I Biochemia cytologiczna i histologiczna. Wykrywanie podstawowych składników chemicznych w komórkach i tkankach

1. Białka

Białka są podstawowymi składnikami budulcowymi (strukturalnymi) komórek organizmu. Oprócz funkcji strukturalnych, białka pełnią różnorakie funkcje metaboliczne, szczególnie dotyczy to enzymów, tzw. biokatalizatorów w organizmach żywych. Białka są związkami wielkocząsteczkowymi (powyżej 10 000 kD). Cząsteczki białek prostych (proteiny) utworzone są tylko przez aminokwasy, podczas gdy w skład białek złożonych (proteidy) wchodzą obok aminokwasów związki niebiałkowe (grupa prostetyczna). Ponadto regulują ciśnienie osmotyczne płynów wewnątrz- i pozakomórkowych oraz stężenie jonów wodorowych. Niektóre pełnią rolę hormonów. Uczestniczą w krzepnięciu krwi, w transporcie związków metali, hormonów, enzymów oraz innych substancji, a także w procesach immunologicznych. Białka zawierające tryptofan i tyrozynę pochłaniają promienie UV. Mogą stanowić materiał energetyczny: utlenienie l g białka dostarcza 17 kJ energii1.

Jednostka ciepła - kaloria /cal/ nie należy do układu SI, jednakże jest powszechnie stosowana w tabelach fizjologicznych i dietetycznych. Jednostką energii w układzie SI jest dżul (J); l cal = 4,184 J; l kcal = 4,184 kJ.

Pod wpływem metali ciężkich, zasad, kwasów, alkoholi, garbników, mocznika, podwyższonej temperatury (ponad 56°C) ulegają denaturacji. Denaturacja polega na nieodwracalnej zmianie konformacji i stopnia uwodnienia białka. Zniszczeniu ulegają wtedy mostki wodorowe i disulfidowe.

W białkach powszechnie występuje 22 aminokwasy. Połączone są one ze sobą za pomocą wiązania peptydowego -CO-NH-. Utworzenie wiązania peptydowego wiąże się z wydzieleniem wody. Wiązania peptydowe wykrywa się za pomocą reakcji z jonami miedzi (2+) w środowisku zasadowym. Związek zawierający w składzie do 10 aminokwasów nosi nazwę oligopeptydu (np. glutation), a powyżej 10 aminokwasów (do 100) — polipeptydu (np. adrenokortykotropina).

Sekwencja i liczba aminokwasów w białku określa I-rzędową strukturę białka. Łańcuchy aminokwasowe nie występują w formie wyprostowanej, lecz są pofałdowane (harmonijkowe) lub helisowe. Zagięcia łańcucha są zapewnione przez dodatkowe wiązania wodorowe pomiędzy grupami -CO i -NH-. Jest to struktura II-rzędowa. Struktura III-rzędowa powstaje na skutek działania wiązań wodorowych, jonowych i hydrofobowych. Dzięki temu tworzy się trójwymiarowy przestrzenny układ pofałdowanych łańcuchów białka, z łańcuchami bocznymi stabilizującymi całą strukturę. Szczególna rolę odgrywają wówczas wiązania dwusiarczkowe (po utlenieniu grup -SH). Niektóre białka, głownie enzymatyczne zbudowane są z agregatów łańcuchów polipeptydowych — z podjednostek. Sposób połączenia podjednostek tworzy strukturę IV-rzędową. W tym przypadku ważne są siły Van der Waalsa, mostki siarczkowe i wodorowe oraz wiązania hydrofobowe.

Roztwory białek są roztworami rzeczywistymi (cząsteczkowymi), jednakże ze względu na duże rozmiary cząsteczek (5-10 nm) wykazują właściwości roztworów koloidalnych. Proces przechodzenia osadu w zol nazywamy peptyzacją, a proces wytracania osadu, tj. przechodzenie zolu w żel - koagulacją. W roztworze cząsteczki białka mają określony ładunek elektryczny, na skutek dysocjacji grupy -NH₂ i -COOH znajdujących się w resztach aminokwasowych łańcuchów polipeptydowych. Dysocjacja tych grup powoduje wytworzenie ładunków elektrycznych: -NH₃ i -COO-. Obecność ładunku elektrycznego powoduje, ze cząsteczki białek mają właściwości hydrofilne i tym samym zdolność pochłaniania wody oraz pęcznienia. Białka są więc związkami amfoterycznymi z uwagi na obecność wolnych grup —COOH (np. kwas glutaminowy, kwas asparaginowy) i -NH₂ (lizyna, amid kwasu glutaminowego, amid kwasu asparaginowego).

W zależności od pH środowiska cząsteczki białka wędrują w polu elektrycznym do anody lub katody. Migracja cząsteczek obdarzonych ładunkiem w polu elektrycznym nosi nazwę elektroforezy. pH, przy którym wypadkowy ładunek białka wynosi O nazywa się punktem izoelektrycznym białka (pI); innymi słowy pI jest to wartość pH przy której cząsteczki białka nie poruszają się. Dzięki tym właściwościom można rozdzielać mieszaninę białek. Ze względu na wartość pI białka dzielimy na trzy grupy:

1. Białka kwaśne, z przewagą wolnych grup -COOH, np. kazeina, niektóre białka surowicy;

2. Białka zasadowe, z przewagą wolnych grup aminowych, np. histony;

3. Białka obojętne, których pI przypada na pH 7,0, np. niektóre białka surowicy.

Punkt izoelektryczny zależy od warunków środowiska: pH, temperatury, siły jonowej elektrolity, rodzaju użytego nośnika.

Wartością stałą białek jest punkt izojonowy, zależny od sekwencji i liczby aminokwasów w makrocząsteczce. Jest to wartość pH, przy której liczba protonów związanych z -NH₂ jest równa liczbie protonów oddanych przez grupę -COOH.

Enzymy trawiące białka do aminokwasów (hydrolazy peptydowe = peptydazy, enzymy proteolityczne) katalizują hydrolizę wiązania peptydowego:

-CO-NH- + H₂O ---> -COO- + NH₃+

Endopeptydazy rozrywają cząsteczki białka wewnątrz łańcucha peptydowego. Egzopeptydazy działają na końce łańcuchów, oddzielając od nich aminokwasy. Karboksypeptydazy odłączają aminokwas z końca łańcucha z wolną grupą -COOH. Aminopeptydazy odłączają aminokwasy od końca łańcucha z wolną grupą -NH₂.

Ze względu na kształt cząsteczki wyróżnia się białka fibrylarne i globularne. Wydłużone cząsteczki białka fibrylarnego zbudowane są z rozciągniętych łańcuchów polipeptydowych. Białka te nie rozpuszczają się w wodzie i oporne są na działanie enzymów. Przykładami są keratyna (włosy, wełna, naskórek) i kolagen (tkanka łączna) bogate w cysteinę. Białka globularne mają kształt eliptyczny i są najczęściej dobrze rozpuszczalne w wodzie oraz w roztworach soli. Spośród licznych białek globularnych należy wymienić:

1. Albuminy. Są białkami rozpuszczalnymi w wodzie. Obecne w mleku, w komórkach jajowych, we krwi, w ziarnach zbóż. Mają masę cząsteczkową około 70000 (albuminy krwi 69000). Zawierają głównie kwas asparaginowy, argininę i kwas glutaminowy.

2. Globuliny. Obecne w mleku, w mięśniach, w osoczu krwi (40% białka całkowitego)

i w spermie. Trudno rozpuszczalne w wodzie, łatwiej - w roztworach soli. Mają masę cząsteczkowa powyżej 100.000. Globuliny osocza krwi obejmują frakcję alfa1, alfa 2, beta i gamma. Frakcja gamma to immunoglobuliny.

3. Histony. Zasadowe białka wchodzące w skład chromatyny jądra komórkowego. Wyróżnia się 5 klas histonów, różniących się stosunkiem argininy do lizyny, masa cząsteczkową i relacją ilościową aminokwasów zasadowych do aminokwasów kwaśnych. Histony H 1 (m.cz. 21.000) są bogate w lizynę. Histony H2A (m.cz. 14.500) i H2B (m.cz. 13.800) są średnio bogate w lizynę. Histony H3 (m.cz. 15.300) i H4 (m. cz. 11.300) są bogate w argininę.

4. Protaminy. Występują w spermie ssaków i ryb w powiązaniu z kwasami nukleinowymi. Są zasadowymi polipeptydami. Zawierają argininę, lizynę i (lub) histydynę. Przedstawicielem może być klupeina (mlecz śledzi), salmina (mlecz łososi), skombryna (mlecz makreli).

5. Prolaminy. Występują w ziarnach traw (składnik glutenu). Są białkami kwaśnymi, pozbawionymi lub ubogimi w lizynę; bogatymi w prolinę i oksyprolinę Rozpuszczają się w alkoholach. Masa cząsteczkowa 30000-50000.

6. Gluteliny. Obecne w nasionach traw. Rozpuszczają się w roztworach kwasów i zasad. Nierozpuszczalne w etanolu 70%. Składnik glutenu.

