Organizm człowieka Rola białek. Roman Cichon Katedra Żywienia i Dietetyki CM UMK Bydgoszcz 2015

Transkrypt

1 Organizm człowieka Rola białek Roman Cichon Katedra Żywienia i Dietetyki CM UMK Bydgoszcz 2015

2 Białka To złożone polimery aminokwasów (18) połączonych wiązaniem peptydowym. Podział białek we względu na wartość odżywczą: pełnowartościowe o wysokiej wartości odżywczej dobrze zbilansowany skład aminokwasowy (większość białek zwierzęcych, strączkowe, ziemniaki), niepełnowartościowe o niższej wartości odżywczej gorzej zbilansowany skład aminokwasowy (aminokwas ograniczający) (większość białek roślinnych).

3 Wiązanie występujące między aminokwasami jest identyczne u wszystkich organizmów. W czasie syntezy białka grupa karboksylową jednego aminokwasu wiąże się z grupą aminową innego aminokwasu, przy czym odłącza się cząsteczka wody. Powstałe wiązanie peptydowe może - na przykład w czasie procesu trawienia - podlegać hydrolizie w obecności wody. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007,

4 Biosynteza białka nie jest jednak - tak jak w przypadku węglowodanów lub tłuszczu - procesem w mniejszym lub większym stopniu regulowanym i katalizowanym przez enzymy [proces ten podlega jednak wpływom hormonalnym]. Przeciwnie, łączenie różnorodnych aminokwasów odbywa się z udziałem RNA (translacja). Kolejność aminokwasów jest więc dokładnie uzależniona od organizmu, zwłaszcza od specyficznego dla komórek DNA. Zatem występowanie identycznych białek u różnych gatunków organizmów jest rzadkie, natomiast w przypadku węglowodanów i tłuszczów jest częste. Funkcje białek syntetyzowanych endogennie (kilka tysięcy) można podzielić na kilka grup. Białkom strukturalnym można przypisać częściowo odpowiedzialność za mechaniczną stabilność narządów i tkanek. Zbudowane są one często z łańcuchów aminokwasowych, które tworzą strukturę włóknistą. Około 1/3 masy białkowej ludzkiego ciała stanowi białko strukturalne-kolagen. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007

5 Innym zadaniem białek jest transport substancji w osoczu, w komórce i przez błony komórkowe. Chodzi tu o odwracalne wiązanie gazów (przez hemoglobinę w erytrocytach), substancji słabo rozpuszczalnych w wodzie (np. witaminy A przez RBP [białko wiążące retinol ]) lub cząsteczek polarnych przez niepolarne warstwy graniczne (np. kanały jonowe w podwójnych błonach lipidowych). Układ immunologiczny (np. immunoglobuliny) oraz układ krzepnięcia (np. fibrynogen) służą organizmowi jako mechanizmy obrony i ochrony. Hormony, a także ich receptory komórkowe (np. insulina i receptor insulinowy) są niezbędne do sterowania i regulacji procesów zachodzących w organizmie. Bez enzymów kodowanych w DNA niemożliwe byłyby inne procesy metaboliczne. Regulowana kataliza reakcji chemicznych umożliwia organizmowi reagowanie w różnorodny sposób na zmienione warunki. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007

6 Trawienie i wchłanianie Trawienie białek rozpoczyna się w żołądku z udziałem pepsyn. Rozszczepiają one wiązania peptydowe utworzone przez reszty fenyloalaninowe lub tyrozynowe. Endopeptydazy te (powodują rozszczepianie wiązań wewnątrzcząsteczkowych) powstają w wyniku aktywacji ich prekursorów - pepsynogenów, która zachodzi w środowisku kwaśnym. Kwas solny występujący w soku żołądkowym ułatwia także katalityczne działanie enzymów poprzez denaturację białek. Choć w wyniku aktywności enzymów żołądkowych powstają większe fragmenty (polipeptydy, oligopeptydy), np. w resekcji żołądka lub farmakologicznej blokadzie wydzielania kwasu solnego, trawienie białek może być przejęte" przez enzymy wydzielane w kolejnej części układu pokarmowego, tj. przez enzymy trzustkowe Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007

