Fosforylacja oksydacyjna i mitochondrialne systemy transportujące

14

Peter A. Mayes, PhD, DSc

WPROWADZENIE

Mitochondrion określa się mianem „sifowni" komórki, ponieważ wewnątrz tej organelli za­chodzi wychwytywanie większości energii po­chodzącej z utleniań tkankowych. Mitochond-rialny proces wytwarzania bogatoenergetycz-nego związku (ATP), sprzężony z oddychaniem, określa się mianem fosforylacji oksydacyjnej.

ZNACZENIE BIOMEDYCZNE

Fosforylacja oksydacyjna umożliwia organi­zmom tlenowym związać znacznie większą część dostępnej energii swobodnej substratów oddechowych w porównaniu z organizmami beztlenowymi. Przebieg tego procesu wyjaśnia teoria chemiosmotyczna. Niektóre leki (np. amobarbital) i trucizny (np. cyjanek, tlenek węgla) hamują iaricuch oddechowy i wtórnie fosforylację oksydacyjną, zwykle z fatalnymi następstwami. Obecnie znamy wiele wad dzie­dzicznych, dotyczących składników mitochon-drialnego łańcucha oddechowego i fosforylacji oksydacyjnej. Wady te ujawniają się w postaci iniupatii, encefalopalii, a często i kwasicy mle-czanowej.

ŁAŃCUCH ODDECHOWY ZBIERA I UTLENIA RÓWNOWAŻNIKI REDUKUJĄCE

Cała użyteczna energia, uwalniana podczas utleniania kwasów tłuszczowych i aminokwa­sów, oraz niemal cała energia z utleniania

węglowodanów jest dostępna w obrębie mito-chondriów w postaci równoważników reduku­jących ( —H lub elektrony). Mitochondria za­wierają zespół katalizatorów, nazwany łańcu­chem oddechowym. Zbiera on i przenosi rów­noważniki redukujące, kierując je do ich koń­cowej reakcji z tlenem, w której powstaje woda. Mitochondria zawierają również układ enzyma­tyczny gromadzący uwalnianą energię swobod­ną w postaci bogatoenergetycznego wiązania fosforanowego. Poza tym zawierają one układy enzymatyczne warunkujące wytwarzanie więk­szości równoważników redukujących zbiera­nych przez łańcuch oddechowy. Są to enzymy P-oksydacji i cyklu kwasu cytrynowego. Ten ostatni układ jest końcowym szlakiem metabo­licznym wspólnym dla utleniania wszystkich głównych składników pokarmowych. Powiąza­nia te przedstawiono na ryc. 14-1.

SKŁADNIKI ŁAŃCUCHA

ODDECHOWEGO

SĄ UPORZĄDKOWANE

W KOLEJNOŚCI WZRASTAJĄCYCH

POTENCJAŁÓW RED. OKS.

Zasadnicze składniki łańcucha oddechowego przedstawiono na ryc. 14-2. Wodory lub elektro­ny przepływają stopniowo przez łańcuch odde­chowy — od składników bardziej elektroujem-nych do bardziej elektrododarniego tlenu. Roz­piętość red.-oks. układu od NAD⁺/NADH do O₂/2H₂O wynosi 1,1 V (p. tab. 13-1).

Główny łańcuch oddechowy w mitochond-riach katalizuje ciąg reakcji, przebiegających od dehydrogenaz, współdziałających z NAD, przez

148 / ROZDZIAŁ 14

POKARM I

Kwasy tłuszczowe

ATP

Ttuszcze—.®

p- Oksydacja

Glicerol

Węgło- -g

woda my—*

g

1

. Glukoza itp

Łańcuch oddechowy

. Aminokwasy

I ADP

Białka — i-

Pozamitochondrialne źródła równoważników redukujących

Ryc. 14-1. Rola mitochondrialnego łańcucha oddechowego w przekształcaniu energii chemicznej pożywienia w ATP. Utlenianiu większości składników pokarmu towarzyszy wytwarzanie równoważników redukujących (2H), które są zbierane przez łartcuch oddechowy w cełu ich utlenienia i sprzężonego z tym wytwarzania ATP.

Substral Y

Cytochromy

-^l^-

H⁺ H⁺ 2H⁺ 2H⁺

Ryc. 14-2. Przenoszenie równoważników redukujących w łańcuchu oddechowym.

Pro I i na

3-Hyd ro k sy acyl o-Co A

3-Hyd roksymaślan

Glutami niań

Jabtczan Izocytrynian

Glice ro lo-3-f osf o ran

Bursztynian Cholina

Fp

(FAD) FeS

Acyło-CoA Sarkozyna Dl metyl og li cyna

\..

-Cyt

■Cytc

Cu

Ryc. 14-3. Składniki mitochondrialnego łańcucha oddechowego. FeS uczestniczy w transporcie elektronów, zbierając je z flawoproteiny lub cytochromu b: Cyt — cytochrom, ETF — flawoproteina przenosząca elektrony, FeS — białko że I a zos i arko we, Fp — flawoproteina, Q — ubichinon.

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA / 149

Forma całkowicie utleniona. Forma samlchlronowa
ożyli chfnonowa (wolny radnik}

OH

Forma zredukowana,

czyli chinolowa (hydrochincn)

Ryc. 14-4. Struktura ubichinonu (Q), n — liczba jednostek izoprenoidowych; waha się ona w granicach 6—10, tj. Q₆-io-

flawoproteiny i cytochromy do tlenu cząstecz­kowego, Nie wszystkie substraty są związane z łańcuchem oddechowym przez dehydrogena-zy współdziałające z NAD; niektóre ze względu na ich bardziej dodatnie potencjały red.-oks. (np. fumaran/bursztynian; P- tab. 13-1) wiążą się bezpośrednio z dehydrogenazami będącymi fiawoproteinami, które z kolei są związane z cytochromami łańcucha oddechowego (ryc. 14-3).

Poza wspomnianymi przenośnikami w łań­cuchu oddechowym znajduje się dodatkowy przenośnik łączący flawoproteiny z cytochro-mcm b, białkiem o najniższym potencjale ok-sydo/edukcyjnym w Łańcuchu cytochromo-wym. Ten dodatkowy przenośnik, który na­zwano ubichinonem lub CoQ (koenzymem Q; p. ryc. 14-4), występuje w mitochondriach w wa­runkach tlenowych w utlenionej formie chino-nowej, a w warunkach beztlenowych w zredu­kowanej formie chinolowej, Ubichinon jest składnikiem lipidów mitochondrialnych, zawie­rających przede wszystkim fosfolipidy, tworzą­ce część struktury błony mitochondrialnej. Stru­ktura koenzymu Q jest bardzo podobna do budowy witamin K i E; podobna jest również do plastochinonu znajdującego się w chloroplas-tach. Wszystkie te związki charakteryzują się poliizoprenoidowym fańcuchem bocznym. W mitochondriach koenzym Q występuje w znacznym stechiometrycznym nadmiarze względem pozostałych członów łańcucha od­dechowego. Ten fakt sugeruje, że jest on rucho­my m_ elementem łańcucha oddechowego i że zbiera on równoważniki redukujące z bardziej nieruchomych kompleksów flawoproteinowych i przenosi je na cytochromy.

Innym składnikiem, występującym również w preparatach łańcucha oddechowego jest bial-c (Fe:S; żelazo niehemowe). Jlii (metało-

Pr—Cvl-S

flawoproteinami) i 7. cytochromem b. Zarówno siarka, jak i żelazo uczestniczą w jednoelek-tronowym mechanizmie oksyd o redukcyjnym (ryc. 14-5).

Ryc, 14-5. Kompleks białka żelazosiarkowego (^6484).®— siarka nietrwała w środowisku kwaś­nym, Pr — apoprotein3, Cys — reszta cysteinowa. Niektóre białka żeiazosiarkowe zawierają 2 atomy żelaza i 2 atomy siarki

Na rycinie 14-3 przedstawiono, zgodnie z współczesnymi poglądami, sekwencję zasad­niczych składników łańcucha oddechowego. N a elektroujemnym końcu łańcucha dehydrogeńa-zy katalizują przeniesienie elektronów z sub-stratów na NAD łańcucha. Sposoby tego prze­noszenia mogą być dosyć różne, a-Ketokwasy — pirogronian i a-ketoglutaran — mają własne kompleksy dehydrogenaz, zawierające liponian 1 FAD, które pośredniczą w przenoszeniu elek­tronów na NAD łańcucha oddechowego. Inne dehydrogenazy, np. dehydrogenaza h( + )-3-hy-droksyacylo-CoA, D(—)-3-hydroksymaśIanowa,

150 / ROZDZIAŁU

prolinowa, glutami ni a nowa, jabtczanowa lub izocytrynianowa, przenoszą elektrony bezpo­średnio na NAD łańcucha oddechowego.

Zredukowany NAD łańcucha oddechowego jest z kolei utleniany przez dehydrogenazę NADH, która jest metalofloawoproteiną. En­zym ten zawiera Fe:S i FMN i jest ściśle związany z łańcuchem oddechowym. Przenosi on równoważniki redukujące na koenzym Q. Koenzym Q stanowi w łańcuchu oddechowym również punkt zbiorczy dla równoważników redukujących, pochodzących z innych substra-tów, które przez flawoproteinowe dehydroge-nazy kontaktują się bezpośrednio z łańcuchem oddechowym. Takimi substratami są burszty-nian, cholina, giiceróló^:5-Fósibran_;~sarkozyna, dimetyloglicyna i acylo-CoA (ryc. 14-3). W de-hydrogenazach tych substratów część flawino-wą stanowi FAD.

Elekt£o^y_zCoQ przepływają następnie przez. yhHy^7yTyen cząsteczkowy. Cytochromy są ułożone zgodnie ze wzrastają­cym potencjałem oksydoredukcyjnym. Znajdu­jący się na końcu łańcucha cytochrom aa₃(ok-sydaza cytochromowa) odpowiada za ostatecz­ne połączenie równoważników redukujących

z tlenem cząsteczkowym. Enzym _ten_zawięra miedź, składnik wielu oksydaz. Oksydaza cyto­chromowa ma bardzo duże powinowactwo do tlenu, co pozwala na funkcjonowanie łańcucha oddechowego z maksymalną szybkością, aż do momentu, w którym tkanka zostanie całkowicie pozbawiona tlenu. Ponieważ jest to reakcja nieodwracalna (jedyna w łańcuchu), nadaje ona kierunek przemieszczania się równoważników redukujących w łańcuchu oddechowym i do sprzężonego z nim wytwarzania ATP. Organi­zacja strukturalna łańcucha oddechowego była przedmiotem wielu hipotez. Istotnym odkry­ciem było stwierdzenie niemal starych stosun­ków molowych miedzy składnikami łańcucha oddechowego. Funkcjonalnie i strukturalnie składniki łańcucha oddechowego są zgrupowa­ne w wewnętrznej błonie mitochondrialnej w 4 lipidowo-białkowc kompleksy łańcucha od­dechowego. Powyższe dane wskazują, że prze­nośniki mają w błonach określoną orientację przestrzenną. Cytochrom c jest jedynym roz­puszczalnym cytochromem i tak jak koenzym Q wydaje się być bardzo ruchomym skład­nikiem łańcucha oddechowego łączącym nieru­chome kompleksy (ryc, 14-6).

