3. přednáška Téma přednášky: Živiny a jejich rozdělení, hlavní živiny, charakteristika a metabolismus bílkovin Cíl přednášky: Přednáška bude věnována zopakování a rozdělení živin, z důrazem na hlavní kalorické živiny. Hlavní část přednášky bude zaměřena na bílkoviny a aminokyseliny. Studenti se seznámí se stavbou bílkovin a aminokyselin a s jejich fyzikálními a chemickými vlastnostmi, s jejich syntézou a hydrolýzou. Pozornost bude rovněž věnována významu a potřebě bílkovin v lidské výživě. Základní charakteristika energie a hlavních energetických živiny Živiny (nutrienty) se dělí na makronutrienty a mikronutrienty. Makronutrienty jsou nositeli energie, proto jsou někdy také označovány jako kalorifery. Patří mezi ně proteiny (bílkoviny), lipidy (tuky), sacharidy (cukry), alkohol. Oxidací těchto živin se získá z 1 g bílkovin, stejně jako z 1 g sacharidů 17.2 kj (4,1 kcal), z 1 g tuků 38.9 kj (9.3 kcal), z 1 g alkoholu 29.3 kj (7 kcal). Jejich doporučovaný tzv. energetický trojpoměr základních živin znamená, že na celkovém energetickém příjmu (CEP) by se měly u zdravých dospělých osob s obvyklou fyzickou aktivitou proteiny podílet bílkoviny 10-14 %, lipidy 28-30 % a sacharidy zbylými 55-65 %. To znamená zhruba poměr 1 gramu bílkoviny k 1 g lipidů a 4 g sacharidů. U kojených dětí a batolat toto pravidlo neplatí. V mateřském mléce tvoří energie z lipidů až 50 % energie celkové. Rovněž výjimku tvoří sportovci s extrémní fyzickou zátěží, kde vzhledem k energetickým nárokům je někdy nutno zvýšit energetickou denzitu stravy zvýšeným podílem tuků.
Mikronutrienty dělíme na vitaminy a minerální látky. Ty se podle přijímaného množství dělí na makroelementy (přijímány v dávkách větších než 100 mg denně), mikroelementy (přijímány v množství od 1 do 100 miligramů denně) a stopové prvky (mikrogramové dávky denně). Bílkoviny Bílkoviny (proteiny z řeckého proteios = prvořadý) jsou základní látkou jakéhokoliv živého systému. Jsou to vysokomolekulární látky složené z 20 aminokyselin. Bílkoviny jsou stavební hmotou pro tkáně. Jejich zdrojem je především libové maso, mléko a mléčné výrobky, vejce. Bílkoviny jsou polymery stavebních složek - aminokyselin, které vznikly procesem proteosyntézy v buněčných organelách, které nazýváme ribosomy. Bílkoviny obsahují v molekule většinou od 100 do 1000000 aminokyselin, vzájemně provázaných peptidovými vazbami. Význačnější roli ve výživě člověka představuje cca 20 aminokyselin a z nich 8 esenciálních aminokyselin (u dětí 10 aminokyselin), které musí člověk dostat potravou (nedokáže si je syntetizovat v játrech ze složek nebílkovinné povahy transaminací. Příjem bílkovin potravou je nezbytným zdrojem dusíku a síry a esenciálních aminokyselin, které si lidský organismus není schopen vytvořit endogenně. Mezi esenciální aminokyseliny pro dospělého člověka patří: valin, leucin, izoleucin, fenylalanin, lysin, methionin, tryptofan a treonin, u dětí jsou navíc aminokyseliny histidin, arginin. Mezi nonesenciální (postradatelné) aminokyseliny řadíme: kyselina asparagová, kyselina glutamová, asparagin, glutamin, prolin, hyrdroxyprolin, glycin, alanin, tyrosin, cystin, cystein a serin.
