Глікування та його продукти: сміття всередині вашого тіла, ч. 1

ГЛІКУВАННЯ ТА ЙОГО ПРОДУКТИ: Сміття ВСЕРЕДИНІ ВАШОГО ТІЛА

У процесі виготовлення продуктів нутрієнти не залишаються пасивними, а активно взаємодіють між собою. Особливе значення серед цих процесів має взаємодія цукрів і білків, так зване глікування або неферментативне глікозилювання, воно ж реакція Майяра. Ця реакція може відбуватися в різних видах: як при приготуванні їжі, так і в нашому організмі при підвищенні рівня глюкози. Наприкінці цієї та низки інших реакцій відбувається утворення так званих «кінцевих продуктів глікування», які і є клітинним сміттям, шлаками, які засмічують клітину та перебудовують усю її роботу.

Стадії реакції Майару.

Реакція Майяра (реакція цукроамінної конденсації Maillard reaction) — хімічна реакція між амінокислотою і цукром, яка, як правило, відбувається при нагріванні. Прикладом такої реакції є смаження м'яса або випікання хліба, коли в процесі нагрівання харчового продукту виникає типовий запах, колір та смак приготовленої їжі. Ці зміни викликані утворенням продуктів реакції Майяра.

Не плутатимемо глікацію та глікозилювання. Глікопротеїни – важливі біохімічні сполуки, що утворюються за допомогою ферментів та виконують специфічні функції. Приклади таких глікопротеїнів – гіалуронова кислота та хондроїтин сульфат. Коли цукор реагує з протеїнами без участі ферментів, то в результаті виходять AGE, які є шкідливими для організму. Таким чином якщо глікозилювання є нормальним, генетично контрольованим механізмом, що протікає за участю ферментів, то глікація – не ферментативний і не запрограмований генами процес, який не приносить користі.

Глюкоза у своїй звичайній формі – D-глюкопіраноза – досить інертна молекула, яка є найважливішим джерелом живлення клітини. Це єдиний із цукрів, який циркулює в організмі надміру. І, незважаючи на те, що він відносно нешкідливий, він може стати небезпечним при трансформації в AGE в результаті складного процесу, властивого тваринам і рослинам. Цей процес «потемніння» не вимагає участі ферментів, він залежить лише від температури та великої кількості реактивних компонентів.

На першому кроці цього процесу глюкоза та інші прості цукри вступають у реакцію з протеїнами, а потім, з'єднуючись з амінокислотами та іншими компонентами, запускають подальшу реакцію. Наприклад, при глікації лізину виходить фруктоза-лізин, яка може бути розщеплена на складові, такі як карбоксиметиллізин (CML) та пентосидин. В результаті еластин і колаген втрачають здатність роз'єднуватись і на заміну їм утворюються нові протеїни.

 

Відповідно до теорії Мейларда, білкові зшивки утворюються в результаті ушкоджуючої дії моноцукорів. Цей процес багатоступінчастий.

Він починається оборотною глікацією — відновлений цукор (глюкоза, фруктоза, рибоза та ін.) приєднується до кінцевої α-аміногрупи білка. Відбувається це спонтанно, без ферментів.

По суті, йде типова реакція конденсації, відома з органічної хімії — реакція між альдегідною групою та α-аміногрупою, в результаті якої утворюються Шиффові основи (Shiff bases). У цьому випадку речовини, утворені первинною конденсацією білка та відновленого цукру, називаються продуктами Амадорі (Amadori products). Надалі продукти Амадорі піддаються різним, здебільшого незворотнім, модифікаціям (окисленню, конденсації, структурним перебудовам та ін.). В результаті формується досить різноманітна група речовин, що отримала узагальнену назву Advanced Glycosylation End-products (AGE). AGE повільно накопичуються в тканинах і мають багато негативних ефектів.

 

 

Реакція глікування включає кілька етапів: перший етап – конденсація.

