47 Metabolismus sacharidů Glukosa obsažená v celulose, škrobu a oligosacharidech nebo volná je nejrozšířenější organickou sloučeninou v přírodě. Pro chemotrofní organismy jsou sacharidy hlavní živinou, přičemž v potravě člověka je převažujícím sacharidem škrob. Glukosa je dále přijímána ve formě sacharosy (cukr, kterým sladíme), laktosy (mléčný cukr). V potravě, zejména ovoci a medu je přijímána fruktosa, která se může v játrech na glukosu přeměnit anebo může glukosu v metabolismu částečně nahradit. 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 Trávení sacharidů Trávení škrobu je zahájeno v ústech a je dokončeno v tenkém střevě. Ve slinách i v pankreatické šťávě je obsažen enzym a-amylasa, který katalyzuje štěpení a(1®4) glykosidové vazby mezi glukosovými podjednotkami. Škrob je nejprve štěpen na kratší jednotky zvané dextriny, konečnými produkty jeho štěpení působením a-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 do portální žíly. Celulosa není na rozdíl od škrobu a glukagonu štěpena a-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 podléhá v buňkách řadě metabolických přeměn. Hlavní cestou jejího odbourávání je glykolýza. Probíhá v cytoplazmě téměř všech buněk a slouží jako zdroj energie. Může probíhat za přítomnosti nebo nepřítomnosti kyslíku (aerobní nebo anaerobní glykolýza). Glykolýza je zahájena přeměnou glukosy na glukosa-6-fosfát. Ten 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, které jsou v rovnováze. Glyceraldehyd-3-fosfát podléhá sérii přeměn, při nichž vzniká redukovaný pyridinový nukleotid (NADH) a 2 ATP. Konečným produktem je pyruvát. V důsledku posunu rovnováhy mezi triosami se na pyruvát přemění postupně i dihydroxyacetonfosfát. Souhrnně může být přeměna glukosy na pyruvát, která je společná pro aerobní i anaerobní glykolytické odbourání, popsána sumární rovnicí: C[6]H[12]O[6 ]+ 2 NAD^+ + 2 ADP + 2 P[i] ¾® 2 CH[3]-CO-COOH + 2 NADH + 2H^+ + 2 ATP Za anaerobních podmínek je pyruvát redukován na laktát. Tento děj se ve značné míře uplatňuje v buňkách intenzívně namáhaného kosterního svalu. V klidu nebo při mírné práci jsou svalové buňky dostatečně zásobeny kyslíkem, a proto NADH vznikající v první fázi glykolýzy může být dehydrogenován v dýchacím řetězci. Při intenzívní práci však sval není kyslíkem dostatečně rychle zásoben, v buňkách se hromadí NADH. Je zde naopak nedostatek NAD^+, který je potřebný k tomu, aby glykolýza mohla kontinuálně pokračovat. V tomto případě se NAD^+ regeneruje reakcí pyruvátu s NADH za vzniku laktátu. Reakce je katalyzována enzymem laktátdehydrogenasou (LD). CH[3]-CO-COOH + NADH + H^+ ¾® CH[3]-CH(OH)-COOH + NAD^+ 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. Příčinou je, že erytrocyty nemají mitochondrie a chybí jim proto dýchací řetězec, v němž je za aerobních podmínek oxidováno NADH. Laktát je uvolňován do krve a reoxidován na pyruvát v játrech. Tvorba kyseliny mléčné z glukosy je rovněž charakteristická pro mléčné kvašení, které probíhá u řady mikroorganismů, zejména u mléčných bakteriií (laktobacily, laktobakterie). Za aerobních podmínek je pyruvát oxidačně dekarboxylován na acetyl-CoA. Jedná se o složitý proces, katalyzovaný multienzymovým komplexem. Jeho součástí jsou kofaktory thiamindifosfát (TDP), kyselina lipoová, koenzym A, FAD a NAD^+. Děj probíhá v matrix mitochondrií a sumárně jej lze popsat rovnicí: CH[3]-CO-COOH + CoA-SH ¾® CH[3]-CO-S-CoA + CO[2] + 2 H Dva vodíkové atomy, které se při reakci získají, jsou vázány ve formě NADH, který může být reoxidován v dýchacím řetězci. Acetyl-CoA vstupuje do citrátového cyklu. Na jednu molekulu glukosy jsou tedy v této fázi získány 2 NADH (2´3 ATP v dýchacím řetězci) a 2 acetyl-CoA. Každý z acetyl CoA