A szénhidrátok táplálkozásban betöltött és szerkezeti szerepe Ajánlott irodalom: Orvosi Biokémia - Szerkesztette: Ádám Veronika, Semmelweis Kiadó, 2016. [TK] Étrendi ajánlások Több, az életmódhoz és étrendhez szorosan kapcsolható betegség, mint az elhízás, a 2-es típusú diabetes, vagy a kardiovaszkuláris megbetegedések számának emelkedése, különböző diétás elméletek megjelenését is eredményezte. Ezek megítéléséhez nyújt segítséget a szemináriumi anyag egy része. Az előadásanyagot követve jelen szeminárium a szénhidrátokat ismerteti, míg a lipidek és a mikrotápanyagok a következő szemináriumon kerülnek tárgyalásra. A fehérjék és a nitrogénegyensúly az Orvosi Biokémia II félév anyagának része. A, Szénhidrátok a táplálékban A szénhidrátok a táplálékkal bevitt legfontosabb energiaforrások, a napi energiaszükséglet 50-60 %-át adják. A táplálékkal felvett poliszacharidok (keményítő, glikogén) enzimatikus hidrolízise oligoszacharidokat, majd diszacharidokat és monoszacharidokat eredményez (TK 7.2 fejezet) A monoszacharidok (glukóz, galaktóz, fruktóz) a vékonybél epitélsejteken keresztül felszívódnak. Egyes szénhidrátok (cellulóz, további rostanyagok) nem vagy csak részlegesen emésztődnek a vékonybélben, a vastagbélbe jutva a bélbakteriumok fermentálják őket, vagy változatlan formában távoznak. A glikémiás index fogalmát az 1980-as években vezették be, a diabetes betegek diétájának tökéletesítése kapcsán. A glikémiás index meghatározásához a tesztelt élelmiszerből standard (50 gr) szénhidrátot tartalmazó mennyiség fogyasztása után két órán keresztül követik a vércukorszintet. Az értékeket ábrázolják, és meghatározzák a görbe alatti terület kiindulási vércukorszint fölé eső részét. Ezt összehasonlítják egy referencia értékkel, amit megegyező mennyiségű tiszta glukóz fogyasztása után mérnek (a glukóz glikémiás indexe 1, ill. 100%). Azok az ételek, melyek szénhidráttartalma emésztéskor gyorsan glukózzá alakul és felszívódik, magas glikémiás indexszel rendelkeznek, azok az ételek, amelyek fogyasztásakor a glukóz keletkezés lassabb, a vércukorszint emelkedésének mértéke kisebb, és kisebb inzulin szekréció jelentkezik, alacsony glikémiás indexszel rendelkeznek. A tápanyagok glikémiás indexét több tényező befolyásolja (az ételek elkészítési módja, egyéb ételek együttes fogyasztása (így pl. a zsírok lassítják a gyomor ürülését). Néhány szénhidrátforrás glikémiás indexe az alábbi táblázatban található: magas GI (>70 %) közepes GI (55-69%) alacsony GI (<55%) glukóz, magas fruktóztartalmú kukoricaszirup, kukoricapehely, méz, fehér búzaliszt, fehér rizs, burgonya, répa szacharóz, kukorica, banán, szilva, fagylalt fruktóz, teljes kiőrlésű gabona, zabpehely, tejtermékek, bab, a zöldségek és gyümölcsök döntő része 1
Glukóz (dextróz) mézben, gyümölcsökben és zöldségekben található meg. Glukóz keletkezik szacharóz, laktóz és a poliszacharidok hidrolíziséből a bélben. A glukóz édessége 70-80%-a az asztali cukornak (a szacharóznak). Fruktóz mézben, juharfaszirupban, gyümölcsökben és zöldségekben található meg. Fruktóz keletkezik szacharóz hidrolíziséből a bélben. Számos élelmiszeripari termék, köztük az üdítőitalok, sütőipari termékek és édességek fruktózt vagy magas fruktóztartalmú kukorica szirupot (lásd alább) tartalmaznak, mint hozzáadott édesítőt. A fruktóz 140%-kal édesebb, mint a szacharóz. A magas fruktóz tartalmú kukoricaszirup (hívják glukóz-fruktóz szirupnak