Гликация влияет на процесс старения кожи. В данный момент на рынке уже появились ингредиенты и косметические продукты, созданные для борьбы с гликацией. В данной статье представлен обзор реакции гликации, чтобы помочь составителям формул в создании локальных питательных средств для ухода за зрелой кожей.
Процесс гликации, к счастью, не начинается в дерме в целом лет до 35. Однако, когда он запускается, вместе с процессом естественного старения, то быстро набирает обороты. Стареющие ткани подвергаются воздействию конечных продуктов усиленной гликации (AGE), которые прочно «склеиваются» с коллагеном и эластином, особенно с эластином, это можно наблюдать в верхнем слое дермы. В своем исследовании это показал Мицутари: демонстрировался участок биопсии кожи с лица 91-летней испытуемой, на нем была видна спутанная масса эластиновых волокон в верхнем слое дермы. Масса состояла из анормальных эластиновых волокон и протеинов, и обычно такое состояние связывают с повреждениями от пребывания на солнце. Это очень плотная масса, которая уже не может функционировать как нормальный эластин.
Многие тонкие процессы, происходящие при гликации, еще предстоит исследовать. Однако известно, что 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. В результате этого кожа с возрастом становится неэластиной и приобретает желто-бурый оттенок. Следует отметить, что гликация – не единственный процесс, который приводит к окислению и формированию химических соединений Майяра: CML и пентосидина.
С возрастом возрастает риск повреждений, вызванных гликацией, и уровень глюкозы – основной виновник формирования конечных продуктов усиленной гликации (AGE). 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.
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. Для того, чтобы лучше понимать процесс гликации, нужно рассмотреть ее патофизиологию и химические реакции сахаров.
Химия сахаров
Сахара – это углеводы, которые часто вступают в реакцию с протеинами и образуют гликопротеины или другие сложные вещества. 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.
Сахар столовый или сахароза является дисахаридом, состоящим из двух моносахаридов, глюкозы и фруктозы, соединенных между собой гликозидной связью. Такая -C-O-C- связка образуется при соединении двух сахаров и замещении молекулы воды. Для того, чтобы организм мог использовать дисахарид, поступивший в виде столового сахара, он должен расщепить его с помощью ферментов на простые сахара, которые затем усвоятся по отдельности. На рис.1 показана структура глюкозы, простого сахара. У этой молекулы шесть последовательно расположенных углеродных атома, но в водной среде она может спонтанно поменять форму на циклическую (Рис.2).
Простые сахара – это, например, альдегидные сахара: альдозы или кетозы (в зависимости от положения карбонильной группы, С=О). В молекуле глюкозы С=О группа прикреплена к первому атому углерода, а в молекуле фруктозы – ко второму. Глюкоза – это альдоза, а фруктоза – это кетоза. Глюкоза, как и другие простые сахара, может присоединяться к аминогруппам, образуя аминосахара. Например, при соединении группы NH2 с глюкозой получается вещество глюкозамин. При его дальнейшем соединении с галактозой образуется галактозамин. Еще более сложное соединение, присутствующие в нервных волокнах, называется ацетил галактозамин.
Олигосахариды больше дисахаридов и представляют собой группу менее 10 сахаров, соединенных между собой гликозидными связями. Полисахариды (крахмал, целлюлоза) включают в себя более 10 объединенных друг с другом простых сахаров.
В довершение описания номенклатуры сахаров следует упомянуть О-гликаны и N-гликаны. О-гликан получается при появлении гликозидной связи через молекулу кислорода, а при образовании гликозидной связи через молекулу азота образуется N-гликан. На рис. 3 показаны эти взаимодействия. Здесь глюкоза обозначена как D-β-глюкоза и D-глюкоза. D здесь обозначает dextra (лат.), т.е. правый. А и β – структуру определенных гликозидных групп в молекуле сахара. Эти обозначения важны, т.к. они определяют характер реакции молекулы с другими веществами.
Взаимодействия сахаров: реакция Майяра.
Обозначив основные формы сахаров, перейдем к описанию их взаимодействия.
