T. KOMPRDA
Ústav technologie potravin, Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně
Veterinářství 2006;56:121-125.
SOUHRN
Cholesterol je látka v lidském organizmu nezbytná pro správnou funkci buněčných membrán, tvorbu žlučových kyselin, steroidních hormonů a vitaminu D. I exogenní (v potravě přijímaný) cholesterol ovlivňuje (společně se složením mastných kyselin a absolutním množstvím dietárního tuku) obsah a distribuci cholesterolu v lipoproteinech krevní plazmy a má tedy aterogenní potenciál. Ještě větší toxicitu vůči buňkám cévní stěny však vykazují oxidační produkty cholesterolu (oxysteroly), jejichž množství v potravinách závisí mimo jiné na obsahu cholesterolu jako takového. Má tedy smysl posuzování obsahu cholesterolu v potravinách, což je však ztíženo neexistencí jednotného standardního analytického postupu. K faktorům ovlivňujícím obsah cholesterolu v živočišných produktech patří kromě živočišného druhu a dané tkáně složení krmné dávky, doba výkrmu a věk zvířete. Riziko vzniku oxysterolů v potravinách je možno snížit aplikací antioxidantů v krmné dávce pro zvířata určitou dobu před porážkou, zpracováním potravin při co nejnižší teplotě a balením a skladováním potravin při nízkých teplotách a bez přístupu světla a kyslíku.
SUMMARY
Cholesterol in human organism is an essential substance for proper function of the plasmatic membranes and production of bile acids, steroid hormones and vitamin D. Concentration and distribution of cholesterol in plasma lipoproteins also depends (in addition to dietary fat and its fatty acid composition) on dietary cholesterol, which is therefore considered as an atherogenic substance. Even greater toxicity towards the cells of an artery wall have cholesterol oxidation products, oxysteroles; their concentration in foods depends among other things on cholesterol content. Evaluation of cholesterol content in foods is therefore meaningful, despite the nonexistence of a uniform standard analytical procedure. Animal species, particular tissue, composition of the diet, fattening interval and age belong to the factors influencing cholesterol content in animal products. Risk of oxysteroles formation in foods can be decreased by the use of antioxidants in an animal diet proper time interval before slaughter, food processing at temperatures as low as possible, and by food storage at low temperatures and without an access of light and oxygen.
Fyziologický význam a regulace syntézy cholesterolu v savčím organizmu
Cholesterol je látka lipidové povahy. Při izolaci lipidů přechází vzhledem ke své nízké polaritě z matrice do lipidové frakce, z analytického hlediska (viz níže) se tedy řadí mezi doprovodné látky lipidů. Z hlediska strukturního patří cholesterol mezi steroidy.
Společným znakem tzv. vyšších sterolů je jejich univerzální přítomnost v eukaryontních plazmatických membránách (cholesterol v živočišných buňkách, ergosterol v buňkách hub, fytosteroly β-sitosterol, stigmasterol a kampesterol v rostlinných buňkách) a naopak nepřítomnost v buňkách prokaryontních. Cholesterol má jedinečnou schopnost zvyšovat uspořádanost lipidové dvojvrstvy buněčné membrány při současném udržování její fluidity a rychlosti difuze.1 Efektivní interakce mezi cholesterolem a fosfolipidy v buněčné membráně mimo jiné zabraňuje úniku sodných iontů, což ve svém důsledku šetří energetické rezervy buňky.2
