VYBRANÉ KAPITOLY Z BIOCHEMIE POTRAVIN

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 (NH 4 +, Fe 2+, NO 2- ). 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 (O 2 - ), které se proto ihned slučují s okolními protony (H + ) a vytvoří dvě molekuly vody: O 2 + 4 e - 2 O 2-2 O 2 - + 4 H + 2 H 2 O 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 FADH 2. 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 H 2 O 2 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: H 2 O 2 + AH 2 2 H 2 O + A Katalasa katalyzuje dismutaci dvou molekul peroxidu vodíku na vodu a kyslík: 2 H 2 O 2 2 H 2 O + O 2 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 + O 2 AO 2 Příkladem je jaterní enzym L-tryptofandioxygenasa. - Monooxygenasy (zvané rovněţ oxidasy se smíšenou funkcí či hydroxylasy) začleňují do substrátu pouze jeden atom z molekulárního kyslíku O 2, druhý atom kyslíku je redukován na vodu, přičemţ na reakci se ještě musí podílet donor elektronu nebo kosubstrát (Z): A H + O 2 + ZH 2 A OH + H 2 O + 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 (O 2 -. ) a tím ochraňuje proti moţné toxicitě kyslíku: 2 O 2 -. + 2 H + H 2 O 2 + O 2 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 β- hydroxybutyrát). 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 FADH 2. 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 TUKY PROTEINY glukosa a další mastné kyseliny a aminokyseliny monosacharidy glycerol ACETYL-CoA citrátový CoA-SH cyklus 2 CO 2 8 H + + 8 e - (z 3x NADH+H + a 1x FADH 2 ) 1 / 2 O 2 oxidativní fosforylace H 2 O 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 -, NO 3 - a stabilizují ionty Ca 2+. 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 C 18:2 a C 18:3 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 Systematický název Linolová kyselina 18 : 2 9,12 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 Systematický název α-linolenová kyselina 18 : 3 9,12,15 all-cis-9, 12, 15-oktadekatrienová 6- desaturasa Oktadekatetraenová kyselina Elongasa Eikosatetraenová kyselina 5- desaturasa Eikosapentaenová kyselina Elongasa Dokosapentaenová kyselina 4- desaturasa Dokosahexaenová kyselina 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 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 O 2, 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 Mastné kyseliny nasycené monoenové polyenové olejová linolová linolenová Vepřové sádlo 25-70 37-68 4 18 35-26 3-16 0-1,5 Hovězí lůj 47-86 40-60 1 5 26-50 0,5-5,0 0-2,5 Mléčný tuk 53-72 26-42 2 6 18,7-33,4 0,9-3,7 0,1-1,4 Tuk sledě 17-29 36-77 10 24 9-22 1-2 0,6-2,0 Kokosový tuk 88-94 5 9 1 2 5,4-8,7 1,0-2,5 0-0,2 Olivový olej 8-26 54-87 4 22 55-83 3,5-21 0-1,5 Sójový olej 14-20 18-26 55 68 17,7-25,1 49-57 5,5-9,5 Slunečnicový 9-17 13-41 42 74 13-40 40-74 0-0,3 olej Řepkový olej 5-120 52-76 22 40 8-60 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 E - obsaţen na chylomikronech, VLDL a HDL aktivátor LPL - 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. textu. Kolagen je společně s retikulinem a elastinem popsán v samostatné kapitole učebního 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 α- laktoalbumin. Zastoupení druhů syrovátkových bílkovin mléka je uváděno v poměru β- laktoglobulin 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 FADH 2. Energie (elektrony) uloţená ve formě těchto koenzymů NADH+H + nebo FADH 2 prochází přes komplikovaný a vysoce organizovaný řetězec proteinů a koenzymů, tzv. dýchací řetězec. Redukční ekvivalenty NADH+H + a FADH 2 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 FADH 2 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 FADH 2 koenzym Q Komplex III. cytochrom c- reduktasa Fe-S, cytochrom b, cytochrom c 1 koenzym Q cytochrom c Komplex IV. cytochrom c-oxidasa cyt a, cytochrom a 3, Cu cytochrom c O 2 Čtyři typy kofaktorů v dýchacím řetězci: flavinové kofaktory (FMN, FAD) FMN = flavinmononukleoktid (riboflavin-5'-fosfát) můţe být redukován (FMN FMNH 2 ) FAD = flavinadenindinukleotid (riboflavinadenosindifosfát) můţe být redukován (FAD FADH 2 ) 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 QH 2 ) 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 (Fe 2+ Fe 3+ ), 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 FMNH 2, 2 elektrony (2e - ) z redukovaného FMNH 2 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 QH 2 (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 FADH 2 ) dalším názvem je sukcinátdehydrogenasa (společná s citrátovým cyklem) nenavazuje na komplex I. oxiduje sukcinát a redukuje ubichinon (koenzym Q) redukčním ekvivalentem je FADH 2 FAD je redukováno na FADH 2 2 elektrony (2e - ) z redukovaného FADH 2 jsou ihned přeneseny Fe-S proteiny, které je předávají na koenzym Q, který je redukován na QH 2 (2 H + z FADH 2 ) 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 QH 2 odevzdává 2 elektrony (2e - ) cytochromu c pomocí unikátní redoxní dráhy (cytochrom b Fe-S proteiny cytochrom c 1 ) 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/cu A cyt a 3 /Cu B ) O 2 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 - F 1 a F 0 - a obě tyto velké části spojuje OSCP (oligomycin sensitivity conferring protein). F 0 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 F 1. Další podjednotky F 1 (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 P i (anorganický fosfor), postupně dochází k fosforylaci a z kaţdé β-podjednotky vzniká molekula ATP. Jelikoţ je rotující γ-podjednotka postupně vyuţita kaţdou ze tří β- podjednotek, 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 K m. Michaelisova konstanta je koncentrace substrátu, při níţ enzymová reakce probíhá polovinou maximální rychlosti. Matematické vyjádření Michaelisovy konstanty K m zahrnuje koncentraci substrátu [S], rychlost v a maximální rychlost V max. Michaelisova konstanta se také můţe nazvat konstantou polovičního nasycení. Hodnota Michaelisovy konstanty je mírou afinity enzymu k substrátu. Platí, ţe čím je hodnota K m 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, B 12 (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 L- galaktosu. 