 26% 18:0 12% 14:0 1% 16:0 24% 18:0 14% 16:0 11% 18:0 2,5% 16:0 4% 18:0 1,5% 16:0 6% 18:0 4% 12:0 45% 14:0 17% 16:0 9% MUFA 18:1 25% 18:1 42% 18:1 72% 18:1 59% 18:1 21% 18:1 7% PUFA ω-6 18:2 2,5% 18:2 9% 18:2 8% 18:2 20% 18:2 63% 18:2 1,5% PUFA ω-3 18:3 1,5% 18:3 1% 18:3 1% 18:3 10% 18:3 <0,5% 18:3 <0,5% převzato z

32 Výskyt a funkce lipidů v lidském těle v potravě převážně ve formě triacylglycerolů (TAG), také fosfolipidy, cholesterol a jeho estery k trávení tuků je nezbytná žluč vstřebávají se hlavně volné mastné kyseliny (FFA), 2-monoacylglyceroly (MAG) a cholesterol (CHOL) TAG jsou hlavní zásobní formou energie (zásobní tuk v tukových buňkách), FFA jsou zdrojem energie pro buňky fosfolipidy a cholesterol jsou součástí membrán z cholesterolu vznikají steroidní hormony a žlučové kyseliny z esenciálních mastných kyselin vznikají eikosanoidy

33 Chemická povaha, vlastnosti a reakce lipidů strukturně velmi rozmanitá skupina látek hydrolyzovatelné / nehydrolyzovatelné špatně rozpustné ve vodě - nepolární nebo amfipatický charakter (polární + nepolární část molekuly) pro transport krví potřebují přenašeč izolační vlastnosti (mechanické, tepelné) typickou reakcí je esterifikace (alkohol + kyselina) vícenásobně nenasycené mastné kyseliny jsou náchylné k neenzymatické oxidaci (lipoperoxidace) metabolicky se k lipidům řadí ketolátky (polární)

34 HYDROLYZOVATELNÉ LIPIDY NEHYDROLYZOVATELNÉ LIPIDY Obrázek převzat z knihy: J.Koolman, K.H.Röhm / Color Atlas of Biochemistry, 2 nd edition, Thieme 2005

35 Struktura lipidů Obrázek převzat z (leden 2007)

36 Strukturní složky lipidů alkoholy glycerol (a) sfingosin (b) cholesterol (c) inositol (d) a) b) c) d) karboxylové kyseliny s dlouhým řetězcem (= mastné kyseliny) The figures are adopted from (April 2007)

37 Doporučený článek: Kyselina: mravenčí octová propionová máselná valerová kapronová kaprylová kaprinová laurová myristová palmitová stearová olejová linolová linolenová arachidová arachidonová behenová eruková lignocerová nervonová Převzato z knihy: J.Koolman, K.H.Röhm / Color Atlas of Biochemistry, 2 nd edition, Thieme 2005

38 Volné mastné kys. (FFA) Esterifikované mastné kyseliny ω-9 = triacylglycerol (TAG) nebo triglycerid ω-6 ω-3

39 9 18 kyselina olejová kyselina linolová 18 kys. alfa-linolenová 18 kys. gama-linolenová kys. eikosapentaenová (EPA) kys. arachidonová k. dokosahexaenová (DHA)

40 Mastné kyseliny (FA) saturovaný tuk obsahuje více saturovaných (nasycených) FA (více energie: -CH 2 -CH 2 -) desaturovaný tuk: monoenové / polyenové mastné kyseliny (méně energie částečně oxidovaný řetězec: -CH=CH-) FA s krátkým řetězcem (SCFA): méně než 6 uhlíků FA se středně dlouhým řetězcem (MCFA): 6 12 uhlíků FA s dlouhým řetězcem (LCFA): více než 12 uhlíků FA s velmi dlouhým řetězcem (VLCFA): více než 22 uhlíků sudý počet uhlíků v molekule (syntetizovány z C-2 prekurzoru) oddělené cis dvojné vazby: -CH=CH-CH 2 -CH=CH- Doporučený článek:

41 Mastné kyseliny (FA) v buňkách jsou vázány na Koenzym A acyl-coa vazebné místo redukovanější uhlíkatý řetězec než sacharidy: -CH 2 - FA tvoří složky triacylglycerolů a fosfolipidů, jsou součástí esterů cholesterolu (= hydrolyzovatelné tuky) FA slouží jako zdroj energie (β-oxidace) nebo tvoří zásobu energie ve formě triacylglycerolů = neutrální tuk FA mohou být přeměněny na ketolátky a eikosanoidy

42 Cesta z trávicího traktu do tukové tkáně do krve se vstřebávají jen kratší mastné kyseliny (FA), krví putují vázané na albuminu dlouhé FA se v enterocytech reesterifikují (na TAG a fosfolipidy) a krví putují jako součást lipoproteinů po jídle jsou lipidy v krvi přítomny ve formě chylomikronů (vznikají v enterocytech, odkud se dostávají nejprve do lymfy) a VLDL (vznikají v játrech) na endotelu cév je přítomna lipoproteinová lipáza, která z TAG v lipoproteinech vyštěpuje FA, které se pak usnadněným transportem dostávají do buněk v tukové buňce: reesterifikace FA na TAG (tuk. kapénky); při hladovění jsou TAG štěpeny hormonsenzitivní lipázou při hladovění jsou FA přenášeny krví vázané na albuminu

43 animace: Obrázek převzat z knihy Grundy, S.M.: Atlas of lipid disorders, unit 1. Gower Medical Publishing, New York, 1990.

