vk chemie zivin - univerzita...
TRANSCRIPT
Energie v potravě
SACHARIDY / LIPIDY / PROTEINY
60 : 30 : 10
17 kJ/g 37 kJ/g 17 kJ/g
4 kCal/g 9 kCal/g 4 kCal/g
-CH(OH)- -CH2- -CH(NH2)-
CO2, H2O CO2, H2O CO2, H2O, NH3
Oxidace uhlíkaté kostry- jednotlivé kroky -
alkan
alken
alkohol
aldehyd
karboxylová kys.
CO2 + H2O
CH3-CH3
CH2=CH2
CH3-CH2-OH
CH3-CHO
CH3-COOH
2 CO2 + 2 H2O
Sacharidy v potravě
• převažuje škrob (75% suché hmotnosti obilovin, 65% v bramborách)
� 20% amylóza (nevětvená, stočená do spirály, 200 – 300 glc)
� 80% amylopektin (až 1000 glc, větvení na každé 20. -25. jednotce glukózy)
• glykogen v mase (větvení na každé 8. -10. jednotce glc)
• „cukr“ = disacharid sacharóza (Glc-Fru)
• mléčný cukr = disacharid laktóza (Gal-Glc)
• vláknina = nestravitelné polysacharidy (celulóza, pektin)
Výskyt a funkce sacharidů v lidském těle
• v potravě polysacharidy, disacharidy, monosacharidy
• vstřebávají se jen monosacharidy, hlavní je glukóza
• zdroj energie pro všechny tkáně
• uloženy do zásoby ve formě glykogenu
• přeměna různých monosacharidů mezi sebou
• přeměna monosacharidů na různé deriváty sacharidů
• složené molekuly: proteoglykany, glykoproteiny, glykolipidy
• součást nukleových kyselin (ribóza, 2-deoxyribóza)
• nadbytek sacharidů se přemění na zásobní tuk
GLUKÓZA – centrální postavení
Obrázky převzaty z knihy Harper´s Biochemistry a z http://www.vuw.ac.nz/staff/paul_teesdale-spittle/organic/chiral_web/images/fig1_5d.gif (říjen 2007)
chirální uhlík
MONOSACHARIDY
glukóza galaktóza fruktóza
ribózakyselina glukuronová
(cukerná kyselina)
glucitol(cukerný alkohol)
glyceraldehyd dihydroxyaceton(nejjednodušší sacharidy)
HH
H
H H
POLYSACHARIDY
• homopolysacharidyškrob, glykogen, celulóza, inulin
• heteropolysacharidyglykoproteiny, proteoglykany
• rozvětvené• nerozvětvené
• zásobníškrob, glykogen,inulin
• strukturnícelulóza, proteoglykany
Chemická povaha, vlastnosti a reakce sacharidů
• polární, rozpustné ve vodě, bohatě hydratované
• polyhydroxyderiváty aldehydu nebo ketonu (karbonyl. slučeniny)
• alkoholová i karbonylová skupina: oxidace / redukce(vznik cukerných kyselin nebo alkoholů)
• aldehydová skupina: vazba na primární aminoskupiny proteinů (neenzymatická glykosylace = glykace proteinů)
• tvorba glykosidové vazby (enzymatická glykosylace -vazba na proteiny a lipidy přes -OH nebo -CONH2 skupinu )
• tvoří estery s kyselinou fosforečnou H3PO4
(meziprodukty metabolismu)
http://www.medicographia.com/2010/01/advanced-glycation-end-products-ages-and-their-receptors-rages-in-diabetic-vascular-disease/
Glykovaný hemoglobin
fruktóza
Cesta z trávicího traktu do tukové tkáně
• do buňky vstupují usnadněnou difuzí (protein. přenašeč)
• v krvi volně rozpuštěné, krevní cukr = glukóza
• filtruje se v ledvinách, v proximálním tubulu se zpětněvstřebává (ledvinový práh pro Glc = 9 - 10 mmol/l)
• rychlost nárůstu glykemie po jídle závisí na glykemickém indexu potravin, schopnosti vstřebání a funkci jater (glukostatická funkce jater), max. za 45 - 60 min.