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 Möeller- Barlowova 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 B 1 (thiamin), vitamin B 2 (riboflavin), vitamin B 3 (niacin), vitamin B 5 (kyselina pantothenová), vitamin B 6 (pyridoxin), vitamin B 7 (biotin), vitamin B 9 (kyselina listová), vitamin B 12 (kobalamin). Vitamin B 1 (thiamin nebo aneurin) Vitamin B 1 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 B 1 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 Mg 2+ (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 B 1 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 B 1 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 B 2 (riboflavin) Metabolicky aktivní fomy vitaminu B 2 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 B 3 (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 B 3 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 B 5 (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 B 6 (pyridoxin) Vitamin B 6 je obecný název tří pyridinových derivátů (pyridoxin=pyridoxol, pyridoxal a pyridoxamin) vykazující biologickou aktivitu. Účinnou formou vitaminu B 6 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 B 6 je nezbytný pro funkci řady enzymů, které metabolizují aminokyseliny (transaminasy, dekarboxylasy) a v glykogenolyse (fosforylasy). Projevy nedostatku vitaminu B 6 jsou koţní problémy a záněty sliznic, svalové křeče a nervosvalová dráţdivost. Deficience samotného vitaminu B 6 je ovšem vzácná a projevy obvykle provází nedostatek vitaminy celé skupiny B. Nedostatek se projevuje nervovými poruchami. Zdrojem vitaminu B 6 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 B 7 (biotin) Biotin nazývaný také vitamin H nebo koenzym R. Z osmi moţných stereoisomerů vykazuje biologickou aktivitu pouze d-biotin, a to jako karboxybiotin.vitamin B 7 je důleţitý pro metabolismus aminokyselin a mastných kyselin, je kofaktorem karboxylas (pyruvátkarboxylasa, acetyl-coa-karboxylasa, propionyl-coa-karboxylasa) přičemţ slouţí jako přenašeč pro CO 2. 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 B 9 (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 B 12 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 B 9 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 B 12 (kobalamin) Vitamin B 12 je souhrnný název pro všechny korinoidy (tj. sloučenin obsahujících korinové jádro), které vykazují biologickou aktivitu. Vitamin B 12 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 ( 3 O 2 ) 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 D 3 ) a ergokalciferol (vitamin D 2 ). Vitaminy D vznikají účinkem UV záření ze svých provitaminů. JÁTRA Biosyntéza vitaminu D: UV záření KŮŽE CHOLESTEROL 7-Dehydrocholesterol 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 7- dehydrocholesterolem). 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 T-OH AA GSH NADPH+H + R-OO T-O 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 K 1 neboli fyllochinon, který se vyskytuje v potravinách rostlinného původu a vitamin K 2 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 γ- karboxyglutamovou). 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 K 1, 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 K 1, 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. Zdroje fosforu Exkrece fosfátů probíhá stolicí (stoupá při alkalóze) a močí. 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 Fe 2+ 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 b 5 ), 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 (Fe 3+ ) 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 %), α 2 -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 (Mn 2+ ) pomocí transportéru divalentních kovových iontů. V enterocytech je oxidován na manganité ionty (Mn 3+ ) a je transportován krví vázaný na transferrin. Část manganu je vázána v krvi na albumin a α 2 -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 CO 2. Elektrony uvolněné tímto oxidačním procesem jsou předávány prostřednictvím redukčních ekvivalentů NADH+H + a FADH 2 přes komplikovaný systém (dýchací řetězec) aţ na finální akceptor elektronů molekulární kyslík O 2. 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 FADH 2 ) 1 x GTP ( ATP) 2 x CO 2 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 + FADH 2 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 + FADH 2 7) FUMARÁT L-MALÁT X 8) L-MALÁT OXALACETÁT + NADH+H + Zisk z citrátového cyklu substrátová fosforylace: + 1 ATP redukční ekvivalenty: + 3 NADH + H + + 1 FADH 2 Dýchací řetězec a aerobní fosforylace 3 NADH + H + 1 FADH 2 + 9 ATP (3x3ATP) + 2 ATP (1x2ATP) Celkový zisk z jedné otočky citrátového cyklu + 12 molekul ATP 84

