ENZYMY I WITAMINY

Witaminy - organiczne związki chemiczne niezbędne w małych ilościach dla prawidłowego funkcjonowania żywego organizmu. Są to substancje egzogenne - muszą być dostarczone z pożywieniem, gdyż organizm nie potrafi ich sam syntetyzować.

Wyjątkiem jest witamina D₃ (cholekalcyferol), która wytwarzana jest w skórze z prowitaminy (7-dehydrocholesterolu) pod wpływem promieni słonecznych.

KLASYFIKACJA WITAMIN

Podstawą klasyfikacji witamin jest ich rozpuszczalność w wodzie lub w tłuszczach.

• Witaminy rozpuszczalne w wodzie:

• witamina B₁ (tiamina)

• witamina B₂ (ryboflawina)

• witamina B₃ (niacyna, witamina PP, kwas nikotynowy, amid kwasu nikotynowego)

• witamina B₅ (kwas pantotenowy)

• witamina B₆ (pirydoksyna, pirydoksal,pirydoksamina)

• biotyna (witamina H, witamina B₇)

• kwas foliowy (witamina B_9/11)

• witamina B₁₂ (cyjanokobalamina)

• witamina C (kwas askorbinowy)

• Witaminy rozpuszczalne w tłuszczach:

• Witamina A (retinol i jego pochodne)

• Witamina D (cholekalcyferol i jego pochodne)

• Witamina E (tokoferol)

• Witamina K (filochinon - K₁, menachinon - K₂, menadion - K₃)

ROLAWITAMIN W ORGANIZMIE:

Wyróżnia się 3 mechanizmy działania enzymów:

• funkcja kofaktorów - modyfikowane chemicznie w organizmie pochodne witamin z grupy B działają jako koenzymy reakcji enzymatycznych;

• działanie antyoksydacyjne - β-karoten, tokoferole kwas askorbinowy;

• działanie receptorowe - pochodne witaminy A - kwas retinowy, a także pochodne witaminy D; komórki organizmu posiadają swoiste receptory dla tych związków.

ZAPOTRZEBOWANIE NA WITAMINY:

Dzienne zapotrzebowanie na witaminy jest niewielkie i liczone w miligramach (mg), a nawet w mikrogramach (μg).

Przedawkowanie, niedobór lub brak jakiejś z witamin, po wyczerpaniu zapasów organizmu, prowadzi do jednostek chorobowych, które nazywamy w zależności od zaawansowania:

• hiperwitaminozą (przedawkowanie),

• hipowitaminozą (niedobór częściowy) lub

• awitaminozą (całkowity brak).

Większość witamin z grupy rozpuszczalnych w wodzie nie jest magazynowana w ustroju w większych ilościach, dlatego muszą być dostarczane regularnie. Wyjątkami od reguły są:

• kwas askorbinowy - zapasy ustrojowe wystarczają na kilka miesięcy,

• kwas foliowy - pewne ilości tej witaminy są magazynowane w wątrobie,

• witamina B₁₂ - zapasy tej witaminy w wątrobie wystarczają na pokrycie zapotrzebowania na kilka lat.

Nadmierna podaż witamin rozpuszczalnych w wodzie jest z reguły dobrze tolerowana. Wyjątkami są:

• niacyna (podana pod postacią kwasu nikotynowego),

• kwas askorbinowy oraz

• pirydoksyna,

których nadmiar może być przyczyną objawów niepożądanych.

Witaminy rozpuszczalne w tłuszczach są cząsteczkami apolarnymi, hydrofobowymi. Warunkiem sprawnego wchłaniania tych witamin z przewodu pokarmowego jest prawidłowe wchłanianie tłuszczów. Po absorpcji witaminy te transportowane są we krwi za pośrednictwem lipoprotein lub swoistych białek nośnikowych.

Zaburzenia w zakresie trawienia i wchłaniania tłuszczów mogą być przyczyną niedoboru witamin A, D, E i K.

Ze względu na możliwość magazynowania w ustroju nadmiaru witamin rozpuszczalnych w tłuszczach, mogą wystąpić objawy zatrucia, np. po przedawkowaniu witaminy A lub D.

WITAMINA B₁ - TIAMINA

W układzie nerwowym i wątrobie tiamina jest przekształcana w formę aktywną - pirofosforan tiaminy (PPT).

PPT umożliwia odłączenie grupy karboksylowej w postaci CO₂

Pirofosforan tiaminy jest koenzymem w reakcjach:

• oksydacyjnej dekarboksylacji α-ketokwasów (dehydrogenaza pirogronianowa i d. α-ketoglutaranowa)

• oraz w reakcjach katalizowanych przez transketolazę (cykl pentozowy).

WITAMINA B₂ - RYBOFLAWINA

Aktywnymi postaciami witaminy B₂ - ryboflawiny - są:

• mononukleotyd flawinowy (FMN) oraz

• dinukleotyd flawinoadeninowy (FAD).

Zredukowane formy FAD i FMN to FADH₂ i FMNH₂. Atomy wodoru przyłączają się do 1 i 5 atomu azotu flawiny.

FMN i FAD są grupami prostetycznymi enzymów oksydo-redukcyjnych, znanych jako flawoproteiny. Grupy prostetyczne wiązane są zwykle silnie, chociaż nie kowalencyjnie ze swymi apoproteinami. Wiele enzymów flawoproteinowych zawiera 1 lub więcej metali, np. molibden czy żelazo, będących istotnymi kofaktorami (metaloflawoproteiny).

Przykłady enzymów flawoproteinowych:

• oksydaza L-aminokwasowa,

• oksydaza ksantynowa,

• dehydrogenaza bursztynianowa,

• dehydrogenaza acylo-CoA.

WITAMINA B₃ - NIACYNA (witamina PP, kwas nikotynowy)

Aktywnymi postaciami niacyny są:

• amid kwasu nikotynowego,

• dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy (NAD⁺),

• fosforan dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NADP⁺).

NAD⁺ i NADP⁺ są koenzymami licznych enzymów oksydoredukcyjnych, jak np. dehydrogenaza jabłczanowa czy dehydrogenaza mleczanowa.

NAD⁺ ­­­­ -> kataboliczne szlaki oksydacyjne

NADP⁺ -> anaboliczne szlaki redukcyjne

Kwas nikotynowy (niacyna) amid kwasu nikotynowego

WITAMINA B₅ - KWAS PANTOTENOWY

Aktywną formą witaminy B₅ jest koenzym A oraz białko przenoszące grupy acylowe (ACP). Koenzym A skrótowo przedstawia się jako CoA-SH dla podkreślenia, że grupa tiolowa jest grupą reaktywną - działa jako przenośnik grup acylowych (kwasowych).

WITAMINA B₆ - PIRYDYNA

Witamina B₆ składa się z 3 blisko spokrewnionych pochodnych pirydyny:

pirydoksyna pirydoksal pirydoksamina

Aktywną formą witaminy B₆ jest fosforan pirydoksalu. Jest on koenzymem dla kilku enzymów przemiany aminokwasowej (aminotransferaz), a także dla fosforylazy glikogenowej (glikogenoliza). Uczestniczy także w reakcjach dekarboksylacji aminokwasów.

BIOTYNA

Biotyna (witamina H) jest pochodną imidazolową, która może być syntetyzowana przez drobnoustroje jelitowe. Biotyna jest koenzymem karboksylaz. Wiążąc się z CO₂, przekształca się w karboksybiotynę, która jest kosubstratem zużywanym w reakcjach karboksylacji.

Przykłady: karboksylaza pirogronianowa (reakcja prowadząca do powstania szczawiooctanu), karboksylaza acetylo-CoA (w syntezie kwasów tłuszczowych).