&&

Karboksyna

TTFA

BAL

Antymycyna Kompleks II! I

yt b, FeS. Cyt c,

■

H;S

CO* CN * ,'x Kompleks IV I

Cyt a Cyt

I

Związki rozprzęgające

O ligo mycy na
ATP ADP + P,

ATP

Miejsce sprzęgające 3

Malonian

Bursztynian

NADH

Związki rozprzęgające

Kompleks II

Plerycydyna A Amobarbltal ^_1_^ Rotenon Oligomyoyna" i j'O ^\

ADP + P,

adp+p, ATP

Mtejsce sprzęgające 2

Miejsce sprzęgająca 1

Ryc. 14-6. Proponowane miejsca hamowania (0) tańcucha oddechowego prze* niektóre leki, substancje
chemiczne i antybiotyki. Zaznaczono „miejsca sprzęgające", które tworząc gradient protonowy wspierają
fosforylację. BAL (dimerkaprol); TTFA jest czynnikiem chelatującym Fe, Kompteks I — oksydo/eduktaza
NADH : ubichinon; kompleks tl •— oksydoreduktaza bursztynian : ubichinon; kompleks III —oksydoreduk-
taza ubichinot: utleniony cytochrom c; kompleks IV — oksydoreduktaza zredukowany cytochrom c: tlen.
Inne skróty jak na ryc. 14-3,

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA / 151

ŁAŃCUCH ODDECHOWY UMOŻLIWIA ZMAGAZYNOWANIE ZNACZNEJ CZĘŚCI ENERGII CHEMICZNEJ UTLENIAM BIOLOGICZNYCH

ADP jest cząsteczką, która wiąże w postaci bogatoenergetycznych fosforanów część energii swobodnej uwalnianej w procesach katabolicz-nych. Powstający ATP może z kolei przekazać tę energię swobodną procesom wymagającym energii. Stąd też ATP bywa nazywany „monetą obiegową" komórki (p. ryc. 12-8).

Wjęakcjach glikolizy powstają 2 bogatoener-gęticznejrugy fosforanowe, co jest równoważ-ne ok. 61 kJ/moI glukozy (p. tab. 19-1). Wynika z.tęgo^że ilość energii wychwytywanej w proce­sie glikolizy, w reakcjach fosforylacji substrato-wej, jest mata, jako że 1 mol glukozy,"ulegając całkowitemu spaieniu dostarcza ok. 2780 kJ. Reakcje cyklu kwasu cytrynowego, końcowego szlaku całkowitego uflemania"glukozy, obej­mują 1 .^tap fosforylacii — przekształcenie

y

sukcynylo-CoA w bursztyniajŁ_co pozwala wy­tworzyć następne 2 boga to energetyczne wiąza-"hia__fosforaiiowe na moTglukozy, Wszystkie wspomniane powyżej fosfbrylacje zachodzą na po4pjnje_jybstratu. Wyniki badań prowadzo­nych na nie naruszonych oddychających mito-chondriach wykazują, że utlenieniu substratów J^ADk^h^i")ńh

oddechowy towarzyszy wbudowanie 3 mol fos­foranu nieorganicznego w 3 mol ADP i po­wstanie w ten sposób 3 mol ATP na każde ^]j₂ mol zużytego O₂, tzn. stosuneTt P:O = 3 (ryc. 14-6). Jeżeli natomiast substrat ulega utlenieniu przy udziale dehydrogenazy flawinowej, po­wstaje tylko 2 mol ATP, a stosunek P:O = 2. Reakcje te są znane jako fosforyiacje oksydacyj­ne (fosforylacjc na poziomie łańcucha oddecho­wego). Uwzględniając reakcje odwodorowania w szlaku katabolicznym glukozy zarówno w gli-kolizie, jak i w cyklu kwasu cytrynowego oraz fosforyiacje substratowe można obliczyć, że niemal 42% energii swobodnej, pochodzącej ze spalenia glukozy, zostaje związane w postaci bogatoenergetycznych wiązań fosforanowych. Jest oczywiste, ze to łańcuch oddechowy od­powiada za znaczną część puli tworzonego ATP.

KONTROLA ODDYCHANIA W MITOCHONDRIACH ZABEZPIECZA STAŁE DOSTARCZANIE ATP

Szybkość oddychania mitochondriów może być kontrolowana przez stężenie ADP. Dzieje się tak, ponieważ utlenianie i fosforyłacja są ze sobą ściśle sprzężone, tzn. utlenianie w łańcuchu oddechowym nie może zachodzić bez towarzy­szącej fosforylacji ADP. Chance i Williams podali 5 czynników, które mogą kontrolować szybkość oddychania w mitochondriach {tab. 14-1).

Tabela 14-1. Stany kontroli oddechowej

		Czynniki ograniczające szybkość oddychania
Stan	1	Brak ADP i substratu
Stan	2	Brak tylko substratu
Stan	3	Aktywność samego łańcucha oddecho­wego, gdy wszystkie substraty i ADP są obecne w stężeniach wysycających
Stan	4	Brak tytko ADP
Stan	5	Brak tylko tlenu

Zasadniczo większość komórek w okresie spoczynkowym znajduje się w stanie metaboli­cznym 4, w którym szybkość oddychania zależy od dostępności ADP. W czasie wykonywania pracy następuje przemiana" ATP w ADP, co powoduje zwiększenie szybkości oddychania, a to z kolei prowadzi do uzupełnienia zapasu ATP (ryc. 14-7). Należy dodać, że w pewnych warunkach szybkość funkcjonowania łańcucha oddechowego może zależeć również od stężenia fosforanu nieorganicznego. Gdy szybkość od­dychania się zwiększa (np. podczas pracy), metabolizm komórki zbliża się do stanu 3 lnb stanu 5, wówczas łańcuch oddechowy albo osiąga stan wysycenia, albo pO₂ zmniejsza się poniżej K_m dla cytochromu a_y Niewykluczone, że sprawność przenośnika ADP/ATP, który ułatwia wejście cytoplazmatycznego ADP do wnętrza mitochondrionu, może być czynnikiem ograniczającym szybkość fosforylacji oksyda­cyjnej.

Proces utleniań biologicznych, w których energia swobodna, powstała w wyniku utlenia­nia składników pokarmowych, staje się dostęp­na i może być związana, przebiega stopniowo,

152 / ROZDZIAŁ 14

Ciepto

^T\

Procesy zużywające energię

SUBSTHAT

Ryc. 14-7. Rota ADP w kontroli oddechowej.

wydajnie (40—45%) i podlega kontroli — a nie wybuchowo, nieskutecznie i w sposób niekont­rolowany. Pozostała energia swobodna, która nie została związana w formie bogatoenergety-cznego wiązania fosforanowego, uwalnia się w postaci ciepła. Nie znaczy to, że jest „straco­na", gdyż dzięki temu układ oddechowy, jako całość, jest dość egzoergiczny, aby być w stanie nierównowagi, co pozwala na ciągły jedno­kierunkowy przepływ elektronów i stałe zaopa­trywanie komórki w ATP. U zwierząt stałociep­lnych zapewnia to utrzymanie odpowiedniej temperatury ciała.

WIELE ZNANYCH TRUCIZN TO INHIBITORY ŁAŃCUCHA ODDECHOWEGO

Wiele informacji dotyczących łańcucha od­dechowego uzyskano po zastosowaniu związ­ków, których przypuszczalne miejsce działania przedstawiono na ryc. 14-6. Do celów opiso­wych związki te można podzielić na inhibitory łańcucha oddechowego, inhibitory fosforylacji oksydacyjnej i związki rozprzęgające fosforyla-cję oksydacyjną.

Inhibitory, które hamują oddychanie przez blokowanie łańcucha oddechowego, działają w 3 miejscach. W miejscu pierwszym działają,. barbiturany (np. amobarbital), antybiotyk piery-cydyna A oraz jad rybi — rotenon. Inhibitory te hamują utlenianie substratów.Hofe kontaktują się bezpośrednio z łańcuchem oddechowym przez NAD-zaJeżne dehydrogenazy, jak np. 3-hydroksymaślan.

Dimerkaprol i antymycyna AJiamują łańcuch oddechowy między cytochromem.b a cytochro-mem c. Klasyczne trucizny, jak H₂S, tlenek węgla i cyjanki hamują oksydazę cytócEfomo-wą. Karboksyna i TTFA swoiście hamują prze­niesienie równoważników redukujących z dehy­drogenazy bursztynianowej na koenzym (^ natomiast malonian jest inhibitorem kompety-cyjnym dehydrogenazy bursztynianowej.

Antybiotyk oUgomycyna całkowicie hamuje utlenianie i fosforylację w nie uszkodzonych mitochondriach. Jednakże, w obecności .związ­ku rozprzęgającego — di nitrofenolu — zachodzi utlenia,nie_hez. towarzyszącej fosforylacji, co wskazuje, że oligomycyna nie działa bezpośred­nio" na łańcuch oddechowy, lecz na etapie fosforylacji (p. ryc. 14-8).

Atraktylozyd hamuje fosforylację oksydacyj­ną, "która zależy od transportu nukleotydów adeninowych przez wewnętrzną błonę mito-chondrialną. Przyjmuje się, że hamuje on prze­nośnik nukleotydów adeninowych, odpowie­dzialny za transport ADP do wnętrza, a ATP na zewnątrz mitochondrionu (p. ryc. 14-16).