• rychlost poklesu glykemie závisí na inzulinu
• glukózu využívají všechny buňky jako zdroj energie: oxidace na CO2 a H20 (anaerobně na laktát), nadbytek se přemění na glykogen nebo zásobní tuk
Obrázek převzat z Trends in Biochemical Sciences, reference edition, volume 6, str. 209.Elsevier/North-Holland Biomedical Press, 1981.
Přehled metabolismu sacharidůkatabolické dráhy
• glykogenolýza (odbourávání glykogenu)
• glykolýza: 1x glukóza → 2x pyruvát, 2x NADH, 2xATP
• aerobně: pyruvát → acetyl-CoA → Krebsův cyklus → CO2
• anaerobně: pyruvát + NADH → laktát
• pentózový cyklus: glukóza → CO2 + pentózy
anabolické dráhy
• glukoneogeneze (syntéza Glc z necukerných látek)
• syntéza glykogenu
• syntéza mastných kyselin (z acetyl-CoA) a zásob. tuků
Obrázek převzat z knihy Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, 1997. ISBN 0-471-15451-2
graf ukazuje zdroj krevní glukózy
v různém čase po jídle a při hladovění
Množství glykogenu v játrech během dne
Obrázek převzat z knihy Devlin, T. M. (editor): Textbook of Biochemistry with Clinical Correlations, 4th ed. Wiley-Liss, Inc., New York, 1997. ISBN 0-471-15451-2
GLYKOGEN (Glc)n
(polysacharid: glukan)
Obrázek převzat z http://students.ou.edu/R/Ben.A.Rodriguez-1/glycogen.gif (říjen 2007)
neredukující konec redukující konec
OH
Glykogen - struktura
• větvený polymer glukózy (= glukan), na každé 8. – 10. Glc větev
• α(1→4) vazby v lineárním řetězci, větev připojena α(1→6)
• jeden redukující konec, ostatní konce neredukující (větve)
• v buňce bývá na redukujícím konci kovalentně navázán na protein glykogenin (= enzym zahajující syntézu glykogenu)
• glykogen je uložen v cytoplazmě buněk – bohatě hydratovanéglykogenové inkluze, histochemický průkaz PAS reakcí
• vyskytuje se v mnoha tkáních, nejvíce v játrech (10 %
hmotnosti tkáně, 100 g celkem) a svalech (2 %, 400 g celkem)
• kromě jater využívají ostatní tkáně glykogenové zásoby glukózy jen pro svou vlastní potřebu
• jaterní glykogen je hlavním zdrojem krevní Glc na počátku hladovění
Monosacharidy
• v buňce tvoří estery kyseliny forforečné („fosfáty“)
• jejich uhlíkatá kostra je částečně oxidovaná : -CH(OH)-(při oxidaci poskytnou méně energie než oxidace tuků)
• zdroj energie: Glc, Fru, Gal / zásoba energie: glykogen
• přeměna na další sacharidy(složky nukleotidů, glykoproteinů)nebo deriváty sacharidů(aminocukry, uronové kyseliny – v proteoglykanech)
• přeměna na tuk (zásoba energie)
• významné meziprodukty metabolismu:� glyceraldehyd-3-fosfát� dihydroxyacetonfosfát (DHAP)� 1,3-bisfosfoglycerát
anhydridová vazba
Monosacharidy
glukóza� produkce energie (glykolýza)
� zásoba energie (glykogen nebo přeměna na tuk)
� přeměna na další sacharidy, např. ribózu (pentózový cyklus →kromě ribózy aj. sacharidů produkuje NADPH+H+)
� přeměna na kyselinu glukuronovou (oxidace glukózy)
fruktóza� přeměna na glukózu� produkce energie (glykolýza)
