Гликирование и его продукты: мусор внутри вашего тела, часть 1.

В процессе приготовления продуктов нутриенты не остаются пассивными, а активно взаимодействуют между собой. Особое значение среди этих процессов имеет взаимодействие сахаров и белков, так называемое глики́рование, или неферментативное гликозилирование,оно же реакция Майяра. Эта реакция может происходить в разных видах: как при готовке пищи, так и в нашем организме при повышении уровня глюкозы. В конце этой и ряда других реакций происходит образование так называемых «конечных продуктов гликирования», которые и являются клеточным мусором, шлаками, которые засоряют клетку и перестраивают все ее работу. Тема большая, поэтому мы разберем ее в несколько подходов. Сначала разберем саму реакцию гликирования и условия, предрасполагающие к ней. Затем узнаем, что такое метаболическая память и как AGE-продукты (они же «конечные продукты гликирования», Advanced Glycosylation End-products (AGE)) влияют на наш обмен веществ). Ну, и, разумеется, что с этим делать как в процессе готовки, так и внутри нашего организма. Получится мини-цикл из четырех больших постов. Готовы? Тогда поехали!

Напомню, что доступны онлайн видеокурс "Здоровое питание" и новый видеокурс по осанке и телесности "Здоровая осанка" онлайн!

Гликирование и его продукты: мусор внутри вашего тела.

Начало, продолжение здесь:

Гликация и внешность: сахарное лицо, часть 4.
Контроль гликации: выбор продуктов и способов готовки, часть 3.
Гликирование и метаболическая память: месть подается холодной. Часть 2.

Стадии реакции Майара.

Реакция Майяра (реакция сахароаминной конденсации Maillard reaction) — химическая реакция между аминокислотой и сахаром, которая, как правило, происходит при нагревании. Примером такой реакции является жарка мяса или выпечка хлеба, когда в процессе нагревания пищевого продукта возникает типичный запах, цвет и вкус приготовленной пищи. Эти изменения вызваны образованием продуктов реакции Майяра. 

Не будем путать гликацию и гликозилирование. Гликопротеины - важные биохимические соединения, образующиеся с помощью ферментов и выполняющие специфические функции. Примеры таких гликопротеинов – гиалуроновая кислота и хондроитин сульфат. Когда сахар реагирует с протеинами без участия ферментов, то в результате получаются AGE, которые вредны для организма. Т.о. если гликозилирование является нормальным, генетически контролируемым механизмом, протекающим с участием ферментов, то гликация – не ферментативный и не запрограммированный генами процесс, который не приносит пользы. 

Глюкоза в своей обычной форме – D-глюкопираноза – довольно инертная молекула, являющаяся важнейшим источником питания клетки. Это единственный из сахаров, который циркулирует в организме в избытке. И, несмотря на то, что он относительно безвреден, он может стать опасным при трансформации в AGE в результате сложного, произвольно возникающего процесса, свойственного животным и растениям. Этот процесс «потемнения» не требует участия ферментов, он зависит только от температуры и обилия реактивных компонентов. 

На первом шаге этого процесса глюкоза и другие простые сахара вступают в реакцию с протеинами, а затем, соединяясь с аминокислотами и другими компонентами, запускают дальнейшую реакцию. Например, при гликации лизина получается фруктоза-лизин, которая может быть расщеплена на составляющие, такие как карбоксиметиллизин (CML) и пентосидин. В результате эластин и коллаген теряют способность разъединяться и на замену им образуются новые протеины.

Согласно теории Мэйларда, белковые сшивки образуются в результате повреждающего действия моносахаров. Этот процесс многоступенчатый. 

Он начинается обратимой гликацией — восстановленный сахар (глюкоза, фруктоза, рибоза и др.) присоединяется к концевой α-аминогруппе белка. Происходит это спонтанно, без участия ферментов. 

По сути дела, идет типичная реакция конденсации, известная из органической химии — реакция между альдегидной группой и α-аминогруппой, в результате которой образуются Шиффовы основания (Shiff bases). В данном случае вещества, образованные первичной конденсацией белка и восстановленного сахара, называются продуктами Амадори (Amadori products). В дальнейшем продукты Амадори подвергаются различным, в большинстве своем необратимым, модификациям (окислению, конденсации, структурным перестройкам и проч.). В результате формируется достаточно разнообразная группа веществ, получившая обобщенное название Advanced Glycosylation End-products (AGE). AGE медленно накапливаются в тканях и обладают многими негативными эффектами.