is, angol terminológiában high-fructose corn syrup [HFCS]), a kukoricakeményítő processzált formája, amiben a glukóz fele fruktózzá alakult. Széles körben alkalmazzák a kristálycukor helyettesítésére, ugyanakkor a magas cukortartalmú üdítők és készételek fogyasztása egyértelmű korrelációt mutat az elhízás és a 2-es típusú diabetesz incidenciájának emelkedésével. A laktóz tejben és tejtermékekben található diszacharid, ami glukózt és galaktózt tartalmaz. A diszacharidok nem szívódnak fel, a laktózt az intesztinális epitelsejtekben expresszálódó, majd a sejtek plazmamembránjához asszociálódó laktáz hidrolizálja glukózra és galaktózra. A laktázaktivitás a születés idejére eléri a maximumát, majd fokozatosan csökken. Európában a felnőtt lakosság 70 %-a expresszálja az enzimet. (A világ más tájain a laktáz felnőttkori expressziója ott jellemző, ahol a tejfogyasztás az étrend jelentős részét képezi.) Amennyiben a laktáz expressziója elégtelen, laktózintolerancia alakul ki: a vastagbélbe kerülő laktóz bakteriális fermentációja gáztermelést és ozmotikus hasmenést okoz. Az, hogy mekkora laktózterhelésnél jelentkeznek a tünetek, egyéni különbségeket mutat. A terápia a laktóz eliminációja a diétából. Laktóz döntően a tejtermékekben található, de a készételek is tartalmazhatnak laktózt, mint adalék anyagot. Az anyatej kb. 9% laktózt tartalmaz, míg a tehén-, kecske-, juhtej kb. ennek felét. A tej mellett a joghurt is gazdag laktózforrás. A tej laktóztartalmának kb. tizede található a vajban és a sajtokban, mivel a laktóz részben fermentálódik, ill. vízoldékonysága miatt a tejsavóban dúsul, így a magas zsírtartalmú termékek laktózszegénnyé válnak. Az élelmiszeripar a laktózmentes termékek széles variációját állítja elő, továbbá elérhető béta-galaktozidázt tartalmazó tabletta, amely esetenként alkalmazható laktózterhelés után, de nem ajánlott hosszútávú kezelésre. A szacharóz glukózból és fruktózból álló diszacharid, ami számos növényben megtalálható, a cukoripar több lépésben vonja ki cukorrépából és cukornádból. A végtermék fehér finomított cukor, ami döntően mint kristálycukor, részben őrlés után mint porcukor hasznosul. A barna cukor a melasztól barna, ami jellegzetes íze mellett B6-vitamint és ásványi anyagokat (köztük káliumot, kalciumot, magnéziumot, vasat és mangánt) tartalmaz. A barna cukor vagy a cukor finomításának egy köztes állomásából származik, vagy úgy készül, hogy a fehér finomított cukrot bevonják melasszal. 2
A táplálékban található oligoszacharidok közé tartoznak a galaktozil-szacharózok (pl. raffinóz) melyek borsóban, babban, lencsében és egyéb hüvelyesekben, valamint a káposztafélékben találhatók, és a frukto-oligoszacharidok. Mindkét csoport emészthetetlen, így az élelmi rostok közé tartoznak (lásd később). Az étrendben található legfontosabb poliszacharid a keményítő, mely megtalálható a gabonafélékban, burgonyában, kukoricában, rizsben és a legtöbb zöldségben. A keményítő amilózból és amilopektinből épül fel. Az amilóz nem elágazó, helikális szerkezetét néhány száz-ezer α-1,4 glikozidos kötéssel kapcsolódó glükóz egység alakítja ki. Az amilopektin szintén α-1,4 glükóz egységekből áll, de 24-30 glukóz egységenként α-1,6 kötésen keresztül elágazásokat tartalmaz. A különböző élelmiszer-források a keményítő különböző formáit tartalmazzák: eltérő amilóztartalom, hidratációs fok, és szemcseméret ismert a növényfajtól függően. A nyers keményítő