Základní vzorec všech aminokyselin H O R = organický radikál, kterým se aminokyseliny od sebe odlišují R C C OH NH 2 = aminová skupina COOH = karboxylová skupina NH 2 Lidský organismus je závislý na pravidelném a vyrovnaném přísunu aminokyselin, neboť dokáže vytvářet zásobu aminokyselin pouze na jeden den a to v játrech. Tuto jednodenní zásobu aminokyselin nazýváme aminokyselinový pool. Zbylé aminokyselin je organismus nucen odbourat. Zásoby tělesného proteinu a aminokyselin představují vedle aminokyselinového poolu i svaly, dále proteiny a aminokyseliny v krevní plazmě a v trávicí soustavě. Z tohoto důvodu se aminokyseliny konzumované v nadbytku neskladují (mimo situace tvorby svalu cvičením) a jsou degradovány za vzniku urey a ketokyselin, užívaných jako přímý zdroj energie, ke glukoneogenézi a přeměně na tuk. Bílkoviny tvoří, vedle vody většinu hmoty živých organizmů. Podle biologické funkce, kterou vykonávají se rozlišují na proteiny strukturální (tvoří stavební části rostlinných i živočišných pletiv), katalytické (enzymy, hormony), transportní (umožňující přenos dalších sloučenin-například hemoglobin pro přenos kyslíku), pohybové (například svalové aktiny, myozin, aktomyozin), obranné (imunoglobuliny - protilátky), zásobní (ferritin aj.), regulační (hormony) a konečně výživové (hlavní zdroj dusíku v potravě - aminokyseliny sloužící k výstavbě a obnově tkání). Degradace a resyntéza bílkovin probíhá v těle nepřetržitě. Při resyntéze dochází k ztrátám aminokyselin oxidačními pochody za vzniku metabolických produktů: urey, kreatininu a dalších. Aminový dusík představuje 16 % hmotnosti proteinu. Nejvýznamnější jsou ztráty dusíku močí, dále ve stolici, potu, odloupaných epiteliích, vlasech, nehtech. Dusíková bilance je rozdíl mezi přijatým a vyloučeným dusíkem. U dospělých osob by měla být rovnováha mezi příjmem a ztrátami dusíku, u dětí pak pozitivní bilance s převažujícím příjmem, nutným ke krytí růstových požadavků. Funkce tělesných proteinů jsou mnohostranné (strukturální podstata orgánů a svalů, transportní a detoxikační mechanismy, rovněž prokoagulační a trombolytické faktory,
hormony, enzymy, imunoglubuliny atd. jsou proteinové povahy). Proteosyntéza = proces tvorby bílkovin řetězením aminokyselin - ribosomy - endoplasmatické retikulum - zákon minima - limitující aminokyselina Z hlediska příjmu bílkovin rozdělujeme bílkoviny podle původu na živočišné a rostlinné, kdy živočišné mají vyšší obsah a zároveň také většinou zastoupení všech esenciálních aminokyselin a jsou lépe vstřebatelné, na rozdíl od rostlinných bílkovin. Výživová hodnota každé bílkoviny se určuje pomocí aminokyselinového skóre, t.j. poměrným zastoupením konkrétní, zpravidla esenciální aminokyseliny ve vyšetřované bílkovině ve srovnání s jejím zastoupením v referenčním proteinu, kterým je bílkovina vejce. Ve smíšené (omnivorní) lidské stravě je z hlediska dostupnosti určující příjem lysinu, dále aminokyselin obsahujících síru (methionin, cystein), treoninu a tryptofanu. Jako minimální doporučovaná výživová denní dávka (VDD) pro dospělou zdravou populaci byla proto stanovena hodnota 0,75-0,8 g proteinu/kg tělesné hmotnosti. Optimální denní dávka bílkovin je o něco vyšší 1 1,2 g proteinu na kg hmotnosti. Proteinová potřeba dětí do dvou let činí 2,4 g na kg hmotnosti. Stejný zvýšený příjem se doporučuje v období druhé strmé růstové fázi tj. v pubertě. U 5-12letých dětí je optimální potřeba 1 g/kg tělesné hmotnosti. V průběhu těhotenství se VDD pro bílkovinu zvyšuje o 15 g denně, v období plného kojení o 20 g denně, tj. 1,5 2 g na kg hmotnosti. Při stresu u tzv. akutního pacienta nebo u pacienta v rekonvalescenci dochází ke zvýšení potřeby bílkovin 1,6 g/kg, přičemž vzestup spotřeby bílkovin je větší nežli zvýšení celkových energetických nároků.