V nervových tkáních je cholesterol součástí myelinových pochev. Dále je výchozím materiálem dalších steroidů: žlučových kyselin, steroidních hormonů kůry nadledvin (kortizol, aldosteron) i gonád (estrogeny a gestageny, androgeny) a vitaminu D. Cholesterol je nezbytný pro správný růst organismu i pro obnovu tkání organismu dospělého.3
Z hlediska fyziologie výživy člověka je rozlišován exogenní cholesterol (přijímaný potravou) a endogenní cholesterol (syntetizovaný vlastním organizmem člověka). Všechny buňky savčího organizmu jsou schopny syntetizovat cholesterol v potřebném množství, pouze nadledviny a gonády vyžadují další přísun cholesterolu z lipoproteinů krevní plazmy.3 Kvantitativně nejvýznamnějším orgánem syntézy cholesterolu jsou játra. Výchozím metabolitem je acetyl-CoA, klíčovým enzymem regulujícím syntézu cholesterolu je β-hydroxy-β-metyl-glutaryl-CoA-reduktáza (HMG-CoA reduktáza). Při zvýšení příjmu dietárního cholesterolu se automaticky sníží endogenní syntéza a naopak.4
Hladina krevního cholesterolu je regulována na několika úrovních. Jednak je to na úrovni resorpce, pomocí receptorů v buňkách střevní sliznice. Další regulační mechanismus je součástí endogenní syntézy cholesterolu. Syntéza HMG-CoA reduktázy v játrech je reprimována lipoproteiny obsahujícími cholesterol, a to včetně cholesterolu exogenního, který se do těchto lipoproteinů také zabudovává. Dietární cholesterol má tedy také regulační vliv na biosyntézu cholesterolu v játrech. Na úrovni krevního oběhu je hladina plazmatického cholesterolu regulována především receptorem lipoproteinů nízké hustoty (LDL). Tento transmembránový receptor lokalizovaný na povrchu buněk řídí resorpci a katabolismus plazmatických LDL, hlavních nosičů plazmatického cholesterolu. Rozhodující význam má počet a funkční stav LDL-receptorů.5
Cholesterol a oxysteroly v etiologii aterosklerózy
Pojednání cholesterolu v rámci hygieny potravin je z pohledu současných znalostí plně opodstatněné, současná literatura dokonce hovoří o lipotoxicitě, resp. cholesterotoxicitě.2 Cholesterol – a v ještě větší míře to platí o jeho oxidačních produktech, oxysterolech – je totiž aterogenní (podporuje vznik a rozvoj aterosklerózy). Ateroskleróza vzniká procesem aterogeneze, kde podstatnou roli hrají zánětlivé procesy v cévní stěně, poškození endotelu, vysoká hladina inzulinu v krvi, vysoká hladina krevních lipidů (včetně cholesterolu) a další faktory.4 Tepna je působením těchto faktorů poškozována, ztrácí pružnost a dochází k jejímu postupnému zužování až uzávěru s následnou ischemií příslušné části orgánu.
V případě plazmatického cholesterolu je ve srovnání s jeho celkovou hladinou důležitější jeho obsah v příslušných lipoproteinech. Zjednodušeně je možno konstatovat, že cholesterol vázaný v LDL (hustota 980 – 1035 kg m-3; obsah cholesterolu, včetně cholesterylesterů kolem 50 %, obsah proteinů kolem 25 %) směřuje (z pohledu jater jako centrálního orgánu metabolizmu cholesterolu) do periferie (v tomto případě do cévy), cholesterol vázaný v HDL (lipoproteiny o vysoké hustotě: 1090 – 1140 kg m-3; obsah cholesterolu a cholesterylesterů 20 %, obsah proteinů kolem 50 %) naopak z periferie (z cévy) do jater.6 Proto je HDL-cholesterol hodnocen jako pozitivní frakce (je žádoucí jeho vysoká hladina v krvi), vyšší hladina LDL-cholesterolu je naopak hodnocena negativně. Souvislost mezi hladinou cholesterolu v séru a četností úmrtnosti na srdečně cévní onemocnění (SCO) u člověka byla prokázána v mnoha studiích.7 Tato zjištění vedla k doporučením snižovat příjem potravin s vysokým obsahem cholesterolu (vejce, vnitřnosti, mozek).