poskytne při oxidaci v citrátovém cyklu 12 ATP. Připočteme-li 2 NADH (6 ATP) a 2 ATP získané v počáteční fázi glykolýzy, je maximální energetický zisk při odbourání 1 molu glukosy 38 ATP. Úplné odbourání glukosy aerobní glykolýzou lze charakterizovat sumární rovnicí: C[6]H[12]O[6] + [ ]6 O[2 ]+ 38 ADP + 38 P[i] ¾® 6 CO[2 ] + 6 H[2]O + 38 ATP. Všiměte si shody s rovnicí spalování glukosy v prostředí kyslíku, kde se ovšem veškerá energie uvolní jako teplo. Syntéza a odbourání glykogenu Je-li do buněk přiváděno dostatečné množství glukosy, může být její část, která není bezprostředně oxidována, ukládána ve formě glykogenu. Značnou kapacitu syntetizovat glykogen mají u savců především jaterní a svalové buňky. Syntéza je podporována účinky inzulinu. Při syntéze glykogenu dochází k postupnému vytváření polysacharidového řetězce z aktivovaných molekul glukosy (UDP-glukosa). Glykogen se shromažďuje ve formě granul v cytozolu buněk. V období nedostatečného přívodu glukosy je zásobní glykogen opět štěpen. Štěpení probíhá za přítomnosti anorganického fosfátu (fosforolytické štěpení), produktem je glukosa-1-fosfát. Glykogenolýza je stimulována účinky adrenalinu, noradrenalinu a v játrech též glukagonu. Glukoneogeneze Glukosa není esenciální složkou potravy. Pomocí glukoneogeneze může být v organismu syntetizována i z necukerných zdrojů. Jsou to pyruvát, laktát, glycerol a tzv. glukogenní aminokyseliny. Většina pochodů glukoneogeneze je katalyzována stejnými enzymy jako glykolýza, pouze tři reakce jsou energeticky příliš náročné a probíhají jiným mechanismem. Pro syntézu 1 molu glukosy z pyruvátu je potřeba 12 molů ATP. Hlavním místem glukoneogeneze u savců jsou jaterní buňky. Pentosový cyklus Další metabolickou cestou, kterou se glukosa může přeměňovat je pentosový cyklus. Nezískává se při něm energie, avšak slouží k produkci NADPH potřebného pro syntetické pochody v buňkách a je rovněž zdrojem ribosafosfátu pro syntézu nukleových kyselin a nukleotidů. Enzymy pentosového cyklu jsou u savců lokalizovány především v jaterních buňkách. 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 obsahující 51 aminokyselin. Je produkován b-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 některých typů buněk, stimuluje glykolýzu, inhibuje glukoneogenesi a zvyšuje produkci glykogenu v játrech a ve svalech. Kromě toho působí i na metabolismus lipidů a proteinů. Nedostatek inzulinu, jak absolutní tak i relativní, vyvolává diabetes mellitus (cukrovku). Antagonistou inzulinu je glukagon produkovaný a-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 glukoneogenezi - oba tyto účinky se projevují zvýšením hladiny glukosy v krvi. Působí i na metabolismus lipidů. Z další hormonů, které se podílejí na regulaci hladiny glukosy v krvi, je třeba jmenovat tzv. stresové hormony kortisol, adrenalin a noradrenalin (viz kapitoly 39, 58). Metabolismus fruktosy V běžné stravě přijímáme denně kolem 7 g fruktosy, většinou ve formě disacharidu sacharosy. Fruktosa se ve střevě velmi rychle vstřebává a metabolizuje se v játrech. Zde se přeměňuje se na fruktosa-1-fosfát, který se svým metabolismem napojuje převážně na proces glykolýzy. První fáze přeměny fruktosy není závislá na inzulinu, a proto je velmi rychlá. Fruktosa je proto rychlým zdrojem energie. Metabolismus galaktosy Galaktosu přijímáme hlavně ve formě mléčného cukru - disacharidu laktosy. Galaktosa z něj uvolněná se rychle vstřebává do portální žíly a metabolizuje se v játrech převážně na aktivovanou formu glukosy (UDP-glukosa). Tato látka se zapojuje do metabolismu glukosy. Galaktosa může být rovněž zabudovaná do struktury glykoproteidů, glykosaminoglykanů a glykolipidů. U kojících matek slouží k syntéze laktosy.