W organizmie człowieka białka tworzą połączenia z innymi związkami chemicznymi:

1. Fosfoproteidy zawierają kwas fosforowy estrowo związany z grupami -OH seryny i treoniny. Przykładem jest kazeina mleka (0,71% fosforu). W mleku kazeina występuje w postaci soli wapniowych, jako kazeinian wapnia. Można ją wytrącić za pomocą podpuszczki, roztworów soli (Na₂SO₄(NH₄)₂SO₄, NaCl, KCl, MgSO₄) i kwasów (siarkowy, solny, mlekowy), acetonu i alkoholi.

2. Glikoproteidy to białka połączone z cukrowcami. Należą do nich, lektyny, owoalbumina, kolagen, ceruloplazmina, fibrynogen, haptoglobuliny, mucyna, transferyna. W skład istoty podstawowej tkanki łącznej wchodzą laminina i fibronektyna.

3. Lipoproteidy są połączeniami tłuszczowców z białkami, np. lecytyna związana z albuminą żółtka w komórce jajowej. Lipidy są nierozpuszczalne w wodzie. Zatem, aby organizm mógł je przetransportować za pośrednictwem krwi musza być one związane z białkami. W hepatocytach obok lipidów produkowane są białka transportujące apolipoproteiny A, B i C. Wyróżnia się 4 frakcje lipoprotein krwi: alfal - HDL - high density lipoproteins (o dużej gęstości; 18-30%), beta - LDL (o małej gęstości; 50-70%), beta2 VLDL - very low density lipoprotein (o bardzo małej gęstości), chylomikrony (produkowane przez komórki adsorpcyjne nabłonka jelita, a rozkładane przez hepatocyty; 10%; są liposomami naturalnymi). Duże stężenie LDL (low density lipoprotein) sprzyja rozwojowi miażdżycy.

4. Chromoproteidy są to białka połączone z różnymi barwnikami: hemoglobina, hemocyjanina, cytochromy, rodopsyna, melanoproteidy, flawoproteidy, ceruloplazmina (transportuje miedź), transferryna (transportuje żelazo).

5. Nukleoproteidy to białka wielkocząsteczkowe połączone z kwasami nukleinowymi: histony, białka niehistonowe (m.cz. 30000-225000).

6. Mukoproteidy - grupa białkowców zawierająca w składzie więcej niż 4% cukrowca. Obecnie jest włączona do glikoproteidów. Dawniej zaliczano tu mucynę, obecną w śluzie (ślina). Mucyna jest glikoproteiną kwaśną, zawierającą kwas sialowy.

2. Cukrowce

Cukry, czyli sacharydy (węglowodany) są to związki organiczne, aldehydowe i ketonowe pochodne alkoholi wielowodorotlenowych, o ogólnym wzorze sumarycznym Cn(H₂O)n. Stanowią podstawowy składnik energetyczny i budulcowy organizmów roślinnych i zwierzęcych. Głównym źródłem cukrów na Ziemi jest fotosynteza. Ogólny podział cukrowców:

1. Monosacharydy: diozy, triozy (aldehyd glicerynowy, dihydroksyaceton), tetrozy (np. erytroza), pentozy (np. arabinoza, ramnoza, fukoza, ryboza, dezoksyryboza, ksyloza), heksozy (np. glukoza, fruktoza, galaktoza, mannoza, sorboza).

2. Oligosacharydy (np. sacharoza, laktoza, maltoza, izomaltoza, celobioza, trehaloza).

3. Polisacharydy (np. skrobia, glikogen, inulina, celuloza).

Nazwa węglowodany pochodzi od węgla i wody, bowiem stosunek wodoru do tlenu jest taki jak w wodzie tj. 2:1, jednakże w przeciwieństwie do wody cukry obok tlenu i wodoru zawierają jeszcze węgiel.

Monosacharydy, czyli cukry proste są ciałami stałymi, barwy białej łatwo rozpuszczalnymi w wodzie, o masie molowej >200. Są optycznie czynne. Pod względem chemicznym należą do hydroksyaldehydów lub hydroksyketonów poliwodorotlenowych; stąd rozróżnia się aldozy (np. arabinoza, ksyloza, ryboza, glukoza, mannoza, galaktoza) i ketozy (np. rybuloza, fruktoza, sorboza). Z kwasami ulegają estryfikacji. Polikondensują tworząc di,- oligo- i polisacharydy. Z tego względu, że w cząsteczkach cukrów występują obok siebie grupy aldehydowe (lub ketonowe) i alkoholowe, powstają wewnątrzcząsteczkowe wiązania półacetalowe (półketalowe) między grupą aldehydową (ketonową) a grupa wodorotlenową. Efektem tego są heterocykliczne układy o pięcio- lub sześcioczłonowym pierścieniu, pochodnym furami lub piranu. Odpowiadające im monosacharydy nazywają się furanozami lub piranozami.

Dzięki obecności grupy -OH, cukry mogą tworzyć przy asymetrycznym atomie węgla C1 wiązania glikozydowe. Warunkuje to tworzenie oligo- i polisacharydów.

Właściwości chemiczne monosacharydów wynikają z obecności w cząsteczce dwóch grup funkcyjnych -CHO (=CO) i -OH. Grupy aldehydowe wykazują właściwości redukujące i utleniające, zdolność tworzenia osazonów, oksymów i addycji HCN. Grupy -OH można acetylować bezwodnikiem octowym.

W wyniku redukcji glukozy powstaje alkohol heksawodorotlenowy -sorbitol, a następnie heksan. Utlenienie glukozy prowadzi do powstania kwasu glukonowego. Pod wpływem stężonych kwasów z pentoz powstaje furfural a z heksoz 5-hydroksymetylenofurfural, który następnie przechodzi w kwas lewulinowy (ketonokwas). Aldehydowe pochodne furami tworzą barwne produkty kondensacji z floroglucyną, z naftolem, tymolem czy rezorcyną. Zostało to wykorzystane do analizy jakościowej cukrowców. Ogólną (uniwersalną) reakcją barwną wskazującą na obecność sacharydu jest reakcja Molischa: alkoholowy 20% roztwór alfa-naftolu lub tymolu z dodatkiem kilku kropli H₂SO₄ w obecności cukrów zabarwia się na czerwono lub czerwonofiołkowo.

Reakcja z floroglucyną służy do odróżnienia pentoz od heksoz. Pentozy zabarwiają się na czerwonowiśniowo.

Reakcja z antronem służy do wykrywania heksoz (niebieskie zabarwienie).

Reakcja Seliwanowa (z rezorcyną) wykorzystywana jest do wykrywania ketoz (zabarwienie łososiowe).

Glukoza (cukier gronowy, dekstroza) występuje w organizmach roślinnych (produkt fotosyntezy) w formie wolnej (np. w owocach winogron, agrestu, berberysu) lub w postaci disacharydów (sacharoza, maltoza, celobioza). Glukoza jest monomerem polisacharydów (glikogen, skrobia) oraz składnikiem licznych glikozydów.

Glukoza stanowi podstawowy składnik energiodajny. Jest łatwo absorbowana po podaniu doustnym. Zmniejsza zapotrzebowanie na metabolizm tłuszczów, zapobiega ketonemii i kwasicy przez zwiększenie ilości glikogenu w wątrobie. Przy niedostatecznej podaży glukozy w pożywieniu uintensywnia się utlenianie tłuszczów w organizmie i wzrasta stężenie pośrednich produktów beta-oksydacji (kwas hydroksymasłowy i acetooctowy). Produkty te kumulują się we krwi, powodując ketonemię.

Glukoza jest odżywka energetyczną mięśni, wzmacnia skurcze serca, rozszerza naczynia wieńcowe, działa moczopędnie. W medycynie sportowej jest stosowana jako środek ogólnie tonizujący (w stanach wyczerpania, przy długotrwałych wysiłkach fizycznych, po przetrenowaniu). W komórkach ulega aktywacji przechodząc w fosfocukry (np. glukozo-6-fosforan). Po aktywacji może przekształcać się w inne cukry proste. Magazynowana jest głównie w wątrobie i w mięśniach (glikogen). Ulega glikolizie do kwasu pirogronowego i mlekowego dostarczając ATP. Prawidłowe stężenie D-glukozy (prawoskrętnej) we krwi wynosi 3,6-6,1 mmol/l (0,7-1,1 g/l).

Glukoza jest aldozą (aldoheksoza). Ten cukier prosty wykazuje wpływ redukujący dzięki obecności w cząsteczce grupy karbonylowej =CO, w formie aldehydowej - -CHO. Grupa aldehydowa ulega utlenieniu w środowisku zasadowym.

Fruktoza (lewuloza) powstaje w drodze izomeryzacji z glukozy. Występuje w miodzie, w owocach (łac. fructus - owoc) i w spermie.

Składnik sacharozy i polisacharydu - inuliny. W organizmie zwierząt występuje w formie aktywnej, ufosforylowanej jako fruktozo-6-fosforan, fruktozo-1-fosforan i fruktozo-1,6-difosforan (pośrednie metabolity glikolizy i glukoneogenezy). W przewodzie pokarmowym wchłaniana jest wolniej niż glukoza. Jest jednak szybciej metabolizowana i bez udziału insuliny. Przyspiesza metabolizm etanolu, co zostało wykorzystane w lecznictwie przy zatruciu alkoholowym. Nie zwiększa stężenia glukozy we krwi.

