1 METABOLISMUS SACHARIDŮ © Biochemický ústav LF MU 2016 - (H.P., ET) 2 2 Sacharidy Hlavní živina pro lidský organismus Doporučený denní příjem sacharidů pro dospělé je přibližně 4–6 g/kg tělesné hmotnosti, sacharidy by měly zaujímat asi 55–60 % z celkového energetického příjmu. 3 Využitelné sacharidy Nevyužitelné sacharidy Polysacharidy škrob (těstoviny, rýže, pudinky, brambory,...) Oligosacharidy sacharosa (sladká jídla..) laktosa (mléko,..) maltosa (pivo, slad..) Monosacharidy glukosa (ovoce..) fruktosa (med, ovoce..) galaktosa Polysacharidy celulosa (ovoce, zelenina) ß VLÁKNINA 4 Obsah škrobu v potravinách (průměrné hodnoty) Potravina Škrob (%) Pudinkový prášek Mouka pšeničná Rýže Těstoviny Rohlík Luštěniny Chléb Celozrnné pečivo Brambory Banán 80 75 75 70 60 60 50 40 15 15 ! ! ! 5 Trávení sacharidů - polysacharidy (škrob) - disacharidy ústa žaludek tenké střevo portální žíla 6 Ústa: slinná a-amylasa •hydrolýza škrobu •štěpení a-1,4 glykosidových vazeb •produkty štěpení škrobu jsou dextriny (a maltosa) •disacharidy jsou resistentní k a-amylase Žaludek: • nízké pH – inaktivace slinné a-amylasy 7 Tenké střevo pankreatická a-amylasa •hydrolýza a-1,4 glykosidových vazeb •produkty štěpení: maltosa, isomaltosa, glukosa disacharidasy •kartáčový lem enterocytů •štěpení maltosy, sacharosy, laktosy •produkty štěpení: monosacharidy absorpce monosacharidů •transport (pasivní transport, sekundárně aktivní transport) Portální žíla • transport do jater 8 a-amylasa štěpí a-1,4-glykosidovou vazbu b-1,4-glykosidovou vazbu ! Proč organismus nevyužívá celulosu jako zdroj energie ? 9 Nejvýznamnější sacharid v metabolismu GLUKOSA Fruktosa Galaktosa 10 GLUKOSA V KRVI Glukosa 3,9-5,5 mmol/l (plasma) Hormonální regulace glukosy v krvi Glukagon zvyšuje hladinu glukosy v krvi Insulin snižuje hladinu glukosy v krvi Glykemie = hladina glukosy v krvi 11 Játra - metabolicky nejvýznamější orgán v těle • zásobování ostatních tkání glukosou • metabolismus glukosy: degradace glukosy Øvznik energie Øtvorba prekurzorů pro syntézu různých molekul • syntéza glykogenu v játrech glykogen zásoba glukosy • syntéza glukosy v játrech glukoneogeneze doplňování hladiny glukosy v krvi JÁTRA Játra a sacharidy 12 METABOLISMUS GLUKOSY Glykolýza Syntéza a odbourání glykogenu Pentosový cyklus Glukoneogeneze 13 • hlavní metabolická dráha pro metabolismus glukosy • lokalizace: cytoplasma • význam: Ø produkce energie ve formě ATP Ø produkce intermediátů pro ostatní metabolické dráhy Ø zahrnuje metabolismus galaktosy a fruktosy • typy: Øza aerobních podmínek: aerobní glykolýza Øza anaerobních podmínek: anaerobní glykolýza Glykolýza Hlavní rysy glykolýzy Glykolýza glukosa fosforylace Glukosa-6-fosfát pyruvát Anaerobní podmínky Aerobní podmínky laktát acetyl-CoA schematicky Pyr Glc-6-P Glc Citrátový cyklus http://files.kabinet-chemie.webnode.cz/200000190-812858180e-public/Glykolýza.png Glykolýza 3 fáze glykolýzy •Zachycení v buňce a destabilizace fosforylací •Štěpení bis-fosfátu na dvě triosy •Oxidativní fáze – zisk energie 1 2 3 16 http://files.kabinet-chemie.webnode.cz/200000190-812858180e-public/Glykolýza.png Aerobní a anaerobní