KWAS FOLIOWY

Aktywną postacią folianu jest tetrahydrofolian (H₄-folian). Powstaje on z kwasu foliowego w wyniku działania reduktazy folianowej.

Tetrahydrofolian jest nośnikiem aktywnych grup jednowęglowych: metylowych, metylenowych, metenylowych, formylowych i formiminowych.

Głównymi procesami zużywającymi fragmenty jednowęglowe są:

• biosynteza puryn,

• przemiana uracylu w tyminę,

• biosynteza seryny, metioniny, glicyny oraz choliny.

WITAMINA B₁₂ - KOBALAMINA

Kobalamina wytwarzana jest wyłącznie przez drobnoustroje. U zwierząt witamina B₁₂ jest magazynowana w wątrobie, gdzie występuje pod postacią metylokobalaminy, adenozylokobalaminy i hydroksykobalaminy. Preparaty handlowe zawierają cyjanokobalaminę.

W środku struktury pierścieniowej kobalaminy znajduje się jon kobaltu.

Kobalamina bierze udział w reakcji:

• metylacji homocysteiny do metioniny przy udziale syntazy metioninowej,

• izomeryzacji metylomalonylo-CoA do bursztynylo-CoA przy udziale mutazy metylomalonylo-CoA.

WITAMINA C - KWAS ASKORBINOWY

Działa jako donor równoważników redukujących, a sam utlenia się do kwasu dehydroaskorbinowego.

Procesy wymagające obecności kwasu askorbinowego:

• hydroksylacja proliny w syntezie kolagenu,

• synteza adrenaliny z tyrozyny,

• synteza kwasów żółciowych,

• synteza steroidów w korze nadnerczy,

• wchłanianie żelaza w przewodzie pokarmowym,

• działanie antyoksydacyjne.

Skutkiem niedoboru witaminy C jest szkorbut (gnilec) spowodowany upośledzoną syntezą kolagenu, charakteryzujący się:

• krwawieniami podskórnymi i do innych narządów,

• osłabieniem mięśni,

• rozpulchnieniem dziąseł,

• chwiejącymi się zębami,

• złym gojeniem i odnawianiem się ran,

• obniżeniem odporności organizmu.

WITAMINA A - RETINOL

Witamina A jest gromadzona głównie pod postacią retinolu w wątrobie. Większość efektów biologicznych witaminy A w ustroju to efekt działania retinolu oraz retinalu i kwasu retinowego. Naturalne postacie oraz syntetyczne analogi retinolu określa się mianem retinoidy.

W produktach pochodzenia roślinnego witamina A występuje pod postacią prowitaminy, tj. β-karotenu. Jest to żółty barwnik złożony z dwóch cząsteczek retinalu. Ponieważ konwersja β-karotenu do witaminy A nie jest całkowita, β-karoten wykazuje tylko ¹/₆ aktywności retinolu. Związki karotenopodobne określa się jako karotenoidy.

Rola witaminy A w organizmie:

• odgrywa znaczącą rolę w procesie widzenia (retinal jest składową barwnika wzrokowego - rodopsyny),

• działanie przeciwnowotworowe,

• regeneracja komórek, zwłaszcza nabłonka.

Objawy niedoboru witaminy A:

• kseroftalmia - wysychanie spojówek i rogówki,

• suchość skóry,

• ślepota zmierzchowa („kurza ślepota”),

• złe widzenie,

• kruche, wolno rosnące paznokcie,

• suche, łamliwe włosy,

• zahamowanie wzrostu.

WITAMINA D - CHOLEKALCYFEROL

jest prohormonem steroidowym. Powstaje w komórkach skóry z prowitaminy (7-dehydrocholesterolu) w wyniku działania światła słonecznego.

Witamina D₃ zawarta w pokarmach jest wchłaniana w jelitach, a następnie ulega przemianom biochemicznym prowadzącym ostatecznie do powstania kalcytriolu - hormonu odgrywającego główną rolę w przemianie wapniowej i fosforanowej.

Skutki niedoboru witaminy D:

• krzywica u dzieci i młodzieży,

• osteomalacja (rozmiękanie kości) i osteoporoza u dorosłych,

• złamania, skrzywienia i zwyrodnienia układu kostnego.

WITAMINA E - TOKOFEROL

Witamina E to grupa organicznych związków chemicznych, w skład której wchodzi kilka tokoferoli występujących w przyrodzie. Najczęściej spotykanym i wykazującym największą aktywność biologiczną jest D-α-tokoferol.

Witamina E jest najważniejszym naturalnym antyoksydantem (przeciwutleniaczem). Stanowi pierwszą linię obrony przed peroksydacją wielonienasyconych kwasów tłuszczowych zawartych w fosfolipidach błon komórkowych i organelli subkomórkowych.

Tokoferole działają jako antyoksydanty przerywając reakcje łańcuchowe generujące wolne rodniki. W regeneracji tokoferolu bierze udział witamina C.

Witamina E jest stosowana jako dodatek do żywności o numerze E306 (ponadto syntetyczne tokoferole noszą numery E307-309).

Skutki niedoboru witaminy E (rzadko, gdyż występuje dość powszechnie):

• rogowacenie i wczesne starzenie się skóry,

• gorsze gojenie się ran,

• pogorszenie wzroku,

• niedokrwistość,

• bezpłodność,

• zwiększone ryzyko chorób sercowo-naczyniowych.

Zwiększone zapotrzebowanie na witaminę E występuje przy wzroście spożycia wielonienasyconych kwasów tłuszczowych. Zażywanie olejów mineralnych, ekspozycja na czysty tlen oraz choroby przebiegające z upośledzonym wchłanianiem tłuszczów w jelitach mogą być przyczyną niedoboru witaminy E.

WITAMINA K

Postacie witaminy K:

• K₁ - filochinon - główna postać witaminy K występująca w roślinach,

• K₂ - menachinon - występuje w tkankach zwierzęcych i jest syntetyzowany przez bakterie w jelitach,

• K₃ - menadion - syntetyczna forma witaminy K.

Rola witaminy K w organizmie - jest niezbędna w biosyntezie osoczowych czynników krzepnięcia krwi II, VII, IX i X. Czynniki te są syntetyzowane w wątrobie w postaci nieaktywnych białek prekursorowych. Witamina K jest kofaktorem karboksylazy - enzymu biorącego udział w aktywacji wymienionych czynników krzepnięcia.

Niedobór witaminy K:

• u dorosłych występuje rzadko, gdyż oprócz występowania w pokarmach zarówno pochodzenia roślinnego, jak i zwierzęcego, jest również syntetyzowana przez mikroflorę jelitową;

• na niedobór tej witaminy są narażone noworodki, ponieważ łożysko nie transportuje dostatecznie skutecznie witaminy K z krążenia matki do płodu i przewód pokarmowy noworodków bezpośrednio po urodzeniu jest sterylny;

• przyczyną niedoboru może być wyjałowienie przewodu pokarmowego w trakcie długotrwałej antybiotykoterapii, gdy podaż tej witaminy w pokarmach jest niedostateczna.

ENZYMY

Enzymy są związkami katalizującymi reakcje chemiczne.

• Przyspieszają specyficzne reakcje chemiczne poprzez znaczne obniżenie ich energii aktywacji.

• Katalizują przekształcenie jednego lub więcej substratów w jeden lub więcej produktów.

• Podczas reakcji ulegają zmianom fizycznym, ale po ich zakończeniu powracaja do stanu pierwotnego.

• Charakteryzują się wysoką specyficznością działania - większość enzymów katalizuje albo swoistą reakcję, albo swoisty typ reakcji.

