WD Biochemia żywienia.doc

BIOCHEMIA ŻYWIENIA (prof. dr hab. Danuta Rosołowska-Huszcz)

Program wykładów

- Zarys metabolizmu białka i energii w zależności od spożycia pokarmu

- Mechanizm naprawy cząsteczek białka: białka naprawcze – chaperony i proteoliza. Proteoliza zależna od ubikwityny, jonów wapniowych i lizosomalna. Apoptoza. Wpływ żywienia na proces apoptozy.

- Regulacja syntezy białka przez aminokwasy

- Regulacja ekspresji genów przez glukozę. Integracja regulacji metabolizmu aminokwasów i substratów energetycznych na poziomie kinaz białkowych

- Metabolizm kwasów tłuszczowych. Regulacyjne funkcje kwasów tłuszczowych. Receptory aktywowane przez poliferatory peroksysomalne, białko wiążące element regulowany przez sterole, wątrobowy receptor X

- Regulacja homeostazy cholesterolu i kwasów żółciowych

- Mechanizmy powstawania stresu oksydacyjnego i działania bariery antyoksydacyjnej

- Widaminy A, D i E – metabolizm funkcjonalny, wpływ na ekspresję genów i inne mechanizmy działania, regulacja homeostazy

- Witaminy rozpuszczalne w wodzie – mechanizmy regulacji homeostazy

- Mechanizmy regulacji homeostazy żelaza, cynku, miedzi, wapnia, fosforanów, magnezu i selenu

WYKŁAD 1                            5.10.2009

Metabolizm białka i energii w zależności od czasu po spożyciu pokarmu

- Bezpośrednio po spożyciu pokarmu – metabolizm postprandialny, absorpcyjny, czyli towarzyszący wchłanianiu pokarmu

- Postabsorpcyjny – po wchłonięciu pokarmu

- W stanie głodu

1.      Bespośrednio po spożyciu pokarmu – metabolizm postprandialny, absorpcyjny

a) Składniki pokarmowe stają się bezpośrednio substratami szlaków metabolicznych i składnikami strukturalnymi

b) Składniki pokarmowe są magazynowane w postaci związków zapasowych – glikogenu i triglicerydów

Procesy aktywne w stanie postprandialnym

- Synteza glikogenu – glikogenogeneza

- Synteza triglicerydów – lipogeneza

- Synteza kwasów tłuszczowych – lipogeneza

- Synteza białka

Metabolizm białka po spożyciu pokarmu (postprandialny – absorpcyjny) – wolne aminokwasy po wchłonięciu kierowane są żyłą wrotną do wątroby.

- Synteza białek – m.in. albuminy osoczowej, transferyn, fibrynogenu

- Katabolizm nadmiaru aminokwasów

- Przejście do osoczowej puli aminokwasów

Podział puli wchłoniętych aminokwasów (wg Clifforda, Tannenbauma, Munro i Crima)

- Ze 160g wchłoniętych do jelita 10g zostaje wykorzystane przez jego komórki

- 150g żyłą wrotną przenoszone do wątroby, gdzie

- 50g nadmiar – ulega degradacji

- Syntetyzowane jest 12g albuminy i 5g innych białek

- Pozostałe aminokwasy tworzą osoczową pulę wolnych aminokwasów, z której około 7g pobiera trzustka, 7,5g mięśnie, 50g jelito i 28g komórki krwi (8g Hb, 20g białe krwinki)

Przepływ aminokwasów (flux)

- Pula wolnych aminokwasów w osoczu jest kształtowana przez aktywności aminotransferaz w wątrobie oraz przez spożycie białka. Wraz ze spożyciem białka wzrastają aktywności enzymów katabolizmu aminokwasów w wątrobie (np. oksygenazy tryptofanu, aminotransferazy alaninowej, asparaginianowej i tyrozynowej oraz dehydrogenazy glutaminianowej. Nie wszystkie aminokwasy mają specyficzne aminotransferazy w wątrobie – w wątrobie występują tylko nieznaczne ilości aminotransferaz aminokwasów rozgałęzionych – stężenie aminokwasów rozgałęzionych wzrasta ze spożyciem białka. Aminokwasy rozgałęzione stanowią 50-90% wychwytywanych przez mięśnie przez 3 godziny po posiłku zawierającym białko – są nie tylko substratami w syntezie białek mięśniowych, ale także nośnikami azotu do syntezy mięśniowych aminokwasów endogennych. Aminotransferazy aminokwasów rozgałęzionych występują w sercu, mięśniach, mózgu, nerkach i adipocytach