7 Podobnie jak w przypadku węglowodanów ostatni etap trawienia przez enzymy odbywa się w obrębie błony rąbka szczoteczkowego (prążkowanego), gdzie działają aminopeptydazy (rozszczepiają wiązania peptydowe na końcu aminowym łańcucha) i dipeptydazy. Produkty hydrolizy: pojedyncze aminokwasy, di- i tripeptydy dostępne są do wchłaniania. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007

8 W bardzo małych ilościach wchłaniane mogą być również białka. Ponieważ ich sekwencja nie odpowiada żadnemu białku własnemu organizmu, są one rozpoznawane przez komórki immunokompetentne jako substancje obce. Zależnie od okoliczności jest to proces fizjologiczny powodujący wydzielanie immunoglobulin IgA i IgG i tym samym stanowiący ważny mechanizm ochronny. Dyskutowana jest również kwestia zwiększonej przepuszczalności jelitowej (np. u noworodków), jako możliwego czynnika odpowiedzialnego za alergie pokarmowe i choroby autoimmunologiczne Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007

9 Wartość odżywcza białka To przydatność białek pokarmowych do syntezy własnych białek ustrojowych człowieka. Zależy od: ilości AA egzogennych i endogennych, wzajemnych proporcji AA egzogennych powinny być zbliżone do zbilansowania białek organizmu człowieka, wystarczającej podaży składników energetycznych: węglowodanów i/lub tłuszczów, strawności produktów białkowych.

10 Ocena wartości białka Ponieważ wzorzec aminokwasów (AK) niezbędnych człowiekowi nie odpowiada wzorcowi aminokwasów spożywanych z pożywieniem białek, białka egzogenne dostarczane organizmowi mają mniejszą wartość odżywczą (< 1,00). Przy tym nieistotne jest, czy tych licznych AK w białku jest bardzo dużo: decydujące jest to, że organizm syntetyzuje na nowo tylko tyle białka, na ile pozwala na to AK, którego niedobór jest największy. Aminokwas decydujący o poziomie syntezy białka nazywany jest aminokwasem ograniczającym. W praktyce do oceny wartości odżywczej biaek stosowano w przeszłości wiele wskaźników. Wskaźnik wykorzystania białka netto (net protein utilization - NPU) opiera się na badaniu bilansu azotu, ocenianego najczęściej w doświadczeniach na zwierzętach. W tym celu najpierw stosuje się dietę bezbiałkową, tak by oznaczyć endogenne wytwarzanie azotu poprzez ocenę obligatoryjnych strat azotu z kałem i moczem. Następnie podaje się badane białko w zwiększających się ilościach do osiągnięcia równowagi azotowej (wyrównania bilansu azotu). W przypadku białka wysokowartościowego" wyrównanie bilansu azotu osiąga się przy mniejszej podaży białka niż w przypadku białka o mniejszym NPU. Wartość biologiczna białka (biological value - BV) stanowi ulepszenie wskaźnika wykorzystania białka netto. Spożywane białko nie jest oceniane na podstawie zawartości azotu (pomnożonej przez współczynnik), lecz uwzględnia strawność białka. Wydajność wzrostowa białka (protein efficiency ratio, PER) była zalecaną standardową metodą oceny wartości białka w Stanach Zjednoczonych. W metodzie tej odnosi się przyrost masy ciała młodych szczurów do spożycia białka. Wszystkie te metody mają pewne wady: przenoszenie wyników uzyskanych w badaniach na zwierzętach na ludzi nie zawsze jest miarodajne, bilans azotu nie uwzględnia wszystkich parametrów, są to metody drogie i wymagające wysiłku. Do tego wyniki pojedynczych do świadczeń nie zawsze są identyczne.

11 Zawartość białka i jego wartość odżywcza dla niektórych produktów spożywczych 3/5 Rodzaj produktu Zawartość białka g/100g Aminokwasy ograniczające Wskaźnik aminokwasu ograniczającego według wzorca FAO-1973 Płatki owsiane 12 Liz+Ileu+Tre 57,0 Ryż 6,7 Met+Liz 57,0 Pieczywo pszenne 5,8 Liz+Trp 46,8 Chleb pszenno 6,5 Liz+Ileu 59,0 razowy Chleb żytni razowy 4,7 Trp+Liz 45,8 Soja 35 Met+Tre 78,0 Fasola 22 Met+Ileu+Trp 55,0

