Biochemia wyklady

Wiązanie chemiczne

• Wiązanie chemiczne- wzajemne oddziaływanie atomów w cząsteczkach pierwiastków i związków chemicznych.
  
  
  Elektrony walencyjne - elektrony które biorą udział w tworzeniu wiązań
  
  
  Energia wiązania chemicznego- energia przekazywana do otoczenia przy powstawaniu wiązania, niezbędna do jego rozerwania

Typy wiązań chemicznych

• Kowalencyjne łączą się ze sobą atomy pierwiastków o takich samym lub bardzo zbliżonych wartościach elektroujemności ( różnica elektroujemności od 0-0,4).

• Uwspólniona para elektronów znajduje się w równych odległościach od jąder wiążących się atomów.

Mechanizm tworzenia wiązań
H + H H2

Wiązanie chemiczne

-COOH

Wiązanie kowalencyjne, kowalencyjne spolaryzowane
i jonowe

• Wiązanie jonowe występuje gdy różnica elektroujemności jest >1,9 wówczas następuje przejście elektronów od pierwiastka mniej elektroujemnego do pierwiastka bardziej elektroujemnego.

• Wynikiem jest wytworzenie się różnoimiennie naładowanych jonów. Jonu dodatniego- kationu, jonu ujemnego- anionu..

Wiązanie wodorowe

Wiązanie wodorowe - rodzaj stosunkowo słabego wiązania chemicznego polegającego głównie na przyciąganiu elektrostatycznym między atomem wodoru i atomem elektroujemnym zawierającym wolne pary elektronowe.
Wysoka temp. Wrzenia wody spowodowana jest obecnością wiązań wodorowych

• Energia wiązania chemicznego - najmniejsza energia potrzebna do rozerwania wiązania chemicznego. Energię wiązań wyraża się najczęściej w jednostkach kJ/mol.

• Szybkość reakcji chemicznej nie zależy od energii wiązania chemicznego, zależy od energii aktywacji

Energia aktywacji

A-B + C A + B-C

A-B + C A + B-C

Energia aktywacji EA (E1) jest równa wysokości bariery energetycznej, którą muszą pokonać reagujące cząstki na drodze reakcji,

(E2)- energia aktywacji reakcji odwrotnej.

Różnica pomiędzy stanem energetycznym produktów i substratów DU jest równa ciepłu reakcji Q.

Kataliza chemiczna

Katalizator

• Katalizator dostarcza powierzchnię;

• zbliża substraty do siebie;

• ustawia substraty aby mogły łatwiej osiągnąć stan przejściowy;

• osłabia wiązania chemiczne w substratach;

• uczestniczy w mechanizmie reakcji;

• pozostaje niezmieniony po reakcji.

Model miejsca aktywnego enzymu

Inhibitory współzawodnicze (odwracalne) , wiążą się w sposób odwracalny w miejscu aktywnym enzymu

Sulfonamidy blokują enzymy bakteryjne

Inhibitory niewspółzawodnicze (nieodwracalne) wiążące się kowalencyjnie, nieodwracalnie w miejscu aktywnym enzymu

Gazy bojowe toksyczne dla enzymów ssaków,

Penicylina dla enzymów bakterii.

Prawo działania mas

• Szybkość reakcji chemicznej jest proporcjonalna do efektywnego stężenia wszystkich uczestniczących w niej reagentów.

A + B AB

V = k * [A] * [B]

Prawo działania mas
reakcja odwrotna

AB A + B

V2 = k2 * [AB]

Dla reakcji A +B = AB
szybkości:
reakcja biegnąca w prawo  V1= k1 * [A] * [B] 
reakcja odwrotna V2=k2 * [AB]
 
Dla stanu równowagi
 
V1 = V2
 
k1 * [A] * [B] =k2 * [AB]
 
[AB] k1
---------------- = ------ = K
[A] * [B] k2

Definicja pH

• pH= -log [H +]

• pH= -log [H3O+]

Mocne i słabe kwasy

Mocne kwasy takie jak kwas solny, kwas siarkowy kwas azotowy są całkowicie zdysocjowane w roztworach wodnych i ich stężenie analityczne (dodane) jest równe stężeniu jonów wodorowych

Dla słabych kwasów (np.. octowy, mrówkowy) częściowo tylko zdysocjowanych należy stężenie jonów wodorowych (pH) wyliczać w oparciu o prawo działania mas

AH = A- + H+
 
[AH]
---------------- = K
[A-] * [H+]
 
  1 [A-]
-------- =-------- * K
[H+] [AH]
 
[A-]
pH = log -------- + pK
[AH]

pH buforu nie zależy od rozcieńczenia

• 1 kropla kwasu solnego (ok. 0,05) ml

• Stęzony HCl 12 M w litrze

• [H+] =(12 *0,05 * 0,001)/ 1 =0,0006

• pH=3,22

• Zmiana pH o 3,78

• Dla 2 M buforu mrówczanowego przy pH = 3,74

• pKa = 3,74 taki dodatek HCl nie wpłynie na pH/

• [A-]
  pH = log -------- + pK
  [AH]

