Chemie živinVladimíra Kvasnicová

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

17 kJ/g

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

DISACHARIDY

SALÁM

• SAcharóza

• LAktóza

• Maltóza

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.

http://www.dieta.cz/pin/a42d60cf466844ea7ba3da35c38e167f/

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)

37 kJ/g

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)

17 kJ/g

N →→→→ NH3 →→→→ urea, S → H2SO4 → sulfáty

proteiny

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 !

Proteinogenní aminokyseliny