� zásoba energie (přeměna na tuk)
galaktóza� přeměna na glukózu nebo laktózu� syntéza glykoproteinů a proteoglykanů
ribóza
� syntéza nuklotidů
Glukóza• glykemie: 3,6 – 5,6 mM (nalačno) / až 10 mM (po jídle)
• po jídle: glykolýza, syntéza glykogenu, přeměna na tuk
• během hladovění: glykogenolýza, glukoneogeneze
• ostatní přeměny glukózy podle potřeby (pentózový cyklus, přeměna na jiné monosacharidy a deriváty)
• glykogen: syntéza z UDP-glukózy
• přeměna na galaktózu: z UDP-glukózy
• přeměna na kys. glukuronovou: z UDP-glukózy
všechny přeměny glukózy vycházejíz glukóza-6-fosfátu
Fruktóza• zdroj:
� sacharóza (Glc-Fru): štěpena sacharázou ve střevě
� volná v ovoci („ovocný cukr“ = fruktóza) a medu
• část fruktózy se přeměňuje na glukózu už ve střevě, metabolizována je hlavně v játrech
• fruktokináza (Fru-1-P), hexokináza (Fru-6-P)
• aldoláza B (defekt: vrozená intolerance fruktózy)
• fruktóza nezvyšuje produkci inzulinu, její vstup do buněk i metabolismus je na inzulinu nezávislý
• fruktóza aktivuje glykolýzu (glukokinázu) a sama je metabolizována rychleji než Glc (nejde přes PFK-1)
• osud: glykolýza, lipogeneze; syntéza mannózy (pro glykoproteiny)
Sorbitol• cukerný alkohol vznikající redukcí karbonylové skupiny
fruktózy nebo glukózy (alternativní název: glucitol)
• glucitol jako umělé sladidlo (E420) se vstřebává v távicím traktu jen málo (polární látka)
• enzym aldóza reduktáza (glukóza → sorbitol; NADPH): v mnoha
tkáních, významný v játrech, sítnici, oční čočce, periferních nervech a ledvinách (problémy u pacientů s hyperglykemií: osmoticky aktivní sorbitol zadržuje v buňkách vodu, změna osmolarity je příčinou šedého zákalu, periferní neuropatie a cévních problémůvedoucích k poškození ledvin a oční sítnice)
• sorbitol je dále oxidován na fruktózu sorbitol dehydrogenázou (sorbitol → fruktóza; NAD+): významnév játrech a semenných váčcích (spermie získávají energii z Fru)
Galaktóza• koncentrace v krvi: 0 – 0,3 mM
• zdroj: laktóza (Gal-Glc) štěpena laktázou ve střevě; vznikái štěpením glykoproteinů a glykolipidů v lyzosomech
• syntéza: z glukózy (galaktóza je 4-epimer glukózy)
• vstup do buněk je nezávislý na inzulinu
• galaktokináza (Gal-1-P), v mnoha buňkách
• galaktóza se přeměňuje hlavně v játrech na glukózu
� uridyltransferáza: Gal-1-P + UDP-Glc → UDP-Gal + Glc-1-P
� epimeráza: UDP-Gal → UDP-Glc
• defekt galaktokinázy nebo uridyltransferázy: galaktosemie
• využití: glykoproteiny, glykolipidy, glykosaminoglykany, laktóza mateřského mléka
Mannóza• součást glykoproteinů (gp)
• 2-epimer glukózy, ale nevzniká epimerací Glc, nýbržz fruktózy (což je ketoizomer glukózy, >CO sk. v pozici 2)
• syntéza: Fru-6-P ↔ Man-6-P (izomerace);mannóza se touto cestou může i odbourávat (Fru-6-P je meziprodukt glykolýzy)