• pH = pK [A-] = [AH] = 1M

• Po dodaniu kwasu (12M * 0,005* 0,001 = 0,0006)

• 1-0,0006
  pH = log --------------- + pK
  1+ 0,0006

• pH= -0,00052 + 3,74

• Zmiana pH tylko o 0,00052

Przykładowe wartości pH dla niektórych płynów ustrojowych

• łzy, pot, ślina - ok. 7

• krew - 7,36 - 7,43

• mocz 5 - 7

• sok żołądkowy 0,8 - 0,98

• osocze - średnio 7,4

• pokarm kobiety - 6,8

Równowaga kwasowo-zasadowa

Równowaga kwasowo-zasadowa - to stan, w którym zachowany jest swoisty stosunek kationów i anionów w płynach ustrojowych, warunkujący odpowiednie pH i prawidłowy przebieg procesów życiowych
Optymalny zakres pH krwi dla większości procesów przemiany materii wynosi 7,35-7,45

• Wiele produktów przemiany materii to kwasy

• w procesach utleniania węglowodanów, tłuszczów i białek powstaje kwas węglowy, który jest wydalany w postaci dwutlenku węgla przez płuca,

• w wyniku oksydacji metioniny i cysteiny tworzy się kwas siarkowy,

• organiczne związki fosforu (fosfolipidy, nukleoproteidy) są metabolizowane do kwasu fosforowego.

• Jeśli przemiana węglowodanów (utlenianie) nie przebiega do końca, powstaje kwas mlekowy (np. przy nadmiernym wysiłku fizycznym),

Stabilizacja pH organizmu

Najważniejsze procesy odpowiedzialne za stabilizacje pH:

- wydalanie nadmiaru dwutlenku węgla przez płuca

- wydalanie kwasów lub zasad przez nerki

- wytwarzanie amoniaku.

system buforów krwi i tkanek

• Podstawowymi buforami krwi są:

• układ wodorowęglanowy

• białczanowy i hemoglobinianowy

• w tkankach istotną rolę odgrywa również układ fosforanowy.

Regulacja pH

• Regulacja wydalania CO2 przez płuca odbywa się w wyniku pobudzenia ośrodka oddechowego przy obniżeniu pH krwi. Następstwem jest zwiększenie wentylacji płuc i usunięcie CO2.

• O zmianach pH krwi decydują równierz nerki. Ich rola polega na resorpcji zwrotnej wodorowęglanów, przesączonych w kłębuszkach nerkowych, dzięki czemu następuje uzupełnienie zapasów (regeneracja) tych anionów buforowych we krwi

• Jeżeli buforowanie i kompensacja oddechowa nie wystarczają do utrzymania równowagi kwasowo-zasadowej, to przy zakwaszeniu organizmu dochodzi do zwiększonego wydalania jonów H ' przez nerki (pH moczu może się wahać od 4,8 do 8), a gdy to nie wystarcza, organizm produkuje amoniak z glutaminy i innych aminokwasów, do czego zużywane są jony wodoru. Powstające w nerkach sole amonowe wydalane są z moczem. Przy zmianach pH w kierunku zasadowym z moczem wydala się więcej jonów HCO3~.

• Stan nagromadzenia we krwi nadmiernych ilości substancji o charakterze kwaśnym lub niedobór substancji o charakterze zasadowym, powodujący zaburzenia równowagi kwasowo-zasadowej krwi i przesunięcie jej w kierunku kwaśnym, nazywa się acidozą (kwasicą). W rzeczywistości pH krwi jest jednak zawsze wyższe od 7. Zaburzenia w kierunku wzrostu pH to alkaloza (zasadowica).

• Gdy do krwi wnikną wartości kwaśne, np. w mięśniach powstały kwas mlekowy czy fosforowy, to zostaną zobojętnione dwuwęglanami, przez co stosunek dwutlenku węgla do kwaśnego węglanu sodu zmieni się na korzyść dwutlenku węgla, ale do zakwaszenia krwi nie dojdzie bo dwutlenek węgla swoiście drażni odpowiednie chemoreceptory lub sam ośrodek oddechowy, powodując większą wentylację, wskutek czego nadmiar CO2 zostanie usunięty z organizmu przez płuca.