Hrazení bílkovin běžnými potravinami Hlavní zdroje bílkovin v populacích ekonomicky vyspělých zemí jsou: maso, mléko a mléčné výrobky, vejce, luštěniny, obiloviny a zelenina včetně brambor. U smíšené stravy v rozvinutých zemích kryjí živočišné zdroje zhruba 65 % celkového příjmu bílkovin, z rostlinných zdrojů pak největší část, celkových 20 % kryjí obiloviny. Rostlinné zdroje bílkovin se liší od živočišných tím, že jsou obvykle v jedné či více esenciálních aminokyselinách limitované, tzn. že určitá esenciální aminokyselina není přítomna vůbec nebo je z hlediska potřeby proteosyntézy její množství koncentračně velmi malé. Z tohoto důvodu je třeba, v případě hrazení bílkovin pouze rostlinnými zdroji, mít stravu pestrou a vzájemně jednotlivé zdroje kombinovat. Z hlediska doporučení hrazení potřeb bílkovin pouze zdroji rostlinného původu jsou shledávány tyto diety v dětském věku jako problémové s vysokou pravděpodobností nedostatečného hrazení všech esenciálních aminokyselin a vzniku dalších nutričních karencí: vitaminu B 12, železa, zinku apod. Některé studie z rozvojových zemí či koncentračních táborů rovněž poukazují na možný vliv nedostatečného přívodu esenciálních aminokyselin na zpoždění psychomotorického a mentálního vývoje dětí. V dospělém věku pak lze správnou kombinací a dostatečným množstvím zdrojů rostlinného původu dobře zásobit lidský organismus potřebnými aminokyselinami. Navíc epidemiologické studie potvrzují v dospělém věku i některé zdravotní přednosti tohoto typu stravování, dané vyšším zastoupením rostlinných zdrojů, pestrostí stravy a pravděpodobně i celkově odlišným životním stylem vzhledem k běžné populaci. Rozdělení bílkovin dle jejich výživné hodnoty Výživná hodnota bílkovin je dána množstvím esenciálních aminokyselin v bílkovině. 1. Plněplnohodnotná bílkovina bílkovina vajec, mléka. Tato skupina bílkovin má z hlediska potřeby člověk ideální složení aminokyselin. 2. Skoroplnohodnotná bílkovina bílkovina kosterního svalstva. Rovněž vysoce kvalitní a hodnotná bílkovina.
3. Deficitní bílkovina bílkovina potravin rostlinného původu a méně kvalitní vazivové tkáně živočichů. Aminokyselinové složení bílkovin v této skupině již není tak ideální z hlediska potřeb člověka a je důležité stanovení limitující aminokyseliny. Rozdělení bílkovin dle původu 1. Bílkoviny živočišného původu Obsah esenciálních aminokyselin je v příznivém poměru a optimální z hlediska potřeb člověka. Jsou dražší v porovnání s bílkovinami rostlinného původu. Z tohoto důvodu je snaha při výrobě potravinářských výrobků část živočišné bílkoviny nahradit bílkovinou rostlinnou. Jako náhrada se používá směs sójové a kukuřičné mouky, dále směs mouky z obilovin a moučky z bobů, popřípadě z amarantu nebo pohanky. 2. Bílkoviny rostlinného původu Tato skupina bílkovin je méně hodnotná, protože některá z aminokyselin bývá limitující. U obilovin se jedná o lysin, u luštěnin metionin. Vzhledem k pestrosti stravy člověka však deficit určité aminokyseliny nehrozí. Nedostatky ve složení aminokyselin jednotlivých zdrojů se vzájemně kompenzují a výsledná hodnota přítomných bílkovin stravy je značně lepší než u každé bílkoviny samostatně. Potravinové suroviny rostlinného původu obsahují poměrně málo bílkovin, a proto se často bílkovinami obohacují. Nejjednodušší metodou je získávání bílkovinných koncentrátů. Rostlinný materiál se zahřeje, aby se bílkoviny denaturovaly a vyextrahují se tzv. nebílkovinné extraktivní látky. Zbývající materiál je přitom obohacen bílkovinami, kterých má být v koncentrátu alespoň 50 % sušiny. Koncentráty se mohou dále texturovat, aby dostaly vláknitou strukturu podobnou bílkovinám svaloviny, dále se barví a aromatizují. Dražší metodou je získávání bílkovinných izolátů. Rostlinný materiál se extrahuje (většinou mírně alkalickým roztokem) za podmínek, kdy je rozpustnost bílkovin co největší. Tato etapa procesu musí být rychlá a alkalita mírná, aby se netvořily antinutriční produkty. Následnou centifugací, úpravou ph (dojde k vysrážení) a opětovnou centrifugací se získá bílkovinný izolát s více než 90 % bílkovin v sušině.
