Metabolismus sacharidů
Zdroje sacharidů v potravě
Pro člověka jsou hlavní živinou sacharidy, především polysacharidy. Sacharidem převažujícím
v potravě je škrob, který je obsažen především v pečivu, bramborách, těstovinách, rýži, luštěninách a
kukuřici. Dalším významným sacharidem v potravě je sacharosa, která je rovněž pouze rostlinného
původu. Sacharosa je nejběžnějším sladidlem (konzumní cukr), získává se v krystalické formě
z cukrové třtiny nebo řepy cukrové. Laktosa je disacharid obsažený v mléce. Zakysané nebo více
tučné mléčné výrobky mají nižší obsah laktosy. Glukosa se nachází v potravě především ve formě
výše uvedených disacharidů a polysacharidů. Glukosa a fruktosa se vyskytují ve formě monosacharidů
především v ovoci a medu.
Obsah škrobu v potravinách
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
Obsah celulosy v potravinách
Potravina % celulosy
Otruby
Ovesné vločky
Rybíz
Celozrnné pečivo
Luštěniny
Ořechy
Broskve, švestky
Chléb
Mrkev
Rohlík
44
10
9
7
6
6
4-5
4
3
1
93
Trávení sacharidů
Trávení škrobu je zahájeno v ústech a je dokončeno v tenkém střevě. Ve slinách i v pankreatické šťávě
je obsažen enzym α-amylasa, který katalyzuje štěpení α(1→4) glykosidové vazby mezi glukosovými
podjednotkami. Škrob je nejprve štěpen na kratší jednotky zvané dextriny, konečnými produkty jeho
štěpení působením α-amylasy jsou maltosa, isomaltosa, D-glukosa a malé množství tzv. limitních
dextrinů. Ve štěpení disacharidů včetně laktosy a sacharosy z potravy pak pokračují specifické disacharidasy,
které jsou lokalizovány v kartáčovém lemu enterocytů. Monosacharidy jsou po té transportovány
portální žílou do jater.
Celulosa není na rozdíl od škrobu a glukagonu štěpena α-amylasou a prochází trávicím traktem nezměněna.
Je to hlavní složka potravinové vlákniny.
Vláknina
• angl. dietary fibre
• směs celulosy a dalších polymerů sacharidových i nesacharidových
• vyskytuje se výhradně v rostlinné stravě
• nepatří mezi živiny, je však důležité ji přijímat v dostatečném množství
• dělí se na rozpustnou a nerozpustnou
Vláknina není metabolizována ani resorbována v tenkém střevě. V tlustém střevě je většina rozpustné
vlákniny zkvašena. Nerozpustná vláknina prochází nerozložena. K nerozpustné vláknině se řadí celulosa,
lignin, hemicelulosa ad., rozpustnou vlákninu představují např.pektiiny, gumy, slizy, rozpustná
hemicelulosa.
Význam vlákniny:
• podporuje střevní peristaltiku,zvětšuje objem stolice
• váže žlučové kyseliny - nepřímá exkrece cholesterolu
• podporuje sacharolytické (kvasné) procesy ve střevě
• zpomaluje střevní absorpci požitých sacharidů (zplošťuje glykemickou křivku)
• zpomaluje resorpci i jiných živin
• nadbytek vlákniny však může škodit (zmenšená resorpce minerálů, vitamínů apod.)
Obsah vlákniny v pečivu
Druh pečiva Škrob (%) Vláknina (%)
Rohlík
Chléb (běžný)
Celozrnné (graham)
60
50-55
35-45
1
3-5
6-10
Metabolismus glukosy
Glukosa vstupuje do buněk pomocí bílkovinných přenašečů umístněných v cytoplazmatické membráně
usnadněnou difůzí. Pro vstup glukosy do svalových a tukových buněk je nutný účinek hormonu
inzulinu, který zvyšuje počet transportérů pro glukosu v buněčné membráně.
94
Glukosa podléhá v buňkách řadě metabolických přeměn. Hlavní cestou jejího odbourávání je glykolýza.
Probíhá v cytoplazmě téměř všech buněk a slouží jako zdroj energie. Pro erytrocyty je glukosa
jediným zdrojem energie, pro nervové buňky je glukosa téměř výhradní živinou a jen z části může být
nahrazena ketonovými látkami.
Glykolýza může probíhat za přítomnosti nebo nepřítomnosti kyslíku (aerobní nebo anaerobní glykolýza).