Údaje o vlivu dietárního (exogenního) cholesterolu na poměr plazmatického LDL-/HDL-cholesterolu a tedy na proces aterogeneze u člověka však nejsou jednoznačné. V důsledku relativně vysoké syntézy v organizmu (endogenní syntéza je ve srovnání s běžně konzumovaným množstvím cholesterolu přibližně trojnásobná) je podíl endogenního cholesterolu na celkové koncentraci v séru výrazně vyšší ve srovnání s cholesterolem přijímaným v potravě. To vedlo k potlačení významu exogenního cholesterolu v aterogenezi člověka a naopak ke zvýšení zájmu o celkový příjem energie v potravě, o příjem nasycených mastných kyselin a především o poměr n6 a n3 polynenasycených mastných kyselin v přijímaném tuku. V důsledku toho někteří autoři8 argumentují, že příjem cholesterolu v potravě nemá téměř žádný vliv na hladinu sérového cholesterolu. Další práce však jednoznačně prokázaly signifikantní závislost změny koncentrace plazmatického cholesterolu na obsahu cholesterolu v dietě.9 V pokusech na primátech bylo možno vyvolat hypercholesterolémii pouze pomocí diet obsahujících cholesterol; při absenci dietárního cholesterolu se hypercholesterolémie nevyvinula.10
Jak bylo výše naznačeno, rozhodující složkou krevního séra vzhledem k ukládání cholesterolu v cévní stěně, a tedy vzhledem k procesu aterogeneze u člověka, je LDL-cholesterol (LDL-částice přenášejí přibližně 70 % veškerého plazmatického cholesterolu), resp. funkční stav příslušných LDL receptorů. Koncentrace cholesterolu v LDL (poměr LDL-cholesterolu k ostatním sérovým frakcím) je bezesporu ovlivňována poměrem nasycených, mononenasycených a polynenasycených mastných kyselin v dietárním tuku. Změny v nabídce jednotlivých mastných kyselin mají za následek změny ve složení příslušných esterů cholesterolu. Především zvýšení cholesteryl oleátu k cholesteryl linoleátu vede k přednostní vazbě cholesterolu na LDL na úkor HDL-cholesterolu. Pokud však jde o LDL receptory, které jsou rozhodující pro „vychytávání“ LDL-cholesterolu, jejich funkční stav je mnohem podstatněji ovlivňován nabídkou dietárního (exogenního) cholesterolu, než složením mastných kyselin dietárního tuku.10
Nejvýznamnějším faktorem ovlivňujícím aterogenní potenciál LDL-částic však zřejmě není obsah cholesterolu per se, ale velikost LDL-částic. Proteoglykany v intimě cévní stěny selektivně váží malé LDL částice, které jsou citlivější k oxidativním změnám. Tato oxidace pak podporuje konečné ukládání cholesterolu do cévní stěny.4
Z výše uvedeného přehledu plyne, že význam stanovení obsahu cholesterolu v živočišných produktech nelze podceňovat. Podstatně vyšší aterogenní potenciál než cholesterol jako takový však mají oxidační produkty cholesterolu vznikající např. nevhodným skladováním potravin obsahujících tuk (cholesterol), resp. při drastičtějších tepelných úpravách (smažení, pečení) těchto potravin.11 V molekule cholesterolu (obr. 1), která je sama o sobě velice málo reaktivní, může v uvedených situacích dojít ke strukturním změnám, které podstatně zvýší reaktivitu a tedy toxicitu vůči buňkám lidského organizmu.12 Zdroje plazmatických a tkáňových oxysterolů v organizmu člověka jsou jednak endogenní, takto vznikají oxysteroly enzymaticky (působením hydroxyláz, dehydrogenáz, epoxidáz) nebo neenzymaticky (nejčastěji atakem reaktivních kyslíkatých částic), jednak exogenní (potraviny).
Oxysteroly s nejvýznamnějšími biologickými účinky vznikají oxidací B-kruhu (7-hydroxycholesterol → 7-ketocholesterol), oxidací dvojné vazby (5,6-epoxycholesterol → cholestan-3,5,6-triol) a oxidací bočního řetězce.12 (20-hydroxycholesterol, 25-hydroxycholesterol, 27-hydroxycholesterol; číslování v rámci molekuly cholesterolu.