Реакция гликирования включает несколько этапов: этап первый – конденсация. 

Реакция Майяра начинается, когда карбонильная группа альдозы (HC=O) соединяется со свободной аминогруппой аминокислоты (-NH2), обычно протеином или пептидом, в результате чего получается N-замещенный альдозиламин. Проще говоря, сахар соединяется с амино кислотой. В целом, это реакция дегидратации сахара с формированием воды, а продукт конденсации быстро теряет воду по мере превращения в основания Шиффа. Основания Шиффа характеризуются двойной связью углерода с азотом, а азот в них связан с арильной или алкильной группой (H-C=N-R).

Далее основание Шиффа приобретает кольцевую структуру. Эта перестройка структуры под названием «перегруппировка Амадори» формирует кетозамин в процессе изменения молекулярной структуры вокруг атома кислорода. Если в качестве альдозы взять глюкозу, а в качестве аминокислоты глицерин, тогда в результате перегруппировки Амадори получим 1-амино-1-диокси-2-фруктозу или монофруктозаглицерин. Перегруппировка Амадори является ключевым этапом в формировании промежуточных компонентов, участвующих в реакции потемнения.

Этап второй – распад, разложение

Далее продукт, полученный в результате реакции Амадори, может распадаться тремя различными способами, в зависимости от условий. В разложении Стреккера (рис. 6) аминокислоты претерпевают окислительный распад под действием карбонильных компонентов, появляющихся в результате разложения кетозаминов. 

В этой реакции разложения аминокислоты выходят из оснований Шиффа и затем проходят процесс декарбоксилирования, катализируемого кислотами. Новые основания Шиффа легко гидролизируются до аминов и альдегидов. В результате разложения Стеккера выделяется CO2 и происходит реакция трансаминации, которая соединяет азот с меланоидами. Образующиеся альдегиды вносят вклад в появление аромата и участвуют в формировании меланоидинов. 

Этап третий гликирования  – полимеризация и потемнение

Этот этап характеризуется образованием темного пигмента и запаха жареного. Образование меланоидинов является результатом полимеризации высоко реактивных компонентов на поздней стадии реакции Майяра. Это может характеризоваться не очень приятными или резкими запахами: появляется запах подгорелого, протухшего, запах лука, растворителя или капусты. Могут появляться и приятные ароматы – солода, поджаренной хлебной корочки, карамели или кофе. Химический состав этих компонентов не очень хорошо известен. 

Конечные продукты гликации (AGE).

В конце этих всех преобразований образуются «конечные продукты гликации», Advanced Glycosylation End-products (AGE), которые оказывают неблагоприятный эффект на обмен веществ. Разумеется, среди этих соединений есть и относительно безвредные, а есть и очень токсичные. Для токсичных конечных продуктов гликации есть название – гликотоксины.

Реакция Майяра происходит не только при приготовлении пищи. Эта реакция между белками и сахарами (т. н. гликирование) имеет место и в живом организме. В нормальных условиях скорость реакции настолько мала, что её продукты успевают удаляться. Однако, при резком повышении сахара в крови при диабете реакция значительно ускоряется, продукты накапливаются и способны вызвать многочисленные нарушения (например, гиперлипидемии). Особенно это выражено в крови, где резко повышается уровень повреждённых белков (например, концентрация гликозилированного гемоглобина является показателем степени диабета). 

Накопление изменённых белков в хрусталике вызывает тяжёлое нарушение зрения у больных диабетом. Накопление некоторых поздних продуктов реакции Майяра, так же как и продуктов окисления, которое происходит с возрастом, приводит к возрастным изменениям в тканях. 

Наиболее распространённым поздним продуктом реакции является карбоксиметиллизин, производное лизина. Карбоксиметиллизин в составе белков служит биомаркером общего оксидативного стресса организма. Он накапливается с возрастом в тканях, например в коллагене кожи, и повышен при диабете.