Galaktoza jest składnikiem budulcowym cukru mlekowego - laktozy i wielocukrów roślinnych (hemicelulozy, galaktany). Wchodzi w skład śluzów i gum roślinnych. W organizmie człowieka występuje w formie aktywnej: galaktozo-1-fosforan i UDP-galaktoza. Jest przekształcana w UDP-glukozę lub utleniana do kwasu UDP-galakturonowego. Niezbędna do syntezy glikolipidów.

Właściwości redukujące posiadają także cukry z grupa ketonową =C=O, czyli ketozy. Należy tutaj fruktoza. Redukuje ona miedź dwuwartościową na miedź jedno wartościową w reakcji Fehlinga. Za pomocą tej reakcji można wykryć obecność cukrów redukujących w materiale tkankowym i w miodzie. Zarówno glukoza jak i fruktoza gromadzone są w owocach.

Pod wpływem stężonych kwasów (H₂SO₄, HC1, CH₃COOH) heksozy tworzą 5-hydroksymetylenofurfural. Aldehydowe pochodne furanu kondensują ze związkami fenolowymi: tymol, rezorcyna, alfa-naftol, floroglucyna, np. reakcja Molischa (powstaje wówczas barwny triarylometan z układem chinoidowym). Związki fenolowe zawierające l grupę -OH (naftol, tymol) wytwarzają z furfuralem związki triarylometanowe. Natomiast związki fenolowe posiadające kilka grup -OH (floroglucyna, orcyna, rezorcyna) dają w reakcji z furfuralem związki ksantenowe.

Ketozę - fruktozę możemy wykryć w materiale roślinnym (owoce) i w miodzie, przeprowadzając reakcję Seliwanowa.

Oligosacharydy są to wielocukry proste, zbudowane z 2-10 cząsteczek monosacharydów, połączonych wiązaniami glikozydowymi. Pod wpływem hydrolizy kwaśnej lub enzymatycznej rozpadają się na monomery, najczęściej pentozy lub heksozy. Jednocukry wchodzące w skład bisacharydów (dwucukrów) mają budowę cykliczną i łączą się między sobą za pomocą wiązania O-glikozydowego alfa lub beta, czyli atom wodoru hemiacetalowej grupy -OH jest podstawiony resztą drugiej cząsteczki cukru. Wiązania glikozydowe są wiązaniem typu eterowego i powstają przy wydzieleniu wody. W bisacharydach redukujących cząsteczka wody powstaje z dwóch grup wodorotlenowych, przy czym jedna z nich jest grupą glikozydowa; natomiast w dwucukrach nieredukujących cząsteczka wody wydziela się z dwóch grup glikozydowych (obie są zablokowane).

Maltoza (cukier słodowy) zbudowana jest z dwóch cząsteczek D-glukozy połączonych wiązaniami alfa-l,4-glikozydowymi. Można ja otrzymać z glikogenu lub ze skrobie w wyniku hydrolizy enzymatycznej (enzym diastaza, czyli amylaza). Jest cukrem redukującym. Występuje w trawach. Maltoza jest trawiona w jelicie przez maltazę do dwóch cząsteczek glukozy.

Sacharoza (cukier trzcinowy, cukier buraczany) zbudowany jest z fruktozy i z glukozy. Nie ma właściwości redukujących. Występuje w tkankach miękiszowych roślin. W soku jelitowym ulega hydrolizie pod wpływem sacharazy (inwertaza) i alfa-glukozydazy.

Grupy redukujące obu cukrów sacharozy posłużyły do utworzenia wiązania glikozydowego poprzez węgiel 1 glukozy i węgiel 2 fruktozy. Można powiedzieć, że sacharoza jest alfa-D-glukozo-beta-D-fruktozydem. Nastąpiło więc zablokowanie grup -OH; heksozy budujące bisacharyd nie mogą zorganizować grupy aldehydowej lub ketonowej warunkującej właściwości redukujące.

Pod wpływem hydrolizy kwaśnej lub enzymatycznej sacharoza ulega rozpadowi do D-glukozy i D-fruktozy tworząc cukier inwertowany (roztwór sacharozy posiada na początku prawoskrętność, potem lewoskrętność - zjawisko inwersji, czyli zmiany skręcalności optycznej). W reakcji hydrolizy kwasowej pod wpływem jonów wodorowych cząsteczka sacharozy pochłania cząsteczkę H₂O i rozpada się na monosacharydy:

C₁₂H₂₂0₁₁ + H₂0 ---> C₆H₁₂0₆+ C₆H₁₂0₆

Laktoza (cukier mlekowy) jest disacharydem redukującym o wiązaniu alfa 1,4, zbudowanym z D-glukozy i z D-galaktozy. Występuje w mleku ssaków (mleko kobiece - 6%, mleko krowie - 4,5%). Jest niezbędna do syntezy gangliozydów mózgowych. Zawarta w soku jelitowym laktaza (beta-D-galaktozydaza) trawi laktozę do cukrów prostych.

Polisacharydy są glikozydami, których makrocząsteczki zbudowane są z setek lub tysięcy reszt węglowodanowych, połączonych ze sobą przez atomy tlenu grup półacetalowych. Cząsteczki mają budowę liniową lub rozgałęzioną. Wyróżnia się monoglikany (zbudowane z jednego rodzaju cukru prostego) i heteroglikany (złożone, z co najmniej dwóch rodzajów cukru prostego lub ich pochodnych). Pełnią funkcję materiału budulcowego i zapasowego.

Wraz ze wzrostem masy cząsteczki maleje rozpuszczalność polisacharydu w wodzie. Nie mają właściwości redukujących. Mogą mieć charakter obojętny lub kwaśny (gdy występują w budowie składniki kwasowe, np. grupa siarczanowa, kwasy uronowe).

W wyniku hydrolizy kwaśnej lub enzymatycznej z polisacharydów powstają bisacharydy lub monosacharydy.

Glikogen. Jest to polisacharyd zbudowany z cząsteczek alfa-D-glukozy, połączonych wiązaniami alfa-1-4- i alfa-l-6-glikozydowymi. Struktura przypomina amylopektynę, bowiem cząsteczka jest krzaczkowato rozgałęziona. Rozgałęzienia występują co 8-12 reszt glukozowych. Masa cząsteczkowa wynosi od l mln do 5 mln. Stanowi podstawowy związek zapasowy (energiodajny) zwierząt, rzadziej roślin (obecny jest u niektórych roślin, np. glistnika Chelidonium, kuklika Geum). Ponadto syntetyzowany przez bakterie, glony i grzyby.

W mięśniach występuje około 0,6-1%, a w wątrobie 6- 8% glikogenu. Pomimo tak dużej cząsteczki jest rozpuszczalny w wodzie (pęcznieje w zimnej wodzie). Płyn Lugola zabarwia go na czerwono lub brunatno. W razie niedoboru glukozy we krwi następuje uaktywnienie rezerw węglowodanów w formie glikogenu. W procesie fosforolizy czyli glikogenolizy zachodzi odłączanie cząsteczek glukozy od łańcucha glikogenu. Reakcję katalizuje fosforylaza glikogenowa:

(C₆H₁₂O₆),, — +Pi—fosforylaza glikogenowa ——> glukozo-1-fosforan — fosfoglukomutaza-—» glukozo-6-fosforan— odjęcie Pi — glukozo-6-fosfataza —> glukoza C₆H₁₂O₆

Skrobia (amylum) - polisacharyd (glukan) zbudowany z alfa-D-glukozy. Cząsteczki glukozy połączone są wiązaniami alfa-glikozydowymi (zatem reszty glukozowe są połączone w wiązaniami 1-4; oznacza to, że atom węgla pierwszego C-1 jednego pierścienia połączony jest z atomem węgla czwartego C-4 drugiego pierścienia). Cząsteczka skrobi na jednym końcu posiada glikozydowy atom C-1, a na drugim końcu atom C-4. Na jednym z końców występuje więc cząsteczka glukozy mająca wolną grupę redukującą. Przy udziale enzymu fosforylazy = alfa-l-4-glikofosforylazy (fosforoliza - rozkład skrobi i glikogenu do glukozo-1-fosforanu) cząsteczka skrobi jest trawiona poczynając od końca łańcucha pozbawionego grupy redukującej. Cząsteczka skrobi jest równomiernie skręcona, przy czym każdy skręt obejmuje 6 cząsteczek glukozy. W skład skrobi wchodzą dwie frakcje: amyloza i amylopektyna.

Amyloza (20-35%) zbudowana jest z nierozgałęzionych łańcuchów (struktura linearna) złożonych z 200-1000 cząsteczek glukozy, połączonych wiązaniami alfa-1-4-glikozydowymi. Masa cząsteczkowa około 150 000

Amylopektyna zbudowana jest z 1200-3600 reszt glukozy połączonych w łańcuchy rozgałęzione, przy czym rozgałęzienia utworzone są przez wiązania alfa-l-6-glikozydowe. Masa cząsteczkowa - około 1 mln.