12 Wartość odżywcza białek pożywienia Białka dobrze zbilansowane: białko jaja kurzego (owoalbumina) tzw. wzorzec białka jaja kurzego, białka mleka kobiecego (laktoalbumina). Białka wzorcowe: wartość odżywcza = 100%

13 Zawartość białka w pożywieniu Mięso, wędliny, ryby: 15 30% Strączkowe suche: 21 25% Mleko, napoje mleczne: 1 4% Sery twarogowe: 16 21% Jaja: 13% Produkty zbożowe: 7 14% Warzywa, owoce średnio: 1 2%

14 Zawartość białka w organizmie człowieka i jego spożycie kg % Organizm 10,2 17 % masy ciała Spożycie /dobę 0,07 2,3 % masy pożywienia Berger 1996

15 Spożycie białka w Polsce średnio/mieszkańca, wg Szponara i in Spożycie Zalecenia* Białko (% energii ogółem) Białko (g) 76 64% białko zwierzęce * IZŻ, Normy żywienia, 2008

16 Występowanie i zapotrzebowanie Gdy zdrowe osoby dorosłe stosują przez 7-10 dni dietę bezbiałkową dobowe straty azotu w obrębie każdego kompartmentu (przedziału) (moczu, kału, skóry, włosów itp.) stabilizują się na poziomie przeciętnie 54 mg/kg m.c. Odpowiada to dobowej stracie białka wynoszącej 0,34 g/kg m.c, w związku z tym w przypadku osoby o masie ciała 70 kg straty te wynoszą 24 g dziennie. Aby objąć 97,5% wszystkich osób danej grupy wiekowej do wartości tej muszą być dodane 2 odchylenia standardowe. Uzyskaną wartość 0,45 g/kg m.c. określa się jako minimalne zapotrzebowanie na białko. Tych około 31 g białka/dzień wystarcza organizmowi tylko wtedy, gdy założy się 100% wchłanianie. Ponieważ w praktyce osiąga się to tylko w wystandaryzowanych warunkach dietetycznych, dla ogólnej populacji muszą zostać wprowadzone marginesy bezpieczeństwa. Obecnie w wielu krajach zalecana podaż białka kształtuje się na poziomie 0,8 g/kg masy ciała. Zalecenia te odnoszą się jednak tylko do osób zdrowych. W niektórych schorzeniach (oparzeniach, zespole nerczycowym) zapotrzebowanie na białko jest znacznie wyższe, w innych (niewydolności nerek, chorobach wątroby) wskazane są restrykcje pod względem podaży białka i jego ograniczenie w diecie do poziomu minimalnego zapotrzebowania [ograniczenie podaży białka w chorobach wątroby dotyczy jedynie encefalopatii]. Źywienie,Atlas i podręcznik Biesalski i Grimm, Elsevier 2007

17 Normy zapotrzebowania na białko określa się w jednostkach masy, w przeliczeniu na należną masę ciała i dobę : 1g/kg dla mężczyzn 0,95g/kg dla kobiet lub w jednostkach masy przypadającej na dobę, a bierze się pod uwagę standardową masę ciała : 70kg dla mężczyzny 65kg dla kobiety), albo też jako odsetek całkowitej ilości energii, czyli ilość energii z białka : %

18 Komitet Ekspertów FAO/WHO ustalił na podstawie oceny strat azotu endogennego u osób utrzymywanych na diecie bezbiałkowej minimalne zalecane spożycie na: 0,57 g/kg m.c./dobę dla mężczyzn 0,52 g/kg m.c./dobę dla kobiet, przy założeniu spożycia białka o wartości odżywczej 100%. Za bezpieczny poziom spożycia białka przyjęto wartości 0,8-1,0 g/kg/dobę, albo 10-14% jeśli wyrażony w odsetku energii z białka.

19 Wartość biologiczna 100% ** Strawność białka 0,90, tzn. wartość odżywcza = 100 x 0,90 = 90% Wartość odżywcza białka pokarmowego zależy głównie od 4.czynników: 1. strawności białka, 2. zawartości aminokwasów egzogennych 3. wzajemnych proporcji między aminokwasami 4. energii do syntezy białka ustrojowego ze źródeł pozabiałkowych Uwaga- białko niestrawne? Bez aminokwasu egzogennego? Źle zbilansowane?