• Gdy do krwi wnikają wartości zasadowe, np. z białek powstający amoniak lub z pokarmów roślinnych uwalniane zasady, którymi były zobojętnione kwasy organiczne spalone w organizmie. Wówczas ubywa dwutlenku węgla, z którego powstaje kwas węglowy, zużywający się na zobojętnienie zasad. Organizm zmniejsza wentylację płuc tak długo, aż produkowany wciąż dwutlenek węgla zgromadzi się we krwi w takiej ilości, aby jego stosunek do dwuwęglanów wrócił do wartości prawidłowej

Mechanizm buforowania roztworów przez białka

• RCOOH <----> RCOO-1   +   H+1
  R-NH3+1 <----> R-NH2   +   H+1

ATP

Rozerwaniu wiązania ostatniego fosforanu z ATP towarzyszy wydzielenie energii 7300 cal/mol czyli 30500 J/mol lub 30,5kJ/mol.

Masa cząsteczkowa ATP wynosi 507.2 czyli około 60 kJ/ kg.

+

• ADP + P + Energia ---> ATP

• ATP --> ADP + P + Energia

Wysokoenergetyczne wiązania to ATP adenozynotrojfosforan

Bezwodnikowe wiązania (tworzone między cząsteczkami kwasu fosforowego lub między cząsteczką kwasu fosforowego i grupą karbonylową przez odłączenie cząsteczki wody) mają duży ujemny potencjał termodynamiczny (dG hydrolizy)

AMP, ADP, ATP

• AMP ADP ATP

• Cząsteczka ATP jest nukleotydem składającym się z zasady azotowej - adeniny połączonej wiązaniem N-glikozydowym z cząsteczką cukru - rybozy i trzech reszt fosforanowych połączonych ze sobą dwoma wiązaniami bezwodnikowymi. Reszty fosforanowe są oznaczane w ogólnie przyjętej notacji greckimi literami α, β i γ.

Zużycie ATP

• Najbardziej wszechstronnym nośnikiem energii w komórce jest ATP.

• Jest to donor energii a nie forma magazynowania

• W ciągu doby człowiek zużywa około 40 kg

• W czasie wysiłku może zużywać 0,5 kg na minutę

• ATP jest cały czas zużywane i tworzone

Stężenia związków zawierających fosforan w mięśniach w stanie spoczynku

ATP 4 mM

ADP 0,013 mM

Fosforan kreatyny 25 mM

Kreatyna 13 mM

Metabolizm to całokształt reakcji biochemicznych zachodzących w komórkach organizmu. Związany jest z przepływem materii i energii.

Anabolizm to reakcje syntez związków złożonych z prostszych, wymagające dostarczenia energii. Energia ta podnosi poziom energetyczny związków w czasie procesu chemicznego. Powstający produkt rekcji zawiera większą ilość energii, niż poszczególne substraty. Dostarczona energia zostaje zmagazynowana w postaci wiązań chemicznych.

Katabolizm to reakcje chemiczne podczas których następuje obniżanie poziomu energetycznego substratów w wyniku ich rozkładu na związki proste, oraz wydzielana jest energia wiązań wysokoenergetycznych substratów.

GTP, GDP ATP

• energia z GTP jest łatwo zamieniana na energię ATP po przez przeniesienie grupy fosforanowej z GTP na ADP.

• NADH i FADH2 biorą udział w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym - przemianie, która zamienia energię tych zredukowanych związków na energię wiązań ATP. Niezbędnym uczestnikiem łańcucha oddechowego jest tlen.

utlenianie NADH

Przemiany energetyczne organizmu

Węglowodany tłuszcze białka

Cukry proste kwasy tłuszczowe aminokwasy

WSZTSTKIE ROZKLADAJA SIĘ DO Acetylo-koenzym

POTEM JEST Cykl Krebsa

potemEnergia w postaci powstającego ATP, NADH oraz FADH2

Powstawanie acetylo-CoA

• Cykl Krebsa, czyli cykl kwasu cytrynowego to cykl przemian metabolicznych, który przebiega w komórkach wszystkich organizmów oddychających tlenem. Został odkryty w 1937 roku przez Hansa Krebsa.

• Cykl Krebsa u eukariotów zlokalizowany jest wewnątrz mitochondriów - ważnych organelli komórkowych (u prokariotów przebiega w cytoplazmie).

• Lokalizacja

• Cykl Krebsa jest końcowym, wspólnym szlakiem utleniania cząsteczek będących źródłem energii dla organizmu, takich jak białka (aminokwasy), kwasy tłuszczowe, węglowodany.

• Jest ciągiem reakcji zachodzących w mitochondriach,w wyniku których reszty acylowe ulegają katabolizmowi z uwolnieniem równoważników wodorowych.

• Funkcje cyklu Krebsa

• Dostarcza równoważników redukujących

zamienianych na energię magazynowaną w ATP w łańcuchu oddechowym

• Dostarcza energii w postaci GTP

• Dostarcza ważnych prekursorów do syntezy innych cząsteczek

• Zadaniem cyklu Krebsa jest utlenić związek o nazwie: acetylokoenzym A (acetylo-CoA) do 2 cząsteczek dwutlenku węgla (CO2), pozyskaną w tym procesie energię ulokować w chemicznych nośnikach energii: GTP, NADH i FADH2.
  