Oxysteroly působí na cévní stěnu toxicky, prozánětlivě a následně aterogenně mechanizmem interakce modifikovaných LDL s receptory cévního endotelu a následné akumulace těchto LDL v cévní stěně důležitých arterií. Zde oxidy cholesterolu usnadňují udržování chronického zánětlivého stavu tím, že spouštějí proces nevratných změn v cévní stěně s následkem aktivace fagocytů (obr. 2). Dále oxysteroly zvyšují expresi a syntézu adhezních molekul, prozánětlivých cytokinů a chemokinů. Součástí mechanizmu toxického působení oxysterolů je inhibice klíčových enzymů endogenní syntézy cholesterolu s důsledkem poškození funkce buněčných membrán.12
Analytika cholesterolu
Při posuzování obsahu cholesterolu a jeho oxidačních produktů v potravinách je nutné mít na paměti značnou rozmanitost analytických postupů. Pro stanovení cholesterolu jako doprovodné látky lipidů je nejprve nutná kvantitativní extrakce celkových lipidů (tedy jak převážně nitrobuněčných triacylglycerolů, z analytického hlediska neutrálních lipidů, tak polárních fosfolipidů buněčných membrán). Z tohoto důvodu nestačí použití pouze jednosložkového, málo polárního rozpouštědla (hexan, etyléter),13 je nutné použít rozpouštědlo dvousložkové (nepolární a polární složka), nejčastěji směs chloroform/methanol14 nebo z hlediska nižší toxicity a lepší výtěžnosti výhodnější hexan/2-propanol.15 Možné je i použití extrakce kapalinou v nadkritickém stavu.16
K vlastnímu stanovení cholesterolu se stále ještě (především v klinické laboratorní praxi) používají kolorimetrické metody17 a metody enzymatické (za použití cholesterolesterázy a cholesteroloxidázy se spektrofotometrickou nebo elektrochemickou detekcí vzniklého peroxidu vodíku18). Pro analýzu potravin je však nutné použít buď plynovou19 nebo kapalinovou chromatografii.20 Vysokotlakou kapalinovou chromatografii (s detekcí diodovým polem) lze použít pro simultánní stanovení cholesterolu i oxysterolů21 (včetně mastných kyselin). Obtížnost, ne-li nemožnost přímého srovnání hodnot obsahu cholesterolu v potravinách dosažených různými výše uvedenými metodami22 je patrná z tabulky 1.
Obsah cholesterolu a oxysterolů v živočišných produktech a možnosti jeho ovlivnění
S výše uvedenými výhradami ohledně různých metod stanovení (tab. 1) je možno si udělat představu o průměrném obsah cholesterolu v různých potravinách živočišného původu na základě tabulky 2. Značný rozsah hodnot např. v drůbežím mase je možno vysvětlit množstvím faktorů, které obsah cholesterolu ovlivňují. Především jde samozřejmě o vliv živočišného druhu a dané tkáně. Např. obsah cholesterolu se zvyšoval v řadě kuřecí prsní svalovina (53,0 mg 100 g-1) = krůtí prsní svalovina (53,0)
Na základě znalosti, že obsah mědi v játrech snižuje koncentraci hepatického glutathionu, který stimulací HMG-CoA reduktázy ovlivňuje biosyntézu cholesterolu, bylo dosaženo více než dvacetiprocentního snížení obsahu cholesterolu v prsní svalovině kuřecích brojlerů přídavkem mědi do krmné dávky.24 Bylo též prokázáno v průměru deseti- až dvacetiprocentní snížení obsahu cholesterolu v prsní, resp. stehenní svalovině krůt vlivem vysokého obsahu kyseliny α-linolénové (lněný olej) v krmné dávce.25
VanKoevering et al.26 uvádějí lineární nárůst obsahu cholesterolu v musculus longissimus u býčků s rostoucí dobou výkrmu. Naopak u kuřat27 i krůt28 samčího pohlaví byl zjištěn signifikantní lineární pokles obsahu cholesterolu ve stehenní svalovině (bez kůže) s rostoucím věkem. Na druhé straně vliv obsahu tuku v dané tkáni na obsah cholesterolu není překvapivě příliš významný: obsah cholesterolu v hovězím mase klasifikovaném v osmi různých jakostních třídách podle stupně „mramorování“ se průkazně nelišil.29 Důvodem je zřejmě rozdílná distribuce cholesterolu mezi nitrobuněčnou (depotní) a membránovou frakci