• Enzymy nie zmieniają końcowego składu mieszaniny reagującej, ani stałej równowagi danej reakcji, jedynie przyspieszają osiągnięcie stałej równowagi w reakcjach termodynamicznie możliwych.

• Prawie wszystkie enzymy są katalizatorami białkowymi, z wyjątkiem rybozymów zbudowanych z RNA.

SPECYFICZNOŚĆ ENZYMÓW:

• Większość enzymów katalizuje albo swoistą reakcję, albo swoisty typ reakcji.

• Zdolność enzymów do katalizowania tylko jednej swoistej reakcji i żadnej innej prawdopodobnie jest ich najważniejszą cechą.

• Swoistość wyższego rzędu jest wykazywana przez niektóre enzymy dla określonego typu reakcji, np. enzymy lityczne działają na określone ugrupowania chemiczne:

• glikozydaza - wiązania glikozydowe,

• esteraza - wiązania estrowe,

• trypsyna i pepsyna wiązania peptydowe (ale chymotrypsyna hydrolizuje wiązania peptydowe których grypa karboksylowa pochodzi od aminokwasów aromatycznych).

BUDOWA ENZYMÓW:

HOLOENZYM = APOENZYM + KOENZYM

holoenzym - pełny układ katalityczny

apopenzym - część białkowa holoenzymu

koenzym - przyłączona część o niebiałkowym charakterze

Koenzym może przyłączać się do apoenzymu słabo lub bardzo silnie - wówczas nazywany jest grupą prostetyczną.

Centrum aktywne (miejsce aktywne) to specjalna kieszonka lub szczelina na powierzchni cząsteczki enzymu, zawierająca reszty odpowiedzialne za specyficzność substratową oraz reszty katalityczne, które często działają jak donory lub akceptory protonów lub też są odpowiedzialne za wiązanie kofaktorów.

Centrum aktywne jest również miejscem hamowania enzymów.

Miejsce aktywne wiąże substrat tworząc kompleks enzym-substrat (ES), który następnie rozpada się na wolny enzym i produkt:

E+S <-> ES -> E+P

PROENZYMY

Proenzymy (zymogeny) to nieaktywne prekursory enzymów, ulegające aktywacji najczęściej z udziałem innego enzymu, w efekcie jedno- lub kilkustopniowej hydrolizy wiązań peptydowych (aktywacja proteolityczna).

Przykład proenzymów:

• enzymy trawienne:

• pepsyna (pepsynogen),

• trypsyna (trypsynogen),

• chymotrypsyna (chymotrypsynogen)

• czynniki krzepnięcia i fibrynolizy:

• fibryna (fibrynogen),

• plazmina (plazminogen),

• trombina (protrombina).

IZOENZYMY:

Izoenzymy (izozymy) to fizycznie odmienne formy enzymu o tej samej aktywności katalitycznej. Mogą występować w różnych tkankach tego samego organizmu, w różnych typach komórek, w różnych kompartmentach subkomórkowych.

Np. występuje 5 izoenzymów dehydrogenazy mleczanowej (LDH₁-₅), różniących się na poziomie budowy czwartorzędowej.

ENZYMY WDIAGNOSTYCE:

Występowanie w osoczu enzymów wewnątrzkomórkowych w ilościach powyżej wartości prawidłowych, sugeruje zwiększenie destrukcji określonych tkanek.

Przykłady wykorzystania oznaczania enzymów w diagnostyce laboratoryjnej:

• dehydrogenaza mleczanowa - zawał serca (LDH₁), uszkodzenie wątroby (LDH₅),

• kinaza kreatynowa - choroby mięśni, zawał serca,

• aminotransferaza asparaginianowa (AspAT) - zawał serca,

• aminotransferaza alaninowa (AlAT) - wirusowe zapalenie wątroby.

Czynniki wpływające na szybkość reakcji enzymatycznej:

• stężenie substratu,

• stężenie enzymu,

• aktywatory, inhibitory,

• pH,

• temperatura.

TEMPERATURA - Wykres zależności Vo od temperatury ma kształt krzywej o wyraźnie zaznaczonym optimum termicznym. Dla wielu enzymów ssaków przypada ono na około 37°C, ale istnieją organizmy, których enzymy zaadaptowały się do działania w temperaturach zarówno wyższych, jak i niższych. Np. Polimeraza Taq, której używa się w łańcuchowej reakcji polimeryzacji występuje u bakterii żyjącej w gorących źródłach.

pH- Różne enzymy wykazują różne optima pH. Małe odchylenia pH od wartości optymalnej powodują spadek aktywności wywołany zmianami jonizacji grup w aktywnym miejscu enzymu. Większe odchylenia pH prowadzą do denaturacji enzymu. Wykres Vo jako funkcja pH ma zazwyczaj kształt dzwonu. Optimum pH dla większości enzymów wynosi w pobliżu 6,8.

Pepsyna - pH ok. 1, fosfataza alkaliczna - pH ok. 11.

Wykres zależności szybkości reakcji enzymatycznej od stężenia enzymu - szybkość reakcji rośnie wprost proporcjonalnie do stężenia enzymu.

STĘŻENIE SUBSTRATU - przy którym prędkość reakcji osiąga połowę prędkości

maksymalnej nosi nazwę stałej Michaelisa (Km). Jest ona miarą powinowactwa enzymu do określonego substratu. Wyraża się ją w molach substratu na litr roztworu.

KINETYKA MICHAELISA - MENTEN

Kinetykę reakcji większości enzymów opisuje równanie Michaelisa-Menten:

V - szybkość początkowa

V_m - szybkość maksymalna

S - stężenie substratu

Szybkość początkowa - to szybkość mierzona przed utworzeniem dostatecznej ilości produktu, pozwalającej na zachodzenie reakcji odwrotnej. Jest definiowana jako liczba moli produktu utworzonego w czasie 1 sekundy.

INHIBICJA ENZYMÓW:

• nieodwracalna

• odwracalna: kompetycyjna

niekompetycyjna

INHIBICJA ODWRACALNA:

Zasadnicze różnice pomiędzy inhibitorem kompetycyjnym i niekompetycyjnym

Porównywana cecha	Inhibitor kompetycyjny	Inhibitor niekompetycyjny
Budowa	podobny do substratu	niepodobny do substratu
Miejsce wiązania	centrum aktywne	poza centrum aktywnym
Odwracalność inhibicji	inhibicja odwracalna przez wzrost stężenia substratu	Inhibicja nieodwracalna przez wzrost stężenia substratu
Vmax	bez zmian	maleje
KM	wzrasta	bez zmian

ENZYMY ALLOSTERYCZNE:

Enzymy allosteryczne to enzymy, których aktywność miejsca katalitycznego może być regulowana przez efektory (inhibitory i aktywatory) allosteryczne, znajdujące się w miejscu allosterycznym.

• Enzymy allosteryczne składają się z kilku podjednostek i kilku miejsc aktywnych.

• Działają niezgodnie z klasyczną kinetyką Michaelisa-Menten.

• Wykres zależności szybkości reakcji Vo od stężenia substratu [S] często przybiera kształt sigmoidalny w odróżnieniu od kszałtu hiperboli - dla równania Michaelisa-Menten.

• W enzymach allosterycznych, związanie substratu do jednego miejsca aktywnego może zmienić właściwości innych miejsc aktywnych w tej samej cząsteczce enzymu. Rezultatem takiego oddziaływania między podjednostkami może być kooperatywność wiązania substratu, czyli wiązanie substratu do jednego miejsca aktywnego enzymu ułatwia wiązanie substratu do innych miejsc aktywnych.