Działanie związków rozprzedających polega na „odłączeniu" procesu utleniania w łańcuchu oddechowym od fosforylacji. Wskutek tego oddychanie przebiega w sposób niekontrolowa­ny, ponieważ stężenie ADP lub P, nie ogranicza już szybkości oddychania. Najczęściej stosowa­nym związkiem rozprzęgającym jest 2,4-dini-trofenol, ale także inne związki działają w podo­bny sposób, np. dinitrokrezol, pentachlorofenol i CCCP (m-chlorokarbonyiocyjanidofenylohy-drazon). Ten ostatni jest ok. 100-krotnie aktyw­niejszy od dinitrofenolu.

:

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA / 153

ADP

	Stan 4	i
	a" —
		\	i Stan 3
		ADP f	\ (v \ Związek razprzegąjący
d"	B	i	\Stan4
c			Ollgomycyna ^1
i		>	i | Związek 1
S5			\i rozprzęgający \
		i

3 Minuty

Ryc. 14-8. Kontrola oddechowa w mitochond-riach. Doświadczenie A: na wykresie przedstawio­no szybkość zużycia tlenu w stanie 4, która ulega przyspieszeniu po dodaniu ADP. Gdy cały egzo­genny ADP zostanie ufosforylowany do ATP, wó­wczas szybkość oddychania maleje do wartości w stanie 4. Dodanie związku rozprzedającego, np. dinitrofenolu, uniezależnia oddychanie od fosfory­lacji. W doświadczeniu B: dodanie oNgomycyny hamuje fosforylację dodanego uprzednio ADP i w związku z tym obserwujemy hamowanie od­dychania. Dodanie z kolei związku rozprzedającego zwiększa szybkość zużycia tlenu, ponieważ unieza­leżnia oddychanie od fosforylacji.

TEORIA CHEMIOSMOTYCZNA WYJAŚNIA MECHANIZM SPRZĘŻENIA UTLENIANIA Z FOSFORYLACJA

W ciągu ubiegłych lat przedstawiono wiele hipotez dotyczących sprzężenia utleniania z fos-forylacją. Można je podzielić na 2 zasadnicze grupy. Hipotezy sprzężenia chemicznego postu­lowały bezpośrednie sprzężenie chemiczne na wszystkich etapach procesu, tak, jak ma to miejsce w reakcjach tworzących ATP w glikoli-zie. Jednakże hipotezy te odrzucono, ponieważ nie udało się nigdy wyizolować bogatoener-getycznych pośredników, które miały łączyć utlenianie z fosfory lacją.

Według innych hipotez energia pochodząca z utleniania jest przechowywana w stanach konformacyjnych cząsteczek. Zmiana konfor­macji miała prowadzić do tworzenia bogato-energetycznych wiązań fosforanowych.

Teoria chemiosmotyczna postuluje, że utle­nianie przenośników w łańcuchu oddechowym prowadzi do tworzenia jonów wodorowych, które są wyrzucane na zewnątrz sprzęgającej błony mitochondriałnej. Różnica potencjałów elektrochemicznych, wynikająca z asymetrycz­nego rozmieszczenia jonów wodorowych (pro­tonów, H+), jest zużywana następnie do napę­dzania mechanizmu odpowiedzialnego za two­rzenie ATP (ryc 14-9).

Łańcuch oddechowy jest pompą protonową

Według Mitchella, pierwotnym etapem pro­cesu fosforylacji oksydacyjnej jest przemiesz­czenie protonów (H ⁺)₁n£_|^wjia_it₄£z_>iblony sprzę­gającej (tzn. wewnętrznej hłoriy mitochondriał­nej) napędzane przez utleniania w łańcuchu oddechowym. Każdy z kompleksów łańcucha oddechowego I, III i IV (p. ryc. 14-6} działa jako pompa protonowa. Postulował on również, że błona jest zasadniczo nieprzepuszczalna dla jonów, a zwłaszcza dla protonów, które groma­dzą się na zewnątrz błony, wytwarzając trans-membranową różnice potencjału elektrochemicz­nego (Au,h+). Na tę różnicę składa się potencjał chemiczny (różnica pH) oraz potencjał elekt­ryczny. Różnica potencjału elektrochemicznego jes^zużywana-przez błonową syntazę ATP (syn-taza ATP, transportująca H+), która w obecno­ści ADP i Pj wytwarza ATP (ryc. 14-9). Nie ma tu więc bogatoenergetycznego pośrednika wspólnego dla utleniania i fosforylacji, jak to sugerowano w hipotezie sprzężenia chemicz­nego.

Według pierwotnej wersji teorii łańcuch od­dechowy jest tak ułożony w błonie, że tworzy 3 pętle utłeniająco-redukcyjne (o/r). Na rycinie 14-10 przedstawiono schematycznie pojedynczą pętlę zawierającą przenośnik wodoru i przenoś­nik elektronów. Jednakże ten wymóg trudno było pogodzić w pełni ze znanymi składnikami błonowych kompleksów łańcucha oddechowe­go, np. kompleks IV nie zawiera przenośnika wodoru. Co więcej, nie jest znana dokładna liczba protonów pompowanych przez każdy kompleks, przypadająca na każdy transporto­wany elektron. Na rycinie 14-11 przedstawiono cykl Q, wyjaśniający możliwy mechanizm pom­powania protonów przez kompleks III.

Powierzchnię błony wewnętrznej pokrywają Jednostki fosforylujące" odpowiedzialne za biosyntezę ATP (ryc. 14-12). Każda z nich składa się z wielu różnych białek. Hydrofilowy

154 / ROZDZIAŁ 14

O lig o mycy na

Błona sprzęgająca

NA ZEWNĄTRZ

Ubtahfnon

Cytochrom c

Byc. 14-9. Założenia teorii chemiosmotycznej dotyczącej fosforytacji oksydacyjnej. F₁₍ Fo, czynniki białkowe warunkujące fosforylację Syntaza ATP, transportująca H ⁺ (FiF_o), działa jako wtórna pompa protonowa. Pierwotna pompa protonowa funkcjonuje w wyniku sprzężenia utleniania z przemieszczeniem protonów z wewnętrznej na zewnętrzną powierzchnię błony. To przemieszczenie H ⁺ prowadzą kompleksy łańcucha oddechowego I, III i IV, z których każdy działa jako pompa protonowa. Związki rozprzęgające, takie jak di nitrofenol, powodują „przeciek" H⁺ przez błonę, skutkiem czego jest zanik elektrochemicznego gradientu protonów. Oligomycyna swoiście blokuje transport H⁺ przez F_o.

NA ZEWNĄTRZ

BŁONA SPRZĘGAJĄCA

WEWNĄTRZ

Ryc. 14-10. Pętla oksydoredukcyjna (o/r) przemieszczająca protony (teoria criemiosmotyczna).

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA / 155

WEWNĘTRZNA BŁONA MITOCHONDRIALNA

CYTOZOL (NA ZEWNĄTRZ)

Ryc. 14-11. Pompujący protony cykl koenzymu Q. QH* jest zakotwiczony po obu stronach btony przez przyłączenie się do białka wiążącego Q, natomiast CIH2 i Q są ruchome. Cytochromy zaznaczono odpowiednio jako b, c-|.

Jednostki fosforylujące

BŁONA ZEWNĘTRZNA

B

U8Ł0NA -^: j ZEWNĘTRZNA

f BŁONA*--*] WEWNĘTRZNA

rinr

Działanie ultradźwiękami

Cząstki submitochondrialne powstałe z fragmentów błony wewnętrznej

Ryc. 14-12. Budowa błon mitochondrialnych. Cząstki submitochondrialne są „przenicowane", tzn, mają odwróconą orientację błony, a więc i odwrócony błonowy gradient protonów. Na ich powierzchni zewnętrznej znajdują się Fi. Taki preparat pozwala prowadzić badania zamkniętych systemów błonowych.

* * I

■■- Jt3>/

156 / ROZDZIAŁ 14

Pj ADP Pj + ADP

Ryc. 14-13. Syntaza ATP, transportująca H⁺ (Mitchell).

ATP

kompleks tych białek określa się mianem Fj (czynnik sprzęgający I; ang. factor 1); wystaje on w kierunku małriks i wy|fa7i_l]je_i aktywność _syntązyATP (ryc. t4-9).JE_tje5tpołąc2.ony przez tzw. szyjkę (ang. stalk) z—błonowym f hydro­fobowym) kompleksem-biaŁŁ-owym. Tkanym F_D (czynnik sprzęgający wiążący oligomycyne), który prawdopodobnie zajmuje całą szerokość błony (ryc. 14-9). Protony przechodzą przez kompleks F_o— F, (syntazę. ATP, transportują-£&Ji+), co umożliwia syntezę ATP z ADP i Pj. Ciekawe, że podobne jednostki fosforylujące znaleziono na wewnętrznej powierzchni błony plazmatycznej bakterii i na zewnętrznej powie­rzchni błony tylakoidowej chloropiastów. Cha­rakterystyczne, że błonowy gradient protonów skierowany jest w mitochondriach i bakteriach z zewnątrz do wewnątrz, ale w odwrotnym kierunku w chloroplastach.

Mechanizm sprzężenia przemieszczania pro­tonów z anizotropowym (wektorowym) ukła­dem syntezy ATP nie jest wyjaśniony. Jeden 7. modeli proponowanych przez Mitchella jest przedstawiony na ryc. 14-13. Para protonów atakuje jeden z tlenów P,, tworząc wodę i aktyw­ny Pj, który natychmiast reaguje z ADP, two­rząc ATP. Wyniki innych badań wskazują, że bezpośrednia reakcja syntezy ATP nie jest głów­nym etapem wymagającym dostarczenia energii — jest nim raczej etap uwalniania ATP z cent­rum aktywnego syntazy. Niewykluczone, że wymaga to konformacyjnych zmian cząsteczki

Dane doświadczalne potwierdzają teorię chemiosmotyczną

1. Dodanie protonów (kwasu) do środowis­ka inkubacyjnego zawierającego mitochondria prowadzi do wytwarzania ATP.

2. Fosforylacja oksydacyjna nie zachodzi
   w układach rozpuszczalnych, w których nie ma
   możliwości występowania wektorowej syntazy
   ATP, Aby fosforylacja oksydacyjna mogła za­
   chodzić, w układzie inkubacyjnym muszą być
   zamknięte pęcherzyki błonowe (ryc. 14-9).

3. Składniki łańcucha oddechowego są uło­
   żone w błonie w sposób asymetryczny (poprze­
   czna asymetria), co jest zgodne z wymaganiami
   teorii chemiosmotycznej.