• z jejího derivátu N-acetylmannózaminu a z pyruvátu vzniká kyselina neuraminová: její deriváty označovanéjako sialové kyseliny (Sia, NeuAc) jsou také součástíglykoproteinů (vázány na koncích oligosacharidových větviček gp, nejsou v rostlinných glykoproteinech); majízáporný náboj (-COO-), odpuzováním se navzájem „načechrávají“ strukturu glykoproteinu v prostoru
• stárnoucí gp krevní plazmy ztrácejí tyto koncovéstruktury Sia a jsou tak rozeznány buňkami a odbourány
Klinické souvislosti
• glykemická křivka (normální a snížená tolerance glc, DM) - oGTT
• glykemický index (rychlost nárůstu glykémie po jídle) - GI
• vláknina (rozpustná a nerozpustná)
• glykace proteinů (glykovaný hemoglobin, fruktózamin)
• glykosurie (ledvinný práh pro glukózu)
• glykorachie (koncentrace glc v mozkomíšním moku)
• laktátová acidóza (metabolická acidóza)
• hemolytické anemie (při defektech enzymů glykolýzy a pent. cyklu)
• metabolismus svalu (anaerobní a aerobní cvičení)
Tuky v potravěneutrální tuk (triacylglyceroly) a fosfolipidy obsahují:
• nasycené = saturované mastné kyseliny (SFA)
• mononenasycené mastné kyseliny (MUFA)
• polynenasycené mastné kyseliny (PUFA) = esenciální FA
� omega-6 (ω-6, n-6)
� omega-3 (ω-3, n-3) - v rybím oleji: EPA, DHA
• trans-mastné kyseliny (TFA)
cholesterol
• nachází se v živočišném tuku
18:3 <0,5%18:3 <0,5%18:3 10%18:3 1%18:3 1%18:3 1,5%PUFA
ωωωω-3
18:2 1,5%18:2 63%18:2 20%18:2 8%18:2 9%18:2 2,5%PUFA
ωωωω-6
18:1 7%18:1 21%18:1 59%18:1 72%18:1 42%18:1 25%MUFA
12:0 45%14:0 17%
16:0 9%
16:0 6%
18:0 4%
16:0 4%
18:0 1,5%
16:0 11%
18:0 2,5%
14:0 1%16:0 24%18:0 14%
14:0 10%16:0 26%18:0 12%
SFA
kokosový
olejslunečnic.
olejřepkový
olejolivový
olejsádlomáslo
Příklady složení různých olejů
převzato z http://www.internimedicina.cz/pdfs/int/2009/12/05.pdf
Výskyt a funkce lipidů v lidském těle
• v potravě převážně ve formě triacylglycerolů (TAG), také fosfolipidy, cholesterol a jeho estery
• k trávení tuků je nezbytná žluč
• vstřebávají se hlavně volné mastné kyseliny (FFA), 2-monoacylglyceroly (MAG) a cholesterol (CHOL)
• TAG jsou hlavní zásobní formou energie (zásobní tuk
v tukových buňkách), FFA jsou zdrojem energie pro buňky
• fosfolipidy a cholesterol jsou součástí membrán
• z cholesterolu vznikají steroidní hormony a žlučovékyseliny
• z esenciálních mastných kyselin vznikají eikosanoidy
Chemická povaha, vlastnosti a reakce lipidů
• strukturně velmi rozmanitá skupina látek
• hydrolyzovatelné / nehydrolyzovatelné
• špatně rozpustné ve vodě - nepolární nebo amfipatický charakter (polární + nepolární část molekuly)
• pro transport krví potřebují přenašeč
• izolační vlastnosti (mechanické, tepelné)
• typickou reakcí je esterifikace (alkohol + kyselina)
• vícenásobně nenasycené mastné kyseliny jsou náchylnék neenzymatické oxidaci (lipoperoxidace)
• metabolicky se k lipidům řadí ketolátky (polární)
Obrázek převzat z knihy: J.Koolman, K.H.Röhm / Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition, Thieme 2005
HYDROLYZOVATELNÉ LIPIDY
NEHYDROLYZOVATELNÉ LIPIDY