Реакція Майяра починається, коли карбонільна група альдози (HC=O) з'єднується з вільною аміногрупою амінокислоти (-NH2), зазвичай протеїном або пептидом, в результаті чого виходить N-заміщений альдозиламін. Простіше кажучи, цукор поєднується з амінокислотою. В цілому, це реакція дегідратації цукру з формуванням води, а продукт конденсації швидко втрачає воду в міру перетворення на основи Шиффа. Основи Шиффа характеризуються подвійним зв'язком вуглецю з азотом, а азот у яких пов'язані з арильної чи алкільної групою (H-C=N-R).

 

 

 

 

 

 

 

Далі основа Шиффа набуває кільцевої структури. Ця перебудова структури під назвою «перегрупування Амадорі» формує кетозамін у процесі зміни молекулярної структури навколо атома кисню. Якщо як альдозу взяти глюкозу, а як амінокислоту гліцерин, тоді в результаті перегрупування Амадорі отримаємо 1-аміно-1-діокси-2-фруктозу або монофруктозагліцерин. Перегрупування Амадорі є ключовим етапом у формуванні проміжних компонентів, що беруть участь у реакції потемніння.

 

Етап другий - розпад, розкладання

Далі продукт, отриманий в результаті реакції Амадорі, може розпадатися трьома способами, залежно від умов. У розкладанні Стреккера (рис. 6) амінокислоти зазнають окислювального розпаду під дією карбонільних компонентів, що з'являються в результаті розкладання кетозамінів.

У цій реакції розкладання амінокислоти виходять із основ Шиффа і потім проходять процес декарбоксилювання, що каталізується кислотами. Нові основи Шиффа легко гідролізуються до амінів та альдегідів. В результаті розкладання Стеккер виділяється CO2 і відбувається реакція трансамінації, яка з'єднує азот з меланоїдами. Утворені альдегіди роблять внесок у появу аромату і беруть участь у формуванні меланоїдинів.

Етап третій глікування – полімеризація та потемніння

Цей етап характеризується утворенням темного пігменту та запаху смаженого. Утворення меланоїдинів є результатом полімеризації високо реактивних компонентів на пізній стадії реакції Майяра. Це може характеризуватись не дуже приємними або різкими запахами: з'являється запах підгорілої, протухлої, запах цибулі, розчинника або капусти. Можуть з'являтися і приємні аромати – солоду, підсмаженої хлібної скоринки, карамелі чи кави. Хімічний склад цих компонентів дуже відомий.

Кінцеві продукти глікації (AGE).

Наприкінці всіх цих перетворень утворюються «кінцеві продукти глікації», Advanced Glycosylation End-products (AGE), які надають несприятливий ефект обмін речовин. Зрозуміло, серед цих сполук є і відносно нешкідливі, а є дуже токсичні. Для кінцевих токсичних продуктів глікації є назва - глікотоксини.

Реакція Майяра відбувається не тільки під час приготування їжі. Ця реакція між білками та цукрами (т. зв. глікування) має місце і в живому організмі. У нормальних умовах швидкість реакції настільки мала, що її продукти встигають віддалятися. Однак, при різкому підвищенні цукру в крові при діабеті, реакція значно прискорюється, продукти накопичуються і здатні викликати численні порушення (наприклад, гіперліпідемії). Особливо це виражено у крові, де різко підвищується рівень пошкоджених білків (наприклад, концентрація глікозильованого гемоглобіну є показником ступеня діабету).

Накопичення змінених білків у кришталику викликає тяжке порушення зору у хворих на діабет. Накопичення деяких пізніх продуктів реакції Майяра, як і продуктів окислення, що відбувається з віком, призводить до вікових змін у тканинах.

Найбільш поширеним пізнім продуктом реакції є карбоксиметиллізин, похідне лізину. Карбоксиметиллізин у складі білків є біомаркером загального оксидативного стресу організму. Він накопичується з віком у тканинах, наприклад у колагені шкіри, та підвищений при діабеті.

У формі AGE глюкоза стає своєрідним молекулярним клеєм, який робить кровоносні судини нееластичною та стенозною. Вона викликає запалення, яке у свою чергу призводить до гіпертрофії гладких судинних м'язів та позаклітинного матриксу. Ці процеси сприяють атерогенезу (розвитку атеросклерозу), який протікає з більшою швидкістю діабетиків через підвищений рівень глюкози.