  Sumaryczny wzór cyklu Krebsa to:
  
  acetylo-CoA + GDP + Pi + 3NAD+ + FAD + 2H20 →

CoA + GTP + 3NADH + 3H+ + FADH2 + 2CO2

Cykl kwasu cytrynowego (Krebsa)

Jabłczan szczawiooctan cytrynian

ziocytrynian po lewej

Furman po pawejbursztynian bursztynyloCoA ဢ-ketoglutaran szczawiobursztynian

Etap1 4-węglowy i 2-karboksylowy (4C, 2COOH) szczawiooctan łączy się z grupą acetylową pochodzącą z acetylo-CoA i tworzy 6-węglowy i 3-karboksylowy cytrynian -(enzym-syntaza cytrynianowa)

Etap 2Następuje izomeryzacja cytrynianu do izocytrynianu czemu towarzyszy odłączenie i przyłączenie cząsteczki wody -(enzym-hydrataza akonitanowa)

Etap 3 6-węglowy i 3-karboksylowy izocytrynian (6C, 3COOH) ulega utlenieniu (odłączane są dwa atomy wodoru) i przechodzi w szczawiobursztynian jednocześnie następuje redukcja NAD+ do NADH -(enzym-dehydrogenaza izocytrynianowa)

Etap4 Następuje odłączenie cząsteczki CO2 , ze szczawiobursztynianu (6C, 3COOH) powstaje α-ketoglutaran(5C,2COOH) -(enzym-dehydrogenaza izocytrynianowa)

Etap 5 5-węglowy i 2-karboksylowy α-ketoglutaran (5C, 2COOH) analogicznie do poprzedniego etapu ulega utlenieniu i dekarboksylacji tworząc
4-węglowy i 1-karboksylowy związek, który łącząc się z koenzymem A daje bursztynylo-CoA (4C, 1COOH) -(enzym-dehydrogenaza ဢ-ketoglutaranowa )

Eta 6 bursztynylo-CoA (4C, 1COOH) odłączając koenzym A tworzy bursztynian (4C, 2COOH) uwalniając jednocześnie dużą porcję energii, która za pośrednictwem nukleotydu GTP przekazywana jest na ADP fosforylując go do ATP - (fosforylacja substratowa} -(enzym-syntetaza bursztynylo-CoA )

Etao 7 4-węglowy i 2-karboksylowy bursztynian (4C, 2COOH) ulega dehydrogenacji i utlenieniu do 4-węglowego i 2-karboksylowego fumaranu (4C, 2COOH) towarzyszy temu redukcja FAD do FADH2 -(enzym-dehydrogenaza bursztynianowa )

Etap 8 fumaran (4C, 2COOH) ulega hydratacji do jabłczanu (4C, 2COOH); jabłczan jest bardzo podobny pod względem budowy chemicznej do bursztynianu - zamiast jednego wodoru przy C2 (bursztynian) występuje grupa hydroksylowa (jabłczan) -(enzym-fumaraza )

Etap 9 4-węglowy i 2-karboksylowy jabłczan (4C, 2COOH) ulega dehydrogenacji do 4-węglowego i 2-karboksylowego szczawiooctanu (4C, 2COOH), który w kolejnym etapie łącząc się z grupą acetylową acetylo-CoA rozpoczyna kolejny cykl od nowa-(enzym-dehydrogenaza jabłczanowa )

• Jedna cząsteczka NADH pozwala wyprodukować 2,5 cząsteczki ATP

• jedna cząsteczka FADH2 - 1,5 cząsteczki ATP.

• Bilans cyklu Krebsa

• W każdym cyklu powstają 3 cząsteczki NADH, 1cz. FADH2, 2 cz. CO2 i jedna cząsteczka ATP (pośrednio przez GTP).

• W glikolizie - procesie metabolizmu glukozy, podstawowego surowca energetycznego organizmu, z jednej cząsteczki glukozy powstają dwa acetylo-CoA, czyli całkowite spalenie 1cz. glukozy wymaga obiegu dwóch cykli Krebsa, czyli bilans należy liczyć podwójnie

Regulacja cyklu kwasu cytrynowego

Na szybkość cyklu ma wpływ:

dostępność substratów,

hamujące działanie nagromadzonych produktów i oparte na mechanizmach sprzężenia zwrotnego allosteryczne hamowanie przez następne intermediaty cyklu

. Najbardziej prawdopodobnymi miejscami regulacji są reakcje nieodwracalne katalizowane przez następujące enzymy:
- syntazę cytrynianową (hamowana przez cytrynian, a także przez ATP)
- dehydrogenazę izocytrynianową (hamowana przez NADH i ATP, a aktywowana przez ADP)
- dehydrogenazę α-ketoglutaranową (hamowana przez NADH i bursztynylo-CoA)
- dehydrogenazę pirogronianową (hamowana przez NADH i acetylo-CoA).