KLASYFIKACJA ENZYMÓW:

Enzymy podzielone są na 6 głównych klas:

1. Oksydoreduktazy (EC 1.)

2. Transferazy (EC 2.)

3. Hydrolazy (EC 3.)

4. Liazy (EC 4.)

5. Izomerazy (EC 5.)

6. Ligazy (EC 6.)

OKSYDOREDUKTAZY:

Oksydoreduktazy to enzymy katalizujące procesy utleniania i redukcji.

Podzielone są na 5 grup:

• oksydazy

• dehydrogenazy

• reduktazy

• oksygenazy

• peroksydazy

Oksydazy używają tlenu jako akceptora wodoru. Katalizują oderwanie wodoru z substratu i przeniesienie go na cząsteczkę biorcy, którym jest tlen. Produktem reakcji jest woda lub nadtlenek wodoru:

• 2 AH₂ (zred.) + O₂ 2 A (utl.) + 2 H₂O

• AH₂ (zred.) + O₂ A (utl.) + H₂O₂

Niektóre oksydazy są flawoproteinami - zawierają FMN lub FAD.

Przykładami oksydaz są:

• oksydaza cytochromowa (końcowy przenośnik elektronów w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym, zawiera żelazo i miedź),

• oksydaza L-aminokwasowa (w deaminacji aminokwasów),

• oksydaza ksantynowa (w degradacji puryn).

Dehydrogenazy spełniają 2 zasadnicze funkcje:

• przenoszą wodory z jednego substratu na drugi w sprzężonej reakcji oksydoredukcyjnej; reakcje te są odwracalne, jeden substrat utlenia się kosztem drugiego w nieobecności tlenu;

• jako składniki łańcucha oddechowego transportującego elektrony z substratu na tlen.

Niektóre dehydrogenazy są zależne od koenzymów nikotynoamidowych - pochodnych niacyny (wit. B₃), a inne od koenzymów ryboflawinowych - pochodnych ryboflawiny (wit. B₂).

Na ogół NAD-zależne dehydrogenazy katalizują reakcje w oksydacyjnych szlakach katabolicznych (glikoliza, cykl Krebsa, łańcuch oddechowy). Natomiast NADP-zależne dehydrogenazy są charakterystyczne dla syntez redukcyjnych (synteza kwasów tłuszczowych, steroidów).

Reduktazy katalizują reakcje redukcji. Donorem atomów wodoru do uwodorowania substratu jest z reguły NADPH + H⁺.

Przykładem jest:

• reduktaza HMG-CoA, biorąca udział w syntezie cholesterolu,

• reduktaza glutationowa niezbędna do regeneracji zredukowanego glutationu.

Oksygenazy katalizują przeniesienie i przyłączanie tlenu do cząsteczki substratu. Uczestniczą raczej w syntezie lub degradacji różnych metabolitów, a nie w procesach dostarczających komórce energii.

2 podgrupy oksygenaz:

• dioksygenazy - przyłączają do substratu oba atomy tlenu,

• monooksygenazy (hydroksylazy) - wbudowują do substratu tylko 1 atom tlenu z cząsteczki O₂. Drugi atom tlenu ulega redukcji do H₂O.

Peroksydazy używają nadtlenku wodoru lub nadtlenków organicznych jako substratów.

Wyróżniamy 2 typy:

• klasyczne peroksydazy redukują nadtlenki używając różnych związków jako akceptorów elektronów; np. reduktaza glutationowa

• katalaza - wykazuje aktywność peroksydazową, a także może używać nadtlenku wodoru zarówno jako donora, jak i akceptora elektronów:

TRANSFERAZY:

Transferazy przenoszą określoną grupę (np. metylową, aminową) z jednego związku (donor) na inny związek (akceptor):

A-X + B A + B-X

Wyróżniamy kilka podklas transferaz w zależności od rodzaju przenoszonej grupy:

• metylotranferazy (przenoszą grupy -CH₃),

• acylotransferazy (przenoszą reszty kwasowe),

• glukozylotransferazy (przenoszą reszty cukrowe),

• aminotransferazy (przenoszą grupy azotowe),

• fosfotransferazy, kinazy (przenoszą reszty fosforanowe),

• nukleotydylotransferazy (polimerazy DNA i RNA, telomeraza).

HYDROLAZY:

Hydrolazy katalizują hydrolityczne (z udziałem wody) rozrywanie różnych typów wiązań chemicznych (peptydowe estrowe, amidowe, glikozydowe, bezwodnikowe).

A-B + H₂O A-OH + B-H

Przykłady:

• proteazy,

• nukleazy,

• fosfatazy,

• glikozylazy,

• lipazy,

• fosfodiesterazy,

• ureaza.

Hydrolazy nie wymagają obecności koenzymów i grup prostetycznych. Katalizują reakcje na ogół nieodwracalne. Enzymy trawienne należą do klasy hydrolaz.

LIAZY:

Liazy katalizują rozszczepianie wiązań C-C, C-O, C-N i kilka innych przez eliminację, tworząc wiązania podwójne lub dodając grupy do wiązań podwójnych.

Przykłady:

• dekarboksylazy (uwalnia się CO₂),

• aldolazy (uwalniane są grupy aldehydowe),

• dehydratazy (usuwana jest cząsteczka wody),

• amoniakoliazy (usuwana jest cząsteczka amoniaku).

W przypadku, gdy reakcja odwrotna jest znacznie bardziej istotna, używa się czasem nazwy „syntaza” (ale nie wszystkie syntazy należą do liaz!).

IZOMERAZY:

Izomerazy katalizują geometryczne lub strukturalne zmiany wewnątrz jednej cząsteczki:

ABC ACB

Reakcje katalizowane przez izomerazy nie zawsze są odwracalne.

Przykłady:

• racemazy

• epimerazy

• mutazy,

• topoizomerazy,

• tautomerazy,

• cykloizomerazy.

LIGAZY:

Ligazy katalizują połączenie dwóch cząsteczek sprzężone z hydrolizą pirofosforanowego wiązania w ATP albo podobnym trifosforanie. Utworzone wiązania są często wiązaniami wysokoenergetycznymi. Reakcje są nieodwracalne.

A + B + NTP AB + NDP + P_i

Przykłady: syntetaza acylo-CoA, ligaza DNA

Ligazy często nazywane są syntetazami. Nie należy ich jednak mylić z syntazami, które nie wymagają do swych reakcji energii i najczęściej należą do klasy liaz.

UTLENIANIE BIOLOGICZNE

PROCESY EGZOERGICZNE - uwalniające energię ATP	PROCESY ENDOERGICZNE - pochłaniające energię ATP
Glikoliza	Skurcz mięśni
Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu	Synteza biomolekuł
Utlenianie octanu w cyklu Krebsa	Transport czynny
Utlenianie ciał ketonowych	Neurotransmisja
Utlenianie kwasów tłuszczowych i glicerolu	Fosforylacja cukrów i białek

ZWIĄZKI WYSOKOENERGETYCZNE:

ATP nie jest jedynym związkiem o wysokim potencjale przenoszenia grup fosforanowych. Istnieją związki o wyższym potencjale:

• fosfoenolopirogronian (PEP),

• karbamoilofosforan,

• 1,3-bisfosfoglicerynian (1,3-BPG),

• fosfokreatyna.

Nie mogą one jednak być bezpośrednimi dawcami energii dla reakcji endoergicznych. Uczestniczą natomiast w fosforylacji substratowej. Proces ten polega na tworzeniu ATP kosztem rozpadu tych związków.

Na szczególną uwagę w tej grupie związków zasługuje fosfokreatyna, która stanowi rezerwuar energii potrzebnej dla skurczu mięśni.