Glykolýza je zahájena přeměnou glukosy na glukosa-6-fosfát, který je výchozí sloučeninou i pro
další přeměny glukosy. Glukosa-6-fosfát izomeruje na fruktosa-6-fosfát, který je v další reakci fosforylován
na fruktosa-1,6-bisfosfát. Při obou fosforylačních reakcích je spotřebováno ATP. Fruktosa-
1,6-bisfosfát se štěpí na dvě tříuhlíkaté sloučeniny - glyceraldehyd-3-fosfát a dihydroxyacetonfosfát,
který následně izomeruje také na glyceraldehyd-3-fosfát. Glyceraldehyd-3-fosfát podléhá sérii přeměn,
při nichž se redukuje pyridinový nukleotid NAD+
na NADH + H+
a vznikají 2 ATP. Konečným
produktem je pyruvát.
Schéma glykolýzy:
O
OH
OH
OH
O
CH2OH
H
ATP ADP
glukosa glukosa-6-fosfát
O
OHOH
OH
CH2 CH2OHOP
O
OH
OH
OH
O
CH2O P
H
fruktosa-6-fosfát
C
CH
OH
CH2
OH
O P
glyceraldehyd-3-fosfát
COO
C
CH3
O
COO
C
CH3
H OH
NAD+
NADH H++
laktát pyruvát
NADH NAD+
Popsané reakce glykolýzy probíhají za aerobních i anaerobních podmínek. Další přeměny pyruvátu
jsou však za anaerobních a aerobních podmínek různé. Rozdílné je též využití NADH.
Aerobní glykolýza. Za aerobních podmínek pokračuje metabolismus pyruvátu přeměnou na acetylCoA.
NADH, který vznikl při oxidaci glyceraldehyd-3-fosfátu, je reoxidován v dýchacím řetězci.
Přeměna pyruvátu na acetyl-CoA je složitý nevratný proces katalyzovaný multienzymovým
komplexem, při kterém je pyruvát dekarboxylován za současného navázání CoA. Děj probíhá v matrix
mitochondrií a sumárně jej lze popsat rovnicí:
CH3-CO-COOH + CoA-SH + NAD+
⎯→ CH3-CO-S-CoA + CO2 + NADH + H+
95
V průběhu reakcí se kromě NAD+
a koenzymu A uplatňuje několik
dalších kofaktorů: kyselina lipoová, thiamindifosfát odvozený od thiaminu
(vit. B1) a FAD (odvozený od riboflavinu). Acetyl-CoA je po té
odbourán v citrátovém cyklu, vzniklý NADH je za zisku ATP reoxidován
v dýchacím řetězci. Po celkovém vyčíslení je maximální zisk
aerobní glykolýzy při odbourání 1 molu glukosy 38 ATP.
Deficit thiaminu
Thiamin je vitamin důležitý
pro všechny tkáně. Jednou z
důležitých reakcí, při nichž se
uplatňuje, je právě oxidační
dekarboxylace pyruvátu, která
umožňuje propojení mezi
glykolýzou a citrátovým cyklem.
Deficit thiaminu se projevuje
zvýšenou únavou a svalovou
slabostí. Extrémním projevem
nedostatku je nemoc
označovaná jako beri-beri, což
sinhálsky znamená nemohu-
nemohu.
Úplné odbourání glukosy aerobní glykolýzou lze pak zapsat sumární
rovnicí:
glukosa + 6 O2 + 38 ADP + 38 Pi ⎯→ 6 CO2 + 6 H2O + 38 ATP
Je důležité si uvědomit, že pro průběh výše popsaných dějů je nezbytná
dostupnost kyslíku, což umožňuje kontinuální reoxidaci NADH
v dýchacím řetězci.
Anaerobní glykolýza. Při nedostatku kyslíku v buňce, typicky v buňkách intenzívně namáhaného
kosterního svalu, neprobíhají reakce dýchacího řetězce a tedy NADH, který vznikl při přeměně glukosa-6-fosfátu
na pyruvát, nemůže být reoxidován. Hromadí se v buňce a vzniká nedostatek jeho oxidované
formy NAD+
. Aby bylo umožněno pokračování alespoň první fáze glykolýzy, která vyžaduje
NAD+
pro oxidaci glyceraldehyd-3-fosfátu, musí se NADH reoxidovat „náhradním“ způsobem. Dochází
k reakci NADH s pyruvátem za vzniku laktátu. Reakce je katalyzována enzymem laktátdehydrogenasou
(LD):
LD
pyruvát + NADH + H+
laktát + NAD+
Za těchto podmínek tedy glykolýza může pokračovat i za anaerobních podmínek. Vzniklý pyruvát už
není dále oxidován na acetyl-CoA a energetický výtěžek je proto nízký, a to jen 2 moly ATP na 1 mol
glukosy. Je to však je to jediný možný způsob, jak získat ATP bez přispění kyslíku.