Wniosek 1

Cykl Krebsa przebiega szybciej, gdy poziom energii w komórce jest niski

(duże stężenie ADP, a małe stężenie ATP i NADH),

zwalnia swój przebieg, gdy dochodzi do akumulacji ATP (jak i również NADH, byrsztynylo-CoA oraz cytrynianu).

Wniosek 2

Cykl Krebsa zachodzi wyłącznie w warunkach tlenowych. Tlen choć nie bierze bezpośredniego udziału w cyklu Krebsa to jest niezbędny do utleniania FADH2 i NADH

Łańcuch oddechowy

NADH i FADH2 są bogate energetycznie, ponieważ zawierają pary elektronów o wysokim potencjale przenoszenia. Energia swobodna uwalniana podczas przenoszenia tych elektronów na tlen cząsteczkowy jest wykorzystywana do pompowania protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrium do przestrzeni międzybłonowej

Protony wracając specjalnym kanałem do wnętrza mitochondrium powodują syntezę ATP.

Brak tlenu hamuje syntezę ATP,

Nadmiar ATP i brak ADP hamuje fosforylację oksydacyjną dzięki temu proces zachodzi wtedy gdy organizm potrzebuje ATP

Z każdej cząsteczki NADH powstają 2,5 cz. ATP, a z FADH2 - 1,5 cz.

Leonardo da Vinci zauważył że mięśnie mogą jedynie ciągnąć, zauważył również że wyjątkiem jest język, który może pchać

Antagonistyczne działanie mięśni:

• Mięśnie mają zdolność do aktywnego kurczenia się.

• Ich rozkurcz jest aktem biernym - wymaga skurczu innego mięśnia.

Budowa anatomiczna mięśnia szkieletowego

Mięsnie poprzecznie prążkowane, utworzone są z długich, wielojądrowych komórek.. Włókna mięśnia prążkowanego składają się z jasnych i ciemnych prążków,. Mięsnie te pracują szybko zgodnie z nasza wola, jednocześnie szybko się męczą.

Obserwacje mięśni prążkowanych pod mikroskopem

W obrębie sarkomeru wyróżniamy

Linię Z

Pasmo A-długość stała

Pasmo I-ulega zmniejszeniu podczas skurczu

Strefę H zmniejsz się podczas skurczu

Budowa sarkomeru

Miozyna

Mięśnie szkieletowe zawierają 70 do 100 mg miozyny w 1g. Stanowi to około 40 50 %. wszystkich białek w mięśniu.

Mcz. monomeru miozyny wynosi ok. 200 kD. Miozyna rozpuszczalna jest w roztworach soli (0,5 M) przy niższym stężeniu soli polimeryzuje tworząc filamenty miozynowe

Silne i słabe wiązanie miozyny z aktyną

Miozyna łączy się z aktyną

W nieobecności ATP z bardzo dużą siłą stała wiązania (stan silnego wiązania) Kw= 108 M taki stan w mięśniach nazywa się rygor, polega na maksymalnym napięciu mięśni pojawia się po śmierci gdy zużyje się ATP

W obecności ATP siła wiązania aktyny do miozyny spada 10000 razy i wynosi Kw= 104 . Wiązanie miozyny do aktyny w obecności ATP nazywa się stanem słabego wiązania. Dodanie ATP do mięśni w stanie rygor powoduje ich rozluźnienie.

Hydroliza MgATP przez aktomiozynę

Sama miozyna hydrolizuje ATP ale bardzo powoli

Dodatek aktyny przyspiesza wiele razy szybkość hydrolizy MgATP, nazwa aktyna jest spowodowana jest tym że to białko aktywuje aktywność ATPazy miozynowej

Cykl hydrolizy ATP

Regulacja aktywności aktomiozyny

Czysty kompleks aktomiozynowy hydrolizuje ATP z maksymalną prędkością niezależnie od stężenia jonów wapnia.

Dodatek tropomiozyny i troponiny, białek wchodzących w skład mięśni szkieletowychi i sercowych które silnie wiążą się z aktyną powoduje czułość na wapń aktomiozyny.