Hydrolizę enzymatyczna skrobi przeprowadzają enzymy zwane ogólnie amylazami (alfa-, beta- i gamma).

Alfa-amylazy (endoamylazy) rozkładają skrobię do dekstryny, a potem do maltozy i izomaltozy. Występuje w ślinie.

Beta-amylazy (egzoamylazy) trawią skrobię do maltozy (hydroliza co drugiego wiązania glikozydowego). W amylopektynie odcinają łańcuchy boczne (dając amylodekstrynę). Gamma-amylazy trawią skrobię do glukozy.

W wyniku hydrolizy kwasowej skrobi początkowo uzyskuje się dekstryny, których masa cząsteczkowa stopniowo obniża się. Wreszcie wydziela się maltoza i glikoza:

(C₆H₁₀O₅)_n — H₂O, H+ —» amylodekstryny —> H₂O, H+ —> erytrodekstryny —H₂O, H+ ——> achrodekstryny —H₂O, H+ ——» maltoza C₁₂H₂₂O₁₁ —H₂O, H+ —> glukoza C₆H₁₂O₆

Amylodekstryny zabarwiają się płynem Lugola na niebiesko. Erytrodekstryny pod wpływem odczynnika Lugola przybierają barwę czerwoną, natomiast achrodekstryny zabarwienia nie wykazują.

Amylopektyna nie jest rozpuszczalna w wodzie (jedynie pęcznieje), podczas gdy amyloza rozpuszcza się w gorącej wodzie tworząc zol koloidalny.

U roślin skrobia jest gromadzona w plastydach, głównie w leukoplastach. Wypełniony leukoplast ziarnami skrobi nosi nazwę amyloplastu.

Hydroliza kwasowa skrobi.

(C₆H₁₀0₅)n+ nH₂0 ---kwas,H+---> nC₆H₁₂O₆

Celuloza (błonnik) to polisacharyd zbudowany z 3-8 tys. (u zielenicy Yalonia do 25 tys.!) cząsteczek glukozy (beta-D-glukopiranozy) połączonych wiązaniami beta-glikozydowymi (beta 1-4). Wyższą jednostką strukturalną błonnika jest celobioza, czyli bisacharyd. Celuloza w substancji jest proszkiem zbudowanym z małych włókienek, nierozpuszczalnych w wodzie, bez smaku i zapachu.

Celuloza to typowy i charakterystyczny składnik roślinny. Występuje także u niektórych bezkręgowców, osłonie Tunicata (strunowce Chordata; substancja pod nazwą tunicyna), pierwotniaków, sinic i bakterii (np. Acetobacter xylinum).

Składnik budulcowy ścian komórkowych. Łańcuchy celulozy tworzą mikrofibryle, czyli włókienka o średnicy 10 nm. Strefy regularnego ułożenia cząsteczek celulozy (układ krystaliczny, równoległy) nosi nazwę micelli. Przestrzenie pomiędzy tymi micellami noszą nazwę przestrzeni międzymicellarnych. Pomiędzy cząsteczkami wy stępuj ą mostki wodorowe, stabilizujące strukturę. Mostki wodorowe łączą poszczególne łańcuchy ze sobą w sieć.

Celuloza jest odporna na niszczące działanie większości związków. W przewodzie pokarmowym człowieka nie ulega strawieniu. Jest jednak ważnym składnikiem pożywienia, bowiem reguluje przesuwanie treści pokarmowej przez przewód trawienny; wpływając na strukturę pokarmu — zapewnia właściwe jego przesycenie sokami trawiennymi i zwiększa dostęp enzymów do poszczególnych składników odżywczych. Ponadto reguluje defekację, rozluźniając masę kałową. Wreszcie zapewnia podłoże rozwojowe dla naturalnej (symbiotycznej) mikroflory i mikrofauny układu pokarmowego.

Celuloza jest trawiona przez niektóre bakterie z rodzaju (Cytophaga, Cellvibrio, Sorangium, beztlenowy Clostridium thermocellum), grzyby (np. z rodzaju Fusarium, Chaetomium, Trichoderma), pierwotniaki (Entodinium, Diplodinium), zwierzęta bezkręgowe (owady, mięczaki, pierścienice) i parazytofity (rośliny wyższe pasożytnicze, np. z rodziny Cuscutaceae, Scrophulariaceae, Orobanchaceae). Organizmy te wyposażone są w celulazy. Celulaza to nazwa zbiorcza dla trzech podstawowych frakcji enzymów: endo-beta-l,4-glukanazy (trawią wewnątrzcząsteczkowe wiązania beta-1,4, powstają łańcuchy o wolnych końcach); egzo-beta-l,4-glukanazy (od końców odcinają bisacharyd celobiozę); beta-glukozydazy = celobiazy (trawią celobiozę do glukozy).

Stężony kwas siarkowy rozkłada cząsteczki celulozy do glukozy. Jest to proces scukrzenia celulozy (mieszanina celobiozy i glukozy):

(C₆H₁₀0₅)n + nH₂0 — kwas, H+—> nC₆H₁₂O₆

Odczynnik Schweizera rozpuszcza celulozę. Celuloza jest ważnym surowcem w przemyśle chemicznym. Uzyskuje się z niej fibrę (tworzywo termoplastyczne odporne na ścieranie), celofan, celuloid i octany celulozy (tworzywa podobne do celuloidu).

W organizmach żywych celuloza jest ściśle powiązana z hemicelulozami.

Hemicelulozy (półbłonniki) są również wielocukrami zbudowanymi głównie z pentoz (arabinoza, ksyloza), heksoz (mannoza, glukoza, galaktoza), kwasów uronowych (kwas galakturonowy, kwas glukuronowy) i z dezoksycukrów (utrata jednego atomu tlenu w odpowiednim cukrze), np. ramnozy. Pełnią funkcje materiału zapasowego i strukturalnego. Wchodzą w skład śluzów i ścian komórkowych roślin, porostów i grzybów. Ulegają hydrolizie do cukrów prostych pod wpływem rozcieńczonych kwasów i enzymów.

Pektyny są to linearne polisacharydy poliuronidowe (polimery kwasów uranowych). Monomerem jest najczęściej kwas poligalakturonowy (poligalakturonian). Cząsteczki tego kwasu połączone są wiązaniami glikozydowymi w pozycji alfa-1 —>4. Grupy -COOH są zestryfikowane, a grupy -OH zacetylowane. W skład polimerów pektynowych wchodzą również cukry: arabinoza (polimer arabanowy; cząsteczki arabinofyranozowe połączone wiązaniami alfa-1—>5 glikozydowymi), ksyloza, galaktoza (polimer galaktanowy; cząsteczki galaktozy połączone wiązaniami glikozydowymi beta-1—>4).

Pektyny wchodzą w skład ścian komórkowych. W roztworach kwasów i cukrów tworzą żele (zastosowanie w przemyśle spożywczym i w gospodarstwie domowym). Zawarte w pokarmach pektyny pobudzają perystaltykę jelit, działają ochronnie, hemostatycznie, przeciwzapalnie, przeciwbiegunkowe; zapobiegają zaparciom.

Trawione są przez poligalakturonazę, czyli pektynazę, która jest glikozydazą katalizującą rozpad wiązania alfa-1—>4 glikozydowe. Pektynoesterazy katalizuje hydrolizę wiązań estrowych między grupami -COOH i -OH (wiązania metyloestrowe).

Glikozydy to związki zbudowane z części cukrowej - glikonu i z części niecukrowej — aglikonu (geniny). Są ważne z punktu widzenia leczniczego i biochemicznego. Pod względem chemicznym glikozydy podzielić można następująco:

1. O-glikozydy: grupa wodorotlenowa aglikonu (alkohole, kwasy) połączona jest z węglowodanem:

R-C-OH + H-O-R1

2. N-glikozydy: grupa aminowa aglikonu (I, II-rzędowe aminy) połączona jest z cukrem:

R-C-OH + H-N-R1, -R2

3. C-glikozydy: połączenie aglikonu (np. alkoholu) z cukrem ma miejsce przez węgiel C:

R-C-OH + H-C-R1, -R2, -R3

4. S-glikozydy: połączenie aglikonu (zawierającego siarkę) z cukrem odbywa się przez siarkę:

R-C-OH + H-S-R1

Na ćwiczeniach będziemy wykrywali glikozydy nasercowe w liściach konwalii (reakcja Kellera-Kilianiego na obecność dezoksycukrów glikozydowych). W konwalii występują głównie glikozydy pochodne strofantydyny (konwalatoksyna, konwalozyd) i strofantydolu (konwalatoksol). Genina jest steroidem z pierścieniem laktonowym. Cukrem (dezoksycukrem) jest ramnoza (cukier prosty, w którym co najmniej 1 grupa wodorotlenowa jest zredukowana.

Przetwory z konwalii wykorzystywane są w lecznictwie w niewydolności krążenia pochodzenia sercowego. Działają na mięsień sercowy ino- i tonotropowo dodatnio.