rendezett, részlegesen kristályos fázisállapotban van (ezek a keményítőszemcsék). Hidratáció hatására a szemcsék kb. 10%-al megduzzadnak, és melegítés hatására tovább duzzadnak. Elérve egy kritikus hőmérsékletet a keményítő rendezetlen állapotba kerül, az amilóz és az amilopektin kiszivárog a szemcséből és viszkózus oldat keletkezik, a keményítő zselatinizálódik. Ez az oldat lehűtve gél állapotú, amely az amorf állapotból fokozatosan megy át egy rendezettebb, kristályos szerkezetbe (a folyamatot a szaknyelv retrogradációnak nevezi). Ez történik a főtt krumpli, rizs és tészták hűtésekor. A zselatinizáció fokozza, a retrogradáció gátolja a keményítő emésztését amilázzal. Így a keményítő emésztését és felszívódását befolyásolja az összetétele, szerkezete (amilóz tartalom, az elágazódás foka), a hidratációs fok és a fizikai hozzáférhetőség. A rezisztens keményítő olyan keményítő, illetve keményítő-degradációs termék, ami a humán vékonybelet emésztés nélkül hagyja el, így az élelmi rostok közé soroljuk. Az állati szervezetekben a felesleges szénhidrátok egy része glikogén formájában raktározódik. Állati eredetű táplálék fogyasztásakor így glikogént is fogyasztunk, mely a bélrendszerben végső soron glukózzá emésztődik, és a glukóz felszívódik. Emberben jelentős glikogénraktárt találunk a májban és az izmokban. A glikogén szerkezete megtalálható a tankönyvben, ezért itt nem részletezzük tovább. Az élelmi rostok teljesen vagy részben emészthetetlen élelmiszer-összetevők, melyek ballasztanyagként szolgálnak, elsősorban szénhidrátok. Az élelmi rostokat vízoldékonyságuk alapján két csoportba oszthatjuk: a, A vízoldékony élelmi rostok az emésztőrendszerben viszkózus anyaggá alakulnak, és a vastagbélben a bélbaktériumok hatására fermentálódnak, amely gázok és egyéb molekulák keletkezését eredményezi. Néhányan közülük prebiotikumok: tápanyagul szolgálnak hasznos mikroorganizmusoknak (probiotikumoknak), elősegítve ezzel a növekedésüket a vastagbélben, így hozzájárulnak az egész szervezet egészségéhez. (Az élelmi rostok mennyisége és típusa nagyban hozzájárul a normál bélflóra [a bélnyálkahártyán helyet foglaló baktériumok és egyéb mikroorganizmusok összessége] kialakításához) 3
b, A vízben nem oldódó élelmi rostokat a bélbaktériumok többnyire nem fermentálják, de vizet kötnek meg, ezzel megnövelik a széklet mennyiségét, és megkönnyítik az ürítését. A természetben előforduló élelmi rostok mellett újabban a funkcionális rostok fogalma is bevezetésre került. A funkcionális rostok izolált vagy szintetikus, nem emészthető szénhidrátok, melyek számos kedvező élettani hatással rendelkeznek (mint más ételek glikémiás indexének csökkentése, a széklet mennyiségének növelése, lágyítása). A táplálékban adalékanyagként lehetnek jelen. Néhány példa az élelmi rostokra: Az inulin vízben oldódó, elágazó fruktóz polimerek keveréke, mely számos növényben szolgál szénhidráttárolásra (pl. banán, hagyma, spárga, articsóka). Enyhén édes íze és emészthetelensége miatt ételadalékanyagként hasznosítját. A fruktooligoszacharidok az inulin kisebb méretű származékai, melyeket joghurtokhoz és más tejtermékekhez adnak édes ízük és viszkózus állaguk miatt. A fruktózpolimerek fontos prebiotikumok. A pektinek a növényi sejt falában található heteropoliszacharidok, melyek galakturonsavban gazdagok. Képesek egyéb szénhidrátok megkötésére, ezzel lassítják azok emésztését és felszívódását, így