Два найпоширеніших карбонільних кінцевих продукту глікації в тілі – метилгліоксаль та гліоксаль. Пам'ятайте, що карбоніли – побічні продукти першої стадії реакції Майяра і є реактивними сполуками. Метилгліоксаль та гліоксаль можуть виходити з глюкози без проходження повного циклу реакції Майяра. Через свою реактивність метилгліоксаль відіграє велику роль в утворенні пізніх продуктів глікування у процесі реакції Майяра. Більш того, він вважається найважливішим із глікуючих реагентів (тобто ковалентно зв'язуються з аміно-групами білків, таких як глюкоза, галактоза та ін.), що призводять до порушення функцій білків при діабеті і старінні

 

Модифікація біомолекул.

Під дією АGE модифікуються різні біомолекули. Це, очевидно, призводить до погіршення структури різних органів. Одним з основних білків шкіри, а також сухожиль, зв'язок та кісток є колаген. Він становить трохи багато 20-30 % від маси всього тіла. І саме зміни, що відбуваються з ним, відповідальні за появу зморшок, зниження еластичності шкіри тощо. У нормальному стані між триплетами тропоколагену є зшивки, тобто. ковалентні хімічні зв'язки, що надають колагеновим волокнам необхідні механічні властивості.

Однак з віком кількість зшивок між тропоколагеновими одиницями збільшується. Цей процес, що протікає за участю такої поширеної в тканинах речовини, як глюкоза, інтенсивніше відбувається у хворих на цукровий діабет. Саме вивчення останнього пролило світло на колагенову теорію старіння.

Карбонільна група цукрів, що відновлюють, до яких відноситься в тому числі і така поширена в нашому організмі речовина, як глюкоза, реагує з вільними кінцевими аміногрупами амінокислоти лізину, яким дуже багатий колаген. Це тривіальне перетворення відоме нам, хімікам, як нуклеофільне приєднання по карбонільній групі, і зветься реакцією Майяра. Продукт цієї реакції з гарною назвою основа Шиффа надалі зазнає більш складних перетворень із ще більш загадковими назвами, наприклад, перегрупування Амадорі. Продукт Амадорі в результаті міграції протонів, циклізації та численних дегідратацій перетворюється на активовану карбонільну сполуку, що з любов'ю приєднує залишок аргініну сусіднього ланцюга тропоколагену, утворюючи, наприклад, глюкозепанову зшивку.

Simplified scheme of the complex Maillard reaction and formation of some advanced glycation endproducts (AGEs) in vivo. CEL = carboxyethyllysine; MOLD = methylglyoxal lysine dimer; DOLD, 3-deoxyglucosone lysine dimer; CML, carboxymethyllysine; GOLD, glyoxal lysine dimer. Redrawn with permission from Monnier VM, Arch Biochem Biophys. 2003;419:1-15.

 

До речі, схожі процеси, щоправда, що протікають за високої температури, викликають утворення коричневої скоринки на хлібобулочних виробах. Вам ця коричнева скоринка нічого не нагадує? До чого призводить збільшення числа зшивок між молекулами колагену? Перший наслідок цього явища, як ви можете здогадатися, – зміна механічних властивостей тканин. Звичайно, це стосується й шкіри, яка з віком втрачає свою еластичність, тобто. стає жорсткішою.
Уявіть, що ви одночасно розтягуєте обома руками 5 гумових джгутів. А тепер уявіть, що в кількох місцях ці джгути пов'язані один з одним вузлами. Ділянки джгутів між вузлами розтягуватимуться значно меншою мірою. Приблизно те саме відбувається і шкірою. Звичайно, ситуація посилюється тим, що з віком зменшується і вміст колагену в шкірі, оскільки падає активність ферментів, що беруть участь у його синтезі. Але навіть якби цього не відбувалося, то ситуація все одно не сильно виправилася б, тому що розщепити колаген із частими зшивками, щоб замінити його на нове, набагато важче, ніж з рідкісними.