В форме AGE глюкоза становится своеобразным молекулярным клеем, который делает кровеносные сосуды неэластичными и стенозными. Она вызывает воспаление, которое в свою очередь приводит к гипертрофии гладких сосудистых мышц и внеклеточного матрикса. Эти процессы способствуют атерогенезу (развитию атеросклероза), который протекает с большей скоростью у диабетиков из-за повышенного уровня глюкозы.

Два самых распространенных карбонильных конечных продукта гликации в теле – метилглиоксаль и глиоксаль. Помните, что карбонилы - побочные продукты первой стадии реакции Майяра и являются реактивными соединениями. Метилглиоксаль и глиоксаль могут получаться из глюкозы без прохождения полного цикла реакции Майяра. В силу своей реактивности метилглиоксаль играет большую роль в образовании поздних продуктов гликирования в процессе реакции Майяра. Более того, он считается важнейшим из гликирующих реагентов (т. е. ковалентно связывающихся с амино-группами белков, таких как глюкоза, галактоза и др.), приводящих к нарушению функций белков при диабете и старении

Модификация биомолекул. 

Под действием АGE модифицируются различные биомолекулы. Это, разумеется, приводит к ухудшению структуры различных органов. Одним из основных белков кожи, а также сухожилий, связок и костей является коллаген. Он составляет немного немало 20-30 % от массы всего тела. И именно происходящие с ним изменения ответственны за появление морщин, снижение эластичности кожи и т.п. В нормальном состоянии между триплетами тропоколлагена существуют сшивки, т.е. ковалентные химические связи, которые придают коллагеновым волокнам необходимые механические свойства.

Однако с возрастом количество сшивок между тропоколлагеновыми единицами увеличивается. Этот процесс, протекающий с участием такого распространённого в тканях вещества, как глюкоза, более интенсивно происходит у больных сахарным диабетом. Именно изучение последнего и пролило свет на коллагеновую теорию старения.

Карбонильная группа восстанавливающих сахаров, к которым относится в том числе и такое распространённое в нашем организме вещество, какглюкоза, реагирует со свободными концевыми аминогруппами аминокислоты лизина, которым весьма богат коллаген. Это тривиальное превращение известно нам, химикам, как нуклеофильное присоединение по карбонильной группе, и зовётся реакцией Майяра. Продукт этой реакции с красивым названием основание Шиффа в дальнейшем претерпевает более сложные превращения с ещё более загадочными названиями, например, перегруппировку Амадори. Продукт Амадори в результате миграции протонов, циклизации и многочисленных дегидратаций превращается в активированное карбонильное соединение, с любовью присоединяющее остаток аргинина соседней цепи тропоколлагена, образуя, например, глюкозепановую сшивку.

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.

Кстати, похожие процессы, правда, протекающие при высокой температуре, вызывают образование коричневой корочки на хлебобулочных изделиях. Вам эта коричневая корочка ничего не напоминает? К чему же приводит увеличение числа сшивок между молекулами коллагена? Первое следствие этого явления, как вы можете догадаться, - изменение механических свойств тканей. Естественно, это касается и кожи, которая с возрастом теряет свою эластичность, т.е. становится более жёсткой.

Представьте, что вы одновременно растягиваете обеими руками 5 резиновых жгутов. А теперь представьте, что в нескольких местах эти жгуты связаны друг с другом узлами. Участки жгутов между узлами будут растягиваться в гораздо меньшей степени. Примерно то же самое происходит и кожей. Естественно, ситуация усугубляется тем, что с возрастом уменьшается и содержание коллагена в коже, так как падает активность ферментов, участвующих в его синтезе. Но даже если бы этого не происходило, то ситуация всё равно не сильно исправилась бы, так как расщепить коллаген с частыми сшивками, чтобы заменить его новым, гораздо труднее, чем с редкими.

Увеличение количества связей в коллагене снижает его эластичность. Такое изменение на молекулярном уровне может являться причиной утолщения базальной мембраны , например, в мезангиальном матриксе почек, и приводить к почечной недостаточности при диабете , а также быть причиной возрастного снижения функции почек. Полагают, что этот механизм играет роль в сужении артерий, уменьшении сосудистого кровотока и снижении гибкости сухожилий. Показано, что в коллагене кожи коротко- и долгоживущих видов животных уровень маркера гликозилирования пентозидина обратно пропорционален видовой максимальной продолжительности жизни. Уровень конечных продуктов гликозилирования связан с повреждением нервов и склонностью к образованию кожных поражений, которые плохо поддаются лечению.