Glikozydy fenolowe dają po hydrolizie aglikon w formie fenolu lub jego pochodnych. Cukrem jest najczęściej glukoza. Mają charakter słabych kwasów. Są dobrze rozpuszczalne w wodzie.

Stanowią bardzo ważną grupę związków z punktu widzenia biochemicznego i farmakognostycznego. Większość z nich wykazuje właściwości bakteriobójcze, grzybobójcze i wirusobójcze.

Arbutyna C₁₂H₁₆O₇ czyli beta-glikozyd hydrochinonu występuje m.in. w mącznicy, borówce, wrzosie, gruszy i kaliny. Od dawna wykorzystywane były właściwości lecznicze tych roślin w chorobach (zakażeniach) układu moczowego. Arbutyna początkowo połączona z kwasem glukuronowym rozpada się w zasadowym moczu do hydrochinonu (i glukozy), który dezynfekuje drogi moczowe.

Salicyna C₁₃H₁₈O₇ czyli beta-glikozyd saligeniny C₇H₈O₂ występuje w korze wierzb Salix, kaliny i topoli. W organizmie człowieka ulega utlenieniu do kwasu salicylowego. W topolach Populus obecna jest także populina C₂₀H₂₂O₈ - glikozyd saligeniny w połączeniu z kwasem benzoesowym. Oba glikozydy wykazują działanie przeciwgorączkowe, napotne, przeciwzapalne, lekko uspokajające i przeciwbólowe. Zostało to wykorzystane w lecznictwie, jednakże obecnie związki salicylowe (np. acetylosalicylowy kwas, amid kwasu salicylowego, salicylan choliny) otrzymywane są syntetycznie.

Cyjanogeneza to zespół procesów zmierzających do syntezy związków cyjanogennych, czyli zawierających grupę cyjanową -CN. W wyniku hydrolizy enzymatycznej lub kwasowej związki te wydzielają cyjanowodór (kwas pruski) HCN. Większość związków cyjanogennych ma charakter glikozydu -nitrylozydu.

Spośród około 50 związków cyjanogennych wytwarzanych przez rośliny, można wymienić: amigdalinę C₂₀H₂₇NO₁₁ (migdały), prunazynę (tarnina, czeremchy, wiśnia, czereśnia), sambunigrynę (bez czarny, bez hebd, bez koralowy), linamarynę C₁₀H₁₇NO₃ (lnica, len), lotaustralinę (koniczyna), factor Lathyrus (groszek).

Podczas hydrolizy enzymatycznej (emulsyna) wydziela się najpierw nitryl (cyjanohydryna) i wolna glukoza. Dopiero po tym etapie dochodzi do uwolnienia HCN i wytworzenia ketonu lub aldehydu.

Glikozydy cyjanogenne syntetyzowane są z aminokwasów, np. linamaryna wywodzi się z waliny, a amigdalina - z fenyloalaniny i tyrozyny.

Jak wiadomo cyjanowodór i jego sole należą do najsilniejszych toksyn. Wykazują one silne powinowactwo do układu żelazowo-porfirynowego enzymów oddechowych. Blokują więc funkcję enzymów oddechowych. Cyjanowodór może łączyć się z hemoglobina tworząc cyjanohemoglobinę, niedysocjującą do hemoglobiny.

Niektóre zwierzęta gospodarskie narażone na działanie cyjanowodoru pochodzącego z roślin (np. koniczyna, liczne trawy), wykształciły ciekawy mechanizm detoksykacji:

CN- + S — enzym rodanaza ——> CNS-

Enzym rodanaza przekształca więc jon cyjankowy w tiocyjanian za pomocą siarki odłączonej od kwasu beta-merkaptopirogronowego HSCH₂COO₂H.

Tę reakcję detoksykującą wykorzystuje się także podczas ratowania zatrutych osób cyjankami. Dożylnie podaje się 50 ml 30% tiosiarczanu sodu. Tiosiarczan (25% roztwór) używany jest również do płukania żołądka w razie zatrucia droga pokarmową:

CN- + Na₂S₂O₃ ---> CNS- + Na₂SO₃

Śmiertelna dawka HCN dla człowieka wynosi około l mg/kg masy ciała.

3. Lipidy

Lipidy, czyli tłuszczowce (glicerydy) - są to estry glicerolu i wyższych kwasów tłuszczowych. Nie są rozpuszczalne w wodzie, dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych. Kwasy tłuszczowe występujące w tłuszczach zawierają parzystą liczbę atomów węgla. Spośród kwasów tłuszczowych nasyconych należy wymienić kwas palmitynowy (CH₃(CH₂)₁₄COOH) i stearynowy (CH₃(CH₂)₁₆COOH. Kwasem nienasyconym tłuszczów jest najczęściej kwas oleinowy (C₁₇H₃₃COOH), kwas linolowy (C₁₇H₃₁COOH) i linolenowy (C₁₇H₂₉COOH). Ilość i jakość kwasów tłuszczowych budujących dany tłuszcz decydują o jego właściwościach fizykochemicznych. Kwasy nasycone (od C10) tworzą tłuszcze stałe. Kwasy o niższej liczbie atomów węgla (od 4 do 9) i kwasy nienasycone tworzą tłuszcze ciekłe.

Reakcja otrzymania tłuszczu:

C₃H₅(OH)₃ + 3 C₁₇H₃₅COOH ---> C₃H₅(C₁₇H₃₅COOH)₃ + 3 H₂O

Estry są pochodnymi kwasów i alkoholi, które uległy reakcji estryfikacji.

Glicerol jest alkoholem trój wodorotlenowym, to znaczy: 1,2,3-propanotriolem.

Estryfikacji mogą ulec wszystkie trzy grupy -OH w glicerolu. Pod wpływem kwasów tłuszcze ulegają hydrolizie do glicerolu i kwasu tłuszczowego. W reakcji z zasadami ulegają zmydleniu: wydzielają się sole kwasów tłuszczowych (mydła). W obecności światła i tlenu ulegają jełczeniu na skutek utleniania nienasyconych kwasów tłuszczowych (w miejscu podwójnych wiązań). Powstanie nadtlenków podczas jełczenia prowadzi do poprzerywania łańcuchowej cząsteczki lipidów i wydzielenia wonnych krótkołańcuchowych kwasów tłuszczowych, aldehydów i ketonów.

Tłuszcze pobierane wraz z pokarmem są trawione przy udziale lipaz. Komórki główne żołądka wydzielają niewielka ilość lipazy mało specyficznej (i mało aktywnej przy tak niskim pH -1,5-2) w stosunku do kwasów tłuszczowych lipidów. Hydrolizuje ona wiązania estrowe. W jelicie aktywnie działa trzustkowa lipaza triacyloglicerolowa (aktywowana przez wapń). Optymalne pH dla tego fermentu wynosi ok. 9.

Trawi tłuszcze do kwasów tłuszczowych, glicerolu, mono-i dwuacylogliceroli. Pod wpływem żółci tłuszcze ulegają emulgacji, co ułatwia dostęp enzymu do cząstek lipidowych.

Beta-oksydacja. W komórkach (mitochondria) kwasy tłuszczowe ulegają aktywacji do tioestrów przy udziale ATP. Dzięki temu stają się związkami reaktywnymi i wysokoenergetycznymi.

Dehydrogenaza przy udziale FAD (FAD—»FADH2) powoduje odwodorowanie kwasów tłuszczowych w pozycji alfa, beta. Do nienasyconych kwasów tłuszczowych dołączona zostaje cząsteczka wody dając beta-hydroksykwasy. Te z kolei są utleniane przez odwodorowanie w pozycji beta, przy udziale dehydrogenazy i NAD+. Powstały tioester beta-ketokwasu przy udziale drugiej cząsteczki CoA-SH ulega tiolizie (rozpadowi) do acetylo-koenzymu A i acylo-koenzymu A (zawiera dwa węgle mniej niż poprzedni), który poddany jest ponownej beta-oksydacji. Jeden cykl obejmuje dwukrotne odwodorowanie i przenoszenie wodoru na tlen (łańcuch oddechowy) z wytworzeniem 5 cząsteczek ATP (2 cząsteczki z FADH+H, 3 cząsteczki z NADH+H) z odczepieniem acetyloCoA. Proces jest sprzężony z cyklem Krebsa i łańcuchem oddechowym. Glicerol włączony jest do procesu glikolizy. Utlenienie l g tłuszczu dostarcza 9,3 kcal.

Acetylokoenzym A jest utleniony do kwasu cytrynowego w cyklu Krebsa po związaniu ze szczwiooctanem.

Pod względem ogólnej budowy chemicznej, tłuszczowce dzieli się na fosfolipidy, glikolipidy, woski i sterydy. Termin tłuszczowce jest obszerniejszy, ogólniejszy od pojęcia lipidu (tłuszczu). Nie wszystkie tłuszczowce są, więc dosłownie lipidami (tłuszczami).