glykolýza Aerobní podmínky: reoxidace v dýchacím dýchací řetezci Anaerobní podmínky: Reoxidace reakcí s laktátem 17 Anaerobní glykolýza LD NADH je reoxidováno v reakci katalyzované LD Vznik laktátu: Anaerobní podmínky: NADH nemůže být reoxidováno v respiračním řetězci pyruvát laktát Laktát z periferních tkání putuje do jater – zde je reoxidována na pyruvát – Coriho cyklus 18 SVAL glukosa pyruvát laktát LD JÁTRA laktát LD pyruvát glukosa KREV Odstraňování laktátu z tkání do jater, kde se využívá pro tvorbu glukosy Coriho cyklus 19 V jakých buňkách probíhá anaerobní glykolýza? Vznik laktátu: • v tkáních (buňkách) postrádajících mitochondrie př: erytrocyty • v buňkách při nedostatečném přísunu kyslíku (hypoxie) • v intenzivně pracujícím svalu (bílá svalová vlákna): intenzivní svalová činnost → akumulace laktátu → pokles intracelulárního pH → svalová bolest • 20 glukosa acetyl-CoA pyruvát CH3-CO-COOH + CoA-SH + NAD+ → CH3-CO-SCoA + CO2 + NADH + H+ Aerobní glykolýza Aerobní podmínky: NADH je reoxidováno v respiračním řetězci (mitochondrie) Přeměna pyruvátu na acetyl-CoA • oxidativní dekarboxylace • lokalizace: mitochondrie (matrix) • multienzymový komplex: 3 enzymy a 5 kofaktorů kofaktory: thiamindifosfát, lipoová kyselina, CoA, FAD, NAD+ pyruvát Acetyl-CoA Citrátový cyklus Respirační řetězec ATP Respirační řetězec ATP irreversibilní reakce 21 Energetická bilance anaerobní glykolýzy: Glukosa 2 ATP Energetická bilance aerobní glykolýzy: 38 ATP Glukosa Pyruvát Laktát Pyruvát acetyl-CoA citrátový cyklus NADH DŘ Sumárně aerobní glykolýza: Glukosa + 6 O2 + 38 ADP+Pi → 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP Průběh glykolýzy v kosterním svalu Mírná práce (klid) Intenzivní práce Dostatečný přívod O2 Nedostatečný přívod O2 Vytrvalostní běh Sprint červená svalová vlákna bílá svalová vlákna Aerobní glykolýza Anaerobní glykolýza Práce na kyslíkový dluh - tvorba laktátu - laktát →do krve→do jater→pyruvát 23 Vztah vitaminů k metabolismu sacharidů 24 Souhrn glykolýzy Aerobní glykolýza: dostatečný přívod kyslíku • produkt: acetyl-CoA • 38 ATP • význam: produkce energie Anaerobní glykolýza: nedostatečný přívod kyslíku • produkt: laktát • 2 ATP • význam: produkce energie ve specifických případech: Ø tkáně za hypoxie Ø buňky nemající mitochondrie (erytrocyty, leukocyty,..) Ø při potřebě šetřit laktát pro glukoneogenezi https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcSwb69AYw1mGT_s9mx7-GWOR5yjaH8FmBgTSUbIPUOSd_t il6G0RQ ANd9GcQDLTj_qinNtWvhD_DnXFK6SBaxEsDE1RwEC7mYYZrjgZupAVSOew 25 Thiamin – vitamin B1 • Denní potřeba: 1,5 mg • Zdroj: maso, celozrnný chléb, kvasnice Ø kofaktor: thiamindifosfát (TDP) Ø funkce kofaktoru: oxidační dekarboxylace (pyruvátu) Ø thiamin je nezbytný pro energetický metabolismus (metabolismus sacharidů a též ostatních živin) Nedostatek: zvýšená únava, svalová slabost, deprese beri-beri: postižení nervového systému a cardivaskulárního systému „extrémní slabost“ Wernicke-Korsakoff syndrome: encephalopatie and psychóza (typicky u chronického alkoholismu) ANd9GcRdcAzGqSLDvxiCI6WqKI9nqPS_Em9md-4aLkU3257MNz-zIIABLg 800X600__kvasnice 26 Niacin (směs nikotinamidu