Jak bílkovinné koncentráty, tak izoláty se užívají jako přídavek k masným výrobkům nebo jako imitace masa pro vegetariány. Místo rostlinných bílkovin se k tomuto účelu mohou použít také bílkoviny mléka (syrovátky), které jsou hodnotnější, ale také dražší. Velice dobře je propracovaná výroba celé řady potravinářských produktů ze sójových bobů. 3. Bílkoviny mikrobiálního původu Využití bílkovin tohoto původu v lidské výživě je zatím v současné době nevýznamné. Denaturace proteinů a jejich trávení Denaturace proteinů Před vlastním trávením bílkovin nastupuje zpravidla denaturace, což je změna terciální struktury. Terciální struktura spočívá v tom, že dlouhé řetězce aminokyselin jsou stočeny do prostorových struktur, které připomínají klubíčka. V této struktuře jsou bílkoviny velice těžko přístupné účinku proteolytických enzymů. Důvodem denaturace je tedy rozrušení terciální struktury a zpřístupnění aminokyselinových řetězců účinku enzymů. V potravinách přichází v úvahu prakticky pouze fyzikální denaturace vlivem zvýšených teplot (při přípravě nebo záhřevu pokrmů) nebo nízkých teplot při marazírenském zpracování. Účinkem denaturace se nejen naruší nativní struktury proteinů a zlepší se tak přístup enzymů k funkčním skupinám proteinů a tedy stravitelnost bílkovin, ale dojde také k denaturaci některých antinutričních a přirozených toxických látek (inhibitory proteáz, lektiny aj.), enzymů a bílkovinné struktury mikroorganismů. Nevýhodou denaturace je, že bývá doprovázena reakcemi, které výživnou hodnotu bílkovin snižují. Dochází k destrukci termolabilních aminokyelin (tryptofan, lysin), ke vzniku xenobiotických aminokyselin (isomerace na D-aminokyseliny) a ke vzniku různých enzymorezistentních komplexů (Maillardova reakce). Účinkem tepelné denaturace rovněž také dochází i k narušení celé řady vitamínů.