1. Fosfolipidy są to pochodne kwasu fosfatydowego, czyli związku zbudowanego z glicerolu, reszt kwasów tłuszczowych i kwasu fosforowego. Stanowią składnik błon komórkowych. Szczególnie dużo fosfolipidów występuje w tkance nerwowej. Do fosfolipidów należą lecytyny, kefaliny, serynofosfatydy i fosfoinozytydy. Kefaliny, czyli fosfatydyloetanolaminy obok typowych składników zawierają kolaminę - etanolaminę (powstałą przez dekarboksylację seryny). Występują w mózgu. Po przyłączeniu trzech grup metylowych kefaliny przechodzą w lecytyny. Serynofosfatydy = fosfatydyloseryny zawierają w składzie serynę. Zatem mogą ulegać przekształceniu w kefaliny (dekarboksylacja). Fosfoinozytydy - fosfatydyloinozytole zawierają alkohol sześciowodorotlenowy - inozytol (cyklitol). Inozytol uznawany jest przez wielu farmakologów za witaminę (B8). Wywiera działanie lipotropowe, zapobiega stłuszczeniu wątroby i reguluje posaż treści pokarmowej w układzie trawiennym. Ponadto wywołuje zmiany przewodności podnietbłony w fotoreceptorach. Występuje w plemnikach, w mózgu, w sercu, w wątrobie oraz w mięśniach szkieletowych.

2. Glikolipidy są tłuszczami złożonymi, zawierającymi w budowie cukier (glikozydowo związany, w pozycji l z grupą -OH glicerolu). Rozróżnia się galaktolipidy = cerebrozydy i gangliozydy. Cerebrozydy zawierają 18-węglowy nienasycony alkohol sfingozynę, kwas tłuszczowy i galaktozę. Występują w tkance nerwowej, gdzie pełnią funkcje związków powierzchniowo czynnych (lipidowo-wodna granica faz błon komórkowych). Gangliozydy zawierają 18-węglowy nienasycony aminoalkohol sfingozynę (powstaje z palmitylo-CoA oraz z seryny), kwas tłuszczowy, laktozę, N-acetyloglukozaminę i kwas N-acetylo neuraminowy. Występują w istocie szarej mózgu oraz rdzenia kręgowego, gdzie pełnią funkcje tenzydów, czyli związków powierzchniowo czynnych.

3. Woski to estry kwasów tłuszczowych nasyconych i nienasyconych z jednowodorotlenowymi alkoholami, np. cetylowym. Należą do lipidów prostych. Pełnią funkcje ochronne (składnik łoju).

4. Sterydy, czyli steroidy są związkami zawierającymi rdzeń steranowy (gonanowy). Steran to cyklopentanoperhydrofenantren, zbudowany z 4 pierścieni (budowa tetracykliczna); tzw rdzeń steranowy jest więc 17-węglowy. Poszczególne związki sterydowe różnią się między sobą liczba i charakterem podstawników bocznych związanych z rdzeniem i tym samym stopniem nasycenia rdzenia. Do sterydów zalicza się hormony sterydowe, kwasy żółciowe, ekdysony, witanolidy, fitosterole, geniny glikozydów nasercowych, saponiny i alkaloidy sterydowe. Dawniej wydzielano z tej grupy sterole. Pod względem chemicznym są one sterydami, bowiem zawierają rdzeń steranowy z grupa wodorotlenową w pozycji 3 oraz łańcuch boczny w pozycji 17. Do steroli należy cholesterol. Cholesterol nie jest lipidem właściwym, ale zalicza się go do ogólnej grupy tłuszczowców.

Lecytyny. Fosfolipidy (fosfatydylocholiny) zbudowane z glicerolu, kwasów tłuszczowych, kwasu fosforowego i 4-rzędowej zasady - choliny. Składnikami lecytyn są również fosfatydyloetanolamina, fosfatydyloseryna i fosfatydyloinozytol. Obecne między innymi w tkance nerwowej, w żółtku komórek jajowych i w soi. Lecytyny wchodzą w skład biomembran. Dostarczane wraz z pokarmem są źródłem choliny (składnik neurotransmitera acetylocholiny) i substratów do budowy struktur komórkowych. W farmacji stanowią ważny emulgator podczas produkcji leków. Preparaty lecytynowe działają ogólnie wzmacniająco (stymulujące psychofizycznie), lipotropowo (regulują stężenie i rozłożenie cholesterolu w tkankach), przeciwmiażdżycowo i regenerujące.

Lecytyny są trawione przez fosfolipazy A, B, C i D. Fosfolipaza A katalizuje odłączenie nienasyconego kwasu tłuszczowego; powstaje wówczas izolecytyna. Fosfolipaza B zabiera II cząsteczkę kwasu tłuszczowego od izolecytyny, pozostawiając glicerofosforan choliny. Fosfolipaza C i D hydrolizują wiązania estrowe między alkoholem i kwasem fosforowym.

Wspomniana wyżej cholina to pochodna trójmetylowa etanolaminy, to znaczy: wodorotlenek beta-hydroksyetylotrimetyloamoniowy. Biosynteza choliny w ustroju polega na dekarboksylacji seryny, a potem metylację etanolaminy:

Seryna CH₂OH-CHNH₂-COOH — -CO ---> kolamina CH₂OH-CHNH₂ ---> cholina CH₂OH-CHN+(CH₃)₃

Cholina reguluje gospodarkę tłuszczową (działanie lipotropowe). Jest dawcą grup metylowych dla syntezy aminokwasu siarkowego - metioniny. Zapobiega stłuszczeniu i marskości wątroby (ochrania miąższ wątroby). W lecznictwie stosowana w zaburzeniach pozapiramidowych, przy otyłości, w zaburzeniach krążenia, w atonii pęcherza moczowego i jelit oraz w nadmiernym napięciu mięśniowym. Dawniej uważana za witaminę (B₄).

Cholesterol. Sterol zwierzęcy, 3-beta-hydroksycholesten-5; grupa -OH przy węglu 3 znajduje się w pozycji beta. Nierozpuszczalny w wodzie, rozpuszczalny w rozpuszczalnikach organicznych. Występuje we wszystkich komórkach w stanie wolnym lub związanym. Prawidłowe stężenie cholesterolu w surowicy waha się od 3,9 do 7,2 mmol/1 (150-280 mg%). W przeciętnej diecie znajduje się około 1,5-2 g cholesterolu. W czasie wchłaniania cholesterolu z pokarmu następuje estryfikacja przy udziale transferazy lecytyna-cholesterol. Średnio w organizmie człowieka znajduje się około 60 g cholesterolu; 2/3 z tego przypada na mięśnie szkieletowe, tkankę tłuszczową i skórę. Pozostała część wchodzi w skład lipoprotein krwi oraz w skład biomembran komórek pozostałych tkanek. Około 2 g cholesterolu dziennie jest spożytkowane do syntezy kwasów żółciowych. Wraz z kałem tracone jest około 1 g cholesterolu.

Biosynteza cholesterolu (głównie w wątrobie) rozpoczyna się od kondensacji dwóch cząsteczek acetylokoenzymu A dając aceto-acetylokenzym A. Ten z kolei przechodzi w beta-hydroksy-beta-metyloglutarylo-koenzym A. Związek ten jest redukowany przez NADPH do mewalonianu. Kwas mewalonowy zużywając ATP (2 cz.) przechodzi w pirofosforan kwasu mewalonowego. Przy użyciu ATP (1) dochodzi do powstania pirofosforanu izopentenylu, czyli czynnego izoprenu (5-węglowy związek). Kolejnym stadium jest wytworzenie 15-weglowego związku - pirofosforanu farnezylu. Dwie cząsteczki tego związku dają 30-węglowy skwalen. Skwalen ulega cyklizacji do lanosterolu, a ten wreszcie do cholesterolu.

Reakcja Hübla. W obecności jodu i katalizatora HgCl2 kwasy tłuszczowe nienasycone przyłączają do wiązania podwójnego jod (addycja). Jest to reakcja Hübla.

Liczba zmydlania lipidów. Oznacza ilość miligramów KOH niezbędną do zmydlenia l g tłuszczu badanego. Umożliwia określenie w przybliżeniu masy cząsteczkowej kwasów tłuszczowych budujących dany lipid.

II Poznawanie właściwości biochemicznych wybranych płynów, wydalin i wydzielin ustrojowych.

Emulsja to niejednorodne rozproszenie (układ dyspersyjny) składające się z co najmniej dwóch nie mieszających się ze sobą cieczy (faz). Jeden ze składników jest rozproszony w drugim, w postaci kuleczek o średnicy minimalnej 0,1 um (max. 500 um). Jedną z faz jest na ogół woda, drugą - substancja lipofilna, a zarazem hydrofobowa, np. w mleku. Jeżeli fazą rozproszoną jest olej, a fazą rozpraszającą - woda (woda jest fazą ciągłą) to mówimy o emulsji olejowo-wodnej O/W (olej/woda). Jeśli natomiast woda jest fazą rozproszoną przez fazę olejową (olej jest fazą ciągłą) to mamy do czynienia z emulsją wodno-olejową W/O. Dla utrzymania emulsji konieczny jest trzeci składnik: emulgator. Emulgator stabilizuje emulsję i decyduje o jej typie; obniża napięcie powierzchniowe na granicy faz, otacza więc kuleczki fazy rozproszonej. W mleku emulgatorem są białka. Kuleczki tłuszczowe mleka przeważnie mają średnicę 2-4 um. Im więcej tłuszczu w mleku, tym większa średnica kuleczek. Silny stopień dyspersji tłuszczu w mleku czyni go łatwo przyswajalnym pokarmem. Dzięki rozproszeniu istnieje łatwy dostęp lipaz do drobin tłuszczowych, i tym samym zwiększa się ich powierzchnia trawienna (czynna, na którą mogą oddziaływać enzymy).