KINAZA KREATYNOWA : kreatyna + ATP ↔ fosfokreatyna + ADP

SCHEMAT KATABOLIZMU WĘGLOWODANÓW, TŁUSZCZÓW I BIAŁEK

ŹRÓDŁA ACETYLO-CoA

LOKALIZACJA UTLENIANIA PIROGRONIANU I CYKLU KREBSA

Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu oraz cykl Krebsa zlokalizowane są w macierzy mitochondrialnej.

Niektóre komórki, np. krwinki czerwone nie mają mitochondriów a zatem nie mają zdolności do utleniania substratów energetycznych do CO₂ i H₂O (czerpią energię z beztlenowej przemiany glukozy). Mięsień sercowy, który potrzebuje dużo energii do skurczu zawiera bardzo dużo mitochondriów (zajmują one ok. połowy objętości cytoplazmy). Bogate w mitochondria są też komórki wątroby (800-2000) - miejsce licznych procesów biosyntezy, wymagających ATP.

OKSYDACYJNA DEKARBOKSYLACJA PIROGRONIANU

W skład kompleksu dehydrogenazy pirogronianowej wchodzą 3 enzymy:

• dehydrogenaza pirogronianowa (pirofosforan tiaminy),

• acetylotransferaza (transacetylaza) dihydrolipoamidowa (koenzym A, kwas liponowy),

• dehydrogenaza dihydrolipoamidowa (FAD, NAD⁺).

Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu jest procesem złożonym. Bierze w nim udział kolejno 5 koenzymów:

• pirofosforan tiaminy (wit. B₁),

• kwas liponowy,

• koenzym A (wit. B₅)

• FAD (wit. B₂),

• NAD⁺ (wit. B₃),

REGULACJA DEHYDROGENAZY PIROGRONIANOWEJ:

Kompleks dehydrogenazy pirogronianowej występuje w 2 formach:

• aktywnej (niefosforylowanej) i

• nieaktywnej (ufosforylowanej).

Kinazy i fosfatazy biorą udział odpowiednio w procesach fosforylacji i defosforylacji tego enzymu.

Ponadto dehydrogenaza pirogronianowa je hamowana przez produkty reakcji:

• acetylo-CoA i

• NADH.

CYKL KREBSA - zwany także cyklem kwasu cytrynowego, jest końcowym, wspólnym szlakiem utleniania cząsteczek, będących źródłem energii dla organizmu, takich jak białka (aminokwasy), kwasy tłuszczowe, węglowodany.

Reakcja sumaryczna Cyklu Krebsa:

acetylo-CoA + GDP + P_i + 3NAD⁺ + FAD + 2H₂0 → Co-A + GTP + 3NADH + 2H⁺ + FADH₂ + 2CO₂

SYNTAZA CYTRYNIANOWA:

Koenzym biorący udział w reakcji: koenzym A (wit. B₅).

Syntaza cytrynianowa (klasa liazy) katalizuje reakcję nieodwracalną. Stanowi pierwszy etap regulacji cyklu Krebsa.

Jest hamowana allosterycznie przez ATP i długołańcuchowe acylo-CoA (aktywna postać kwasu tłuszczowego). Aktywatorem jest wzrost stężenia ADP.

AKONITAZA

Akonitaza należy do klasy liaz.

Inhibitorem tego enzymu jest fluorocytrynian

DEHYDROGENAZA IZOCYTRYNIANOWA:

Izocytrynian szczawiobursztynian α-ketoglutaran

Pod działaniem dehydrogenazy izocytrynianowej (oksydoreduktaza) zachodzi oksydacyjna dekarboksylacja izocytrynianu do α-ketoglutaranu. Powstający w pierwszym etapie szczawiobursztynian jest bardzo nietrwały i ulega spontanicznej dekarboksylacji.

Reakcja jest nieodwracalna i podlega regulacji. Enzym jest allosterycznie aktywowany przez ADP (podwyższony poziom ADP sygnalizuje zapotrzebowanie na ATP). Aktywacja przez ADP znoszona jest przez ATP i NADH. Aktywatorem są również jony wapnia (Ca²⁺).

DEHYDROGENAZA α-KETOGLUTARANOWA

α-ketoglutaran bursztynylo ~S-CoA

Dehydrogenaza α-ketoglutaranowa (oksydoreduktaza) jest kompleksem wieloenzymatycznym, podobnym do dehydrogenazy pirogronianowej. Kompleks współdziała z pirofosforanem tiaminy, CoA, kwasem liponowym, FAD i NAD⁺. W odróżnieniu od dehydrogenazy pirogronianowej enzym nie jest regulowany przez fosforylację.

Kompleks enzymatyczny jest hamowany przez ATP, GTP, NADH, bursztynylo-CoA. Aktywatorem jest CA²⁺. Inhibitorem egzogennym dehydrogenazy α-ketoglutaranowej jest arsenin (arszenik).

SYNTETAZA BURSZTYNYLO-CoA

bursztynylo ~S-CoA bursztynian + CoA-SH

Syntetaza bursztynylo-CoA (ligaza) rozkłada bogate w energię wiązanie tioestrowe, zawarte w bursztynylo-CoA. Reakcja jest sprzężona z syntezą GTP lub ATP (FOSFORYLACJA SUBSTRAROWA). W reakcji bierze udział koenzym A.

W wątrobie enzym związany jest z GDP/GTP a w mózgu i sercu ADP/ATP. Energia zawarta w GTP równoważna jest energii zawartej w ATP. Oba nukleotydy mogą się wzajemnie przekształcać pod działaniem kinazy difosfonukleozydowej.

GTP + ADP GDP + ATP

DEHYDROGENAZA BURSZTYNIANOWA

bursztynian fumaran

Dehydrogenaza bursztynianowa (oksydoreduktaza) współpracuje z koenzymem ryboflawinowym. Utlenianie FADH2 w łańcuchu oddechowym pomija miejsce pierwszej fosforylacji oksydacyjnej. Para atomów wodoru przekazywana jest bezpośrednio na koenzym Q. Powstają tylko 2 cząsteczki ATP.

FUMARAZA

fumaran L-jabłczan

Fumaraza należy do klasy liaz.

DEHYDROGENAZA JABŁCZANOWA

L-jabłczan szczawiooctan

W wyniku działania dehydrogenazy jabłczanowej (oksydoreduktaza) powstaje kolejna cząsteczka NADH.

BILANS ENERGETYCZNY CYKLU KREBSA

BILANS ENERGETYCZNY

REAKCJE ANAPLEROTYCZNE W CYKLU KREBSA

Reakcje anaplerotyczne to reakcje, w których powstają metabolity cyklu, ale nie są to reakcje cyklu Krebsa.

SCHEMAT ŁAŃCUCHA ODDECHOWEGO

Transport jednej pary atomów wodoru z substratu przez dehydrogenazę zależną od NAD⁺ i kolejne ogniwa łańcucha oddechowego wiąże się z powstaniem 3 cząsteczek ATP. Utlenienie substratu przez dehydrogenazę zależną od FAD i kolejne ogniwa łańcucha oddechowego pomija pierwsze miejsce fosforylacji i dostarcza jedynie 2 cząsteczek ATP.

CYTOCHROMY:

• Cytochromy - niewielkie białka (13-22 kDa). Każdy z nich wiąże cząsteczkę hemu, zawierającą Fe^2+/3+. Żelazo w cytochromach jest łatwo i odwracalnie redukowane i utleniane.

• Z wyjątkiem oksydazy cytochromowej, wszystkie cytochromy są dehydrogenazami.