Насчитывается по крайней мере пять важных этапов образования AGE, первые два из которых имеют отношение к структуре сахаров и являются спонтанно обратимыми. Остальные этапы реакции стабильны и вызывают различные патологические эффекты в организме. Однако и они могут быть обратимыми, как показали некоторые эксперименты с химическими агентами, находящимися на стадии испытаний.
Как известно, при нагревании в процессе приготовления мясо приобретает темно-коричневый оттенок. Это придает мясу вкус и аромат. С химической точки зрения этот процесс называется реакцией Майяра – потемнение без участия ферментов, при котором простые сахара (т.е. карбонильные группы) вступают в реакцию с аминокислотами (свободными аминогруппами). Эта реакция протекает при более низких температурах, чем карамелизация, используемая в изготовлении сладостей. На рис. 4 показаны этапы реакции Майяра, которая может протекать по разным схемам в зависимости от типа реагентов или ингредиентов, температуры и pH.
Три основных стадии включают в себя: конденсацию, распад, полимеризацию или потемнение, описанные выше. Реакция, представленная на рис. 5 описывает основные возможные схемы. И хотя реакция Майяра еще не полностью изучена и понятна, основные процессы, составляющие ее, хорошо известны и важны для понимания гликации.
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 – 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.
Из всех аминокислот наибольший цвет при реакции Майяра дает лизин благодаря наличию ε-амино группы. Цистеин дает наименее слабый оттенок. Поэтому продукты, содержащие протеины богатые лизином, например, молоко, быстро темнеют. Также на цвет влияет соотношение сахара и аминов. Например, в экспериментальном образце с соединением вида глюкоза-глицин, содержащем 65% воды при температуре хранения 65С наблюдается быстрое изменение цвета по мере уменьшения отношения глюкозы к глицину. Попытки предотвратить реакцию в продуктах должны быть направлены на исключение одного из реактивных веществ: амино-соединений из продуктов богатых углеводами, или сахаров из продуктов с высоким содержанием протеинов.
В ходе реакции Майяра также образуется вода. Таким образом, вследствие закона действующих масс, реакция замедляется в продуктах, содержащих воду. На практике реакция Майяра протекает быстрее всего при средних объемах воды. Вдобавок, низкие значение рH (<6) также способствуют формированию продуктов перегруппировки Амадори, но на практике эффект влияния рH не так очевиден. Низкие уровни рH, однако, влияют на насыщенность цвета в системах вида сахар-глицин. В реакции Майяра скорость потемнения не соотносится напрямую со структурной стабильностью сахаров.
Вредные эффекты конечных продуктов гликации (AGE)
Как описывалось ранее, реакция Майяра начинается с формирования оснований Шиффа. Затем формируются химические соединения называемые продукты усиленной гликации (AGE), оказывающие неблагоприятный эффект. Например, AGE могут связываться с протеинами и денатурировать их или превращать в нефункциональный коллаген с поперечными связями, делающий кожу неэластичной.
Процесс образования AGE начинается, когда кольцо D-глюкопиранозы спонтанно размыкается в водной среде. Например, альдегид может реагировать с аминогруппой (NH2), соединяя сахар с протеином. Врачам и диабетикам знаком один специфический конечный продукт гликации – А1с. Он образуется в результате реакции Амадори путем присоединения глюкозы к β-цепи нормального гемоглобина.
Протеины не являются единственными участниками реакции. Фосфатидилэтаноламины и фосфатидилсерины также имеют аминогруппы, к которым может присоединяться сахар. AGE также увеличивают подверженность низкоплотных липопротеинов окислению. Далее глюкоза устремляется к молекулам коллагена, имеющим множество аминогрупп, и образование AGE может начаться в любой момент. Обычно молекулы коллагена движутся свободно, позволяя сосудам расширяться и сокращаться, однако после реакции с глюкозой они становятся обездвиженными.