a kyseliny nikotinové) (vitamin B3, vitamin PP) Kys.nikotinová Nikotinamid Ø kofaktor: NAD+ Ø funkce kofaktoru: dehydrogenační reakce • Denní potřeba: 20 mg • Zdroj: maso, játra, vejce (částečně vzniká v organismu- z Trp) 2fd03180 NAD+ ANd9GcRexGDblgGzjq601xYNonB9Iu0wP23u-7tYDhswhlS7rN7crRPN • Nedostatek: pelagra nemoc 3D (diarhea, dermatitis, dementia) oblasti s hlavní potravinou kukuřicí, rozvojové země ANd9GcRP5mMDzUo_xpWtfJnb9ahTxEaksO2nUZgjGHOGY6Ush2naWSwReg 27 Ø kofaktor: FAD a FMN Ø funkce kofaktoru: dehydrogenační reakce Riboflavin - vitamin B2 2fc076c0 riboflavin FAD • Denní potřeba: 1,8 mg • Zdroj: vejce, mléko, maso Nedostatek: kožní změny, postižení sliznice (purpurový jazyk) vejce_rozkrap 110-31105 https://encrypted-tbn1.gstatic.com/images?q=tbn:ANd9GcR3b40XbzIk5nsQM4mFF7LcP22bVS8wHUOzd4TxaqMmKPy 4ll5b 28 Kyselina panthotenová • Denní potřeba: 10 mg • Zdroj: vejce, játra, běžná smíšená strava Ø kofaktor: součást koenzymu A (CoA) Ø funkce kofaktoru: přenos acylu Nedostatek: výrazně se neprojevuje (vitamin B5) http://www.coop.cz/magazin/1_2009/img/vejce_rozkrap.jpg http://www.tradicnirecepty.cz/upload/img/catalog/products/gallery/detail/201210/3693-2822-135033088 5.jpg 21-203431-brokolice 29 Syntéza glukosy de novo Glukoneogeneze Tkáňová lokalizace: játra, ledviny Kompartment buňky: cytoplasma Substráty pro syntézu: nesacharidové sloučeniny (laktát, pyruvát, glukogenní aminokyseliny, glycerol) Význam: syntéza glukosy během hladovění 30 glukosa glykolýza glukoneogeneze reversibilní enzymové reakce 3 irreversibilní reakce pyruvát laktát glycerol glukogenní aminokyseliny (př. alanin) Glukoneogeneze Glukosa-6-P Schematicky: NE jednoduchá zpětná glykolýza Glukoneogeneze: 3 nevratné reakce glykolýzy jsou nahrazeny jinými reakcemi (enzymy) 31 Laktát vznik v tkáních, transport krví do jater laktát + NAD+ ® pyruvát+ NADH + H+ ……(Coriho cyklus) Původ substrátů pro glukoneogenezi Pyruvát transaminace alaninu (ALT), dehydrogenace laktátu (LD) Glycerol vznik v adipocytech štěpením triacylglycerolů transport krví do jater Glukogenní aminokyseliny tvorba pyruvátu nebo meziproduktů citrátového cyklu (tvorba oxalacetátu) Acetyl CoA - není substrát pro glukoneogenezi ! Mastné kyseliny nemohou být přeměněny na glukosu (u živočichů) 32 2 pyruvát + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2H+® glukosa + 2 NAD+ + 4 ADP + 2 GDP + 6 Pi Bilanční sumární rovnice glukoneogeneze -6 ATP Spotřeba Glukoneogeneze je energeticky náročný pochod. Zdrojem energie je hlavně b-oxidace MK. Vysoký výdej energie na glukoneogenezi vysvětluje efektivitu nízkosacharidových diet. 33 •Diety založené na sníženém příjmu sacharidů a zvýšeném příjmu proteinů (Atkonsonova, low-carb dieta). • •Při čistě proteinovém jídle zvýšená hladina aminokyselin stimuluje v pankreatu uvolnění glukagonu, který zvyšuje vychytání AK játry a glukoneogenezi z nich (glukosa chybí). •Je stimulováno i uvolnění inzulinu, avšak ne v takové míře jako po jídle s vysokým obsahem sacharidů. •Hladina inzulinu je dostatečná na to, aby byly AK vychytány svalem a byla zahájena proteosyntéza, avšak glukoneogeneze v játrech není