• Wszystkie cytochromy mają pierścień porfirynowy (hem C lub hem A) z jonem Fe^2+/3+ a cytochrom a + a3 zawiera dodatkowo jon Cu^1+/2+

• Funkcjonują w następującym porządku: 2 cyt b, 2 cyt c1, 2 cyt c, 2 cyt a + a3, ½ O2

• Cytochrom c jest jedynym cytochromem dobrze rozpuszczalnym w wodzie i łatwym do wyizolowania. Pozostałe są trwale wbudowane w błonę mitochondrialną.

• Cytochrom a + a3 (oksydaza cytochromowa) przekazuje elektrony na tlen. Elektrony, wolne protony i tlen cząsteczkowy wiążą się i wytwarzają cząsteczkę wody. Jest jedynym enzymem łańcucha oddechowego, który katalizuje reakcję nieodwracalną.

KOMPLEKSY ODDECHOWE:

Każdy przenośnik pobiera elektron od dawcy i przekazuje go biorcy. Końcowym akceptorem pary elektronów jest atom tlenu. Powstający jon O^2- wiąże dwa protony tworząc cząsteczkę wody. Proces ten zużywa większość tlenu pobieranego przez organizm.

Transport jednej pary atomów wodoru z substratu przez dehydrogenazę zależną od NAD⁺ i kolejne ogniwa łańcucha oddechowego wiąże się z powstaniem 3 cząsteczek ATP. Utlenienie substratu przez dehydrogenazę zależną od FAD i kolejne ogniwa łańcucha oddechowego pomija pierwsze miejsce fosforylacji i dostarcza jedynie 2 cząsteczek ATP.

KOMPLEKS I - Oksydoreduktaza NADH: ubichinon (dehydrogenaza NADH) zawiera trwale związaną cząsteczkę FMN, która wiąże dwa atomy wodoru (2H⁺ + 2e^-), przechodząc w FMNH₂. Zawiera białka Fe:S. Przenosi atomy wodoru na następne ogniwo łańcucha - ubichinon. Kompleks I jest sprzężony z reakcją fosforylacji

KOMPLEKS II - Oksydoreduktaza bursztynian : ubichinon - uczestniczy w utlenianiu bursztynianu. Jest kompleksem białka enzymatycznego dehydrogenazy bursztynianowej (enzym cyklu Krebsa) oraz białek Fe:S. Redukuje ubichinon do ubichinolu.

KOMPLEKS III - Oksydoreduktaza ubichinol : utleniony cytochrom c. Zawiera cytochrom b, oraz białka Fe:S. Jest sprzężony z reakcją fosforylacji

KOMPLEKS IV - Oksydoreduktaza zredukowany cytochrom c : tlen. Zawiera cytochromy a i a3. Przekazuje elektrony ze zredukowanego cytochromu c na tlen. Jest sprzężony z reakcją fosforylacji.

KOMPLEKS V - Syntaza ATP.

INHIBITORY TRANSPORTU ELEKTRONÓW

Amytal - barbituran

Rotenon - jad rybi

Antymycyna - antybiotyk

Oprócz inhibitorów transportu elektronów, hamująco na łańcuch oddechowy działają inhibitory fosforylacji oksydacyjnej (oligomycyna) oraz związki rozprzęgające (2,4-dinitrofenol).

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA

• Kompleks I, III i IV pełnią funkcję pompy protonowej. Transport elektronów przez łańcuch oddechowy jest sprzężony z przemieszczaniem protonów (H⁺) w poprzek wewnętrznej błony mitochondrialnej, z macierzy do przestrzeni międzybłonowej.

• Przeniesieniu jednej pary elektronów z NADH na atom tlenu towarzyszy przemieszczenie 3 par protonów.

• Proces ten wytwarza gradient elektryczny i gradient pH po obu stronach błony wewnętrznej (zewnętrzna powierzchnia błony staje się bardziej dodatnio naładowana i ma niższe pH niż strona wewnętrzna).

• Energia generowana przez gradient protonów napędza syntezę ATP.

• Proces jest katalizowany przez kompleks enzymatyczny zwany syntazą ATP.

Teoria chemiosmotyczna Mitchella

• Teoria chemiosmotyczna zakłada, że protony przeniesione na zewnętrzną stronę wewnętrznej błony mitochondrialnej wracają do macierzy mitochondrialnej kanałem w cząsteczce syntazy ATP. Wyzwala to energię, pozwalającą na wytworzenie wiązania bezwodnikowego między ADP i Pi, co równocześnie rozładowuje gradient elektryczny i gradient pH.

• Oligomycyna zamyka kanał protonowy i zapobiega powrotowi protonów - gradient nie może być rozładowany. Ustaje transport elektronów.

• Transport elektronów i fosforylacja są sprzężone. Przy zahamowanym transporcie elektronów ustaje fosforylacja ADP.

• Możliwe jest zahamowanie fosforylacji przy zachowaniu transportu elektronów. Związki rozprzęgające, zwiększają przepuszczalność błony wewnętrznej (np. 2,4-dinitrofenol), co prowadzi do natychmiastowego rozładowania gradientu protonów. Energia uwalniana przez transport elektronów rozprasza się w postaci ciepła.

WĘGLOWODANY

TRAWIENIE WĘGLOWODANÓW:

• Jama ustna:

• α-amylaza ślinowa

• Sok trzustkowy:

• α-amylaza trzustkowa

• Sok jelitowy:

• sacharaza

• laktaza

• maltaza

• izomaltaza

• trehalaza

METABOLIZM GLUKOZY

GLUKOZA PIROGRONIAN ACETYLO-CoA CO₂, H₂O

GLIKOLIZA

BILANS ENERGETYCZNY GLIKOLIZY

glukoza + 2 P_i + 2 ADP + 2 NAD⁺ 2 cz. pirogronianu + 2 ATP + 2 NADH + 2 H⁺ + 2 H₂O

• reakcje zużywające ATP (heksokinaza, fosfofruktokinaza)

• fosforylacja substratowa (kinaza fosfoglicerynianowa, kinaza pirogronianowa)

• fosforylacja oksydacyjna - utlenianie 2 cząst. NADH + H⁺ w łańcuchu oddechowym (dehydrogenaza aldehydu 3-fosfoglicerynowego)

REGULACJA GLIKOLIZY

Glikoliza jest regulowana na 3 etapach obejmujących reakcje nieodwracalne, tj. w miejscu działania heksokinazy, fosfofruktokinazy i kinazy pirogronianowej.

• Heksokinaza - jest hamowana przez glukozo-6-fosforan, powstający w wyniku rozpadu glikogenu

Glukokinaza (występująca w wątrobie), w odróżnieniu od heksokinazy nie jest hamowana przez glukozo-6-fosforan, co sprzyja pobieraniu glukozy do wątroby w przypadku jej dużego stężenia w żyle wrotnej po posiłku węglowodanowym.

• Fosfofruktokinaza - najważniejsze miejsce regulacji glikolizy. Enzym jest hamowany allosterycznie przez wzrost stężenia ATP, cytrynianu. Aktywatorami są wysoki poziom AMP oraz fruktozo-2,6-bisfosforan, będący produktem fosfofruktokinazy II.

• Kinaza pirogronianowa - jest aktywowana przez fruktozo-1,6-bisfosforan.

GLIKOLIZA BEZTLENOWA

W przebiegu glikolizy beztlenowej, NADH + H⁺ powstały w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę aldehydu 3-fosfoglicerynowego nie jest utleniany przez mitochondrialny łańcuch oddechowy, ale przez pirogronian, który redukuje się do mleczanu:

Pozwala to na ponowne wykorzystanie utlenionego NAD⁺ w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę aldehydu 3-fosfoglicerynowego. Ten sprawny mechanizm regeneracji NAD⁺, zapobiega wyczerpaniu się jego zapasów cytozolowych i zahamowaniu glikolizy w warunkach niedotlenienia.