buněk svalové tkáně. Při nárůstu celkového obsahu intramuskulárního tuku tedy sice roste koncentrace zásobních lipidů (která však obsahuje pouze 20 % celkového cholesterolu), ale zároveň klesá koncentrace membránové složky obsahující 80 % celkového cholesterolu.30 To potvrzuje vysoce průkazný pokles koncentrace cholesterolu (vyjádřené jako procento obsahu celkových lipidů) na obsahu celkových lipidů v různých tkáních drůbeže a ryb (obr. 3).23
Pokud jde o oxysteroly, jedním z důležitých faktorů jejich vzniku v potravinách je přítomnost polynenasycených mastných kyselin (PUFA). Samotný cholesterol je z chemického hlediska relativně stálý. V přítomnosti PUFA však dochází k jeho autooxidaci, a to buď intermolekulární (vlivem sousedících molekul PUFA) nebo intramolekulární (působením PUFA esterifikovaných na OH-skupinu v 3-pozici cholesterolu). Z tohoto důvodu roste náchylnost cholesterolu k oxidaci v mase se zvyšujícím se poměrem PUFA v řadě: jehněčí
Vznik oxysterolů je možno dále předpokládat v potravinách s vysokým obsahem cholesterolu, které byly zpracovávány pomocí dehydratace, působení vysokých teplot, ionizujícího záření, za přístupu kyslíku. Jedná se především o vejce a sušené vaječné obsahy nebo žloutky, sušené mléko, sýry, maso (hovězí, vepřové), šunku, vnitřnosti, konzervované ryby (tab. 3). K dalším faktorům ovlivňujícím tvorbu oxysterolů v potravinách patří přítomnost přirozených katalyzátorů (myoglobin, hemoglobin, nehemové železo), resp. exogenních katalyzátorů (stopy těžkých kovů) a způsob balení a skladování potravin (především přístup světla).11
Závěr
Ve světle současných poznatků je nutno počítat s aterogenním potenciálem exogenního (v potravě přijímaného) cholesterolu, jeho denní příjem u zdravého člověka by neměl překročit 300 mg. Podstatně větší toxicitu vůči buňkám cévní stěny však mají oxidační produkty cholesterolu. Prevence vzniku oxysterolů v potravinách se shoduje s opatřeními pro zábranu oxidace lipidů obecně: aplikace antioxidantů (α-tokoferol) v krmné dávce pro zvířata určitou dobu před porážkou, zpracování potravin při co nejnižší teplotě, balení potravin s vyloučením přístupu kyslíku a vhodné podmínky skladování: nízká teplota, bez přístupu světla.
Literatura:
1. Mouritzen O. G., Zuckermann M. J. What`s so special about cholesterol? Lipids 2004;39:1101-1113.
2. Gibbons G. F. Regulation of fatty acid and cholesterol synthesis: co-operation or competition? Prog Lipid Res 2003;42:479-497.
3. Gassmann B. Dietary Reference Intakes (DRI), Report 6. Übersicht, Kommentar und Vergleich mit den D-A-CH-Referenzwerten für die Nährstoffzufuhr. Teil 2: Nahrungsfett, Fettsäuren und Cholesterin. Ernährungs-Umschau 2003;50:96-102.
4. Griffin,B. A. Lipoprotein atherogenicity: an overview of current mechanisms. Proc Nutr Soc 1999;58:163-169.
5. Hussain M. M., Strickland D. K., Bakillah A. The mammalian low-density lipoprotein receptor family. Annu Rev Nutr 1999;19:141-172.
6. Gurr M. I. Fats. In: Garrow J. S., James W. P. T., Ralph A. Human Nutrition and Dietetics. Edinburgh; Churchill Livingstone, 2000;97-120.
7. Stamler J., Wentworth D., Neaton J. D. Is the relationship between serum cholesterol and risk of premature death from coronary heart disease continuous and graded? The multiple risk factor interventional trial. J Am Med Assoc 1986;256:2823-2828.
8. Blanch A., Grashorn M. A. Ernährungsphysiologische Bedeutung der Omega-3-Fettsäuren und Möglichkeiten der Anreicherung in Eiern. Arch Geflügelk 1996;60:49-58.
9. Hayes K. H., Pronczuk A., Khosla P. A rationale for plasma cholesterol modulation by dietary fatty acids: Modeling the human response in animals. J Nutr Biochem 1995;6:188-194.
10. Rudel L. L., Parks J. S., Hedrick C. C. Thomas M., Williford K. Lipoprotein and cholesterol metabolism in diet-induced coronary artery atherosclerosis in primates. Role of cholesterol and fatty acids. Prog Lipid Res 1998;37:353-370.