Regulacja aktywności mięsni po przez filament aktynowy

Regulacja skurczu mięśni szkieletowych

Regulacja skurczu mięśni szkieletowych zachodzi po przez zmiany filamentu aktynowego

Aktynowy filament zbudowana jest z globularnych monomerów, które polimeryzując tworzą 2 spiralnie zwinięte ze sobą łańcuch

Każdy monomer ma miejsce wiążące główkę miozyny, w czasie spoczynku miejsce to jest zablokowane kompleksem białkowym troponina-tropomiozyna

Wydłużona cząsteczka tropomiozyny leży w rowku między łańcuchami monomerów aktyny, kontaktuje się z 7 monomerami aktyny

Troponina przy dużym stężeniu wapnia (ok. 10 -5) przesuwa cząsteczkę tropomiozyny i odsłania miejsca aktywne na aktynie umożliwiając oddziaływanie aktyny z miaozyną i skurcz mięśni

W czasie spoczynku mięśnia gdy stężenie Ca+2 w sarkoplazmie jest niskie (ok. 10 -5) polimery tropomiozynowe znajdują się w centrach miejsc wiązania aktyny z główkami miozyny, uniemożliwiając skurcz mięsni

Proces skurczu przebiega w następujących etapachh:

• komórka nerwowa przekazuje impuls do tkanki mięśniowej, powodując depolaryzacje błony komórki mięśniowej (sarkolemmy),

• potencjał czynnościowy rozprzestrzenia się powodując otwieranie białkowych kanalików, z których są uwalniane jony wapnia do sarkoplazmy,

• uwolnione jony Ca2+ powodują odsłanianie aktywnych enzymatycznie miejsc na filamencie aktynowym

• wzbogacone energetycznie "główki" miozyny tworza mostki poprzeczne pomiędzy filamentami aktyny i miozyny. Główka miozyny po zetknięciu z aktyną obraca się o ok. 45o (tracąc energie, uwalnia ADP i Pi). Ten skręt jest siłą napędową wciągającą cienkie filamenty aktyny pomiędzy grube filamenty miozyny.

• Następuję skurcz

Regulacja skurczu

Komórki mięśni szkieletowych reagują na zasadzie: wszystko albo nic

Ilość aktywowanych jednostek motorycznych decyduje o sile skurczu

Typy włókien mięśniowych

• Włókna mięśniowe dzieli się pod względem morfologicznym i czynnościowym na dwa podstawowe typy:

• włókna typu I - wolnokurczące się (zwane też z ang. slow twitching "ST")

• włókna typu II - szybkokurczące się (fast twitching "FT")

• Włókna wolnokurczące zawierają wiele mitochondriów i duże stężenie mioglobiny (stąd zwane są też czerwonymi), gdyż energię do skurczu czerpią z procesów tlenowych. Charakteryzują się powolnym narastaniem siły skurczu i dużą wytrzymałością na zmęczenie. Żródłem tlenu mięśni jest hemoglobina i mioglobina.

• Włókna szybkokurczące się (białe) zawierają mniejsze stężenie mioglobiny, kurczą się szybciej, ale są mniej wytrzymałe.

• Mioglobina (oznaczana również: Mb) - białko magazynujące tlemn w mięśniach

• Mięśnie człowieka zawierają oba rodzaje włókien, a ich wzajemny stosunek jest różny u różnych ludzi. U sportowców uprawiających dyscypliny siłowe przeważają włókna typu białego.

• Trening wytrzymałościowy powoduje zwiększenie potencjału tlenowego mięśni przez zwiększenie liczby naczyń kapilarnych w mięśniach (poprawa ukrwienia i dotlenienia mięśni).

Rodzaje mięśni

Mięsnie poprzecznie prążkowane, utworzone są z długich, wielojądrowych komórek. Włókna mięśnia prążkowanego składają się z jasnych i ciemnych prążków. Tkanka ta tworzy mięsnie szkieletowe, tzw. ruchowe. Mięsnie te pracują szybko zgodnie z nasza wola, jednocześnie szybko się męczą.

Mięsień serca, zbudowany jest z włókien poprzecznie prążkowanych rozgałęzionych, zaopatrzonych w pojedyncze jądra ułożone centralnie. Tkanka ta jest mocno ukrwiona, tworzy jeden narząd - serce.

Mięsień gładki, zbudowany z wrzecionowatych komórek, zawierających jedno jądro komórkowe ułożone centralnie.

Mięsnie gładkie pracują (kurczą się) wolno, nie ulęgają szybko zmęczeniu, ich praca jest niezależna od woli organizmu - regulowana przez autonomiczny układ nerwowy.

Mięśnie gładkie to: naczynia krwionośne, tętnice, żyły, żołądek, macica, mięśnie jelit, pęcherz

W mięśniu sercowym mechanizm regulacji jest podobnie jak w mięśniach szkieletowych związany z filamentami aktynowymi (troponina +tropomiozyna)

W mięśniach gładkich mechanizm regulacji związany jest z filamentami miozynowymi ulegającymi w trakcie regulacji odwracalnej fosforylacji

Mięsień gładki

Skurcz mięśni gładkich

Kreatyna

• źródła kreatyny

• synteza w wątrobie

• spożywany pokarm.