csökkentik a glikémiás indexüket. Az élelmiszeriparban zselésítő anyagként hasznosulnak (dzsemek, zselék). A cellulóz vízben oldhatatlan, nem-elágazó glukóz polimer, szerkezetében több száz, több ezer glukózegység kapcsolódik β-1,4-kötéssel. A β-1,4-kötések térbeli elhelyezkedése lineáris (fonalas) szerkezetet eredményez, melyek a szomszédos láncokkal hidrogénhidakon keresztül kapcsolódnak, merev, mehanikusan stabil háromdimenziós szerkezetet képezve. A növényi sejtek falában található. Mivel a humán emésztő enzimek nem képesek a β-1,4-kötések hidrolízisére (az amiláz az α-1,4-kötésekre specifikus), a cellulózt nem tudjuk megemészteni. Néhány kérődző képes a cellulóz emésztésére szimbióta baktériumok segítségével. A hemicellulóz szintén nagy mennyiségben megtalálható poliszacharid a növények sejtfalában, de rövidebb, elágazó láncokból áll, és nem csak glukózt, hanem más monoszacharidokat is tartalmaz (például xilózt, mannózt, galaktózt). A lignin a cellulóz, hemicellulóz és pektin közti helyet tölti ki, ugyanakkor nem szénhidrát, hanem fenilaninból és tirozinból származtatható fenolos polimer. A korábban említett rezisztens keményítő (RS) négy alcsoportra osztható, attól függően, mi okozza az emészthetetlenségét: Rezisztens keményítő 1 (RS1): fizikailag hozzáférhetetlen keményítő, magvakban, hüvelyesekben, intakt gabonákban található. Az RS1 tartalom csökken az őrlés során. Rezisztens keményítő 2 (RS2): pl. a magas amilóztartalmú kukoricakeményítőben található meg, a konformációja teszi megközelíthetetlenné az emésztőenzimek számára. A zselatinizáció csak magas, a főzés során általában nem alkalmazott hőmérsékleten történik meg (150-170 C). Emésztés nélkül távozik. Az ételek amilóztartalmának változatásával az ételek emészthetősége befolyásolható. Rezisztens keményítő 3 (RS3): A retrogradáció folyamata során keletkezett keményítő. Az oldott állapotból oldhatatlan állapotba kerülő, mikrokristályos szerkezetű keményítő hozzáférhetetlen az emésztőenzimek számára. Rezisztens keményítő 4 (RS4): kémiailag módosított keményítő mely szintén emészthetetlen 4
Az RS1, RS2 és RS3 a vastagbélben fermentálódik. A keletkezett rövid szénláncú zsírsavak, mint a butirát (acetát, propionát) táplálékul szolgálnak az enterocitáknak, elősegítik a hasznos baktériumok növekedését, és gátolják a sejtosztódást (antiproliferatívak), ezzel a colon carcinoma kialakulását. További biológiai hatásuk a széklet mennyiségének növelése és az enyhe hashajtó hatás. A keményítő RS tartalma korrelál az amilózfrakcióval, mivel a magasabb amilóztartalom kevesebb elágazó szerkezetet jelent. Az őrlés csökkenti, míg az főzött ételek hűtése (pl. lehűtött burgonya, tészta) növeli az ételek RS tartalmát. Egyéb cukorszármazékok: A monoszacharidok származékai, mint a cukoralkoholok is megtalálhatók gyümölcsökben, igaz, kis mennyiségben. A cukoralkoholokban a eredeti cukormolekulák funkcionális csoportjai redukálódnak hidroxilcsoporttá. A bélből történő felszívódásuk minimális (és így a kalóriaértékük is) ugyanakkor édes ízűek, ezért némelyiket közülük cukorhelyettesítőként használják. A vastagbélbe jutva, mivel ozmotikusan aktívak, megnövelik a széklet mennyiségét, és (nagy mennyiségben) hashajtó hatásúak. Egy részüket a bélbaktériumok fermentálják ami gázképződést, puffadást, flatulenciát eredményez. Az alábbi táblázat a kereskedelemben előforduló cukorhelyettesítőként használt cukoralkoholokat