Teoria chemiosmotyczną wyjaśnia zjawisko kontroli oddechowej

Powstała wskutek przemieszczania protonów różnica potencjałów elektrochemicznych po obu stronach błony hamuje dalsze przenoszenie ~ równoważników redukujących przez łańcuch oddechowy dopóty, dopóki nie zostanie ona rozładowana w wyniku wstecznego transportu protonów przez błonę przy udziale wektorowej syntazy ATP. To z kolei zależy od dostępności ADP i Pi.

Tłumaczy działanie związków rozprzęgających

Te związki (np. dinitrofenol) są amfipatyczne (p. str. 190) i zwiększają przepuszczalność błony mitochondrialnej d!a protonów (ryc. 14-9), zmniejszając w ten sposób potencjał elektro­chemiczny i „zwierając" syntazę ATP. Dlatego też w ich obecności utlenianie może przebiegać bez fosforylacji.

Tłumaczy istnienie mitochondrialnych układów transportujących na zasadzie wymiany przeciwprądowej

Te układy transportujące są konsekwencją wymogu, że aby utrzymać gradient elektro-

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA / 157

chemiczny błona sprzęgająca musi być nieprze­puszczalna dla protonów i innych jonów (patrz poniżej).

WZGLĘDNA

NIEPRZEPUSZCZALNOŚC

WEWNĘTRZNEJ BŁONY

MITOCHONDRIAŁNEJ

NARZUCA POTRZEBĘ OBECNOŚCI

PRZENOŚNIKÓW

Systemy transportu wymiennego znajdują się w błonie i katalizują wymianę przeciwprądową anionów z OH~ oraz kationów z H ⁺ . Każdy z tych systemów jest niezbędny do zachowania równowagi elektrycznej i osmotycznej podczas pobierania i uwalniania zjonizowanych meta­bolitów.

Roz m i eszczen ie c ha rakterystycz nych

enzymów, tzw. znacznikowych,

w przedziałach rozdzielonych błonami

mitochondrialnymi

Mitochondria mają błonę zewnętrzną prze­puszczalną dla większości metabolitów, błonę wewnętrzną, która jest wybiórczo przepuszczal­na i pofałdowana w tzw. grzebienie, oraz ma­cierz .wewnątrz mitochondrionu (ryc. 14-12). Działając na mitochondrion digitoniną można usunąć z niego błonę zewnętrzną, której en­zymami znacznikowymi są monoaminooksyda-za, syntetaza acyio-CoA, acylotransferaza gli­cerolo fosforanowa, acylotransferaza lizofosfa-tydowa i ibsfolipaza A₂, W przestrzeni między-błonowej znajduje się kinaza adenylanowa oraz

kinaza kreatynowa. W Wonie wewnętrznej jest nagromadzony fosfolipid — kardiolipina.

W macierzy mitochondriainej znajdują się rozpuszczalne enzymy cyklu kwasu cytrynowe­go i enzymy P-oksydacji kwasów tłuszczowych. Oba procesy wymagają udziału układów trans­portujących metabolity oraz nukleotydy przez wewnętrzną błonę mitochondrialną. Dehydro-genaza bursztynianowa znajduje się na wewnęt­rznej powierzchni mitochondriainej błony we­wnętrznej, gdzie przenosi równoważniki redu­kujące bezpośrednio na ubichinon łańcucha oddechowego, z pominięciem kompleksu I łań­cucha oddechowego. Na powierzchni matryk-sowej wewnętrznej błony mitochondriainej znajduje się również dehydrogenaza 3-hydro-ksymaślanowa. Na zewnętrznej powierzchni błony wewnętrznej zlokalizowana jest dehyd­rogenaza glicerolo-3-fosforanowa, co pozwala jej uczestniczyć w „mostku" glicerolofosforano-wym (układ wahadłowy glicerolofosfuran-dihyd-roksyaceton, ryc. 14-14).

Utlenianie pozamitochondrialnego NADH odbywa się za pośrednictwem „mostków" substratowych

Wewnętrzna błona mitochondrialna nie jest przepuszczalna dla NADH, który jest stale wytwarzany w cytozolu w reakcji szlaku glikoli-tyczncgo, katalizowanej przez dehydrogenazę gliceraldehydo-3-fosforanową (p. ryc. \9-2).Je-dńakże w warunkach tlenowych pozamitochon-drialny NADH nie gromadzi się i ulega przypu­szczalnie utlenieniu w mitochondrialnym łań­cuchu oddechowym. Rozważano kilka mecha­nizmów, według których ten proces mógłby

CYTOZOL

WEWNĘTRZNA BŁONA MłTOCHONDRIALNA

NAD

DEHYDROGENAZA GLICEROLO-3-FOSFORANOWA

Dlhydroksyacetonofosforan "*■

GI icerolo-3-fosfo ra n

GI icerolo-3-f osf oran

DEHYDROGENAZA GLICEROLO-3-FOSFORANOWA

■Dlhydroksyacetonofosforan

FAD

FADH₂

t

Łańcuch oddechowy

Ryc. 14-14. Mostek glicerolofosf ora nowy {układ wahadłowy glicerolo-3-fosforan : dihydroksyacetono-
fosforan) transportujący równoważniki redukujące z cytozolu do mitochondrionu. Ponieważ mitochond­
rialna dehydrogenaza giicerolo-3-fosforanowa znajduje się na zewnętrznej powierzchni btony wewnętrz­
nej, układ ten nie wymaga transportu substratów przez błonę.

158 / ROZDZIAŁ 14

CYTOZOL

BŁONA

MITOCHONDRION

NAD^ł

OEHYDROGENAZA JA8ŁCZAN0WA

DEHYDROGENA2A JABŁCZANOWA

Szczawiooctan

a-KG

NADH + H⁺

a-KG

AMIN0TRANSFERA2A

Asp

Asp

Jabłczan,

Glutaminian

^Jabłczan _NAD*

AMINOTHANSFERAZA

Szczawiooctan

Glutaminian

Ryc. 14-15. Mostek jabłczanowo-asparaginianowy (układ wahadłowy jabłczan : asparaginian) przeno­szący równoważniki redukujące z cytozolu do mttochondrionu. 1 — przenośnik a-ketoglutaranowy, 2 — przenośnik glutaminianowo-asparaginianowy (przenoszący z glutaminianem proton, symport).

przebiegać. Jednym z nich jest przenoszenie równoważników redukujących przez błonę mi-tochondriałną za pośrednictwem par substra-tów sprzężonych odpowiednimi dehydrogena-zami. Niezbędnym warunkiem przebiegu tego procesu jest obecność swoistej dehydrogenazy po obu stronach wewnętrznej błony mitochond-rialnej. Na rycinie 14-14 przedstawiono mecha­nizm przenoszenia przy użyciu „mostka" glice-rolofosforano wego. Należy zwrócić uwagę, że w związku z tym procesem zostaną wytworzone tylko 2, a nie 3 mol ATP na atom zużytego tlenu, ponieważ enzym mitochondrialny jest flawoproteiną związaną z łańcuchem oddecho­wym bez udziału NAD. U niektórych gatunków aktywność FAD-zależnego enzymu (mitochon-drialnego) zmniejsza się po tyreoidektomii i zwiększa po podaniu tyroksyny. Chociaż obec­ność tego układu wahadłowego wykazano w mięśniach skrzydłowych owada i w mięśniu białym i może on mieć znaczenie w wątrobie, to w innych tkankach (np. w mięśniu sercowym) stwierdza się niedobór mitochondrialnej dehyd­rogenazy glicerolo-3-fosforanowej. Przeto uwa­ża się, że bardziej uniwersalny jest układ trans­portujący wykorzystujący jabłczan i dehydroge­nazy jabłczanowe, cytoplazmatyczną i mito-chondrialną. Ten „mostek" (układ wahadłowy jabłczan : asparaginian) przedstawiono na ryc. 14-15, Złożoność tego układu wynika z nie-

przepuszczalności wewnętrznej błony mitochon­drialnej dla szczawiooctanu. Szczawiooctan, kosztem glutaminianu, musi najpierw ulec transaminacji do asparaginianu, z którego po jego przejściu przez błonę mitochondrialną zo­stanie w cytozolu odtworzony szczawiooctan.

Transport jonów w mitochondriach jest procesem wymagającym dostarczenia energii

Aktywnie oddychające mitochondnaj wjctó-rych zachodzi fosforylacja oksydacyjna, utrzy­mują lub gromadzą kationy, takie jak K+,Na⁺, Ca^{2 +} i Mg^{2 +} oraz P*. Rozprzężenie fosforylacji oksydacyjnej za pomocą dinitrofenolu prowa­dzi do ucieczki jonów z mitochondrionu, ale pobieranie jonów ze środowiska nie jest hamo­wane przez oligomycynę, co sugeruje, że energia konieczna do procesu transportu nie pochodzi z bogatoenergetycznego wiązania fosforanowe­go, powstającego podczas fosforylacji ADP. Przyjmuje się, że wymianę kationów napędza pierwotna pompa protonowa.

Układy transportujące zabezpieczają równowagę elektryczną i osmotyczną po obydwu stronach błony mitochondrialnej (p. ryc. 14-16)

Wewnętrzna błona mitochondrialną swobo­dnie przepuszcza elektrycznie obojętne małe

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA / 159

Wewnętrzna
NA ZEWNĄTRZ błona WEWNĄTRZ

mltochondrlalna N-Ety)orraieimłd

OH"

H₃PO₄"

N-Etyloma!eJmld i Hyd r o teycyn am on lan

Pirogronian"

Jabtazan¹"

_Jabłczan'-

Cytrynian*-+ H^ł

Jablczarr

et-Ketoglutaran¹" . ADP³" ■

■ATP*

ków lub układów transportujących, ułatwiają­cych ich transport przez błonę. Okazuje się, że aniony monokarboksylowe przenikają przez błonę łatwiej ze względu na mniejszy stopień dysocjacji tych kwasów. Uważa się, że nie-zdysocjowany i dobrze rozpuszczalny w lipi­dach kwas jest tym rodzajem cząsteczki, która przechodzi przez błonę lipidową.