Wysiłek fizyczny prowadzi do akumulacji mleczanu w mięśniach, powodując ich zakwaszenie. W wątrobie mleczan jest utleniany do pirogronianu.

Glikoliza beztlenowa jest mniej wydajna pod względem energetycznym niż glikoliza w warunkach tlenowych.

Sumaryczna reakcja glikolizy beztlenowej:

2 cząsteczki ATP powstające podczas glikolizy beztlenowej pochodzą z fosforylacji substratowej. W warunkach beztlenowych łańcuch oddechowy nie funkcjonuje

CZÓŁENKO GLICEROLOFOSFORANOWE

CZÓŁENKO JABŁCZANOWO - ASPARAGINIANOWE

GLUKONEOGENEZA

Glukoneogeneza to proces biosyntezy glukozy z substratów nie będących cukrami. Zachodzi w wątrobie oraz w nerce.

Prekursorami glukoneogenezy są:

• mleczan,

• pirogronian,

• glicerol,

• szkielety węglowodorowe niektórych aminokwasów.

GLUKONEOGENEZA A GLIKOLIZA

Glukozo-6-fosfataza występuje w wątrobie i w nerkach, ale nie ma jej w mięśniu i w tkance tłuszczowej. Obecność jej pozwala tkankom oddawać glukozę do krwi. Błony komórkowe są nieprzepuszczalne dla glukozo-6-fosforanu.

REGULACJA GLUKONEOGENEZY

• karboksylaza pirogronianowa:

• aktywowana przez acetylo-CoA

• fruktozo-1,6-bisfosfataza:

• aktywowana przez ATP

• hamowana przez AMP

Regulacja hormonalna:

• glukokortykoidy i glukagon pobudzają glukoneogenezę

• insulina hamuje glukoneogenezę

PRZEMIANA GLICEROLU W GLUKOZĘ

PRZEMIANA MLECZNU W GLUKOZĘ

CYKL CORI

METABOLIZM FRUKTOZY

Blok w samoistnej fruktozurii

(nie wymaga leczenia)

Blok we wrodzonej nietolerancji fruktozy (eliminacja fruktozy z diety)

METABOLIZM GALAKTOZY

SZLAK PENTOZOFOSFORANOWY

Szlak pentozofosforanowy (cykl pentozowy, heksozomonofosforanowy):

• stanowi alternatywną drogę metabolizmu glukozy;

• ciąg reakcji biochemicznych zachodzących w cytosolu, podczas których glukozo-6-fosforan jest utleniany do rybozo-5-fosforanu (substrat w biosyntezie nukleotydów i kwasów nukleinowych) oraz wytwarzany jest NADPH (reduktor w przebiegu różnych biosyntez);

• zachodzi przede wszystkim w tkance tłuszczowej, gruczołach mlecznych, korze nadnerczy, wątrobie (czyli tam gdzie zachodzi intensywna synteza kwasów tłuszczowych, cholesterolu i hormonów steroidowych);

• dzieli się na 2 etapy: nieodwracalny etap oksydacyjny i odwracalny etap nieoksydacyjny.

Znaczenie szlaku pentozofosforanowego:

• Wytwarzanie zredukowanego fosforanu dinukleotydu nikotynoamido-adeninowego - NADPH, który:

• jest nośnikiem równoważników redukujących w procesach syntez redukcyjnych (synteza kwasów tłuszczowych, cholesterolu, hormonów steroidowych),

• pełni rolę antyoksydanta - jest koenzymem reduktazy glutationowej.

• Dostarczanie reszt rybozy (w postaci rybozo-5-fosforanu) dla biosyntezy nukleotydów wchodzących w skład kwasów nukleinowych, koenzymów (CoA, NAD⁺, NADP⁺ i FAD) lub funkcjonujących jako przenośniki energii.

Reakcja sumaryczna szlaku pentozowego:

3 cz. glukozo-6-P + 3 H₂O + 6 NADP⁺ →

3 CO₂ + 2 cz. fruktozo-6-P + aldehyd 3-P-glicerynowy + 6 NADPH + H⁺

Regulacja szlaku pentozowego:

• dehydrogenaza glukozo-6-fosforanowa

jest hamowana przez wzrost stężenia NADPH

jest aktywowana przez wzrost stężenia NADP⁺

ZABURZENIA SZLAKU PENTOZOWEGO

Skutki wrodzonego niedoboru dehydrogenazy glukozo-6-fosforanowej są najbardziej dotkliwe dla erytrocytów, ponieważ szlak pentozowy jest jedynym źródłem NADPH w krwinkach czerwonych. Brak NADPH skutkuje obniżoną zdolnością do detoksyfikacji reaktywnych form tlenu i w związku z tym hemolizą erytrocytów (anemia).

SZLAKI PRZEMIANY GLUKOZO - 6 - FOSFORANU

ROLA GLIKOGENU

Glikogen jest zapasowym materiałem energetycznym, magazynowanym głównie w wątrobie i w mięśniach

• Glikogen wątrobowy - magazynowanie glukozy i utrzymywanie odpowiedniego poziomu glukozy we krwi. Zawartość glikogenu w wątrobie - ok.100 g, co stanowi 6-8 % masy wątroby. Zawartość glikogenu wątrobowego rośnie w stanie sytości, a maleje w stanie głodu.

• Glikogen mięśniowy - rezerwa energetyczna mięśni, nie bierze udziału w zaopatrywaniu innych tkanek w glukozę. Zawartość glikogenu w mięśniach - ok. 400 g, co stanowi 1-2 % masy mięśni.

SYNTEZA GLIKOGENU

GLIKOGENOLIZA

To proces rozkładu glikogenu, który NIE JEST odwróceniem jego biosyntezy. Wymaga on udziału innych enzymów. Produktami rozpadu glikogenu jest glukozo - 1 - fosforanu i niewielka ilość wolnej glukozy.

SKRACANIE ŁAŃCUCHA

Rozkład wiązań glikozydowych zachodzi na drodze fosforolizy. Polega na odłączaniu kolejnych reszt glukozowych. Proces katalizowany jest przez FOSFORYLAZĘ GLIKOGENOWĄ zawierającą kowalencyjnie związany fosforan pirydoksalu. Efektem działania tego enzymu jest postępujące skracanie łańcucha glikogenu.

Syntaza glikogenowa katalizuje powstawanie wiązań α-1,4-glikozydowych. Może jednak wydłużać tylko już istniejący łańcuch cukrowy. Rolę startera inicjującego syntezę glikogenu pełni białko glikogenina. Białko to wiąże pierwszą resztę glukozową do grupy hydroksylowej swoistej tyrozyny.

Gdy łańcuch zostanie wydłużony do co najmniej 11 reszt cukrowych, enzym rozgałęziający (1,4→1,6-transglukozydaza) przenosi fragment łańcucha prostego (co najmniej 6 reszt glukozowych) na sąsiedni łańcuch , tworząc wiązanie α-1,6-glikozydowe, stanowiące punkt rozgałęzienia.

CUKRZYCA

Cukrzyca (łac. diabetes mellitus) jest to grupa chorób metabolicznych charakteryzujących się hiperglikemią wynikającą z defektu wydzielania i/lub działania insuliny.