AGE также могут нарушить функции клеток, связывая собой различные рецепторы, включая макрофаги, клетки эндотелия и гладких мышц, клетки в тканях почек, а также нервные клетки. Такие рецепторы, вступающие во взаимодействие с конечными продуктами гликации, называются RAGE-рецепторами. RAGE- рецепторы являются ключевыми медиаторами в реакции тела на бактерии и вирусы. AGE, гликозилированные белки, липиды и даже нуклеиновые кислоты могут выступать в качестве лигандов, взаимодействующих с RAGE-рецепторами и инициирующих внутриклеточные сигналы: например, активацию NF-kB – основного воспалительного агента, способствующего старению. Вместо того, чтобы присоединяться напрямую к протеинам типа коллагена или эластина, эти растворимые AGE выступают в роли лигандов на RAGE-рецепторах и провоцируют воспалительный процесс. RAGE-рецепторы поддерживают клетку в активированном состоянии, из-за чего кратковременные противовоспалительные реакции переходят в продолжительную клеточную дисфункцию.
Повреждение клеток кожи
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. На рис. 7 показано, как метилглиоксаль и глиоксаль могут получаться из глюкозы без прохождения полного цикла реакции Майяра.
Эти преобразования происходят при участии кислорода, поэтому антиоксиданты не помогают в их профилактике. Обнаружено, что эти конечные продукты влияют на биохимические вещества и реакции, например они повреждают молекулы ДНК в еще незатронутых клетках. Глиоксаль может разрушать молекулярноую цепочку ДНК, а метилглиоксаль приводит к появлению протеиновых кросс-связей, в результате чего деактивируются некоторые секции ДНК.
Было обнаружено также, что гликация оказывает неблагоприятный эффект на функции кератиноцитов. Например, продукты гликации уменьшают эффективность связывания коллагена типа I с кератиноцитами, уменьшая таким образом способность кератиноцитов к передвижению в эпидермисе. Хотя это не влияет на их способность к делению. Это открытие может объяснить нарушение функции заживления.
Гликация также связана с усиленным старением кератиноцитов. Например, при помещении образца ткани с кератиноцитами в раствор с глюкозой в концентрации 100 mM и глиоксалем в концентрации 0.1 mM биологическая характеристика клеток меняется за три дня: молодые кератиноциты становятся старыми, малоподвижными и неспособными к делению. Это важно, поскольку демонстрирует нам, что некачественное питание с высоким содержанием сахара ускоряет процесс старения. Это лишь немногие вредные последствия гликации для кожи.
Профилактика и лечение
Для предотвращения дальнейшей гликации в коже очень рекомендуется контролировать количество употребляемого сахара. В дополнение к этому можно использовать добавки, помогающие предотвратить гликацию: аминогуанидин, бенфотиамин, пиридоксамин и карнозин. Аминогуанидин давно используется в качестве ингибитора гликации, однако в последнее время появились отчеты о его неярко выраженной токсичности, связанной с витамином В6. Бенфотиамин – это жирорастворимая форма тиамина или витамин В1.
Пиридоксамин – форма пиридоксина или витамина В6, не имеющая при этом его побочных эффектов и являющаяся прекрасным ингибитором гликации.
Карнозин – это дипептид, состоящий из аланина и гистидина. Он хорошо справляется со свободными радикалами и предотвращает пероксидацию клеточных мембран. Он может задержать старение и омолодить стареющие фибробласты, и это не объясняется его антиоксидантной активностью или способностью уничтожать свободные радикалы и ионы металлов. Хорошо известно, что карнозин вступает в реакцию с небольшими карбонильными соединениями, такими как альдегиды и кетоны, чем предотвращает связывание макромолекул между собой. Как отмечалось ранее, старение вызывается скоплением карбонильных групп на протеинах. Последние исследования подтверждают, что карнозин реагирует с этими карбонильными группами протеинов без участия ферментов. Похожие реакции происходили в искусственно выращенных фибробластах и in vivo. Эффективность карнозина в первоначальных экспериментах in vivo была связана с его анти-гликационными свойствами.