Transport anionów dikarboksylowych i tri-karboksylowych jest ściśle związany z przeno­szeniem fosforanu nieorganicznego. Ten ostatni łatwo przechodzi przez błonę jako jon H_ZPO~, wymieniając się z OH". Pobranie jabłczanu przez przenośnik anionów dikarboksylowych wymaga na wymianę fosforanu nieorganicz­nego po przeciwnej stronie błony. Pobranie cytrynianu, izocytrynianu, lub ds-akonitanu przez transporter anionów trikarboksylowych wymaga na wymianę jabłczanu. Transport ac-ketoglutaranu również zachodzi na zasadzie wymiany z jabłczanem. Dzięki użyciu mechani­zmów wymiany przeciwp radowej (antyport) zo­staje więc zachowana równowaga osmotyczna. Transport cytrynianu przez wewnętrzną błonę mitochondrialną zależy nie tylko od przenosze­nia jabłczanu, lecz także od transportu fos-

Atraktylozyd i

Byc. 14-16. Układy przenośnikowe w błonie mi-

tochondrialnej, 1 ~ przenośnik fosforanowy, 2 — sprzężony transport (symport) pirogro-nianu, 3 — przenośnik anionów dikarboksylo-wych, 4 — przenośnik anionów trikarboksylo-wych, 5 — przenośnik a-ketoglutaranowy, 6 — prze­nośnik nukleotydów adeninowych, Zaznaczono miejsca hamowania (0) przez N-etylomaleimid, hydroksycynarnonian i atraktylozyd, W błonie znaj­dują się również (nie pokazano) przenośniki: gluta-minianowo-asparaginianowy (ryc. 14-15), gluta­minowy, ornttynowy i karrtitynowy (ryc. 24-1).

cząsteczki, takie jak tlen, woda, CO₂ i NH₃, oraz kwasy monokarboksylowe, takie jak 3-hy-droksymasłowy, acetooctowy i octowy. Długo-łańcuchowe kwasy tłuszczowe są przenoszone do mitochondriów jako pochodne karnityny (p. ryc. 24-1), a specjalny przenośnik w wewnętrz­nej bionie rnitochondrialnej umożliwia sprzężo­ny transport pirogronianu z H⁺ {kotransport, symport), co jest równoznaczne ze zużyciem transmembranowego gradientu protonów. Aniony dikarboksylowe i trikarboksylowe oraz aminokwasy wymagają swoistych przenośni-

Wewnętrzna
NA ZEWNĄTRZ ^„a WEWNĄTRZ

mliocriondrialna

		^F1
		}
		t ATP"" _J
		j
"l	0)

Ryc. 14-17. Współdziałanie przenośnika fosfora­nowego (1) z przenośnikiem nukleotydów adeni­nowych (2) podczas syntezy ATP. Przedstawiony sprzężony transport (symport) H⁺/Pj jest odpo­wiednikiem przeć i wtrans portu (antyport) Pj/OH~ (ryc. 14-16). Na każdą zsyntetyzowaną w mito-chondriach i uwalnianą cząsteczkę ATP, mitochon-drion pobiera 3 protony. Natomiast pobiera tylko 2 protony, jeżeli zsyntetyzowana cząsteczka ATP zostanie zużyta wewnątrz mttochondrionu.

160 / ROZDZIAŁ 14

forami nieorganicznego. Przenośnik nukleoty-dów adeninowych umożliwia wymianę ATP z ADP, ale nie z AMP. Pozwala on wyjść cząsteczce ATP z mitochondrionu do pozamito-chondrialnych miejsc zużywających energię oraz zapewnia powrót ADP do wnętrza mito­chondrionu, gdzie służy do syntezy ATP (ryc. 14-17), Na+ może wymieniać się z H ⁺ , zużywa­jąc gradient protonów. Uważa się, że aktywny transport Ca^2h do mitochondriów zachodzi z przemieszczeniem I ładunku (uniport). praw­dopodobnie na zasadzie antyportu Ca^{J +} /H⁺, Uwalnianie wapnia z mitochondriów jest ułat­wione przez wymianę z Na⁺.

Jonofory umożliwiają swoistym kationom transport przez błonę

Jonofory uzyskały taką nazwę ze względu na ich zdolność do kompleksowania swoistych kationów i ułatwiania ich transportu przez błony biologiczne. Ta właściwość jonoforów wynika z ich lipofilowego charakteru, który umożliwia penetrację błon lipidowych, takich jak błona mitochondrialna. Za przykład może posłużyć walinomycyna umożliwiająca przecho­dzenie K⁺ przez błonę mitochondriainą. w na­stępstwie czego dochodzi do rozładowania po­tencjału błonowego między środowiskiem ze­wnętrznym i wewnętrznym mitochondrionu. Nigerycyna również działa jako jonofor dla K⁺, ale na zasadzie wymiany z H ⁺ . Prowadzi to do zniesienia transmembranowego gradientu pH. W obecności walinomycyny i nigerycyny, zo­staje wyeliminowany zarówno potencjał błono­wy, jak i gradient pH i stąd całkowite hamowa­nie fosforylacji. Klasyczne związki rozprzęgają-ce, takie jak dinitrofenol, są w rzeczywistości jonoforami protonowymi.

Transhydrogenaza transportująca H* wytwarza wewnątrzmitochondrialny NADPH

Znajdująca się w wewnętrznej błonie mito-chondrialnej energetycznie zależna transhydro­genaza katalizuje przeniesienie H+ z wewnątrz-mitochondrialnego NADH na NADP, tworząc NADPH, który jest sprzężony z przemiesz­czeniem protonów ze środowiska zewnętrznego do wnętrza mitochondrionu. Wydaje się, że

enzym działa jako energetycznie zależny bufor red.-oks. i jako źródło NADPH dla enzymów wewnątrzmitochondrialnych, takich jak dehyd-rogenaza glutaminianowa i hydroksylazy uczes­tniczące w syntezie steroidów.

Niedoczynność łańcucha oddechowego jest przyczyną choroby

Niedobory lub brak większości oksydore-duktaz łańcucha oddechowego są przyczyną śmiertelnej miopatii tnitochondrialnej niemowląt i dysfunkcji nerek. MELAS (miopatia mito­chondrialna, encefalopatia, kwasica mkczano-wa i udar) jest dziedzicznym zespołem chorobo­wym, wynikającym z niedoboru oksydoreduk-tazy NADH; ubichinon {kompleks 1) lub ok-sydazy cytochromowej. Opisano wiek chorób spowodowanych niedoborem któregoś z en­zymów mitochondrialnych (Scholte).

PIŚMIENNICTWO

Boyer PD: The unusual enzymology of ATP synthase.

Biochemistry 1987;26:8503. Cross RL: The mechanism and regulation oT ATP

synthesis by F_rATPases. Annu Rev Biochem

1981;50:<581. Hatefi Y: The mitochondrial electron transport

and oxidative phosphorylation system. Annu

Rev Biochem 1985;54:1015. Hinkle PC, McCarty RE: How cells make ATP.

Sci Am (March) 197K;238:104. Mitchcll P: BCeilin's respiratory chain concept

and its chemiosmotic consequences. Science

1979;206:1148. Nicholls DG: Bioenergetics: An introduetion to

the Chemiosmotic Theory. Academic Press,

1982. Prince RC: Tbe proton pump of cytochrome

oxidase. TIBS 1988;13:159.

Schohe HR, et al: Defects in oxidative phos­phorylation. Biochemical iiwestigations in skeletal

muscle and expression of the lesion in

other cells. / Inher Metab Dis 1987;I0, Suppl

1:81. Tyler DD: The mitochondrial ATP synthase.

Page 117 in: Membranę Structure and Func-

tion, Vol. 5. Bittar EE (editor). Wiicy, 1984. Tyler DD, Sutton CM: Mitochondrial trans-

porting systems. Page 181 in: Membranę

Structure and Function. Vol 5. Bittar EE

(editor). Wiley, 1984.

Węglowodany o znaczeniu fizjologicznym

15

Peter A. Mayes, PhD, DSc

WPROWADZENIE

Węglowodany są szeroko rozpowszechnione w świecie roślinnym i zwierzęcym. Odgrywają one rolę zarówno strukturalną, jak i metabo­liczną. W roślinach glukoza jest syntetyzowana z dwutlenku węgla i wody w procesie fotosyn­tezy i przechowywana jako skrobia lub ulega przekształceniu w błonnik szkieletu roślinnego. Zwierzęta mogą syntetyzować niektóre węglo­wodany, wykorzystując do tego celu tłuszcz i białka, ale większa część węglowodanów zwie­rzęcych jest pochodzenia roślinnego.

ZNACZENIE BIOMEDYCZNE

Znajomość struktury i właściwości węglowo­danów fizjologicznie ważnych jest niezbędna do zrozumienia ich roli w ekonomii organizmu ssaków. Glukoza jest najważniejszym węglowo­danem, ponieważ większość węglowodanów za­wartych w pokarmach wchłania się do krwio-biegu jako glukoza lub jest przekształcana w nią w wątrobie, a w organizmie z glukozy mogą powstać wszystkie inne cukry. Glukoza jest istotnym źródłem energii w tkankach, ssaków (z wyjątkiem przeżuwaczy) i uniwersalnym „paii-wem" dla płodu. Jest ona przekształcana w inne cukry odgrywające swoiste role, np. glikogen jako spichlerz; ryboza w kwasach nukleino­wych; galaktoza w laktozie mleka, w pewnych lipidach złożonych oraz w połączeniu z biał­kami w glikoproteinach i proteoglikanach. Do chorób związanych z zaburzeniami węglowo­danów zalicza się cukrzycę, galaktozemic, zabu­rzenia spichrzania glikogenu i nietolerancję mle­ka.

WĘGLOWODANY SĄ ALDEHYDOWYMI LUB KETONOWYMI POCHODNYMI ALKOHOLI WIELOHYDROKSYLOWYCH

Węglowodany klasyfikuje się następująco:

Monosacharydy są to węglowodany, które nie ulegają hydrolizie do form prostszych. Na podstawie liczby atomów węgla można je podzielić na triozy, tetrozy, pentozy, heksozy i hcptozy; oraz na aldozy i ketozy zależnie od obecności grupy aldehydo­wej lub ketonowej. Przykładami są:

Aldoza Ketoza

Triozy (C₃H₆O₃)

Tetrozy (C.H.OJ

Pentozy (C_BH₁₀O_s)

Heksozy (C₆H₁₂O₀)

Aldehyd Dihydro-

glicerynowy ksyaceton

Erytroza Erytruloza

Ryboza Rybuloza

Glukoza Fruktoza

Disacharydy to węglowodany, które podczas hydrolizy rozpadają się na 2 cząsteczki takich samych lub różnych monosacharydów. Przykładami są sacharo­za, laktoza i maltoza.

Oligosacharydy to cząsteczki, które podczas hydrolizy rozpadają się na 3—6 jednostek monosacharydowych. Przy­kładem może być maltotrioza*.