Zapojení citrátového cyklu do intermediárního metabolismu a energetická bilance aerobního průběhu utilizace molekuly glukosy: 2xATP 2xATP (=2xCKC) 32-34 ATP aerobní fosforylace + 4 ATP substrátová fosforylace = 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 K m Vysoká Nízká 86

Schéma anaerobní glykolysy: ATP ADP Mg 2+ GLUKOSA Glukosa-6-fosfát Fruktosa-6-fosfát Hexokinasa Fosfohexosaisomerasa Glukokinasa ADP ATP Mg 2+ Fosfofruktokinasa 1 Fruktosa-1,6-bisfosfát Aldolasa A Glyceraldehyd-3-fosfát P i NAD + Glyceraldehy-3-Pdehydrogenasa NADH+H + Fosfotriosaisomerasa Dihydroxyacetonfosfát 1,3-Bisfosfoglycerát ADP ATP Mg 2+ Fosfoglycerátkinasa 3-Fosfoglycerát Fosfoglycerátmutasa 2-Fosfoglycerát Mg 2+ Enolasa ADP Mg 2+ NADH+H + NAD + ATP Fosfoenolpyruvát Pyruvát LAKTÁT Pyruvátkinasa 87 Laktátdehydrogenasa

ATP ADP Mg 2+ Schéma aerobní glykolysy cytosolová část: GLUKOSA Glukosa-6-fosfát Fruktosa-6-fosfát Hexokinasa Fosfohexosaisomerasa Glukokinasa ATP ADP Mg 2+ Fosfofruktokinasa 1 Fruktosa-1,6-bisfosfát Aldolasa A Glyceraldehyd-3-fosfát P i NAD + Glyceraldehy-3-Pdehydrogenasa NADH+H + 1,3-Bisfosfoglycerát Fosfotriosaisomerasa přes člunky vstup do mitochondrie do dýchacího řetězce Dihydroxyacetonfosfát ADP ATP Mg 2+ Fosfoglycerátkinasa 3-Fosfoglycerát Fosfoglycerátmutasa 2-Fosfoglycerát Mg 2+ Enolasa Fosfoenolpyruvát ADP Mg 2+ ATP Pyruvátkinasa Pyruvát vstup do mitochondrie 88