Несмотря на то, что явление гликации известно уже более 20 лет, информация о нем становится доступна широкой публике только сейчас. Антигликационные агенты широко используются в Европе для лечения диабета и заболеваний сердца. В уходе за кожей продуктов для локального использования пока очень мало и они не очень эффективны. Степень гликации кожи можно оценить, замерив уровень флюорометрического вещества пентосидина в коже. Это вещество линейно аккумулируется с течением времени. И эффективность какого-либо локального средства может быть определена по его способности уменьшать содержание пентосидина в коже. Это может открыть новую эру в уходе за кожей и анти-возрастном уходе.
Выводы
Гликация - неферментное связывание сахара и протеина (или липида). Этот процесс происходит естественным образом при приготовлении пищи. Реакция Майяра – один из таких процессов, который начинается с формирования оснований Шиффа и заканчивается образованием многочисленных веществ, конечных продуктов реакции (AGE), которые оказывают вредные воздействия на биологические процессы. AGE могут соединяться с протеинами и изменять их свойства, превращая их в нефункциональные молекулы коллагена, соединенные поперечными связями. Коллаген имеет долгий период полураспада, поэтому в таком виде он остается в коже, вызывая ее ригидность. В настоящее время образование таких форм считается необратимым. Эластин – еще один долгоживущий протеин, который легко подвергается гликации. Эластин с измененными свойствами выражается в дряблой коже.
Процессы гликации в коже ускоряют ее старение, вызывают пожелтение, ригидность и ухудшение циркуляции. Кожа не может выглядеть молодой и здоровой при наличии в ней продуктов гликации. Лучшее лечение – это профилактика: соблюдение диеты, уменьшение употребляемых калорий и продуктов с высоким содержанием сахара. Добавки аминогуанидин, пиридоксамин, карнозин и бенфотиамин являются прекрасными средствами для профилактики гликации. Как отмечалось, локальные средства для предотвращения гликации немногочисленны и не эффективны. Хотя измерение содержания пентосидина в коже предлагает новый подход к уходу за кожей и анти-возрастным процедурам.
Перевод для Vitazone Elf, редактирование Agomeda
Процесс гликации, к счастью, не начинается в дерме в целом лет до 35. Однако, когда он запускается, вместе с процессом естественного старения, то быстро набирает обороты. Стареющие ткани подвергаются воздействию конечных продуктов усиленной гликации (AGE), которые прочно «склеиваются» с коллагеном и эластином, особенно с эластином, это можно наблюдать в верхнем слое дермы. В своем исследовании это показал Мицутари: демонстрировался участок биопсии кожи с лица 91-летней испытуемой, на нем была видна спутанная масса эластиновых волокон в верхнем слое дермы. Масса состояла из анормальных эластиновых волокон и протеинов, и обычно такое состояние связывают с повреждениями от пребывания на солнце. Это очень плотная масса, которая уже не может функционировать как нормальный эластин.
Многие тонкие процессы, происходящие при гликации, еще предстоит исследовать. Однако известно, что 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. В результате этого кожа с возрастом становится неэластиной и приобретает желто-бурый оттенок. Следует отметить, что гликация – не единственный процесс, который приводит к окислению и формированию химических соединений Майяра: CML и пентосидина.
С возрастом возрастает риск повреждений, вызванных гликацией, и уровень глюкозы – основной виновник формирования конечных продуктов усиленной гликации (AGE). 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.
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. Для того, чтобы лучше понимать процесс гликации, нужно рассмотреть ее патофизиологию и химические реакции сахаров.
Химия сахаров
Сахара – это углеводы, которые часто вступают в реакцию с протеинами и образуют гликопротеины или другие сложные вещества. 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.
Сахар столовый или сахароза является дисахаридом, состоящим из двух моносахаридов, глюкозы и фруктозы, соединенных между собой гликозидной связью. Такая -C-O-C- связка образуется при соединении двух сахаров и замещении молекулы воды. Для того, чтобы организм мог использовать дисахарид, поступивший в виде столового сахара, он должен расщепить его с помощью ферментов на простые сахара, которые затем усвоятся по отдельности. На рис.1 показана структура глюкозы, простого сахара. У этой молекулы шесть последовательно расположенных углеродных атома, но в водной среде она может спонтанно поменять форму на циклическую (Рис.2).