inhibována. •Pod vlivem glukagonu také dochází k mobilizaci zásob, zejména uvolnění mastných kyselin z adipocytů. V játrech se za těchto podmínek mohou tvořit i ketonové látky, jejich hladina v krvi stoupá a jsou tkáněmi využívány jako zdroj energie. •Jejich nadbytek je pří zvýšeném množství vylučován močí • Nízkosacharidové diety 34 Pentosový cyklus Tkáňová lokalizace: většina tkání (př. játra, tuková tkáň, erytrocyty,..) Kompartment buňky: cytoplasma Význam: •zdroj NADPH (redukční syntézy, redukce glutathionu) •zdroj ribosa-5-P (nukleové kyseliny, nukleotidy) • 35 glukosa Zdroj NADPH a pentos Pentosový cyklus NADPH Ribosa-5-fosfát ß ß Redukční syntézy syntézy nukleových kyselin a nukleotidů zdroj energie glukosa-6-P Pentosový cyklus Schematicky: Fruktosa „Rychlý“ zdroj energie Fruktosa Fruktosa-1-fosfát Zdroj fruktosy: Sacharosa HFCS-High-Fructose Corn Syrup Štěpení sacharosy: Tenké střevo Přeměny fruktosy: Játra ß Glykolýza Nezávislé na insulinu Metabolismus fruktosy Slazení fruktosou v současné době není doporučováno 37 Zdroj galaktosy: Laktosa - mléko Štěpení laktosy: Tenké střevo Přeměny galaktosy: Játra Galaktosa Aktivovaná glukosa (UDP-glukosa) ß Metabolismus glukosy Galaktosa Glykoproteiny Glykolipidy Laktosa Metabolismus galaktosy Galaktosa je rychle metabolizována – zapojení do glykolytické dráhy 38 • syntéza a odbourání glykogenu probíhá v řadě buněk. největší zásoby: játra a kosterní svalstvo. • kompartment buňky: cytoplasma • glykogen je zásobní forma glukosy v buňkách, je možno ji rychle uvolnit • glykogen je zdroj energie • glykogen je degradován, pokud glukosa klesne pod určitou hodnotu v krvi Syntéza a odbourání GLYKOGEN 39 39 Glykogen se ukládá v cytoplazmatických granulích buněk. Enzymy odbourávání a syntézy se váží na povrchu granulí. Glykogenolýza není opakem syntézy. Molekuly glykogenu mají hmotnost Mr ~108 Lokalizace glykogenolýzy a syntézy glykogenu Granule glykogenu 40 40 Zásoby glukosy v těle Tkáň % hmotnosti tkáně Hmotnost tkáně (kg) Hmotnost glukosy (g) Játra 5.0 1.8 90 (glykogen) Sval 0.1 35 245 (glykogen) Zásoby glukosy v těle (70 kg) Játra: cca 5-10 % hmotnosti jater (po jídle) Sval: cca 1-2% hmotnosti svalu, glykogen je degradován při svalové činnosti nebo stresu 41 Glukosa Glukosa→ glukosa-6-P → glukosa-1-P → UDP-glukosa Syntéza glykogenu • po jídle, aktivace insulinem Syntéza glykogenu • vznik lineárního řetězce s a-1,4-glykosidovými vazbami • větvení (a-1,6-glykosidová vazba) glykogen Po jídle 42 Glukosové jednotky Hladovění, stres, svalová činnost Odbourání glykogenu • probíhá: - hladovění (játra) - svalová činnost (sval) - stres (játra, sval) • aktivace hormonální (glukagon, adrenalin) • fosforolytické štěpení a-1,4 glykosidových vazeb enzymem fosforylázou Odbourání glykogenu fosforolýza 43 Glykogen Odbourání glykogenu v játrech a v svalu játra: glukosa-6-P → glukosa sval: glukosa-6-P Fosforolytické štěpení a-1,4-glykosidové vazby Odstranění a-1,6-větvení glukosa-1-P glukosa–6-P Enzym glukoso-6-fosfatasa je pouze v játrech a ledvinách, nenachází se ve svalech. Přeměny glukosa-6-P glukosa-6-P glukosa Glukoso-6-fosfatasa játra, ledviny 44 Štěpení svalového glykogenu poskytuje glukosu-6-P, která je dále metabolizována přímo v buňce (glykolýzou). Význam degradace glykogenu - játra vs. sval Glukosa v krvi je doplňována pouze štěpením jaterního glykogenu, nikoliv štěpením svalového glykogenu. 