Schéma aerobní glykolýzy mitochondriální část pyruvátdehydrogenasový komplex: GLUKOSA PYRUVÁT CYTOSOL MITOCHONDRIE PYRUVÁT TDP Acetyllipoamid CoA-SH CO 2 Pyruvátdehydrogenasa TDP hydroxyethyl Oxidovaný lipoamid Dihydrolipoyltransacetylasa Dihydrolipoamid NAD + FADH 2 Dihydrolipoyldehydrogenasa FAD ACETYL-CoA NADH+H + 89

ANAEROBNÍ A AEROBNÍ PRŮBĚH GLYKOLYSY energetický zisk ANAEROBNÍ GLYKOLYSA: hexokinasa/glukokinasa fosfofruktokinasa - 1 ATP - 1 ATP fosfoglycerátkinasa + 1 ATP x 2* pyruvátkinasa + 1 ATP x 2* Celkový zisk: + 2 ATP AEROBNÍ GLYKOLYSA: CYTOSOL: hexokinasa/glukokinasa fosfofruktokinasa glyceraldehyd-3-fosfátdehydrogenasa - 1 ATP - 1 ATP + 1 NADH+H+ x 2* = 4-6 ATP (dle člunku) fosfoglycerátkinasa + 1 ATP x 2* pyruvátkinasa + 1 ATP x 2* MITOCHONDRIE: pyruvátdehydrogenasový komplex citrátový cyklus (2* x acetyl-coa) Celkový zisk: 1 NADH+H+ x 2* = 6 ATP 24 ATP + 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-3- fosfát + 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-1,6- bisfosfátem 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-6- fosfatasa. 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 glukosa- 6-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: P i H 2 O GLUKOSA Glukosa-6-fosfát Fruktosa-6-fosfát Glukosa-6- fosfatasa H 2 O Fruktosa-1,6-bisfosfát Fosfohexosaisomerasa P i Fruktosa-1,6- bisfosfatasa Aldolasa A Glyceraldehyd-3-fosfát NAD + + P i NADH+H + Glyceraldehy-3-Pdehydrogenasa 1,3-Bisfosfoglycerát Fosfotriosaisomerasa ADP ATP Mg 2+ Fosfoglycerátkinasa 3-Fosfoglycerát Dihydroxyacetonfosfát GLYCEROL Fosfoglycerátmutasa Fosfoenolpyruvát Mg 2+ Enolasa 2-Fosfoglycerát GDP+CO 2 GTP Fosfoenolpyruvátkarboxykinasa Pyruvát NADH+H + NAD + Laktátdehydrogenasa LAKTÁT Pyruvát Oxalacetát ATP+CO 2 ADP+P i Mg 2+ Pyruvátkarboxylasa NADH+H + NAD + Oxalacetát Malátdehydrogenasa Citrátový cyklus Malát Malát Sukcinyl-CoA 92 PROPIONÁT

PROPIONÁT CoA-SH Schéma zapojení propionátu do glukoneogenese : ATP Acyl-CoA-synthetasa AMP+PP i Propionyl-CoA Propionyl-CoAkarboxylasa ATP+CO 2 +H 2 O ADP+P i D-Methylmalonyl-CoA Methylmalonyl-CoAracemasa SUKCINYL-CoA B 12 Methylmalonyl-CoAisomerasa L-Methylmalonyl-CoA Citrátový cyklus Schéma zapojení glycerolu do glukoneogenese: ATP ADP NAD + NADH+H + GLYCEROL Glycerol-3-fosfát dihydroxyacetonfosfát GNG Mg 2+ Glycerolkinasa Fruktosa-1,6-bisfosfát Glycerol-3-fosfátdehydrogenasa Fosfotriosaisomerasa 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-2,6- bisfosfátem. - 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 Ca 2+ 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