Простые сахара – это, например, альдегидные сахара: альдозы или кетозы (в зависимости от положения карбонильной группы, С=О). В молекуле глюкозы С=О группа прикреплена к первому атому углерода, а в молекуле фруктозы – ко второму. Глюкоза – это альдоза, а фруктоза – это кетоза. Глюкоза, как и другие простые сахара, может присоединяться к аминогруппам, образуя аминосахара. Например, при соединении группы NH2 с глюкозой получается вещество глюкозамин. При его дальнейшем соединении с галактозой образуется галактозамин. Еще более сложное соединение, присутствующие в нервных волокнах, называется ацетил галактозамин.
Олигосахариды больше дисахаридов и представляют собой группу менее 10 сахаров, соединенных между собой гликозидными связями. Полисахариды (крахмал, целлюлоза) включают в себя более 10 объединенных друг с другом простых сахаров.
В довершение описания номенклатуры сахаров следует упомянуть О-гликаны и N-гликаны. О-гликан получается при появлении гликозидной связи через молекулу кислорода, а при образовании гликозидной связи через молекулу азота образуется N-гликан. На рис. 3 показаны эти взаимодействия. Здесь глюкоза обозначена как D-β-глюкоза и D-глюкоза. D здесь обозначает dextra (лат.), т.е. правый. А и β – структуру определенных гликозидных групп в молекуле сахара. Эти обозначения важны, т.к. они определяют характер реакции молекулы с другими веществами.
Взаимодействия сахаров: реакция Майяра.
Обозначив основные формы сахаров, перейдем к описанию их взаимодействия.
Насчитывается по крайней мере пять важных этапов образования AGE, первые два из которых имеют отношение к структуре сахаров и являются спонтанно обратимыми. Остальные этапы реакции стабильны и вызывают различные патологические эффекты в организме. Однако и они могут быть обратимыми, как показали некоторые эксперименты с химическими агентами, находящимися на стадии испытаний.
Как известно, при нагревании в процессе приготовления мясо приобретает темно-коричневый оттенок. Это придает мясу вкус и аромат. С химической точки зрения этот процесс называется реакцией Майяра – потемнение без участия ферментов, при котором простые сахара (т.е. карбонильные группы) вступают в реакцию с аминокислотами (свободными аминогруппами). Эта реакция протекает при более низких температурах, чем карамелизация, используемая в изготовлении сладостей. На рис. 4 показаны этапы реакции Майяра, которая может протекать по разным схемам в зависимости от типа реагентов или ингредиентов, температуры и pH.
Три основных стадии включают в себя: конденсацию, распад, полимеризацию или потемнение, описанные выше. Реакция, представленная на рис. 5 описывает основные возможные схемы. И хотя реакция Майяра еще не полностью изучена и понятна, основные процессы, составляющие ее, хорошо известны и важны для понимания гликации.
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 – 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.
Из всех аминокислот наибольший цвет при реакции Майяра дает лизин благодаря наличию ε-амино группы. Цистеин дает наименее слабый оттенок. Поэтому продукты, содержащие протеины богатые лизином, например, молоко, быстро темнеют. Также на цвет влияет соотношение сахара и аминов. Например, в экспериментальном образце с соединением вида глюкоза-глицин, содержащем 65% воды при температуре хранения 65С наблюдается быстрое изменение цвета по мере уменьшения отношения глюкозы к глицину. Попытки предотвратить реакцию в продуктах должны быть направлены на исключение одного из реактивных веществ: амино-соединений из продуктов богатых углеводами, или сахаров из продуктов с высоким содержанием протеинов.