20 Wchłanianie aminokwasów (1) Łączne wchłanianie białka: g /dobę W tym, ze źródeł egzogennych: 70 g/24h białka pożywienia, ze źródeł endogennych: g/24h białka wydzielane do światła przewodu pokarmowego w sokach trawiennych, g/24h białka ze złuszczającego się nabłonka jelit,

21 Wchłanianie aminokwasów (2) aminokwasy dyfuzja ułatwiona lub transport aktywny wtórny do enterocytów i dalej do żyły wrotnej i krwioobiegu, dipeptydy i krótkie oligopeptydy transport aktywny wtórny do enterocytów, tam ulegają rozpadowi do AA i dalej do żyły wrotnej i krwioobiegu, AA egzogenne i endogenne korzystają z tych samych układów przenośnikowych

22 Metabolizm białka (1) W ciągu doby katabolizmowi ulega: 70 g białka pochodzącego z pożywienia, + białko ustrojowe rozpadających się komórek: 1,3 g/kg m.c./12 h w ciągu dnia, zwiększona synteza 2,5 g/kg m.c./12 h w ciągu nocy, zwiększona utrata Łącznie turnover białka: g /dobę Okres półtrwania białek ustrojowych: mięśniowe 11 dni, wątroby <1 dnia, nerek 2 dni, serca 4 dni, mózgu 5 dni,

23 Metabolizm białka (2) Aminokwasy uwalniane z rozpadającego się białka ustrojowego: % AA ulega resyntezie w tych samych komórkach do nowych cząsteczek białka, % AA jest utleniana w tych samych komórkach lub przeniknięciu do krwi w wątrobie lub nerkach, utlenianie aminokwasów: 1 g 4 kcal,

24 Narządowa specyfika metabolizmu aminokwasów nabłonek jelita cienkiego utlenianie 50% wchłoniętej ilości glutaminy, większości kwasu glutaminowego, małe ilości innych AA, wątroba przemiana do glukozy większości wchłoniętej ilości alaniny, glicyny, proliny i treoniny, krwioobieg i mięśnie przemiana większości wchłoniętej ilości leucyny, izoleucyny i waliny,

25 Katabolizm aminokwasów deaminacja odłączenie grupy aminowej od szkieletów węglowych AA, a następnie: tworzenie mocznika którego 20% jest zamieniane w amoniak, tworzenie amoniaku którego 50% jest wbudowywana w mięśniach w AA, a 50% odgrywa rolę w utrzymaniu równowagi kwasowo-zasadowej, synteza alaniny i glutaminy w mięśniach, ketokwasy po deaminacji są: utleniane w mózgu źródło energii, syntetyzowane do glukozy lub kwasów tłuszczowych w wątrobie i mogą stanowić źródło energii,

26 Utlenianie aminokwasów (1) Zależy od ilości spożywanego białka i składników energetycznych. Jego miarą jest ilość wydalanych zw. azotowych, tj. azotu. pełne głodzenie wydalanie azotu w moczu 10g/24h, co odpowiada 62,5 g białka, ujemny bilans azotowy, dieta bezbiałkowa kcal/24h z tłuszczów i węglowodanów wydalanie azotu w moczu 5g/24h, co odpowiada 31 g białka, ujemny bilans azotowy,

27 Utlenianie aminokwasów (2) dieta j.w. + białko < 75g/24h wydalanie azotu w moczu rośnie, ale w tempie mniejszym niż spożycie, ujemny bilans azotowy, dieta j.w. + białko 75g/24h wydalanie azotu w moczu 12g/24h, zrównoważony bilans azotowy organizmu, zrównoważony bilans energetyczny dieta j.w. + białko >75g/24h wydalanie azotu w moczu rośnie w tempie odpowiadającym wzrostowi spożycia, zrównoważony bilans azotowy organizmu, dodatni bilans energetyczny

28 Utlenianie aminokwasów (3) białko 75g/24h + energia <1500 kcal/24h z tłuszczów i węglowodanów skutek: uruchomienie rezerw energetycznych organizmu: glikogenu proces glikogenolizy, tłuszczu zapasowego proces lipolizy, utlenianie części AA do poziomu zapewniającego pokrycie potrzeb energetycznych, ujemny bilans azotowy + zrównoważony bilans energetyczny