Polisacharydy w wyniku hydrolizy rozkładają się na ponad 6 cząsteczek monosacharydów. Przykładami polisacha­rydów, które mogą być liniowe lub rozgałęzio-

* Należy podkreślić, że nie jest to trioza, ale trisacharyd zbudowany z 3 reszt a-glukozy.

II — Biochemia

162 / ROZDZIAŁ 15

ne, są skrobie i dekstryny. Niekiedy określa się je jako heksozany lub pentozany, w zależności od rodzaju monosacharydów otrzymywanych w wyniku hydrolizy.

GLUKOZA JEST GŁÓWNYM MONOSACHARYDEM

Struktura glukozy może być przedsta­wiona 3 sposobami

Chociaż wzór strukturalny w formie prostego łańcucha (aldoheksoza, ryc. 15-1 A) pozwala zrozumieć niektóre właściwości glukozy, to strukturą uprzywilejowaną termo dynamicznie i warunkującą jej pozostałe właściwości chemi­czne jest forma cykliczna. W większości przy­padków wzór strukturalny glukozy może być przedstawiony jako płaski pierścień narysowa­ny perspektywicznie, jak zaproponował Ha-worth (ryc. 15-1B). Na podstawie analizy dy-

0 11
II ■c	-H
H—^2C	-OH
H-«C	-OH

frakcji promieni rentgenowskich ustalono, że ten sześcioczłonowy pierścień zawierający 1 atom tlenu, w rzeczywistości istnieje w formie krzesełkowej (ryc. 15-1C).

Cukry występują w formie różnych ro­dzajów izomerów

Związki o takim samym wzorze struktural­nym, ale różnej konfiguracji przestrzennej są znane jako stereoizomery. Warunkiem powsta­nia izomerów przestrzennych są asymetryczne atomy węgla (atomy węgla połączone z 4 róż­nymi atomami lub grupami). Liczba możliwych izomerów danego związku zależy od liczby asymetrycznych atomów węgla (n) i równa się 2ⁿ. Glukoza, z 4 asymetrycznymi atomami węgla, ma 16 izomerów. Ważniejsze rodzaje izomerów glukozy są następujące:

1. Izomery konf iguracyjne D i L. Okre­ślenie izomerujako formy D lub jej lustrzanego odbicia jako formy L jest uwarunkowane prze­strzennym podobieństwem do macierzystego związku rodziny węglowodanów, trójwęglowe-go cukru — aldehydu glicerynowego (gliceroza jest nazwą nie wskazaną). Formy L i D tego cukru, wraz z odpowiadającymi im izomerami glukozy, przedstawiono na ryc. 15-2. Ustawie-

i

^eCH,OH

<C —H

I

'CHjOH

Aldehyd L-pllcerynowy

'C-H

t HO-^JC-H

I H-^SC-OH

I HO— «C -H

I *C —H

I 'CHsOH

C—H I H-C —OH

CHjOH

Aldehyd D-gtfoeryrtowy (D-G!loeroza)

C —H

I H-C —OH

( HO—C —H

m

Ć

i H-C —OH

H-C I CH,OH

a-D-Glutoza

Ryc. 15-1. a-D-Glukoza. A — forma łańcuchowa, B — wzór rzutowy Hawortha, C — konformacja krzesełkowa.

L-Glukoza

D- Glukoza

Ryc. 15-2. D- i L-lzomery aldehydu glicerynowe­go i glukozy.

WĘGLOWODANY O ZNACZENIU FIZJOLOGICZNYM / 163

Fu ran

Plran

HOCHj

I

HOCH

HCOH

nie grup — H i -OH wokół atomu węgla (tj. 5 atomu, węgla w glukozie) przylegającego do końcowego węgla pierwszorzędowego alkoholu warunkuje przynależność cukru do szeregu D lub

L. Jeżeli grupa — OH przy tym atomie węgla (atomie odniesienia) znajduje się po stronie prawej (jak przedstawiono na ryc. 15-2), to cukier należy do szeregu D; jeśli grupa — OH znajduje się po stronie lewej, to cukier należy do szeregu L. Większość monosacharydów wystę­pujących u ssaków ma konfigurację D, a en­zymy warunkujące ich metabolizm są swoiste dla tej konfiguracji.

Obecność asymetrycznych atomów węgla nada­je również cząsteczce aktywność optyczną. Gdy strumień światła spolaryzowanego przechodzi przez roztwór izomeru optycznego, wówczas płaszczyzna polaryzacji przechodzącego światła spolaryzowanego może zostać skręcona w pra­wo, prawoskrętność (+), lub w lewo, lewoskręt-ność (—). Związek może być oznaczony D(—), D( + ), L( —) lub L(-t-), co wskazuje na jego pokrewieństwo strukturalne 2 aldehydem D-lub L-gliceryn owym, oraz wskazuje, że wykazu­je on niekoniecznie ten sam kierunek skręca lno-ści optycznej co aldehyd, np. naturalnie wy­stępującą formą fruktozy jest D(—) izomer.

Mieszanina równych ilości izomerów D i L nie wykazuje żadnej aktywności optycz­nej, gdyż aktywności każdego z izomerów wza­jemnie się znoszą. Mieszaninę taką nazywamy racemiczną lub DL-mieszaniną. Związki otrzy­mywane syntetycznie są z konieczności racemi-czne, ponieważ każdy z izomerów powstaje z taką samą łatwością.

2. Piranozowe i furanozowe formy
   pierścieniowe. Podstawą terminologii jest
   fakt, że trwale struktury pierścieniowe mono­
   sacharydów są podobne do struktury pierście­
   nia piranu lub furanu (ryc. 15-3). Ketozy mogą
   również występować w formach pierścienio­
   wych (np. D-fruktofuranoza lub D-fruktopira-
   noza) (ryc. 15-4). W przypadku znajdującej się
   w roztworze glukozy, ponad 99% jej cząsteczek
   znajduje się w postaci piranozowej; a więc mniej
   niż 1% znajduje się w postaci furanozowej.

3. a i p Ano mery. Struktura pierścieniowa
   aldozy jest półacetalem, ponieważ została utwo­
   rzona w wyniku reakcji grupy aldehydowej
   z grupą alkoholową (ryc. 15-5). Podobnie pierś­
   cieniowa struktura ketozy jest półketalem. Kry­
   staliczna glukoza jest a-D-glukopiranozą.
   W roztworze zachowuje się struktura cykliczna,
   ale pierwszy atom węgla (karbonylowy) staje się

H OH

■i- D- GI u kołu ranoza

n-OGIukopIranoza

OH H

a-D-FruktopIranoza

Ryc. 15-3. Postacie pira nożowa i furanozowa glukozy.

OH H a - D-Fru ktof u r an oza

Ryc. 15-4. Postacie pira nożowa i furanozowa fruktozy.

asymetryczny (anomeryczny atom węgla). Wyni­kiem tego jest powstanie mieszaniny zawie­rającej a-glukopiranozę (36%) i P-glukopira-nozę (63%) oraz śladowe ilości oc i P anomerów glukofuranozy (1%). Ustalaniu się równowagi w tym układzie towarzyszy zmiana skręcalności optycznej (mutarotacja), w miarę otwierania się

164 / ROZDZIAŁ 15

HOCH,

HOCH

h/h \oh

\ /

HO\OH H/H

W

H OH

/f-OGIukopIranoza (0-anomer)

H OH

«r-D-Glukoplranoza

(fl-anomer)

HO\OH

Acykliczna forma aldehydowa

Ryc. 15-S. cc- i p-stereoizomery D-glukopiranozy. Mechanizm mutarotacji.

pierścienia pó lace tal owego i jego odtwarzania, wraz ze zmianami położenia grup — H i — OH przy pierwszym atomie węgfa. Pośrednikiem w tym procesie jest przypuszczalnie uwodniona

prostolańcuchowa cząsteczka acykliczna, acz­kolwiek analiza polarograficzna wykazała, że najwyżej 0,0025% glukozy istnieje w formie acyklicznej. Rotacja optyczna obserwowana w roztworach glukozy jest prawoskretna; z tego powodu w praktyce klinicznej często używa się nazwy dekstroza zamiast glukoza.

4. Epimery. Izomery różniące się konfigu­
   racją — OH i — H przy atomach węgla 2, 3 lub
   4 glukozy nazywamy epimerami. Najważniej­
   szymi biologicznie epimerami glukozy są man-
   noza i galaktoza, utworzone przez epimeryzację
   odpowiednio przy węglu 2 i 4 (ryc. 15-6).

5. Izomery konstytucyjne — aldoza,
   ketoza. Fruktoza ma ten sam wzór cząstecz­
   kowy co glukoza, lecz różni się wzorem struk­
   turalnym. Przy drugim atomie węgla cząsteczki
   fruktozy znajduje się potencjalna grupa ketono­
   wa (ryc. 15-7), natomiast glukoza zawiera po­
   tencjalną grupę aldehydową w pozycji 1 (ryc.
   15-8).

Wiele monosacharydów to związki fizjologicznie ważne

Pochodne trioz powstają w wyniku metaboli­cznej degradacji glukozy w ciągu glikolitycz-

HOCH,

HOCH

H OH a-D-Galaktoza Ryc. 15-6. Epirneryzacja glukozy

H H a-D-Mann ola

CH,OH

I

C=O

CH,OH

CHiOH

i

c=o

I

HO —C — H

H-C-OH i CH,OH

CHjOH

ć=o

I H-C — OH

H-C -OH CH,OH

CH,OH

C = O I HO— C— H

H—C —OH H —C—OH

CH,OH

CH₃OH

i

c=o

HO—C—H

H—C —OH

I H—C —OH

I H—C —OH

CHiOH

Dihydroksyaceton D-(Jsyluloza D-Rybuloza D-Fruktoza

Ryc. 15-7. Przykłady ketoz o znaczeniu fizjologicznym.