В ходе реакции Майяра также образуется вода. Таким образом, вследствие закона действующих масс, реакция замедляется в продуктах, содержащих воду. На практике реакция Майяра протекает быстрее всего при средних объемах воды. Вдобавок, низкие значение рH (<6) также способствуют формированию продуктов перегруппировки Амадори, но на практике эффект влияния рH не так очевиден. Низкие уровни рH, однако, влияют на насыщенность цвета в системах вида сахар-глицин. В реакции Майяра скорость потемнения не соотносится напрямую со структурной стабильностью сахаров.
Вредные эффекты конечных продуктов гликации (AGE)
Как описывалось ранее, реакция Майяра начинается с формирования оснований Шиффа. Затем формируются химические соединения называемые продукты усиленной гликации (AGE), оказывающие неблагоприятный эффект. Например, AGE могут связываться с протеинами и денатурировать их или превращать в нефункциональный коллаген с поперечными связями, делающий кожу неэластичной.
Процесс образования AGE начинается, когда кольцо D-глюкопиранозы спонтанно размыкается в водной среде. Например, альдегид может реагировать с аминогруппой (NH2), соединяя сахар с протеином. Врачам и диабетикам знаком один специфический конечный продукт гликации – А1с. Он образуется в результате реакции Амадори путем присоединения глюкозы к β-цепи нормального гемоглобина.
Протеины не являются единственными участниками реакции. Фосфатидилэтаноламины и фосфатидилсерины также имеют аминогруппы, к которым может присоединяться сахар. AGE также увеличивают подверженность низкоплотных липопротеинов окислению. Далее глюкоза устремляется к молекулам коллагена, имеющим множество аминогрупп, и образование AGE может начаться в любой момент. Обычно молекулы коллагена движутся свободно, позволяя сосудам расширяться и сокращаться, однако после реакции с глюкозой они становятся обездвиженными.
AGE также могут нарушить функции клеток, связывая собой различные рецепторы, включая макрофаги, клетки эндотелия и гладких мышц, клетки в тканях почек, а также нервные клетки. Такие рецепторы, вступающие во взаимодействие с конечными продуктами гликации, называются RAGE-рецепторами. RAGE- рецепторы являются ключевыми медиаторами в реакции тела на бактерии и вирусы. AGE, гликозилированные белки, липиды и даже нуклеиновые кислоты могут выступать в качестве лигандов, взаимодействующих с RAGE-рецепторами и инициирующих внутриклеточные сигналы: например, активацию NF-kB – основного воспалительного агента, способствующего старению. Вместо того, чтобы присоединяться напрямую к протеинам типа коллагена или эластина, эти растворимые AGE выступают в роли лигандов на RAGE-рецепторах и провоцируют воспалительный процесс. RAGE-рецепторы поддерживают клетку в активированном состоянии, из-за чего кратковременные противовоспалительные реакции переходят в продолжительную клеточную дисфункцию.
Повреждение клеток кожи
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. На рис. 7 показано, как метилглиоксаль и глиоксаль могут получаться из глюкозы без прохождения полного цикла реакции Майяра.
Эти преобразования происходят при участии кислорода, поэтому антиоксиданты не помогают в их профилактике. Обнаружено, что эти конечные продукты влияют на биохимические вещества и реакции, например они повреждают молекулы ДНК в еще незатронутых клетках. Глиоксаль может разрушать молекулярноую цепочку ДНК, а метилглиоксаль приводит к появлению протеиновых кросс-связей, в результате чего деактивируются некоторые секции ДНК.
Было обнаружено также, что гликация оказывает неблагоприятный эффект на функции кератиноцитов. Например, продукты гликации уменьшают эффективность связывания коллагена типа I с кератиноцитами, уменьшая таким образом способность кератиноцитов к передвижению в эпидермисе. Хотя это не влияет на их способность к делению. Это открытие может объяснить нарушение функции заживления.
Гликация также связана с усиленным старением кератиноцитов. Например, при помещении образца ткани с кератиноцитами в раствор с глюкозой в концентрации 100 mM и глиоксалем в концентрации 0.1 mM биологическая характеристика клеток меняется за три дня: молодые кератиноциты становятся старыми, малоподвижными и неспособными к делению. Это важно, поскольку демонстрирует нам, что некачественное питание с высоким содержанием сахара ускоряет процесс старения. Это лишь немногие вредные последствия гликации для кожи.