foglalja össze: cukor cukoralkohol felhasználás, előfordulás származék glukóz szorbitol diétás élelmiszerek, cukor-mentes rágógumi, alma, körte, cseresznye, szilva, őszibarack, kajszibarack xilóz xilitol rágógumi, fogszuvasodást megelőző fogkrém (a fogszuvasodást okozó baktériumok a hexózokat és a diszacharidokat preferálják, így a xilitol nem fermentálódik), nyírfacukor a paleo édességekben is van eritróz erithritol majdnem nulla kalóriatartalmú édesítő, a bakteriális fermentáció nagyon alacsony maltóz maltitol a szájban található baktériumok nem fermentálják laktóz laktitol édesítő, étel adalékanyag A laktulóz, ami a laktóz izomerizációjával keletkezik, galaktózt és fruktózt tartalmaz. A laktulóz nem szívódik fel, a bélbaktériumok fermentálják. Hashajtó, a székrekedés tüneti terápiájában alkalmazzák. B, Szerkezeti szereppel rendelkező szénhidrátok (TK 7. és 23. fejezet) A heteropoliszacharidok több mint egy típusú monoszacharidból épülnek fel. Gyakran töltenek be szerkezeti szerepet a baktériumok sejtfalában, az eukarióta plazmamembránban vagy a sejteket körülvevő extracelluláris mátrixban. A glukózaminoglikánok (GAG-ok) hosszú, nem elágazó poliszacharidok, amelyek ismétlődő diszacharidokból épülnek fel, többnyire aminocukor és uronsav egységekből. Többségük szulfatált is, ami az uronsav karboxilcsoportjával együtt erősen negatív töltést ad a GAG láncoknak. Szulfátcsoportokat 5
tartalmaz a kondroitinszulfát, a dermatánszulfát, a keratánszulfát és a heparánszulfát, amelyek a törzsfehérjékhez N-glikozidos és O-glikozidos kötésekkel kapcsolódhatnak. A törzsfehérjéket a hozzájuk kötődő GAG láncokkal együtt proteoglikánoknak hívjuk, melyek nagyon változatos csoportot alkotnak, és az extracelluláris mátrix, illetve a plazmamembrán összetevői. A nem szulfatált GAG-ok közé tartozik a hialuronsav, ami törzsfehérjéhez sem kapcsolódik. Az extracelluláris mátrix biokémiai vonatkozásai részletesen az Orvosi Biokémia III keretei között lesznek ismertetve. A glikoproteinek egy vagy több rövid, többnyire elágazó oligoszacharidláncot tartalmaznak, ami N-glikozidos vagy O-glikozidos kötéssel kapcsolódik a polipeptidlánchoz. Számos sejtfelszíni receptor glikoprotein, ahol a specifikus oligoszacharid mintázat elengedhetetlen a sejt-sejt, sejt-mátrix kommunikációhoz, vagy a receptor-ligand kapcsolódáshoz. A glikolipidek a membrán külső rétegében találhatók, a szénhidrátlánc glikozidos kötéssel kapcsolódik a lipidmolekulához. Mivel a szénhidrátlánc vízoldékony, az amfifil (amfipatikus) membránlipid kiterjesztett kommunikáló karjaként szolgálhat, a sejtfelismerés vagy a sejt-mátrix interakció során. A mucinok nagy fokban glikozilált proteinek, melyeket többnyire a nyálkahártya epithelsejtjei szekretálnak és síkosító, elszigetelő, vagy információhordozó szerepük lehet. A mucin polipeptidek N- és C-terminálisukon ciszteinben gazdagok, így a többi mucin molekulával ciszteinhidat (diszulfidhidat) hozhatnak létre. A hosszú középső rész nagyon gazdag szerinben/treoninban, és erősen glikozilált, így nagy mennyiségű vizet képes megkötni. A mucinok gélszerű aggregátumokat alakítanak ki, ellenállnak a proteolízisnek, és tökéletes határvonalat alkotnak. A mucinok túltermelése az adenokarcinómák egyes formáiban, és bizonyos tüdőbetegségekben jelentkezhet. Testszerte megjelenő lerakódásuk a pajzsmirigy kóros működésének (hypo és hyperthyreosis) tipikus jele lehet (myxoedema). 6