• cukrzyca typu 1

• immunologiczna

• idiopatyczna

• cukrzyca typu 2

• inne specyficzne typy (cukrzyca wtórna)

• cukrzyca ciężarnych

Transportery	Umiejscowienie tkankowe	Funkcje
Ułatwiające transportery dwukierunkowe
GLUT 1	Mózg, nerki, jelito grube, łożysko, erytrocyty	Pobieranie glukozy
GLUT 2	Wątroba, komórki β trzustki, jelito cienkie, nerki	Szybkie pobieranie i uwalnianie glukozy
GLUT 3	Mózg, nerki, łożysko	Pobieranie glukozy
GLUT 4	Mięsień sercowy i szkieletowy, tkanka tłuszczowa	Stymulowane insuliną pobieranie glukozy
GLUT 5	Jelito cienkie	Absorpcja glukozy
Zależny od sodu transporter jednokierunkowy
SGLT 1	Jelito cienkie i nerka	Aktywne pobieranie glukozy ze światła jelita i reabsorpcja glukozy w kanaliku proksymalnym nerki wbrew gradientowi stężenia

CUKRZYCA TYPU 1

Cukrzyca typu 1 (insulinozależna) - zniszczenie komórek β trzustki prowadzące z reguły do całkowitego niedoboru insuliny.

Cukrzyca typu 1 dotyczy w 85-90 % dzieci i osób do 30. roku życia. Stanowi około 10 % wszystkich przypadków cukrzycy.

• Cukrzyca wywołana procesem immunologicznym:

• wynika z autoimmunologicznej destrukcji komórek β trzustki

• markerami tej destrukcji są autoprzeciwciała przeciw: komórkom wysp (ICAs), insulinie (IAAs), dekarboksylazie kwasu glutaminowego (GAD65), fosfatazom tyrozynowym (IA-2 i IA-2β),

• co najmniej jeden z rodzajów przeciwciał występuje u 85-90 % osób w chwili stwierdzenia hiperglikemii na czczo

• choroba związana jest z układem zgodności tkankowej, HLA

• chorzy z tą postacią cukrzycy skłonni są do innych autoimmunologicznych chorób: choroby Gravesa-Basedowa, choroby Addisona, bielactwa, zapalenia tarczycy Hashimoto i niedokrwistości złośliwej

• Cukrzyca idiopatyczna

• przyczyna nie jest znana

• brak dowodów na obecność immunologicznego podłoża choroby

• silnie zaznaczone dziedziczenie

• insulinopenia

• skłonność do kwasicy ketonowej

• nie stwierdza się powiązań z układem HLA

• dotyczy niewielkiej liczby chorych z cukrzycą typu I (głównie pochodzenia afrykańskiego lub azjatyckiego)

PATOGENEZA INNYCH SPECYFICZNYCH TYPÓW CUKRZYCY

• Genetyczne zaburzenia funkcji komórek β trzustki (MODY): upośledzenie wydzielania insuliny przy prawidłowym lub minimalnie upośledzonym jej działaniu

• Genetyczne zaburzenia działania insuliny związane z nieprawidłowością działania receptora insulinowego

• Choroby zewnątrzwydzielniczej części trzustki: zapalenie trzustki, uraz/pankreatektomia, nowotwór, zwłóknienie torbielowate, hemochromatoza, włóknisto-wapniejąca pankreatopatia, mukowiscydoza, inne

• Endokrynopatie: nadczynność tarczycy, akromegalia, zespół Cushinga, zespół Conna, Glucagonoma - guz trzustki wydzielający glukagon, guz chromochłonny syntetyzujący katecholaminy, Prolactinoma - guz przysadki wydzielający prolaktynę, nadczynność przytarczyc

• Cukrzyca indukowana przez leki lub związki chemiczne: kwas nikotynowy, glukokortykosteroidy, hormony tarczycy, diazoksyd, agoniści receptora β-adrenergicznego, tiazydy i inne)

• Infekcje: różyczka wrodzona, cytomegalia, inne

• Inne zespoły genetyczne czasami związane z cukrzycą: zespół Downa, Klinefeltera, Turnera, dystrofia miotoniczna, porfiria i inne

PATOGENEZA CUKRZYCY CIĘŻARNYCH

Cukrzycą ciężarnych nazywa się każde zaburzenie tolerancji glukozy stwierdzone po raz pierwszy lub rozpoczynające się w czasie ciąży.

W czasie ciąży, szczególnie w 2. i 3. trymestrze, występuje fizjologiczne zmniejszenie wrażliwości na insulinę i pogorszenie tolerancji glukozy. Przyczyna choroby jest nieznana; uważa się, że niektóre hormony wydzielane przez łożysko nasilają insulinooporność u matki, powodując podwyższenie poziomu glukozy we krwi.

Cukrzyca ciężarnych obejmuje 2 stany chorobowe:

*cukrzyca, która występuje u pacjentki niezależnie od ciąży (znana lub świeżo rozpoznana dzięki zwiększonemu nadzorowi lekarskiemu nad ciężarną)

*cukrzyca ciążowa - zaburzenia metabolizmu glukozy wyindukowane przez ciążę, które po jej zakończeniu samoistnie ustępują.

CUKRZYCA CIĘŻARNYCH

Kobiety, które przebyły cukrzycę ciążową znajdują się w grupie ryzyka rozwoju cukrzycy typu 2 po 15-20 latach.

Grupy zwiększonego ryzyka wystąpienia cukrzycy w okresie ciąży:

• kobiety w podeszłym wieku,

• kobiety otyłe,

• kobiety z glukozurią stwierdzoną w dwóch przypadkowych badaniach w czasie ciąży,

• ciąża przebiegająca z wielowodziem,

• kobiety z nietolerancją glukozy w wywiadzie,

• w wywiadzie urodzenie noworodka z masą ciała > 4,5 kg,

• w wywiadzie rodzinnym cukrzyca u krewnych pierwszego stopnia.

ETIOPATOGENEZA CUKRZYCY TYPU 2

Cukrzyca typu 2 (insulinoniezależna) - insulinooporność w połączeniu z upośledzoną czynnością wydzielniczą komórek beta, prowadzące do względnego niedoboru insuliny.

• Stadium I - kompensacyjna hipersekrecja insuliny. Stadium to pozwala na utrzymanie prawidłowej glikemii. Jest obserwowane u osób otyłych, przekarmianych, nieaktywnych fizycznie. Zwiększona produkcja insuliny jest możliwa dzięki hiperplazji i hipertrofii aktywnych komórek β.

• Stadium II - stan stabilnej adaptacji. Nieprawidłowa glikemia na czczo i/lub nieprawidłowa tolerancja glukozy. Występuje defekt pierwszej fazy sekrecji insuliny w odpowiedzi na bodziec glukozowy.

• Stadium III - rozpoczyna się z klinicznym ujawnieniem cukrzycy. Glikemia w przedziale 130-285 mg/dl. Znaczne przyrosty poposiłkowej glikemii z powodu upośledzonej sekrecji insuliny oraz braku szybkiego wyrzutu insuliny.

• Stadium IV - dekompensacja komórek β. Glikemia przekracza 285 mg/dl. Przewlekła hiperglikemia (glukotoksyczność) jest bezpośrednią i pośrednią przyczyną zmian ilościowych i funkcjonalnych masy komórek β. Stan wymaga z reguły zastosowania insuliny egzogennej.

• Stadium V - ciężka dekompensacja komórek β. Bezwzględny niedobór insuliny charakteryzujący się ketozą.

ROZPOZNANIE CUKRZYCY

Cukrzycę można rozpoznać, mierząc (w nawiasach podano wartości potwierdzające obecność choroby):

• 2-krotnie glikemię na czczo (≥ 126 mg/dl, czyli ≥ 7,0 mmol/l)

• w teście doustnego obciążenia 75 g glukozy (po 2 godz. ≥ 200 mg/dl, czyli ≥ 11,1 mmol/l)

• 2-krotnie glikemię przygodną - o dowolnej porze niezależnie od posiłku (≥ 200 mg/dl, czyli ≥ 11,1 mmol/l)

---