Повреждения кровеносных сосудов.

Процесс гликирования коллагена запускает ряд осложенений в тех органах, где он играет важную структурную роль: кожа, хрусталик, почки, сосуды, межпозвоночные диски, хрящи и др.

Артериосклероз инициируют длительная гипергликемия, реакции химического гликирования цепей коллагена и эластина рыхлой соединительной ткани в результате химического воздействия глюкозы и ее метаболитов — гликотоксинов (глиоксаля и метилглиоксаля), формирования ими поперечных «сшивок» между волокнами коллагена и эластина. В отличие от артериосклероза при атероматозе — основном проявлении атеросклероза — поражение артерий эластического типа происходит за счет накопления в интиме липидов — этерифицированных спиртом холестерином эссенциальных ненасыщенных и полиеновых жирных кислот, формирования бляшек в местах локализации оседлых макрофагов в интиме, очагов некроза и кальциноза; атероматоз не затрагивает коллагеновые и эластические структуры в стенке артерий. 

Артериосклероз и атероматоз как проявление атеросклероза — это два самостоятельных патологических процесса в стенке артерий эластического типа. Артериолосклероз является следствием гликирования цепей коллагена и эластина в стенке артериол мышечного типа, постартериол, в эндотелии и перицитах обменных капилляров. Микроангиопатии инициируют только процессы гликирования и действия гликотоксинов, поскольку в артериолах мышечного типа нет интимы, которая является локальной интерстициальной тканью для сбора и утилизации биологического «мусора» из крови, из внутрисосудистого пула межклеточной среды

Прочие белки и ДНК.

Нуклеиновые кислоты и белки могут быть модифицированы путем присоединения Сахаров к их свободным аминогруппам, что ведет к структурной и функциональной перестройке молекул. Нуклеотиды и ДНК тоже подвергаются неэнзиматическому гликозилированию, что приводит к мутациям из-за прямого повреждения ДНК и инактивации систем репарации ошибок рекомбинации, а также вызывает повышенную ломкость хромосом. Неферментативное гликозирование биологически важных молекул становится все более важной областью в изучении диабета и процесса нормального старения.

В первую очередь страдают, то есть гликируются, долгоживущие белки: гемоглобины, альбумины, коллаген, кристаллины, липопротеиды низкой плотности. Последствия самые неприятные. Например, гликирование белков мембраны эритроцита делает ее менее эластичной, более жесткой, в результате чего ухудшается кровоснабжение тканей. 

Из-за гликирования кристаллинов мутнеет хрусталик и, как следствие, развивается катаракта. Модифицированные таким образом белки мы можем обнаружить, а значит, они служат маркерами атеросклероза, сахарного диабета, нейродегенеративных заболеваний. Врачам и диабетикам знаком один специфический конечный продукт гликации – А1с. Он образуется в результате реакции Амадори путем присоединения глюкозы к β-цепи нормального гемоглобина. Сегодня одна из фракций гликированного гемоглобина (HbА1c) — в числе основных биохимических маркеров диабета и сердечно-сосудистых заболеваний. Снижение уровня HbА1c на 1% уменьшает риск каких-либо осложнений при диабете на 20%.

Повреждения аминокислот.

К минусам гликирования нужно приписать и то, что реакция Майара снижает биологическую ценность белков, поскольку аминокислоты, особенно лизин, треонин, аргинин и метионин, которых чаще всего недостает в организме, после соединения с сахарами становятся недоступными для пищеварительных ферментов и, следовательно, не усваиваются. 

Источники:

Википедия

http://humbio.ru/humbio/starenie/0000c7e9.htm

http://superhimik.livejournal.com/53967.html

http://www.fesmu.ru/elib/Article.aspx?id=276075

http://vitazone.ru/forum/showthread.php?t=496

http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/432173/Ot_kulinarii_k_kulinokhimii