Uvedený způsob získávání energie pro svalovou buňku se označuje jako práce na kyslíkový dluh a
může probíhat jen po omezený, velmi krátký časový úsek (doba záleží na trénovanosti jedince a dalších
faktorech). Hromadění laktátu v buňkách a jeho přesun do krve vyvolá acidózu, která se projeví
svalovou bolestí a vyčerpáním. Po ukončení nebo zmírnění intenzity svalové práce, kdy sval je opět
dostatečně zásoben kyslíkem, se část laktátu přemění zpět na pyruvát a NADH je reoxidováno
v dýchacím řetězci.
Anaerobní glykolýza probíhá rovněž v erytrocytech. Erytrocyty nemají mitochondrie a chybí jim tedy
dýchací řetězec, v němž je za aerobních podmínek oxidováno NADH. Laktát je uvolňován do krve a
reoxidován na pyruvát v játrech, kde je většinou využit na syntézu glukosy, která je pak zpět uvolněna
do krve. Tvorba kyseliny mléčné z glukosy je rovněž charakteristická pro mléčné kvašení, které probíhá
u řady mikroorganismů, zejména u mléčných bakterií (laktobacily a bifidobakterie).
96
Syntéza a odbourání glykogenu
Je-li do buněk přiváděno dostatečné množství glukosy, může být její část, která není bezprostředně
metabolizována, ukládána ve formě větveného polysacharidu glykogenu. Glykogen umožňuje skladování
velkého množství glukosy v osmoticky neaktivní formě, ze které může být glukosa rychle uvolněna.
Značnou kapacitu syntetizovat glykogen mají u savců především jaterní a svalové buňky. Syntéza
je podporována účinky inzulinu. Glykogen se shromažďuje ve formě granul v cytozolu buněk.
V období nedostatečného přívodu glukosy je zásobní glykogen rychle štěpen. Štěpení probíhá za přítomnosti
anorganického fosfátu (fosforolytické štěpení), produktem je glukosa-1-fosfát, který izomeruje
na glukosa-6-fosfát. Protože glukosa-6-fosfát může být hydrolyzován na glukosu pouze v játrech,
jen jaterní glykogen může uvolnit glukosu do krve. Svalový glykogen slouží jako zásoba energie pro
svalové buňky. Proto jaterní glykogen je štěpen jak za stresových podmínek (účinek adrenalinu), tak i
při poklesu glukosy v krvi (účinek glukagonu). Štěpení svalového glykogenu je stimulováno adrenalinem,
ale ne glukagonem.
Glukoneogeneze
Glukosa není esenciální složkou potravy. Pomocí glukoneogeneze může být v organismu syntetizována
i z necukerných zdrojů. Jsou to laktát, glukogenní aminokyseliny (alanin) a glycerol. Většina
pochodů glukoneogeneze je katalyzována stejnými enzymy jako glykolýza, pouze tři reakce glykolýzy
jsou nevratné a proto probíhají jiným mechanismem. Hlavním místem glukoneogeneze u savců jsou
jaterní buňky, v malé míře také ledviny. Glukosa nemůže být u živočichů syntetizována z mastných
kyselin nebo acetyl-CoA, protože přeměna pyruvátu na acetyl-CoA je nevratná. Avšak naopak,
z acetyl-CoA pocházejícího z glukosy mohou být v játrech syntetizovány mastné kyseliny, které se
zabudovávají do triacylglycerolů a pomocí lipoproteinů jsou krví transportovány do tukové tkáně.
Důsledkem nadbytečného příjmu sacharidů je tedy ukládání lipidů v tukové tkáni.
Pentosový cyklus
Další metabolickou cestou, kterou se glukosa může přeměňovat, je pentosový cyklus. Nezískává se při
něm energie, avšak slouží k produkci NADPH potřebného zejména pro biosyntetické pochody a redukci
oxidovaného glutathionu. Pentosový cyklus je rovněž zdrojem ribosafosfátu pro syntézu nukleových
kyselin a nukleotidů. Enzymy pentosového cyklu jsou u savců lokalizovány především
v jaterních buňkách, adipocytech, erytrocytech i dalších tkáních.