D-Sedoheptuloza

WĘGLOWODANY O ZNACZENIU RZJ O LOGICZNYM / 165

			CHO
			H-C-OH
			CH,OH
		Aldehyd D-gllcarynowy
	" CHO *		CHO
	HO-Ć-H		H-C-OH
	H-C-OH		H-C-OH
	CHjOH		CHiOH
	D-Treoza		D-Erytroza
		ł		ł
CHO		CHO	CHO	CHO
HO-Ć-H		H-Ć -OH	HO-Ć-H	H-Ć -OH
HO-Ć-H j		LJA /* LJ n v^ w n	H-Ć-OH	H-Ć -OH
H -C -OH		H-C -OH	H-Ć -OH	H-C -OH
Ćh3oh		CH.OH	CHiOH	CHjOH
D-LIksoza		D-Ksyloza	D-Arablnoza	D-Ryboia
CHO			r 1 CHO CHO
H-C-OH			HO-C-H H-Ć-OH
HO-Ć-H			HO-C-H HO-Ć-H
HO-Ć-H			H-Ć-OH H-Ć-OH
H-C-OH			H-C-OH H-Ć-OH
Ćh,oh			CH,OH CH,OH
O-Galakloza			D-Mannoza D -Glukoza
Ryc. 15-8. Współzależności strukturalne aldoz			szeregu D. D-Treoza nie ma znaczenia fizjologicznego.
Szereg utworzono przez teoretyczne dodawanie jednostki CH2O do grupy -CHO cukru.

coo-

OH

OH

nym. Pochodne trioz, tetroz, pentoz i 7-wcg-lowego cukru (sedoheptulozy) powstają w pro­cesie degradacji glukozy w cyklu pentozofos-foranowym. Pentozy są istotnym składnikiem nukleotydów, kwasów nukleinowych i wielu koenzymów (tab. 15-1). 2 heksoz najważniejsze fizjologicznie są; glukoza, galaktoza, fruktoza i mannoza (tab. 15-2).

Na rycinie 15-8 przedstawiono strukturę zna­czących biochemicznie aldoz, a ryc. 15-7 budo­wę 5 ważnych w metabolizmie ketoz.

Ważną rolę odgrywają kwasy karboksylowe pochodne glukozy, takie jak D-glukuronian (uczestniczący w tworzeniu gtukuronidów i wy­stępujący jako składnik glikozaminoglikanów) i jego pochodne metaboliczne, L-iduronian (skiadnik glikozaminoglikanów) (ryc, 15-9) i L-gulonian (metabolit szlaku kwasu uronowe-go; p. ryc. 22-1).

Ryc. 15-9. a-D-Glukuroman (z lewej) 1 p-L-iduro-

nian (z prawej).

Cukry tworzą glikozydy, reagując z innymi związkami lub między sobą

Glikozydy są to związki powstające w wyniku kondensacji między grupą hydroksylową, znaj­dującą się na anomerycznym atomie węgla monosacharydu lub reszty monosacharydowej, a drugim związkiem, którym może — lecz nie

166 / ROZDZIAŁ 15

Tabela 15-1. Pentozy	mające znaczenie fizjologiczne
Cukier	Występowanie	Znaczenie biochemiczne	Znaczenie kliniczne
D-Ryboza	Kwasy nukleinowe	Składnik strukturalny kwasów nukleinowych i koenzymów, np. ATP, NAD, NADP, flawoprote-in. Metabolit pośredni w cyklu pentozofosfora-rrowym
D-Rybuloza	Powstaje w procesach metabolicznych	Związek pośredni w cyklu pentozofosforan owym
D-Arabinoza	Guma arabska Gumy śliwkowa i czereśniowa	Składnik glikoprotein
D-Ksyloza	Gumy drzewne proteoglikany, glikozaminoglikany	Składnik głikoprotein
D-Liksoza	Mięsień sercowy	Składnik liksoflawiny izo­lowanej z mięśnia serco­wego człowieka
L-Ksyluloza	Związek pośredni szlaku	<wasu uronowego	Pojawia się w moczu w pentozurii wrodzonej

Tabela 15-2. Heksozy	mające znaczenie fizjologiczne
Cukier	Źródło	Znaczenie biochemiczne	Znaczenie kliniczne
D-Glukoza	Soki owocowe.	„Cukier" organizmu.	Pojawia się w moczu
	Hydrolizat skrobi, sa-	Przenoszony przez krew.	(giukozuria) w wyniku
	charozy, maltozy i laktozy	pobierany i wykorzysty-	zwiększenia stężenia
		wany przez tkanki	glukozy we krwi (hiper-
			glikemia) w cukrzycy
D- Fruktoza	Soki owocowe. Miód.	W wątrobie i jelitach	Dziedziczna nietoleran-
	Hydrolizat sacharozy	przekształca się w gluko-	cja fruktozy jest przyczy-
	i inuliny (z bulw karczo-	zę i tak zużywa ją orga-	ną akumulacji fruktozy
	chów)	nizm	i hipoglikemit
D-Galaktoza	Hydrolizat laktozy	W wątrobie ulega prze-	Zaburzenia jej metaboli-
		kształceniu w glukozę	zmu prowadzą do galak-
		i jest metabolizowana.	tozemii i zaćmy
		Syntetyzowana w gru-
		czole sutkowym tworzy
		laktozę mleka. Składnik
		glikolipidów i glikopro-
		tein
D-Mannoza	Hydrolizat gum i martno-	Składnik wielu glikopro-
	zanów roślinnych	tein

musi (w przypadku aglikonu — być inny mono-sacharyd. Jeżeli drugą grupa jest hydroksyl, to wiązanie O-gliknzydowe jest połączeniem aceta-lowym, ponieważ jest ono wynikiem reakcji

między półacetalową grupą hydroksylową a in­ną grupą — OH.

Jeżeli częścią hemiacetalową jest glukoza, to utworzony związek jest glukozydem; jeśli galak-

WĘGLOWODANY O ZNACZENIU FIZJOLOGICZNYM / 167

HO/CH.OH

OH H OH OH

Ryc, 15-10. Streptomycyna (z lewej) i ouabaina (z prawej).

toza — galaktozydent, itd. Jeżeli drugą grupą jest amina, powstaje wiązanie N-glikozydowe, np. między adeniną a rybozą w takich nuk-leotydach, jak ATP (p. ryc. 12-5).

Glikozydy są składnikami wielu leków i przy­praw korzennych oraz tkanek zwierzęcych. Aglikonem może być metanol, glicerol, steroł, fenol lub zasada, np. adenina. Wszystkie gliko­zydy, ważne w medycynie ze względu na ich działanie na mięsień sercowy (glikozydy naser-cowe), zawierają, jako składnik aglikonowy, steroidy. Należą tu pochodne naparstnicy i stro-fantusa, takie jak ouabaina będąca inhibitorem Na⁺/K⁺-ATPazy błon komórkowych. GUko-zydami są niektóre antybiotyki, np. streptomy­cyna (ryc. 15-10).

Deoksycukrom brak atomu tlenu

OH H

Ryc. 15-11. 2- Deoksy- D-rybofuranoza (ano-mer ji),

W deoksycukrach grupę hydroksylową przy­łączoną do pierścienia zastąpił atom wodoru. Deoksycukry otrzymuje się w wyniku hydrolizy pewnych biologicznie ważnych związków. Przy­kładem jest deoksyryboza (ryc. 15-11) występu­jąca w kwasach nukleinowych (DNA).

Deoksycukrem jest również L-fukoza (p. ryc. 15-17), składnik glikoprotein, oraz 2-deoksy-glukoza, znany inhibitor metabolizmu glukozy.

Aminocukry (heksozoaminy) są składnikami glikoprotein, gangliozydów i glikozaminoglikanów

Przykładami aminocukrów występujących w przyrodzie są D-glukozamina (ryc. 15-12), D-galaktozamina i D-mannozamina. Glukoza-mina jest składnikiem kwasu hialuronowego. Galaktozamina (chondrozamina) jest składni­kiem chondroityny (p. rozdz. 54),

HOCH

Ryc. 15-12. Giukozamina (2-amino-D-glukopira-
noza) (anomer a). Galaktozamina jest 2-amino-D-
-galaktopiranozą. Zarówno giukozamina, jak i ga­
laktozamina występują jako N-acetylowe pochod­
ne w większości węglowodanów złożonych, np.
w glikoproteinach.

Niektóre antybiotyki (erytromycyna, karbo-mycyna) zawierają w swojej cząsteczce amino­cukry. Uważa się, że aktywność lecznicza zwią­zana jest z obecnością aminocukrów w cząstecz­kach tych antybiotyków.

168 / ROZDZIAŁ 15

NAJWAŻNIEJSZYMI DISACHARYDAMI SĄ MALTOZA. SACHAROZA I LAKTOZA

Disacharydy są cukrami złożonymi z 2 reszt monosacharydowych połączonych wiązaniem glikozydowym (ryc. 15-13). Nazwę chemiczną

disacharydów tworzy się na podstawie ich mo-nocukrowych składników. Ważnymi fizjologi­cznie disacharydami są maltoza, sacharoza, laktoza i trehaloza {tab. 15-3).

W wyniku hydrolizy sacharozy powstaje mie­szanina zwana „cukrem inwertowanym", gdyż powstająca w czasie hydrolizy silnie lewoskręt-

Maltoza

Trehaloza

A \

¹—o—'

iOH

H OH H OH

0-a-0-Glukoplranozylo-(1-ł4)-a-D-giukopiranoza

H OH H

0-a-OGIukoplranozyto-(1-ł1)-«-[>-g!ukoplranozyd

HOCH₂

HO

H OH

OH

H OH OH H

O-/t-D-Fru ktof u ra n ozylo-(2 -• 1 )-a - D-g I u to p I ran ozyd

Celobioza

Laktoza

H OH H OH

O-0-D-GaJal<taptranozylo-(1-.4)-Ł-D-gfukopiranoza

Ryc. 15-13. Struktura typowych disacharydów. Przedrostek a i p odnosi się do konfiguracji przy anomerycznym atomie węgla(*). Jeżeli węgiel anomeryczny drugiej reszty uczestniczy w tworzeniu wiązania glikozydowego, to ta|ją resztę glikozydową nazywa stę furanozydem lub piranozydem. W odróż­nieniu od większości innych cukrów, cukier nie mający wolnej potencjalnej grupy aldehydowej lub ketonowej na węglu anomerycznym nie wykazuje właściwości redukujących.

WĘGLOWODANY O ZNACZENIU FIZJOLOGICZNYM / 169

Tabela 15-3. Disacharydy
Cukier	Źródło	Znaczenie kliniczne
Maltoza	Produkt trawienia amylazą lub hydrolizy skrobi. Kiełkujące ziarna zbóż i słód
Laktoza	Mleko	Może pojawiać się w moczu podczas ciąży. Przy niedoborze laktazy, zabu­rzenie wchłaniania prowadzi do bie­gunki i wzdęcia
Sacharoza	Cukier trzcinowy i z buraków cukro­wych. Sorgo, ananasy, marchew	Przy niedoborze sacharazy, zaburzenie wchłaniania prowadzi do biegunki i wzdęcia
Trehaloza	Grzyby i drożdże. Główny cukier hemo-limfy owadów.

na fruktoza powoduje zmianę (inwersję) skrę­cał no ści optycznej pierwotnie prawoskrętnej sacharozy.