45 Syntéza glykogenu Odbourání glykogenu • stimulace inzulinem Hormonální regulace • játra: stimulace glukagonem adrenalinem (hladovění, stres) • sval: stimulace adrenalinem (svalová práce, stres) 46 Hormonální regulace metabolismu glukosy •INZULIN ↓Snižuje glukosu v krvi ↑Stimulace glykolýzy xInhibice glukoneogeneze ↑Zvyšuje syntézu glykogenu • •GLUKAGON ↑Zvyšuje glukosu v krvi ↑Stimuluje glukoneogenezi ↑Zvyšuje odbourání jaterního glykogenu ↑ • Anabolické účinky „Stresové“ hormony: Adrenalin (zvyšuje odbourání glykogenu) Kortizol (zvyšuje glukoneogenezi z AK) 47 47 Přeměny glukosy v buňkách a jejich význam Pochod Význam glykolýza glukoneogeneze syntéza glykogenu glykogenolýza pentosový cyklus syntéza derivátů zisk energie, přeměna acetylCoA na mastné kyseliny doplnění glukosy při nedostatku tvorba zásob glukosy doplnění glukosy při nedostatku zdroj pentos, zdroj NADPH, glykoproteiny, 48 Schema metabolických drah glukosy glukosa pentosy (DNA, RNA ...) glykogen (játra, svaly) CO2 + H2O + energie pyruvát acetyl-CoA glykolýza oxidační dekarboxylace (nevratná !) citrátový cyklus + dýchací řetězec glukosa-6-P pentosový cyklus NADPH fruktosa glukoneogeneze syntéza glykogenu glykogenolýza laktát anaerobní glykolýza pouze v játrech (a ledvinách) mastné kyseliny lipidy 49 Zdroje glukosy v různých fázích metabolismu Při popisu metabolismu se rozlišují dva základní metabolické stavy nazvané absorpční (resorpční) fáze a postabsorpční (postresorpční) fáze. Absorpční fáze trvá přibližně 4 hodiny a zahrnuje dobu jídla a po ní. Pokud po této době nesníme další jídlo, metabolismus přechází do postabsorpční fáze. Typický stav postabsorpční fáze je stav v průběhu a po nočním lačnění. Je-li přísun potravy zastaven déle než 12–14 hodin, přechází metabolismus do fáze hladovění (krátkodobého hladovění od desítek hodin až po několik dní, dlouhodobého hladovění více než dva až tři týdny). Časové údaje jednotlivých fází jsou orientační, závisí na množství přijaté potravy, velikosti energetických zásob a dalších faktorech. STŘEVO JÁTRA CNS ERYTROCYTY SVAL TUKOVÁ TKÁŇ Metabolismus glukosy po jídle glukosa glukosa glykogen Acetyl-CoA MK MK TG glukosa glukosa glykogen Inzulin STŘEVO JÁTRA CNS ERYTROCYTY SVAL TUKOVÁ TKÁŇ Metabolismus glukosy v postresorpční fázi glukosa glykogen MK TG glukosa MK Glukagon STŘEVO JÁTRA CNS ERYTROCYTY SVAL TUKOVÁ TKÁŇ Metabolismus glukosy při hladovění glukosa glykogen MK TG glukosa MK Glukagon glukoneogeneze AK proteiny 53 Patologické stavy při poruše metabolismu sacharidů Jiné poruchy v metabolismu sacharidů (např. deficit enzymů – disacharidas) Diabetes mellitus 54 54 NEDOSTATEK INZULINU Absolutní nedostatek Relativní nedostatek - nedostatečná produkce (destrukce b-buněk pankreatu) - porucha v působení inzulinu v periferních tkáních „Inzulinová resistence“ Glukosa nevstupuje do svalových buněk a adipocytů Diabetes mellitus (DM) Nejčastější porucha sacharidového metabolismu 55 Nadbytek glukagonu • zvýšená degradace glykogenu v játrech • zvýšená glukoneogeneze • zvýšená lipolýza v tukové tkáni → zvýšené uvolnění MK do krve → zvýšená b-oxidace MK v játrech → zvýšená produkce acetyl-CoA → (kapacita CC je převýšena vzhledem k nedostatku oxalacetátu) → syntéza ketolátek → zvýšené uvolnění ketolátek do krve DM – inzulin and glukagon Nedostatek inzulinu • absolutní nebo relativní nedostatek inzulinu • snížený transport glukosy závislý na insulinu (GLUT 4) – svaly, tuková tkáň hyperglykemie hyperglykemie ketoacidosa 56 Klasifikace of DM Znak DM 1.typu DM 2.typu Prevalence ~ 15-20% diabetiků ~ 80-85% diabetiků Dřívější označení Inzulin-dependentní Non-inzulin dependentní Příčina Autoimmunitní destrukce b-buněk Inzulinová resistence (a/nebo porucha sekrece insulinu) Nedostatek inzulinu Absolutní Relativní Koncetrace inzulinu Nízká nebo nulová Normální, často i zvýšená Nástup choroby Dětství, mládí Obvykle po 40.roce Nástup choroby Akutní Postupný Tělesná stavba Astenický typ Často obézní 57 • Krev: Hyperglykemie (chronická hyperglykemie) Ketoacidosa • Moč: Glukosurie Ketonurie Biochemický nález u DM: Klinické příznaky u DM: • polyurie • polydipsie (pocit žízně) • metabolický syndrom, obezita, dyslipidemie, hypertense (DM 2.typu) 58 Diabetes je potvrzen, jestliže glykemie přesáhne: •při náhodném stanovení glukosy v plasmě ≥ 11,1 mmol/l společně s kombinací klinických symptonů • koncentrace glukosy na lačno v plasmě ≥ 7 mmol/l • koncentrace glukosy při orálním glukosovém tolerančním testu ≥ 11,1 mmol/l Glykemie: (nalačno, plasma) ref. hodnota: 3,9-5,5 mmol/l Diagnostika diabetu Stanovení glukosy: • glukometry-diagnostické proužky (kapilární krev) • biochemické analyzátory (plazma) 59 Orální glukosový toleranční test (oGTT) • prediabetes: zvýšená glykemie: 5,6 – 7 mmol/l • ověření účinnosti regulace sacharidového metabolismu pomocí funkčního testu (oGTT) • postup: Po nočním lačnění (10-14 hodin) je vyšetřovanému odebraná krev. Pak se podá 75 g glukosy v 300 ml čaje a odebere se krev za 2 hodiny po vypití čaje a stanoví se glykemie • vyhodnocení: Glykemie (mmol/l) po 2 hodinách po podání dávky glukosy (75g) Glukosová tolerance Glykemie 2 hodiny po zátěži Normální (vyloučení DM) < 7,8 mmol/l Porušená glukosová tolerance 7,8 - 11 mmol/l Diabetes mellitus > 11,1 mmol/l Glykemie: (nalačno, plasma) ref. hodnota: 3,9-5,5 mmol/l 60 Další stanovení Glykovaný hemoglobin • vzniká neezymovou reakcí mezi hemoglobinem a glukosou v krvi • hladina glykovaného hemoglobinu odráží koncentraci glukosy v krvi během celé doby života erytrocytů • využívá se k posouzení účinnosti úspěšnosti léčby/kompenzace diabetu v období 4-8 týdnů před vyšetřením Srovnej: Glykemie vs. glykovaný hemoglobin 61 Laktosová intolerance Nedostatek laktasy • laktosa (při nedostatku laktasy) je fermentována bakteriemi • produkce plynů (CO2, CH4, H2) • jsou pozorovány symptomy laktosové intolerance. milk Symptomy laktosové intolerance: •nadýmání •diarrhoea •křeče •bolesti břicha smutny+smajlik+bily Jiné poruchy v metabolismu sacharidů (Př. deficience disacharidas)