29 Koszt energetyczny utleniania aminokwasów 78% jest zużywane na przemiany AA, wzrost tempa metabolizmu po spożyciu, straty energii podczas rozpadu ATP do ADP, wydajność utleniania AA 22% ich wartości energetycznej, 1 g AA 0,052 mola ATP energii, która może być wykorzystana na procesy inne niż katabolizm glukozy: biosyntezę, skurcz mięśni, transport aktywny, 3 x mniej niż utlenianie 1 g glukozy, 9 x mniej niż utlenianie 1 g kw. oleinowego, Białko jest kosztownym źródłem energii

30 Utlenianie aminokwasów i synteza białka W sytuacji zrównoważonego bilansu i odpowiedniego spożycia białka w ciągu doby: degradacja białka ( 70 g/24h) jest równoważona przez jego spożycie ( 70 g/24h), a dobowy turnover białka: g /dobę. Katabolizm i anabolizm białka są ściśle powiązane. U organizmów w fazie rozwoju: wzrost retencji białka (np. o 10%) powoduje: wzrost syntezy (np. o 30%) i wzrost katabolizmu (np. o 20%)

31 Synteza białka Ogółem 350 g białka/dobę, w tym 250 g zastępuje rozpadające się białko endogenne, 150 g jest wydzielane do światła przewodu pokarmowego w sokach trawiennych i złuszczającym się nabłonku,

32 Białko a wartość energetyczna racji pokarmowej (1) Pokrycie potrzeb energetycznych organizmu jest warunkiem koniecznym do pełnego wykorzystania białka na cele budulcowe. Synteza 1 g białka z AA pożywienia wymaga podaży 24 kcal energii ze źródeł pozabiałkowych. Spożycie białka musi być proporcjonalne do spożycia energii ze źródeł pozabiałkowych.

33 Białko a wartość energetyczna racji pokarmowej (2) Maksymalne wykorzystanie białka pełnowartościowego na cele budulcowe organizm osiąga, gdy białko stanowi: w okresie wzrostu organizmu 12-14% wartości energetycznej racji pokarmowej, u dorosłych 10-12% wartości energetycznej racji pokarmowej, spadkowi wartości odżywczej białka powinien towarzyszyć wzrost ich ilości w racji pokarmowej

34 Metody określania zapotrzebowania organizmu na białko 1. Epidemiologiczne ocena rzeczywistego spożycia białka przez określone grupy ludzi w powiązaniu ze stanem zdrowia, rozwojem mały stopień precyzji, 2. Metaboliczne ocena równowagi azotowej lub wskaźników przemiany azotowej w organizmie podczas spożywania diety o różnym poziomie białka: bilansowa, czynnikowa,

35 Zalecane spożycie białka (1) Zalecane spożycie = zapotrzebowanie + margines bezpieczeństwa Margines bezpieczeństwa uwzględnia: niecałkowite wykorzystanie białek pokarmowych przez organizm, zmienność osobniczą, cechy genetyczne, straty podczas przechowywania i obróbki kulinarnej, wpływ czynników środowiskowych, np. infekcji, Na przykład: dorośli = 60% dzieci = 100%

36 Zalecane spożycie podstawowych składników pożywienia n.m.c. należna masa ciała, tj. służąca najdłuższemu życiu Ilość w g/kg n.m.c. % energii dawniej dziś Białka 1 0, (12) Tłuszcze 1 0,8 Węglowodany 4 5 Błonnik* < 30 (15 30) (20 25) (do 70) (65) > 25 g * wg zaleceń profilaktyki żywieniowej, WHO 2003

37 Zalecane spożycie białka (2) wg Norm żywienia dla ludności w Polsce, 2007 Dorośli: norma na poziomie bezpiecznym 0,8 g/kg n.m.c norma na poziomie zalecanym g/osobę/dobę 1 g/kg n.m.c odpowiada to: % energii ogółem Dzieci: norma na poziomie bezpiecznym 1,3 1,0 g/kg n.m.c norma na poziomie zalecanym odpowiednia wartość odżywcza białka racji pokarmowej: 1/3 białek zwierzęcych + 2/3 białek roślinnych n.m.c. należna masa ciała, tj. służąca najdłuższemu życiu