Obrázek převzat z http://courses.cm.utexas.edu/archive/Spring2002/CH339K/Robertus/overheads-2/ch11_lipid-struct.jpg(leden 2007)
Struktura lipidů
Strukturní složky lipidů
• alkoholy� glycerol (a)
� sfingosin (b)
� cholesterol (c)
� inositol (d)
• karboxylové kyseliny s dlouhým řetězcem(= mastné kyseliny)
The figures are adopted from http://en.wikipedia.org (April 2007)
a) b)
c) d)
Převzato z knihy: J.Koolman, K.H.Röhm / Color Atlas of Biochemistry, 2nd edition, Thieme 2005
Kyselina:mraven číoctovápropionovámáselnávalerovákapronovákaprylovákaprinoválaurovámyristovápalmitovástearováolejoválinoloválinolenováarachidováarachidonovábehenováerukoválignocerovánervonová
Doporučený článek:http://www.internimedicina.cz/pdfs/int/2009/12/05.pdf
Volné mastné kys.(FFA)
Esterifikovanémastné kyseliny
= triacylglycerol(TAG)
nebo triglycerid
ωωωω-9
ωωωω-6
ωωωω-3
kyselina olejová
kyselina linolová
kys. alfa-linolenová
kys. gama-linolenová
kys. eikosapentaenová (EPA)
kys. arachidonová
k. dokosahexaenová (DHA)
18
18
9
9 12
18
18
Mastné kyseliny (FA)• saturovaný tuk obsahuje více saturovaných (nasycených) FA
(více energie: -CH2-CH2-)• desaturovaný tuk: monoenové / polyenové mastné kyseliny
(méně energie – částečně oxidovaný řetězec: -CH=CH-)
• FA s krátkým řetězcem (SCFA): méně než 6 uhlíků
• FA se středně dlouhým řetězcem (MCFA): 6 – 12 uhlíků
• FA s dlouhým řetězcem (LCFA): více než 12 uhlíků
• FA s velmi dlouhým řetězcem (VLCFA): více než 22 uhlíků
• sudý počet uhlíků v molekule (syntetizovány z C-2 prekurzoru)
• oddělené cis dvojné vazby: -CH=CH-CH2-CH=CH-
Doporučený článek:http://www.internimedicina.cz/pdfs/int/2009/12/05.pdf
Mastné kyseliny (FA)
• v buňkách jsou vázány na Koenzym A → „acyl-CoA“
vazebné místo
• redukovanější uhlíkatý řetězecnež sacharidy: -CH2-
• FA tvoří složky triacylglycerolů a fosfolipidů, jsou součástíesterů cholesterolu (= hydrolyzovatelné tuky)
• FA slouží jako zdroj energie (β-oxidace) nebo tvoří
zásobu energie ve formě triacylglycerolů = neutrální tuk• FA mohou být přeměněny na ketolátky a eikosanoidy
Cesta z trávicího traktu do tukové tkáně• do krve se vstřebávají jen kratší mastné kyseliny (FA),
krví putují vázané na albuminu
• dlouhé FA se v enterocytech reesterifikují (na TAG a fosfolipidy) a krví putují jako součást lipoproteinů
• po jídle jsou lipidy v krvi přítomny ve formě chylomikronů(vznikají v enterocytech, odkud se dostávají nejprve do lymfy) a VLDL (vznikají v játrech)
• na endotelu cév je přítomna lipoproteinová lipáza, kteráz TAG v lipoproteinech vyštěpuje FA, které se pak usnadněným transportem dostávají do buněk
• v tukové buňce: reesterifikace FA na TAG (tuk. kapénky); při hladovění jsou TAG štěpeny hormonsenzitivní lipázou
• při hladovění jsou FA přenášeny krví vázané na albuminu
Obrázek převzat z knihy Grundy, S.M.: Atlas of lipid disorders, unit 1. Gower Medical Publishing, New York, 1990.