Zawarte w mleku cząstki znajdują się w nieustannym, bezładnym ruchu (ruchy zaobserwowane przez angielskiego botanika Roberta Browna (1773-1858). Tory cząstek są liniami łamanymi. Zgodnie z kinetyczną teorią materii, rozproszone cząstki doznają uderzeń od poruszających się bezładnie cząsteczek środowiska (fazy rozpraszającej). Uderzenia następują z różnych stron, stąd zmiana kierunku poruszania się cząstek w omawianej emulsji. Wraz ze wzrostem temperatury prędkość ruchu cząstek wzrasta.

Hemoglobina jest hemoproteiną (metaloproteiną) o masie cząsteczkowej 65 000-68 000. Stanowi 30% masy erytrocytów człowieka. Zbudowana jest z 4 podjednostek, z których każda zawiera układ porfirynowy - hem i polipeptyd - globinę. Hem składa się z 4 pierścieni pirolowych tworzących protoporfirynę. W pierścień wbudowany jest atom żelaza dwuwartościowego. Protoporfiryna utrzymywana jest przez imidazolowąresztę histydyny. Obwodowe węgle piroli w pozycji l, 3, 5, 8 mają grupę metylową -CH₃, w 2 i 4 grupę winylową-CH=CH₂, a w 6 i 7 propionową -CH₂-CH₂COOH.

W płucach hemoglobina wiąże 4 cząsteczki tlenu (8 atomów tlenu), stając się oksyhemoglobiną HbO₂. l g hemoglobiny wiąże 1,34 ml tlenu.

Hb + O₂ <---> HbO₂

Hb₄ + 4 O₂ <---> HbO₈ (1 cząsteczka Hb zawiera 4 hemy!)

Stopień wysycenia hemoglobiny tlenem i jej dysocjacja zależą od prężności CO₂ i pH krwi. Zwiększenie prężności CO₂ sprzyja dysocjacji hemoglobiny.

Pod wpływem środków utleniających (azotyny) hemoglobina przechodzi w methemoglobinę (metHb) barwy brunatnej. Związek ten nie zawiera już hemu, lecz hematynę z Fe³⁺ (żelazo na trzecim stopniu utlenienia). Stan taki nosi nazwę methemoglobinemii i prowadzi do śmierci. Methemoglobina nie ma zdolności przenoszenia tlenu. W erytrocytach występuje enzym reduktaza hemiglobinowa, chroniący hemoglobinę przed utlenieniem (odróżnić od utlenowania!).

Hemoglobina tworzy również połączenie z tlenkiem węgla CO. Powstaje wówczas karboksyhemoglobina HbCO (nie mylić z karbohemoglobiną!, naturalnie transportującą dwutlenek węgla CO2). HbCO traci zdolność wiązania tlenu, co prowadzi do uduszenia -zaczadzenia (czad czyli tlenek węgla wykazuje większe powinowactwo do hemoglobiny niż tlen). Z siarkowodorem H2S hemoglobina wytwarza połączenie zwane sulfhemoglobiną HbSH.

Prawidłowe stężenie hemoglobiny we krwi kobiet wynosi 12,5- 15,5 g/1, a u mężczyzn wynosi 13,5-17,5 g/1 (7,5-9,9 mmol/1).

Mioglobina występuje w tkance mięśniowej. Transportuje tlen w obrębie miocytów. Zawiera 0,34% żelaza, a jej masa cząsteczkowa wynosi 17.500. Wykazuje większe powinowactwo do tlenu niż hemoglobina. Jest to pojedynczy łańcuch zbudowany ze 153 aminokwasów. Do pierścienia imidazolowego reszty histydynowej łańcucha przyłączona jest protoporfiryna z żelazem dwuwartościowym. Mioglobina jest wysycona tlenem, gdy jego prężność wynosi ponad 5 mm Hg. Gdy prężność tlenu w komórce spada poniżej 5 mm Hg (podczas intensywnej pracy mięśni), tlen jest uwalniany z hemoglobiny.

III Wykrywanie działalności enzymów

Enzymy to biokatalizatory białkowe, regulujące szybkość przebiegu reakcji biochemicznych. Enzymy mogą zostać wyodrębnione z komórek i działać niezależnie od żywych struktur.

Odznaczają się specyficznością działania, tzn., że dany enzym katalizuje jeden, określony typ reakcji biochemicznej i działa na ogół na jeden ściśle określony substrat.

Enzymy to kompleksy białkowe proste lub złożone. Zasadniczą częścią składową każdego enzymu jest grupa czynna, warunkująca łączenie się enzymu z substratem. W przypadku enzymów - białek prostych, rolę grupy czynnej spełniają ugrupowania aminokwasów. W przypadku enzymów - białek złożonych rolę grupy czynnej spełnia część niebiałkowa, czyli jego grupa prostetyczna, zwana koenzymem. Część białkową cząsteczki enzymu nazywamy wówczas apoenzymem.

Aktywny katalitycznie jest wyłącznie kompleks apoenzymu z koenzymem — zwany holoenzymem:

Apo-enzym + ko-enzym —> holoenzym aktywny

Funkcję koenzymów spełniaj ą związki drobnocząsteczkowe o różnej budowie chemicznej, np. witaminy; a także organiczne połączenia z metalami Fe, Mn, Cu, Zn, Co. Przykładem grupy prostetycznej jest układ hemowy, stanowiący centrum aktywne katalazy, oksydazy cytochromowej, czy cytochromów.

W niektórych enzymach obie części składowe: koenzym i apoenzym są luźno ze sobą połączone i można je z łatwością rozdzielić, a potem zespolić. Apoenzym warunkuje specyficzność substratową działania enzymu, gdyż wykazuje powinowactwo do substratu. Koenzym określa typ katalizowanego procesu. Ponadto pośredniczy lub uczestniczy w przekazywaniu elektronów i służy jako ostateczny akceptor.

Enzymy podobnie jak katalizatory nieorganiczne przyspieszają reakcje, które są termodynamicznie możliwe. Powodują one obniżenie energii aktywacji, przy czym w mechanizmie działania istotny moment stanowi utworzenie przejściowego połączenia substraty z enzymem -kompleks ES. W takim przejściowym połączeniu następuje rozluźnienie odpowiednich wiązań, czemu towarzyszy aktywacja substratu i zwiększa się jego łatwość wejścia w reakcję. Tworzenie połączenia ES zachodzi jedynie w centrum aktywnym cząsteczki enzymu. Istotne właściwości nadają enzymom struktury II-, III- i IV-rzędowe.

Utworzenie ES polega na przestrzennym ułożeniu substratu względem centrum aktywnego, umożliwiającym przemieszczenie elektronów w obrębie substratu. Centrum aktywne ulega dopasowaniu, czyli zmienia konformację dla określonej konfiguracji substratu.

Etapy reakcji enzymatycznej:

I - łączenie enzymu z substratem;

II - przejście substratu do produktu;

III - odłączenie enzymu od produktu.

Innymi słowy centrum aktywne to obszar enzymu, w którym zachodzi kataliza, stąd nazwa nisza katalityczna. Sam proces wiązania substratu przez enzym jest tłumaczony kilkoma teoriami:

• Zasada zamka i klucza (teoria Fischera): enzym posiada określone miejsce, które pod względem rozmiaru, kształtu i właściwości chemicznych jest komplementarne z cząsteczką substratu;

• model indukowanego dopasowania się enzymu (teoria Koshlanda): obszar katalityczny enzymu jest elastyczny; obecność substratu indukuje zmiany konformacyjne białka, dzięki czemu następuje właściwe ułożenie grup katalitycznych względem grup funkcyjnych i wiązań w cząsteczce substratu;

trójpunktowe przyłączenie substratu (model, albo efekt (teoria) Ogstona): substrat przyłącza się do powierzchni enzymu w trzech punktach; położenie cząsteczki substratu wobec enzymu jest jednoznacznie określone, a reakcja zachodzi tylko w jednym z trzech punktów przyłączenia; wyjaśnia swoistość przestrzenną enzymów.

Niektóre enzymy wykazują dużą swoistość w stosunku do substratu. Ich działanie jest często ograniczone tylko do pewnych izomerów; do takich enzymów należą alfa-glikozydazy i beta-glikozydazy.

Szybkość reakcji enzymatycznej zależy od stężeń molowych enzymu i substratu. Przy stałym stężeniu substratu szybkość reakcji jest proporcjonalna do stężenia enzymu. Przy stałym stężeniu enzymu szybkość reakcji jest proporcjonalna do stężenia substratu. Przy całkowitym nasyceniu enzymu substratem szybkość reakcji jest maksymalna.