44 katabolické dráhy Přehled metabolismu lipidů lipolýza: TAG mastné kyseliny + glycerol beta-oxidace: mastná kyselina acetyl-coa Krebs.cyk. (játra: acetyl-coa syntéza ketolátek transport do jiné tkáně: ketolátky acetyl-coa Krebsův cyklus CO 2 ) odbourávání cholesterolu: cholesterol žlučové kyseliny anabolické dráhy syntéza mastných kyselin: acetyl-coa mastná kyselina esterifikace: syntéza TAG, fosfolipidů, esterů cholesterolu syntéza signálních molekul: esenciální mastné kyseliny eikosanoidy (C 20 ) cholesterol steroidní hormony

45

46 Cholesterol živočišný steroidní alkohol patří mezi izoprenoidy (derivát triterpenů) málo rozpustný ve vodě (C 27, jedna OH skupina) celková koncentrace cholesterolu v krvi: 2,9 5,0 mm v krvi je transportován v lipoproteinech: hlavně v LDL a HDL (jako tzv. LDL-cholesterol a HDL-cholesterol - poměr v krvi: 2,5/1) LDL vzniká v oběhu z VLDL, který obsahuje tuky syntetizované v játrech, tj. LDL transportuje cholesterol směrem z jater k periferním tkáním HDL přenáší cholesterol z periferie do jater, podílí se na esterifikaci cholesterolu (enzym: LCAT) a jeho přenosu do jiných lipoproteinů estery cholesterolu jsou hydrofóbnější než volný cholesterol jsou uloženy v jádře lipoproteinů, zatímco volný cholesterol se nachází v jejich povrchové vrstvě cholesterol je součástí membrán všech buněk je substrátem pro syntézu steroidních hormonů (glukokortikoidů, mineralokortikoidů, androgenů, estrogenů, progesteronu, kalcitriolu v buňkách je skladován ve formě esterů v tukových kapénkách) a žlučových kyselin (v této formě je cholesterol částěčně z těla vylučován)

47 Klinické souvislosti porucha trávení lipidů - při uzávěru žlučových cest (chybí žluč, která je nezbytná pro emulgaci tuků) ketoacidóza - následek zvýšené plazmatické koncentrace FFA (v játrech se tvoří více ketolátek než je tělo schopno využít) familiární hypercholesterolémie - genetický defekt LDL-receptorů (hromadí se LDL v plazmě; incidence u nás: 1:500) ateroskleróza - souvisí s vysokou koncentrací LDL-cholesterolu (náchylný k lipoperoxidaci i glykaci, ve stěně cév je pak vychytáván makrofágy - vytváří se tak pěnové buňky plné cholesterolu) lipoprotein (a) = Lp(a) - podle hustoty se řadí mezi LDL, ale obsahuje navíc plazminogenu podobný apoprotein (a), který je kovalentně navázaný na apob-100; není rozpoznáván LDL-receptory (zvýšená koncentrace je dána geneticky, je vysoce proaterogenní) HDL brání oxidaci LDL, přebírají a odstraňují oxidované složky z LDL (enzym paraoxonáza; HDL také chelatují přechodné kovy)

48 proteiny 17 kj/g N NH 3 urea, S H 2 SO 4 sulfáty

49 Proteiny v potravě živočišné proteiny (všechny aminokyseliny) rostlinné proteiny (menší zastoupení: Met, Lys, Trp) esenciální aminokyseliny: větvené - Val, Leu, Ile aromatické - Phe, Trp zásadité - His, Arg, Lys obsahující sekundární -OH skupinu - Thr obsahující sulfidovou skupinu - Met

50 Aminokyseliny (AMK) obsahují další prvky: dusík (všechny AMK), síru (Cys, Met) při odbourávání AMK vzniká NH 3 (a H 2 SO 4 ) NH 3 je toxický pro mozek detoxikován je přeměnou na ureu vyloučena močí (urea = močovina) AMK jsou primárně využívány k proteosyntéze další využití: syntéza dusíkatých látek (hem, nukleotidy, signální molekuly hormony, neurotransmitery) přímá produkce energie (Krebsův cyklus) nebo nepřímá produkce energie při hladovění: po přeměně na glukózu (glukoneogeneze) uložení energie do zásoby po přeměně na tuk (TAG) využití AMK jako zdroje energie spotřebovává energii, protože je potřeba detoxikovat amoniak!

51 Proteinogenní aminokyseliny

52