animace: http://www.wiley.com/college/fob/quiz/quiz19/19-5.html
Přehled metabolismu lipidůkatabolické dráhy
• lipolýza: TAG → mastné kyseliny + glycerol
• beta-oxidace: mastná kyselina → acetyl-CoA → Krebs.cyk.(játra: acetyl-CoA → syntéza ketolátek → transport do jiné tkáně:ketolátky → acetyl-CoA → Krebsův cyklus → CO2)
• odbourávání cholesterolu: cholesterol → žlučové kyseliny
anabolické dráhy
• syntéza mastných kyselin: acetyl-CoA → mastná kyselina
• esterifikace: syntéza TAG, fosfolipidů, esterů cholesterolu
• syntéza signálních molekul:esenciální mastné kyseliny → eikosanoidy (C20)cholesterol → steroidní hormony
Cholesterol• živočišný steroidní alkohol – patří mezi izoprenoidy (derivát triterpenů)
• málo rozpustný ve vodě (C27, jedna –OH skupina)
• celková koncentrace cholesterolu v krvi: 2,9 – 5,0 mM
• v krvi je transportován v lipoproteinech: hlavně v LDL a HDL (jako tzv. LDL-cholesterol a HDL-cholesterol - poměr v krvi: 2,5/1)
• LDL vzniká v oběhu z VLDL, který obsahuje tuky syntetizovanév játrech, tj. LDL transportuje cholesterol směrem z jater k periferním tkáním
• HDL přenáší cholesterol z periferie do jater, podílí se na esterifikaci cholesterolu (enzym: LCAT) a jeho přenosu do jiných lipoproteinů
• estery cholesterolu jsou hydrofóbnější než volný cholesterol –jsou uloženy v jádře lipoproteinů, zatímco volný cholesterol se nacházív jejich povrchové vrstvě
• cholesterol je součástí membrán všech buněk• je substrátem pro syntézu steroidních hormonů (glukokortikoidů,
mineralokortikoidů, androgenů, estrogenů, progesteronu, kalcitriolu → v buňkách je skladován ve formě esterů v tukových kapénkách) a žlučových kyselin (v této formě je cholesterol částěčně z těla vylučován)
Klinické souvislosti• porucha trávení lipidů - při uzávěru žlučových cest
(chybí žluč, která je nezbytná pro emulgaci tuků)
• ketoacidóza - následek zvýšené plazmatické koncentrace FFA
(v játrech se tvoří více ketolátek než je tělo schopno využít)
• familiární hypercholesterolémie - genetický defekt LDL-receptorů (hromadí se LDL v plazmě; incidence u nás: 1:500)
• ateroskleróza - souvisí s vysokou koncentrací LDL-cholesterolu(náchylný k lipoperoxidaci i glykaci, ve stěně cév je pak vychytáván makrofágy - vytváří se tak pěnové buňky plné cholesterolu)
• lipoprotein (a) = Lp(a) - podle hustoty se řadí mezi LDL, ale obsahuje navíc plazminogenu podobný apoprotein (a), který je kovalentně navázaný na apoB-100; není rozpoznáván LDL-receptory(zvýšená koncentrace je dána geneticky, je vysoce proaterogenní)
• HDL brání oxidaci LDL, přebírají a odstraňují oxidované složky z LDL (enzym paraoxonáza; HDL také chelatují přechodné kovy)
Proteiny v potravě• živočišné proteiny (všechny aminokyseliny)
• rostlinné proteiny (menší zastoupení: Met, Lys, Trp)
• esenciální aminokyseliny:
� větvené - Val, Leu, Ile
� aromatické - Phe, Trp
� zásadité - His, Arg, Lys
� obsahující sekundární -OH skupinu - Thr
� obsahující sulfidovou skupinu - Met
Aminokyseliny (AMK)• obsahují další prvky: dusík (všechny AMK), síru (Cys, Met)
� při odbourávání AMK vzniká NH3 (a H2SO4)
� NH3 je toxický pro mozek ⇒ detoxikován je přeměnou na ureu→vyloučena močí (urea = močovina)
• AMK jsou primárně využívány k proteosyntéze
• další využití:
� syntéza dusíkatých látek (hem, nukleotidy, signální molekuly –hormony, neurotransmitery)
� přímá produkce energie (Krebsův cyklus) nebo nepřímá produkce energie při hladovění: po přeměně na glukózu (glukoneogeneze)
� uložení energie do zásoby po přeměně na tuk (TAG)
• využití AMK jako zdroje energie spotřebovává energii , protože je potřeba detoxikovat amoniak !