- Od ilości spożywanego białka zależy intensywność syntezy białek mięśniowych. W mięśniach syntetyzowane jest około 75g białka dziennie – tempo syntezy i turnover białek mięśniowych wolniejsze niż w innych narządach, zwłaszcza w jelicie, trzustce i szpiku kostnym. Mięśnie ze względu na swoją masę stanowią magazyn aminokwasów w ustroju. Synteza białka w wątrobie, mięśniach, komórkach krwi, trzustce, skórze i przewodzie pokarmowym wynosi około 205g dziennie, przy 35g w innych narządach

- Wydalanie azotu, stanowiące miarę katabolizmu aminokwasów, jest wprost proporcjonalne do spożycia białka. U dorosłego mężczyzny w zerowym bilansie azotu wynosi około 16g dziennie.

- Po spożyciu posiłku obserwuje się wzrost utleniania aminokwasów, ale z białek spożytych, natomiast obniżeniu ulega utlenianie białek endogennych

- Ilość odkładanego białka zależy od zawartości białka i energii w posiłku (jeżeli jest za mało energii, to organizm zużywa białko jako jej źródło). Im więcej energii i białka, tym większe odkładanie białka. Po posiłkach zawierających 15% białka ilość zatrzymanego azotu:

- 800 kcal – 40% wchłoniętego

- 3200 kcal – 80%

- Spożycie pokarmu, napływ glukozy i aminokwasów do komórek beta wysp trzustkowych Langerhansa pobudza wydzielanie insuliny, która stymuluje syntezę białek w mięśniach i wątrobie. Wydzielanie insuliny jest pobudzane najsilniej przez aminokwasy ketogenne (leucyna, lizyna). Wydzielanie glukagonu jest pobudzane przez aminokwasy glukogenne. Glukagon stymuluje syntezę kluczowych enzymów glukoneogenezy – karboksykinazy fosfoenolopirogronianowej i karboksylazy pirogronianowej….Działanie insuliny i glukagonu wpływa na ukształtowanie puli wolnych aminokwasów w osoczu po spożyciu posiłku. Po pewnym czasie od spożycia posiłku maleje intensywność pobierania aminokwasów przez mięśnie, głównie na skutek obniżenia wydzielania insuliny

2.      Stan postabsorpcyjny

- Na skutek zmniejszenia pobierania aminokwasów przez tkanki, obniżeniu ulega tempo syntezy białek, a wzrasta tempo degradacji. Pojawia się przewaga stężeń żylnych aminokwasów nad tętniczymi: alanina, glutamina (-70, przede wszystkim wydzielane przez mięśnie szkieletowe w stanie postabsorpcyjnym), cysteina (+10)

- Alanina i glutamina transportują azot aminowy i szkielety węglowe z mięśni do innych tkanek – głównie jelit, wątroby i nerek. Dostarczanie grup aminowych jest konieczne do ich eliminacji w postaci azotu mocznika

- Intensywny staje się proces glikogenolizy. W miarę zużywania glikogenu wzrasta intensywność glukoneogenezy, w której substratem są aminokwasy uwalniane przez mięśnie

Cykl glukozowo-alaninowy

- Wątroba pochłania przede wszystkim alaninę, glutaminę i cytrulinę, a także duże ilości innych aminokwasów, jako substratów w procesach dostarczających glukozy i ketokwasów – glukoneogenezy i ketogenezy – glukoza i ketokwasy są substratami energetycznymi dla erytrocytów, mózgu i mięśnia sercowego. Podczas głodzenia brakuje aminokwasów do łączenia się z acetylo-CoA (szczawiooctan powstaje np. w reakcji z asparaginianu z alfa-ketoglutaranem). Z nadmiaru acetylo-CoA powstają ciała ketonowe, które potem mogą być zużyte jako paliwo energetyczne.

Cykl Corich – glukozowo-mleczanowy

Metabolizm postabsorpcyjny jest regulowany głównie przez glukokortykosteroidy i glukagon – hormony stymulujące procesy proteolizy i glukoneogenezy.

Procesy aktywne w okresie postabsorpcyjnym:

- Glikogenoliza

- Glukoneogeneza

- Proteoliza

- Lipoliza

Homeostaza białka ma naturę dynamiczną. Białko ulega proteolizie do aminokwasów, natomiast jednocześnie aminokwasy mogą ulegać syntezie do białka (turnover). W różnych sytuacjach proces syntezy lub proteolizy może przeważać.