POLISACHARYDY PEŁNIĄ FUNKCJE ZAPASOWE I STRUKTURALNE

Do polisacharydów zalicza się następujące ważne fizjologicznie węglowodany:

Skrobia. Ma budowę łańcucha a-glikozydo-weg"b. Takie związki, rozpadające się w trakcie hydrolizy tylko na cząsteczki glukozy, są homo-polimerami zwanymi glukoza na mi tub glukana-tni. Skrobia jest najważniejszym źródłem węg­lowodanów w pożywieniu i znajduje się w ka­szach, ziemniakach, roślinach strączkowych i innych warzywach. Dwoma głównymi skład-

nikami skrobi s ą: amylo z a (15 20%),two rżąca nierozgałęzioną strukturę helikoidalną (ryc. 15--14), oraz amylopektyna (80—85%), tworząca łańcuchy rozgałęzione. W tej ostatniej do łań­cucha głównego są przyłączone wiązaniem 1 -+ó łańcuchy boczne; jedno odgałęzienie przypada na 24—-30 reszt glukozowych połączonych wią­zaniami l-*4.

Glikogen (ryc. 15-15). Jest zapasowym polisa­charydem organizmów zwierzęcych. Często na­zywa się go skrobią zwierzęcą. Ma strukturę bardziej rozgałęzioną niż amylopektyna, bo­wiem jedno odgałęzienie przyłączone do łań­cucha głównego wiązaniem a(l -»-6)-glikozydo-wym przypada na 10—18 reszt a-D-glukopi-ranozowych połączonych wiązaniami a(l-»4)--glikozydowymi,

Inulina. Jest polisacharydem występującym

Ryc. 15-14. Struktura skrobi. A — amyloza o strukturze spiralnego zwoju, B — amylopektyna
z rozgałęzieniami przyłączonymi wiązaniami 1 -»6.

170 / ROZDZIAŁ 15

REGION ZEWNĘTRZNY

Ryc. 15-15. Cząsteczka glikogenu. A — struktura ogólna, B — powiększona struktura w punkcie rozgałęzienia. Liczby w A oznaczają kolejne etapy wzrostu cząsteczki. R — pierwotna reszta glukozy zawierająca, jako jedyna w cząsteczce glikogenu, redukującą grupę przy Cv Rozgałęzienia są bardziej różnorodne niż to przedstawiono na tej rycinie: wartość stosunku wiązań 1 -* 4 do wiązań 1 -* 6 waha się w granicach 10—18.

w bulwach i korzeniach dalii, karczochów i mni­szka lekarskiego. Ulega ona hydrolizie do fruk­tozy, jest więc fruktozanem. Ten cukier zapaso­wy, w odróżnieniu od skrobi ziemniaków, jest łatwo rozpuszczalny w ciepłej wodzie i bywa używany w badaniach fizjologicznych do okreś­lenia szybkości filtracji w kłębuszkach nerko­wych.

Dekstryny. Są substancjami powstającymi podczas częściowej hydrolizy skrobi. Pierwszy­mi produktami trawienia skrobi, tworzonymi w wyniku skracania łańcuchów bocznych amy-lopektyny, są dekstryny graniczne.

Błonnik (celuloza). Jest głównym składnikiem podporowym u roślin. Nie rozpuszcza się w po-

pularnych rozpuszczalnikach. Tworzy, zbudo­wane z jednostek p-D-glukopiranozowych, po­łączonych wiązaniami P(l-ł4), długie, proste łańcuchy wzmocnione krzyżowymi wiązaniami wodorowymi. Błonnik nie jest trawiony w prze­wodzie pokarmowym wielu ssaków, w tym człowieka, z powodu braku hydrolazy działają­cej na wiązania p. Jest ważnym składnikiem „objętościowym" pożywienia. W żołądku prze­żuwaczy i innych trawożernych występują mik­roorganizmy zdolne rozbić wiązanie p, co po­zwala wykorzystać bionnik jako znaczące źród­ło energetyczne.

Chiryna. Jest ważnym polisacharydem struk­turalnym u bezkręgowców. Znajduje się ona np.

WĘGLOWODANY O ZNACZENIU FIZJOLOGICZNYM I 171

C hity na

HOCH₂

HOCH,

H HN*CO«CH₃ H HN»CO*CH₃

N-Acetyloglukozamina N-Acełylogiu Kozami na

Kwas hiahironowy

HOCH, COO"

H OH Kwas /(-g luku ran owy N-Acatylogukozamlna

4-Siarczan chondroltyny

(Uwaga: występuje również 6-siarczan)

HOCH,

H HN-COCH₃

H OH

Kwas 0-glukuronowy Siarczan N-acatylogalaktozaminy

Heparyna

h/h \h Hy

"O.

H NH«SO₃~ H OSĄ¹

Suttonowana giukozamina Sulfonowany kwas Iduronowy

Ryc. 15-16. Struktura niektórych polisacharydów złożonych.

w pancerzach skorupiaków i owadów. Struk­turalnie chityna składa się z jednostek N-acety-lo-D-glukozaminy, połączonych wiązaniami P(l-*4)-glikozydowymi (ryc. 15-16).

Glikozamiaogliksny (mukopohsacharydy). Składają się z łańcuchów węglowodanów złożo­nych, charakteryzujących się zawartością ami-nocukrów i kwasów uronowych. Po przyłączeniu tych łańcuchów cukrowych do cząsteczki białka powstaje składnik zwany proteoglikanem. Ra­zem z elastyną i kolagenem, elementami struk­turalnymi takich tkanek, jak kość, tworzą sub­stancję podstawową, czyli kitową. Znaczna licz­ba grup — OH i ładunków ujemnych, które przez odpychanie utrzymują w cząsteczce łań­cuchy węglowodanowe osobno, powoduje, że glikozaminoglikany mają właściwość zatrzymy­wania znacznej ilości wody oraz pęcznienia i dzięki temu zdolność do nadawania właściwo­ści amortyzujących lub poślizgowych innym strukturom. Przykładem są kwas hiałuronowy, siarczan chondroityny i heparyna (ryc. 15-16), omówienie szczegółowo w rozdz. 57,

Glikoproteiny (mukoproteiny). Występują w różnych płynach i tkankach, w tym w błonach komórkowych (p. rozdz. 43 i 57). Są to białka złożone zawierające w różnych ilościach węglo­wodany, przyłączone jako krótkie lub długie (do 15 jednostek) rozgałęzione lub nierozgałę-zione łańcuchy. Łańcuchy takie nazywa się zwykle łańcuchami oligosacharydowymi. Skła­dniki cukrowe obejmują:

Heksozy

Galaktoza (Gal)

Mannoza (Man)

Acetyloheksozaminy

N-Acetyloglukozarnina N-Acetylogalaktozarriina
(GIcNAc) (GaiNAc)

Pentozy

Arabinoza (Ara) Ksyloza (Xyi)

Metylopentozy

L-Fukoza (Fuc; p. ryc, 15-17)

Kwasy sjałowe

Pochodne N-acylowe kwasu neuraminowego, np. kwas N-acetyloneuraminowy (NeuAc; p. ryc. 15-18), główny kwas sjalowy.

Dojrzale glikoproteiny, oprócz kolagenu, nie zawierają glukozy i w przeciwieństwie do gliko-/aminoglikanów i proteogiikanow nie zawierają kwasów uronowych.

Kwasy sjalowe. Są N- lub O-acylowymi po­chodnymi kwasu neuraminowego (ryc. 15-18). Kwas neuraminowy jest 9-węglowym cukrem,

172 / ROZDZIAŁ 15

Jtrs-

O\H HO/0

W

OH H

COCT

Ac —NH

Ryc. 15-17. (i-L Fukoza (6-deoksy-p-L-galakto-za).

stanowią węglowodany, które znajdują się w glikoproteinach i gliko lipid ach. Ich obecność na zewnętrznej powierzchni błony plazmatycz-nej (glikokaliks) wykazano przy użyciu lektyn roślinnych, aglutynin białkowych, które wią­żą się swoiście z pewnymi resztami glikozylowy-mi, np. kimkanawalina A jest swoista w stosun­ku do reszt a-glukozy 1 owych i a-mannozylo-wych.

Glikoforyna. Jest główną integralną gliko-proteiną błony ludzkich erytrocytów. Zbudo­wana ze 130 reszt aminoacylowych tkwi w bło­nie lipidowej tak, że zarówno z zewnętrznej, jak i z wewnętrznej (cytoplazmatycznej) powierz­chni błony wystają wolne części polipeptydowe. Łańcuchy sacharydowe są przyłączone tylko do części N-końcowej, znajdującej się na zewnątrz powierzchni zewnętrznej błony (p. rozdz, 43).

OH H

Ryc. 15-18. Struktura kwasu N-acetyloneurami-nowego (kwasu sjalowego). Ac = CH3-CO-.

którego strukturę można wyprowadzić, tączac mannozaminę (epimer glukozaminy) z pirogro-nianem. Kwasy sjalowe są składnikami zarów­no glikoprotein jak i gangliozydów.

WĘGLOWODANY ZNAJDUJĄ SIĘ W BŁONACH KOMÓRKOWYCH

Lipidową strukturę błon komórkowych opi­sano w rozdz. 16 i 43. Analiza składników błon komórkowych ssaków wykazuje, że ok. 5%

PIŚMIENNICTWO

Advances in Carbohydrate Chemistry. Academic

Press, 1945—current. Collins PM (editor); Carbokydrates. Chapman

& Hali, 1987. Ferrier RJ, Collins PM; Monosaccharide Chemistry.

Penguin Books, 1972. Hughes RC: The comple* carbohydrates of mam-

malian celi surfaces and their biological roles.

Essays Biochem 1975;11:1. Lindahl U, Hook M: Glycosaminoglycans and their

binding to biological macromolecules. Annu Rev

Biochem 1978;47:385. Pigman WW, Horton D (editors): The Carbohydrates.

Vols — 1A and 1B. Academic Press, 1972. Rees DA: Poiysaccharide Shapes. Wiley, 1977. Sharon N: Carbohydrates. Sci Am 1980;245:90

---