• 95-98% kreatyny jest w mięśniach

• 2-5% zgromadzone jest w innych częściach organizmu, mózgu, sercu, jądrach

Przekazanie reszty fosforanowej

• Reakcja jest odwracalna - fosforan kreatyny powstaje w mitochondriach poprzez przekazanie grupy fosforanowej z produkowanego w nich ATP.

• Fosfokreatyna jest magazynem łatwo i szybko dostępnej energii w mięśniu

• . Obie reakcje - powstawania i rozpadu fosfokreatyny - są katalizowane przez kinazę kreatyny.

Wydajność przemian produkujących ATP w mięśniach

PRZEMIANY BEZTLENOWE

• fosfokreatyna + ADP → kreatyna + ATP

• Glukoza + 2 ADP + 2Pi → 2 kwas mlekowy + 2 ATP

PRZEMIANY TLENOWE

• Glukoza + 32 ADP + 32 Pi → 6 CO2 H2O + 32 ATP

• kwas tłuszczowy (C16) + 106 ADP +Pi → 106 ATP + 16 CO2

Przykłady aktywności wykorzystujących różne szlaki metaboliczne

typ przemiany - źródło energii	przykłady
Beztlenowa fosfokreatyna	skok, cios, nagły zwrot ciała
Beztlenowa glukoza	ucieczka lub pogoń; bieg 100 m
Tlenowa glukoza	godzinny intensywny marsz, bieg na 1500 m
Tlenowa kw.tłuszczowy	wielogodzinny marsz; bieg maratoński

Rola kreatyny

• Podstawową rolą kreatyny w organizmie jest dostarczanie energii w czasie skurczu mięśnia.

• mięśnie wykorzystują energię hydrolizy ATP,

• mitochondria nie są w stanie syntetyzować szybko nowych porcji ATP i w krótkim czasie ulega ono wyczerpaniu.

• Komórkowego ATP wystarcza na 1-2 sekund maksymalnego skurczu. Potem zużywana jest fosforokreatyna przez kilkanaście sekund.

• W czasie odpoczynku możliwe jest zsyntetyzowanie odpowiedniej ilości ATP i fosforokreatyny (regeneracji fosfokreatyny z kreatyny)) do kolejnego obciążenia mięśni.

• W odpoczywającym mięśniu kreatyna występuje w formie fosforanu kreatyny - jest to jej aktywna biologicznie forma.

• Rolą fosforanu kreatyny jest dostarczanie reszt fosforanowych do ADP, a przez to regeneracja części ATP, która może posłużyć do wydłużenia skurczu.

Żródła energii mięśni szkieletowych

• Wykres ilustruje wykorzystanie różnych źródeł energii do skurczu mięśnia w zależności od czasu jego trwania. Energia dostarczona z fosfokreatyny może wydłużyć czas skurczu do 1/2 minuty (w zależności od intensywności wysiłku).

• Zapas fosfokreatyny także ulega wyczerpaniu i wówczas mięśnie przechodzą na oddychanie beztlenowe, co wiąże się z powstawaniem kwasu mlekowego

kinaza adenylanowa

• kinaza adenylanowa (AK), znana lepiej jako miokinaza (MK). Katalizuje ona odwracalną reakcję

• ADP + ADP = ATP + AMP

całkowita odwracalność tej reakcji, powoduje że ubytek ATP natychmiast jest kompensowany po przez zamianę ADP na ATP i AMP

Różne fazy aktywności

• BEZRUCH

• Energia jest magazynowana

• Resynteza fosforanu kreatyny

• Resynteza glikogenu

• Synteza kwasów tłuszczowych z acetylo-CoA

• Wysiłek mało intensywny I etap (do 3 min)

• rozpad komórkowego ATP i resynteza ATP z ADP przez system fosfokreatyn

• Podwyższone stężenie ADP daje sygnał do zwiększonej aktywności mitochondriów (fosforylacja oksydacyjna)

Zwiększa się aktywność glikolizy a to pociąga zwiększenie aktywności glikogenolizy

• Następuje rozpad glikogenu

• Wzrasta (niewiele i przejściowo) stężeniu glukozy we krwi pochodzącej z wątroby

• Następuje spadek stężenia glukozy spowodowany jej zużywaniem -obniżą się stężenie insuliny rośnie glukagonu

• Glukagon stymuluje rozpad białek i triacylogliceroli (tłuszczy) oraz glikogenolizę w wątrobie - stabilizuje to stężenie glukozy we krwi na potrzeby układu nerwowego

• Następuje mały wzrost stężenia kwasu mlekowego

• Wysiłek mało intensywny II etap ( 3 do 5 min)

• Mechanizmy dostarczające tlen dostarczają go w wystarczającej ilości następuje równowaga tlenowa organizm pobiera tyle tlenu ile zużywa (wysiłek poniżej 60 - 70% progu mleczanowego)

• Organizm czerpie głównie energię z utleniania wolnych kwasów tłuszczowych i cyklu Krebsa

• Glikoliza ulega zwolnieniu

• Wysiłek intensywny I etap

• Organizm czerpie energie podobnie jak przy mało intensywnym, ale ATP fosforan kreatyny zużywają się szybciej.następują te same mechanizmy aktywacji metabolizmu.