11. Paniangvait P., King A. J., Jones A. D., German B. G. Cholesterol oxides in foods of animal origin. J Food Sci 1995;60:1159-1174.
12. Leonarduzzi G., Sottero B., Poli G. Oxidized products of cholesterol: dietary and metabolic origin, and proatherosclerotic effects (review). J Nutr Biochem 2002;13:700-710.
13. Arneth W. Über die Bestimmung des intramuskulären Fettes. Fleischwirtsch 1998;78:218-220.
14. Folch J., Lees M., Stanley G. H. S. A simple method for the isolation and purification of total lipides from animal tissues. J Biol Chem 1957;226:497-509.
15. Hara A., Radin N. S. Lipid extraction of tissues with a low-toxicity solvent. Anal Biochem 1978;90:420-426.
16. Dionisi F., Hug B., Aeschlimann J. M., Houllemar A. Supercritical CO2 extraction for total fat analysis of food products. J Food Sci 1999;64:612-615.
17. Searcy R. L., Berquist L. M. A new color reaction for the quantitation of serum cholesterol. Clin Chim Acta 1960;5:192-199.
18. Krug A., Suleiman A. A., Guilbault G. G., Kellner R. Colorimetric determination of free and total cholesterol by flow injection analysis with a fiber optic detector. Enzyme Microb Technol 1992;14:313-316.
19. Oles P., Gates G., Kensinger S., Patchell J., Schumacher D., Showers T., Silcox A. Optimization of the determination of cholesterol in various food matrixes. J Assoc Off Anal Chem 1990;73:724-728.
20. Arneth W., Al-Ahmad H. Cholesterol. Bestimmung in Muskel- und Fettgewebe sowie in Innereien mittels HPLC. Fleischwirtsch 1995;75:185-187.
21. Regina-Baggio S., Rauen-Miguel A. M., Bragagnolo N. Simultaneous determination of cholesterol oxides, cholesterol and fatty acids in processed turkey meat products. Food Chem 2005;89:475-484.
22. Schön I. Zum Cholesteringehalt in Schweinefleisch. Ernährungs-Umschau 1989;36:17-21.
23. Komprda T., Zelenka J., Fajmonová E., Bakaj P., Pechová, P. Cholesterol content in meat of some poultry and fish species as influenced by live weight and total lipid content. J Agric Food Chem 2003;51:7692-7697.
24. Bakalli R. I., Pesti G. M., Ragland W. L., Konjufca V. Dietary copper in excess of nutritional requirement reduces plasma and breast muscle cholesterol of chickens. Poultry Sci 1995;74:360-365.
25. Komprda T., Zelenka J., Bakaj P., Kladroba D., Blažková E., Fajmonová E. Cholesterol and fatty acid content in meat of turkeys fed diets with sunflower, linseed or fish oil. Arch Geflügelk 2003; 67:65-75.
26. Vankoevering M. T., Gill D.R., Owens F. N., Dolezal G. H., Strasia,C. A. Effect of time on feed on performance of feedlot steers, carcass characteristics, and tenderness and composition of longissimus muscles. J Anim Sci 1995;73:21-28.
27. Komprda T., Zelenka J., Tieffová P., Štohandlová M., Foltýn J., Fajmonová E. Effect of age on total lipid, cholesterol and fatty acids content in tissues of fast and slow growing chickens. Arch Geflügelk 2000;64:121-128.
28. Komprda T., Šarmanová I., Zelenka J., Bakaj P., Fialová M., Fajmonová E. Effect of sex and age on cholesterol and fatty acid content in turkey meat. Arch Geflügelk 2002;66:263-273.
29. Rhee K. S., Dutson T. R., Smith G. C., Hostetler R. L., Reiser R. Cholesterol content of raw and cooked beef longissimus muscles with different degrees of marbling. J Food Sci 1982;47:716-719.
30. Hoelscher L. M., Savell J. W., Smith S. B., Cross H. R. Subcellular distribution of cholesterol within muscle and adipose tissues of beef loin steaks. J Food Sci 1988;53:718-722.
Adresa autora:
Prof. MVDr. Ing. Tomáš Komprda, CSc.,
Ústav technologie potravin
Mendelova zemědělská a lesnická univerzita v Brně
Zemědělská 1
613 00 Brno