Pewne substancje mogą hamować reakcje enzymatyczne (inhibitory), inne je przyśpieszać - aktywatory. Na przykład, dla amylazy ślinowej aktywatorem są jony Cl-. Aktywatory sprzyjają uformowaniu właściwej konformacji centrum aktywnego, czyli działają przez efekty allosteryczne. Inhibitorem dla enzymów oddechowych są cyjanki, wykazujące powinowactwo do układu żelazowo-porfirynowego.

O ilości enzymu sadzi się na podstawie przemian szybkości katalizowanej przez niego reakcji. Jednostką standardową enzymu stanowi ta jego ilość, która katalizuje przemianę 1 uM substratu w ciągu l minuty, w temperaturze 30°C, w optymalnym pH i stężeniu substratu.

Zdolność katalityczną enzymu można wyrazić liczbą obrotów, tzn. liczbą cząsteczek substratu przekształconych w ciągu 1 minuty przez centrum aktywne.

Szybkość reakcji enzymatycznej wzrasta wraz ze wzrostem temperatury, jednakże do pewnej wartości maksymalnej. Maximum to przypada zazwyczaj na 40-50°C.

Aktywność katalityczna enzymów zależy od kwasowości, czyli stężenia jonów wodorowych w środowisku. W katalizie enzymatycznej uczestniczą grupy funkcyjne będące w formie jonowej lub niejonowej. W środowisku o wysokim stężeniu jonów wodorowych grupy aminowe są uprotonowane -NH3+, natomiast grupy karboksylowe istnieją w formie niezjonizowanej - COOH. Enzym wówczas nie jest aktywny. Gdy stężenie jonów wodorowych sprzyja dysocjacji grup karboksylowych dochodzi do aktywacji enzymu. Zwiększanie pH przyśpiesza pracę enzymu, ale do pewnego maximum (optimum pH). Dalsze zwiększenie pH powoduje oddysocjowanie jonów wodorowych od grup NH3+. Na przykład pepsyna jest aktywna przy pH niskim 1,5-2, a lipaza przy pH około 6.

Enzymy dzielimy na 6 klas:

I Oksydoreduktazy - katalizują procesy oksydo-redukcyjne (przenoszenie elektronów i protonów na różne akceptory, np. NAD+, NADP+, flawoproteidy).

II Transferazy - katalizują reakcje przenoszenia grup funkcyjnych z cząsteczki donora do cząsteczki akceptora, np. metylowej -CH3 (transmetylazy), aminowej -NH2 (transaminazy), acylowych R-CO-(transacylazy).

III Hydrolazy - katalizują rozpad cząsteczek złożonych na prostsze przy udziale H2O; innymi słowy katalizują przenoszenie grypy funkcyjnej z cząsteczki donora do cząsteczki wody; w ten sposób dochodzi do hydrolizy wiązań estrowych (esterazy), eterowych, glikozydowych (glikozydazy), amidowych (amidazy).

IV Liazy - katalizują reakcję addycji wody, amoniaku lub CO2 do wiązań podwójnych; katalizują również reakcje odwrotne.

V Izomerazy - przebudowują strukturę cząsteczki bez jej rozkładu; katalizują więc wewnątrzcząsteczkowe przegrupowanie atomów, czyli izomerię (izomerazy cis, trans).

VI Ligazy - katalizują reakcje łączenia dwóch substratów, w wyniku czego powstają wiązania C-O, C-S, C-N, C-C. Są to reakcje wymagające nakładu energii ze związków wysokoenergetycznych, np. ATP, GTP.

Oksydazy fenolowe to miedzioproteiny przenoszące wodór z substratu na tlen, w wyniku czego obok głównego produktu powstaje woda. Zmienia się przy tym stopień utlenienia miedzi w enzymie:

2 Cu+ + 2 H+ + 1/2 O2 ---> H₂O + 2 Cu2+

Utleniają więc fenole do difenoli, a te z kolei do ciemniejących chinonów (o-difenol do o-dichinonu). Wywołują ciemnienie tkanek roślin uszkodzonych, do których dociera tlen i światło. U człowieka enzym z tej grupy - tyrozynaza (fenolaza) katalizuje przemianę DOPA (3,4-dioksyfenyloalaniny) w kierunku indochinonów i brunatno-czarnej melaniny.

Kwas askorbinowy przeobraża chinon w orto-difenol (reakcja odwrotna) z wytworzeniem kwasu dehydroaskorbinowego. W ustroju człowieka kwas askorbinowy bierze udział w hydroksylacji związków aromatycznych, w utlenieniu fenylolalaniny do p-hydroksyfenylopirogronianu oraz w przemianie kwasu foliowego do folinowego.

Peroksydazy to hemoproteinowe enzymy oksydoredukcyjne, które przy pomocy nadtlenku wodoru H₂O₂ utleniają różne substraty. Występują m.in. w tarczycy i granulocytach.

W tarczycy (cytoplazma komórek pęcherzyków) peroksydaza utlenia jony jodu do jodu pierwiastkowego (2 I ---> I2 + 2 e). Jod pierwiastkowy przenika do koloidu, gdzie wiąże się z grupami tyrozynowymi zgromadzonej tam tyreoglobuliny.

Natomiast katalazy to hemproteinowe enzymy oksydoredukcyjne, katalizujące rozkład nadtlenku wodoru do wody i tlenu: H₂O₂ + H₂O₂ ---> 2 H₂O + O₂

Zapobiegają więc gromadzeniu się toksycznych nadtlenków. Występuje w erytrocytach oraz w hepatocytach (organelle peroksysomy). W wątrobie nadtlenek wodoru powstaje w trakcie utleniania kwasu moczowego i D-aminokwasów.

IV Biochemia różnych związków.

Karoten (C₄₀H₅₆) należy do substancji barwnikowych izoprenoidowych (tetraterpenów; węglowodór nienasycony zbudowany z 8 reszt izoprenowych) o ogólnym wzorze sumarycznym C₄₀H₆₄ (karotenoidy). Wykazuje właściwości lipofilne, stąd określany jest mianem lipochromu. Występuje w roślinach (w dużych ilościach: marchew, róża, jarzębina, głóg, papryka, pomidory, pietruszka, rzeżucha, szpinak, koperek, liście topoli, igliwie sosny, mięta, liście orzecha włoskiego) oraz w żółtku jaj, maśle, mleku i w śmietanie. Zlokalizowany jest w chromoplastach (często obok ksantofili) i w chloroplastach (towarzyszy chlorofilom). Mają barwę ciemnożółtą lub pomarańczową.

Ksantofile (C₄₀H₅₆C₂) powstają przez utlenienie karotenoidów i są żółto zabarwione.

Beta-karoten jest prowitaminą witaminy A. Pod wpływem enzymu karotenazy następuje (w ścianach jelit i w wątrobie) podział jednej cząsteczki beta-karotenu na dwie cząsteczki witaminy A (retinolu). Spożywanie karotenu zapobiega niedoborowi witaminy A. Ponadto zapobiega onkogenezie. Hamuje transformację nowotworową wywołaną promieniami jonizującymi, środkami rakotwórczymi i wirusami onkogennymi. Zapobiega leukoplakii (zaburzeniom rogowacenia nabłonka jamy ustnej) oraz powstawaniu nadżerek ginekologicznych.

W kwiatach dziewanny i szafranu występuje czerwony karotenoid krocetyna, która zmniejsza stężenie cholesterolu we krwi. Natomiast w ziarniakach kukurydzy, w owocach róży i rokitnika gromadzony jest karotenoid zeaksantyna o działaniu fizjologicznym, podobnym jak beta-karoten.

Dzięki rozpuszczalności w alkoholach, karotenoidy i ksantofile można wyekstrahować z tkanek roślinnych i poddać badaniom chromatograficznym (rozdzieleniu).

Lignina, czyli drzewnik to substancja inkrustująca, strukturalna ściany komórkowe roślin. Jest to polimer. Monomerami są związki pochodne alkoholi fenolowych (koniferylowy, synapinowy, kumarylowy). Są to substancje fenylopropanowe, silnie usieciowane wiązaniami eterowymi i węglowymi C-C, opornymi na działanie enzymów. Trawiona wyłącznie przez bakterie i grzyby. Enzymy rozkładające ligniny (ligninazy) należą do peroksydaz. Przy pomocy nadtlenku wodoru rozszczepiają eterowe wiązania beta-O-4 oraz C-C w ligninie. Oksydaza glukozowa, utleniając glukozę dostarcza H2O2. Szkielet ligniny rozpada się do niskocząsteczkowych związków fenolowych, podlegających następnie oksydacji przez oksydazy fenolowe. Lignina na różnym stopniu rozkładu jest składnikiem humusu.

Suberyna jest mieszaniną polimerów wyższych kwasów tłuszczowych. Powoduje korkowacenie ścian komórkowych roślin (składnik adkrustujący).

Kutyna to polimer którego monomerami są polihydroksykwasy i wyższe kwasy tłuszczowe. Pomiędzy grupami -OH i -COOH występują wiązania estrowe. Na tkance okrywającej tworzy warstwę - kutikulę.

Obie substancje chronią rośliny przed utratą wody i działaniem enzymów parazytów.

---