• Fosforylacja oksydacyjna przebiega za wolno by utleniać NADH z powodu braku NAD+ pirogronian zamieniany jest w mleczan (by dostarczyć NAD+ na potrzeby glikolizy)

• Rośnie stężenie kwasu mlekowego we krwi (podwyższone utrzymuje się 60-90 min po wysiłku)

• Wysiłek intensywny II etap

• Fosforylacja oksydacyjna przebiega za wolno by utleniać NADH z powodu braku NAD+ pirogronian zamieniany jest w mleczan (by dostarczyć NAD+ na potrzeby glikolizy)

• Rośnie stężenie kwasu mlekowego we krwi (podwyższone utrzymuje się 60-90 min po wysiłku)

• Gdy wysiłek jest maksymalny to energia pochodzi z glikolizy beztlenowej (mało korzystna energetycznie)substrat glukoza pochodzi z glikogenu

• Zysk energetyczny z glikolizy przeprowadzanej bez dostępu tlenu wynosi tylko 2 cząsteczki ATP.

• Taki wysiłek może najwyżej trwać 5 min.

Regeneracja energetyczna mięśni

• Fosfokreatyna całkowita regeneracja po 40 min

• Glikogen regeneracja po 12 godzinach, a po 48 może być nawet wyższy od wyjściowego

• Stężenie kwasu mlekowego jest podwyższone przez

• 60-90 minut. Zamieniany jest na glukozę w wątrobie

Energia kwasów tłuszczowych

• Kwasy tłuszczowe są główną formą magazynowania energii organizmu

• Węgiel jest w postaci zredukowanej jako CH2

• Kwasy tłuszczowe są bardzo ściśle upakowane w tkance tłuszczowej, gdyż w odróżnieniu od węglowodanów i białek nie ulegają hydratacji

Rola kwasów tłuszczowych

• Materiał energetyczny (triacyloglicerole)

• Składniki błon (glicerofosfolipidy i sfingolipidy - pochodne aminoalkoholu sfingozyny)

• Uczestniczą w modyfikacji kowalencyjnej białek

• Pochodne kwasów tłuszczowych są hormonami i wtórnymi cząsteczkami sygnalizacyjnymi

Kwasy tłuszczowe -pożywienie

• Zawierają 30-60% energii pobieranej w przeciętnej diecie

• Triacyloglicerole, fosfolipidy

• Główne źródła:

• produkty mleczne

• mięso

Kwasy tłuszczowe przykłady

• 14 kwas mirystynowy

• 16 kwas palmitynowy

• 18 kwas stearynowy

• 20 kwas arachidonowy

Trawienie triacylogliceroli

• Zachodzi w dwunastnicy

• Biorą udział

Sole kwasów żółciowych (emulgacja)

Lipazy trzustkowe

Lipazy jelitowe

• Triacyloglicerol --------> Glicerol + Kwasy Tłuszczowe

Hydroliza tłuszczów

ဤ-oksydacja kwasów tłuszczowych

• Aktywacja kwasu tłuszczowego poprzez estryfikację z CoASH

• Transport acylo-CoA przez błonę mitochondrium

• Reakcje procesu β-oksydacji

• Odwodornienie

• Hydratacja

• Odwodornienie

• Tiolityczne rozerwanie wiązania z udziałem drugiej cząsteczki

Aktywacja kwasów tłuszczowych

Transport kwasów tłuszczowych

• Kwasy tłuszczowe o długich łańcuchach nie mogą wnikać do mitochondriów w sposób bierny, są transportowane aktywnie z użyciem karnityny

• Grupa acylowa przenoszona jest z atomu siarki CoA na grupę OH karnityny i w tej postaci dostaje się do mitochondriów

• Po wejściu do mitochondrium następuje przeniesienie grupu acylowej na siarkę CoA

• Karnityna wraca do cytozolu

Suplementacja karnityną

• Stosowano suplementację karnityną ale bez rezultatów

• odwodornienie

• addycja wody

• Odwodornienie

• rozerwanie wiązania z udziałem cząsteczki CoA

Bilans rozpadu kwasu palmitynowego

• 8 * 10 + 7 * 1,5 + 7 * 2,5 - 2 = 106 Tworzy się 106 cząsteczek ATP

• (odjęto 2 bo zużyto dwa wiązania na aktywacje kwasu palmitynowego do acylu (ATP -> AMP) 

Synteza kwasów tłuszczowych

• Zachodzi w cytozolu

• Podstawową jednostka budulcową jest acetylo-CoA

---