Trávení a metabolismus bílkovin Proces trávení bílkovin je enzymová hydrolýza, která probíhá na několika stupních, z nichž každý v jiné části trávicího ústrojí a rekce jsou katalyzovány jinými enzymy. První stupeň trávení bílkovin začíná v žaludku, kde jsou vystaveny účinku žaludeční šťávy, jejíž ph je 1.5. Jejími nejdůležitějšími složkami jsou voda, kyselina chlorovodíková a z proteolytických enzymů to jsou především pepsin a rennin. Působením pepsinu se dlouhé řetězce aminokyselin naštěpí na kratší úseky, které nazýváme polypeptidy. Další proces trávení polypeptidů pokračuje v tenkém střevě. Zde se uplatňuje pankreatická šťáva (ph 7.5), která obsahuje dva významné proteolytické enzymy trypsin a chymotrypsin. Působením těchto enzymů se polypeptidy štěpí na další kratší úseky oligopeptidy. V tenkém střevě kromě pankreatické šťávy působí také střevní šťáva. Ta obsahuje další specifické proteolytické enzymy, jako jsou karboxypeptidásy, aminopeptidásy, dipeptidásy. Uvedené enzymy štěpí oligopeptidy na jednotlivé aminokyseliny. Aminokyseliny se vstřebávají v tenkém střevě a přecházejí vrátnicovým krevním oběhem do jater nebo do lymfatického oběhu. Nevstřebané aminokyseliny nebo peptidy jsou dále v tlustém střevě metabolizovány střevní mikroflorou za vzniku produktů hnití (sulfan, indolové deriváty). Zásobárnou aminokyselin pro metabolismus je v játrech tzn. pool aminokyselin. Tento pool má však malou kapacitu a musí se stále obnovovat. Vzhledem k tomu, že přirozený obsah proteinů v potravinách se pohybuje mezi 5 30 % hmotnosti, není tato nutnost významným problémem. Z tohoto poolu se odebírají aminokyseliny potřebné pro výstavbu plasmových a následně tělesných proteinů. Z aminokyselin se dále také syntetizují jiné dusíkaté látky, např. porfyriny, puriny, pyrimidinové deriváty, kreatin a kreatinin, biogenní aminy aj.
Přeměna a odbourávání nadbytečných aminokyselin Aminokyseliny se mohou také vzájemně přeměňovat, přičemž se po odštěpení amoniaku získá uhlíkatý skelet molekuly, ten se přemění na jiný a ten dává pak s amoniakem jinou aminokyselinu (tento děj není možný u esenciálních aminokyselin). Tento proces se nazývá transaminace a je jedním ze tří způsobů odbourávání relativně nadbytečných aminokyselin. Uhlíkaté skelety aminokyselin se také mohou odbourávat v citrátovém cyklu na oxid uhličitý a vodu, za uvolnění energie. Odbouraný amoniak se v trávicím systému přeměňuje na močovinu a jako součást moče se vyloučí z těla, uhlíkatý zbytek aminokyselin se může využít k syntéze lipidů nebo sacharidů. Takovýto způsob odbourávání aminokyselin označujeme jako deaminaci (redukční a oxidační). Třetím způsobem odbourávání aminokyselin je dekaroboxylace, kdy odnětím oxidu uhličitého za pomoci dekarboxyláz se vytváří vysoce biologicky účinné látky, tzv. biogenní aminy: Lysin kadaverin, ornitin putrescin, serin etanolamin (složka fosfolipidů), cystein cysteamin (složka koenzymu A), histidin histamin (tkáňový hormon), tyrosin tyramin (vliv na kontrakce dělohy), hydroxy-tryptofan serotonin (tkáňový hormon) Podle toho, jakým způsobem se aminokyseliny během energetického metabolismu odbourávají, se dělí na tyto skupiny: a) glukogenní přeměňují se na glukózu (glycin, alanin, valin, kyselina asparagová a glutamová, serin, treonin, cystein, metionin, prolin, hydroxyprolin, arginin, histidin) a slouží tak k resyntézy glukózy (glukoneogeneze) a to přes látky typu pyruvát, oxalacetát, α oxoglutarát, sukcinyl Co A a fumarát. b) ketogení přeměňují se na acetyl Co A (leucin) c) smíšené mohou se odbourávat oběma mechanismy (isoleucin, lysin, tryptofan, fenylalanin, tyrosin), tzn. že vznikat může jak acetyl Co A, tak i např. sukcinyl Co A nebo fumarát
Procesy odbourávání aminokyselin by v organismu měly probíhat pouze omezeně, neboť jsou pro organismu energeticky náročné, zatěžují jej a jsou z hlediska kvality a ceny aminokyselin nehospodárné. Lidský organismus by měl ve stravě přijímat dostatečné, ale ne nadbytečné množství bílkovin s optimálním složením aminokyselin, které budou organismem maximálně využity.