97
Schéma metabolických dráh 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
Hormonální regulace metabolismu glukosy
U člověka je hladina glukosy v krvi udržována ve velmi úzkém rozmezí (3-6 mmol/l), bez ohledu na
to, zda je glukosa bezprostředně dostupná v potravě či není. To je potřeba především pro zajištění
činnosti mozkových buněk, pro něž je glukosa prakticky jediným zdrojem energie. Na regulaci hladiny
glukosy v krvi se podílí řada hormonů, z nichž největší význam mají pankreatické hormony inzulin
a glukagon.
Inzulin je polypeptid produkovaný β-buňkami Langerhansových ostrůvků při zvýšení hladiny glukosy
v krvi. Má řadu metabolických účinků, všechny z nich mají anabolický charakter. Hlavním efektem je
snižování hladiny glukosy v krvi, které je výsledkem ovlivnění několika různých metabolických dějů.
Inzulin např. usnadňuje transport glukosy do svalových a tukových buněk, stimuluje glykolýzu, inhibuje
glukoneogenesi a zvyšuje syntézu glykogenu v játrech a ve svalech. Kromě toho působí i na metabolismus
lipidů a proteinů. Nedostatek inzulinu, jak absolutní tak i ztráta citlivosti tkání na inzulin,
vyvolává onemocnění diabetes mellitus (cukrovku).
Antagonistou inzulinu je glukagon produkovaný α-buňkami Langerhansových ostrůvků. Sekrece
obou protichůdných hormonů je ve vzájemné vazbě: snížení hladiny glukosy v krvi, byť velmi nepatrné,
je účinným stimulem pro sekreci glukagonu, zvýšení hladiny glukagonu je současně provázeno
snížením sekrece inzulinu a naopak. Glukagon zvyšuje odbourávání glykogenu v játrech a podporuje
98
glukoneogenezi - oba tyto účinky se projevují zvýšením hladiny glukosy v krvi. Působí i na metabolismus
lipidů.
Z další hormonů, které zvyšují hladinu glukosy v krvi, je třeba jmenovat tzv. stresové hormony kortisol
(zvýšení glukoneogenese z aminokyselin) a adrenalin (zvýšení katabolismu glykogenu).
Metabolismus fruktosy
V běžné stravě přijímáme denně kolem 7 g fruktosy, většinou ve formě disacharidu sacharosy. Fruktosa
se ve střevě vstřebává pomaleji než glukosa. V játrech se svým metabolismem napojuje na proces
glykolýzy, ale odbourává se rychleji než glukosa. Fruktosa je proto rychlým zdrojem energie a primárně
nevyvolává uvolnění inzulínu. Vysoký příjem fruktosy není doporučován, na rozdíl od glukosy
je metabolizována téměř výhradně v játrech, kde se rychle přeměňuje na mastné kyseliny, což je spojováno
s možným zvýšením rizika obezity a cirhózy jater.
Metabolismus galaktosy
Laktosová intolerance
V dospělosti často dochází ke
snížení aktivity enzymu laktasy,
které vede k nesnášenlivosti
laktosy. Laktosa se potom
přeměňuje převážně v tlustém
střevě za účasti bakterií na
kyselinu mléčnou a plyny
(methan, vodík), což vede ke
zvýšené exkreci vody do střeva.
Důsledkem jsou průjmy,
bolesti a nevolnosti. Tyto stavy
nastávají pouze po příjmu
mléka a mléčných výrobků.
Galaktosu přijímáme hlavně ve formě mléčného cukru - disacharidu laktosy.
Laktosa se hydrolyzuje na monosacharidy pomocí enzymu laktasy
v kartáčovém lemu enterocytů. Uvolněná galaktosa se rychle vstřebává do
portální žíly a v játrech se zapojuje do metabolismu glukosy. Galaktosa
může být rovněž zabudovaná do struktury glykoproteinů, glykosaminoglykanů
a glykolipidů. U kojících matek slouží k syntéze laktosy.
Galaktosemie je vrozené genetické onemocnění, způsobené neschopností
metabolizovat galaktosu. Je detekována pomocí novorozeneckého skreeningu.
Neléčená vede k oční kataraktě a poškození dalších orgánů.
99