Збільшення кількості зв'язків у колагені знижує його еластичність. Така зміна на молекулярному рівні може бути причиною потовщення базальної мембрани, наприклад, у мезангіальному матриксі нирок, і призводити до ниркової недостатності при діабеті, а також бути причиною зниження вікової функції нирок. Вважають, що цей механізм відіграє роль у звуженні артерій, зменшенні судинного кровотоку та зниженні гнучкості сухожиль. Показано, що в колагені шкіри коротко- і довгоживучих видів тварин рівень маркера глікозилювання пентозидину пропорційний видовій максимальної тривалості життя. Рівень кінцевих продуктів глікозилювання пов'язаний з пошкодженням нервів та схильністю до утворення шкірних уражень, які погано піддаються лікуванню.

Ушкодження кровоносних судин.

Процес глікування колагену запускає ряд окладів у тих органах, де він відіграє важливу структурну роль: шкіра, кришталик, нирки, судини, міжхребцеві диски, хрящі та ін.

Артеріосклероз ініціюють тривала гіперглікемія, реакції хімічного глікування ланцюгів колагену та еластину пухкої сполучної тканини в результаті хімічного впливу глюкози та її метаболітів — глікотоксинів (гліоксалю та метилгліоксалю), формування ними поперечних «зшивок» між волокнами. На відміну від артеріосклерозу при атероматозі - основному прояві атеросклерозу - ураження артерій еластичного типу відбувається за рахунок накопичення в інтимі ліпідів - етерифікованих спиртом холестерином есенціальних ненасичених і полієнових жирних кислот, формування бляшок у місцях локалізації; атероматоз не торкається колагенових та еластичних структур у стінці артерій.

Артеріосклероз та атероматоз як прояв атеросклерозу – це два самостійні патологічні процеси в стінці артерій еластичного типу. Артеріолосклероз є наслідком глікування ланцюгів колагену та еластину у стінці артеріол м'язового типу, постартеріол, в ендотелії та перицитах обмінних капілярів. Мікроангіопатії ініціюють лише процеси глікування та дії глікотоксинів, оскільки в артеріолах м'язового типу немає інтими, яка є локальною інтерстиціальною тканиною для збирання та утилізації біологічного «сміття» з крові, із внутрішньосудинного пулу міжклітинного середовища.

Інші білки та ДНК.

Нуклеїнові кислоти та білки можуть бути модифіковані шляхом приєднання Сахаров до їх вільних аміногруп, що веде до структурної та функціональної перебудови молекул. Нуклеотиди та ДНК теж піддаються неензіматичному глікозилюванню, що призводить до мутацій через пряме пошкодження ДНК та інактивацію систем репарації помилок рекомбінації, а також викликає підвищену ламкість хромосом. Неферментативне глікозування біологічно важливих молекул стає дедалі важливішою областю у вивченні діабету та процесу нормального старіння.

Насамперед страждають, тобто глікуються, довгоживучі білки: гемоглобіни, альбуміни, колаген, кристалини, ліпопротеїди низької щільності. Наслідки найнеприємніші. Наприклад, глікування білків мембрани еритроциту робить її менш еластичною, жорсткішою, внаслідок чого погіршується кровопостачання тканин.

Через глікування кристаллінів каламутніє кришталик і, як наслідок, розвивається катаракта. Модифіковані таким чином білки ми можемо виявити, а отже, вони є маркерами атеросклерозу, цукрового діабету, нейродегенеративних захворювань. Лікарям та діабетикам знайомий один специфічний кінцевий продукт глікації – А1с. Він утворюється в результаті реакції Амадорі шляхом приєднання глюкози до β-ланцюга нормального гемоглобіну. Сьогодні одна з фракцій глікованого гемоглобіну (HbА1c) — серед основних біохімічних маркерів діабету та серцево-судинних захворювань. Зниження рівня HbА1c на 1% зменшує ризик будь-яких ускладнень при діабеті на 20%.

Ушкодження амінокислот.

До мінусів глікування слід приписати й те, що реакція Майара знижує біологічну цінність білків, оскільки амінокислоти, особливо лізин, треонін, аргінін і метіонін, яких найчастіше бракує в організмі, після з'єднання з цукрами стають недоступними для травних ферментів і, отже, не засвоюються. .

Лікар к.м.н. Андрій Біловєшкін