Regulacja syntezy:

- Stymulujący wpływ aminokwasów

- Stymulujący wpływ hormonów anabolicznych

Regulacja proteolizy

- Zmniejszenie podaży aminokwasów

- Stymulujący wpływ hormonów katabolicznych

Kiedy pokarm nie jest wchłaniany, degradacja białek endogennych przewyższa ich syntezę. Im większy udział aminokwasów egzogennych w białkach tkanki (w porównaniach międzytkankowych), tym szybsze uwalnianie ich do osocza.

U osoby „postabsorpcyjnej” – w stanie bilansu (-) aminokwasy reinkorporowane są do białek ciała lub utleniane.

Po nocnym głodzeniu (-) bilans N, utlenianie aminokwasów z białek endogennych – typowa szybkość utleniania w tych warunkach 45 mg białka/kg/godzinę

Wydalanie mocznika rano u „young adults” 225 mmol/g (badania z mocznikiem znakowanym 15N

Po spożyciu posiłku – bilans (+), jeśli spożycie białka i energii jest adekwatne. W ciągu doby (-) bilans stanu postabsorpcyjnego jest równoważony przez (+) bilans stanu postprandialnego, jeżeli spożywana jest dieta na poziomie bytowym.

3.      Okres głodzenia

Metabolizm białka podczas głodzenia i na dietach niskobiałkowych

- We wczesnym okresie głodzenia zapasy glikogenu zostają wyczerpane i białko, przede wszystkim mięśniowe, staje się głównym źródłem węgla dla produkcji glukozy. Pewna ilość węgla do glukoneogenezy pochodzi także z glicerolu powstającego podczas rozkładu triglicerydów w adipocytach.

- W wątrobie rozpoczyna się produkcja ciał ketonowych, które są bardziej niż kwasy tłuszczowe rozpuszczalną formą substratów energetycznych pochodzących z tłuszczu. Stężenie ciał ketonowych osiąga maksimum po około 10 dniach głodzenia. W tym czasie ciała ketonowe stają się głównym substratem energetycznym dla układu nerwowego

- Wzrasta wydalanie grup aminowych pod postacią amoniaku i staje się większe niż wydalanie mocznika, co sprzyja utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej, zagrożonej przez wzrost stężenia ketokwasów w krążeniu. Amoniak powstaje w nerkach przez działanie glutaminazy na glutaminę, która obok alaniny jest jednym z dwóch głównych aminokwasów przenoszących azot białkowy z mięśni, podczas katabolizmu (degradacji) białek mięśniowych.

- Obniżanie zakwaszenia sprzyja hamowaniu proteolizy, stanowi więc mechanizm zabezpieczający przed utratą białek mięśniowych. Podobne adaptacje metabolizmu białka i energii obserwowane są u osób na dietach niskowęglowodanowych, u których zapasy glikogenu są bardzo małe, albo brak ich całkowicie. Jednak w tym przypadku białko diety w znacznym stopniu zastępuje białko mięśniowe w procesie glukoneogenezy.

- W następnych etapach głodzenia kontynuuje się degradacja białek mięśniowych i innych z intensywnością równą obserwowanej w początkowym etapie głodzenia, co może spowodować osłabienie funkcji mięśni szkieletowych.

Procesy aktywne w stanie głodu

- Lipoliza

- Proteoliza

- Ketogeneza

- Katabolizm aminokwasów

- Glukoneogeneza

Niedożywienie białkowe

- Niedożywienie białkowe – kwashiorkor i białkowo-energetyczne – marasmus

- Niedobór białka w pożywieniu powoduje utratę białek mięśniowych i obniżenie stężenia albuminy w krążeniu

- Obniżenie stężenia albuminy powoduje zmniejszenie ciśnienia osmotycznego osocza i przesączanie wody do tkanek – powstawanie opuchlizny

- Niedobór egzogennych aminokwasów upośledza syntezę białek i neuroprzekaźników

- Niedobór energii towarzyszący niedoborowi białka zwiększa katabolizm białka.

WYKŁAD 2                            12.10.2009

Metabolizm białka – proteoliza

Proteoliza wewnątrzkomórkowa (zewnątrzkomórkowa – w przewodzie pokarmowym)

Funkcje:

- Powiązanie metabolizmu białek z metabolizmem energetycznym

- Dopasowanie metabolizmu do aktualnych potrzeb przez rozkładanie enzymów i innych czynników regulujących

- Zapewnienie odpowiedniej jakości białek w komórce przez usuwanie białek o nieprawidłowej strukturze

- Regulacja wydzielania hormonów

Okresy półtrwania wybranych enzymów – najkrótsze enzymów regulatorowych

Zmiany wiekowe okresu półtrwania różnych białek w ludzkich fibroblastach (godziny)