Профилактика и лечение
Для предотвращения дальнейшей гликации в коже очень рекомендуется контролировать количество употребляемого сахара. В дополнение к этому можно использовать добавки, помогающие предотвратить гликацию: аминогуанидин, бенфотиамин, пиридоксамин и карнозин. Аминогуанидин давно используется в качестве ингибитора гликации, однако в последнее время появились отчеты о его неярко выраженной токсичности, связанной с витамином В6. Бенфотиамин – это жирорастворимая форма тиамина или витамин В1.
Пиридоксамин – форма пиридоксина или витамина В6, не имеющая при этом его побочных эффектов и являющаяся прекрасным ингибитором гликации.
Карнозин – это дипептид, состоящий из аланина и гистидина. Он хорошо справляется со свободными радикалами и предотвращает пероксидацию клеточных мембран. Он может задержать старение и омолодить стареющие фибробласты, и это не объясняется его антиоксидантной активностью или способностью уничтожать свободные радикалы и ионы металлов. Хорошо известно, что карнозин вступает в реакцию с небольшими карбонильными соединениями, такими как альдегиды и кетоны, чем предотвращает связывание макромолекул между собой. Как отмечалось ранее, старение вызывается скоплением карбонильных групп на протеинах. Последние исследования подтверждают, что карнозин реагирует с этими карбонильными группами протеинов без участия ферментов. Похожие реакции происходили в искусственно выращенных фибробластах и in vivo. Эффективность карнозина в первоначальных экспериментах in vivo была связана с его анти-гликационными свойствами.
Несмотря на то, что явление гликации известно уже более 20 лет, информация о нем становится доступна широкой публике только сейчас. Антигликационные агенты широко используются в Европе для лечения диабета и заболеваний сердца. В уходе за кожей продуктов для локального использования пока очень мало и они не очень эффективны. Степень гликации кожи можно оценить, замерив уровень флюорометрического вещества пентосидина в коже. Это вещество линейно аккумулируется с течением времени. И эффективность какого-либо локального средства может быть определена по его способности уменьшать содержание пентосидина в коже. Это может открыть новую эру в уходе за кожей и анти-возрастном уходе.
Выводы
Гликация - неферментное связывание сахара и протеина (или липида). Этот процесс происходит естественным образом при приготовлении пищи. Реакция Майяра – один из таких процессов, который начинается с формирования оснований Шиффа и заканчивается образованием многочисленных веществ, конечных продуктов реакции (AGE), которые оказывают вредные воздействия на биологические процессы. AGE могут соединяться с протеинами и изменять их свойства, превращая их в нефункциональные молекулы коллагена, соединенные поперечными связями. Коллаген имеет долгий период полураспада, поэтому в таком виде он остается в коже, вызывая ее ригидность. В настоящее время образование таких форм считается необратимым. Эластин – еще один долгоживущий протеин, который легко подвергается гликации. Эластин с измененными свойствами выражается в дряблой коже.
Процессы гликации в коже ускоряют ее старение, вызывают пожелтение, ригидность и ухудшение циркуляции. Кожа не может выглядеть молодой и здоровой при наличии в ней продуктов гликации. Лучшее лечение – это профилактика: соблюдение диеты, уменьшение употребляемых калорий и продуктов с высоким содержанием сахара. Добавки аминогуанидин, пиридоксамин, карнозин и бенфотиамин являются прекрасными средствами для профилактики гликации. Как отмечалось, локальные средства для предотвращения гликации немногочисленны и не эффективны. Хотя измерение содержания пентосидина в коже предлагает новый подход к уходу за кожей и анти-возрастным процедурам.
Перевод для Vitazone Elf, редактирование Agomeda
Спасибо.
А сахар в питании в чистом виде нельзя или фрукты и сухофрукты тоже попадают в черный список. Знаю, что это не гастрономический форум, но может знаете ответ 
Комментарий