Wstęp do Biochemii

Spalanie aminokwasów

 

Bieżący rozdział poświęcony jest spalaniu aminokwasów. Przeanalizujemy sobie losy zjadanego białka, czyli – po rozłożeniu na czynniki pierwsze – aminokwasów.

Wszystkie białka w naszym organizmie składają się z elementarnych cegiełek, którymi są aminokwasy. Aminokwasów tych jest 20. Generalny schemat ich budowy można z drobnymi wyjątkami zapisać w postaci: R – CH(NH₂) – COOH. Taka struktura wszystkich aminokwasów umożliwia łączenie się ich w sznureczki zbudowane z dziesiątek, setek, a nawet tysięcy sztuk. Wzajemne łączenie następuje w ten sposób, że grupa karboksylowa –COOH jednego aminokwasu łączy się z grupą aminową –NH₂ następnego:

 

W wyniku takiej cyklicznej reakcji otrzymujemy więc łańcuch podstawowy o strukturze:

...– CO – CHR_i – NH – CO – CHR_j – NH – CO – CHR_k – NH – ...

 

Wiązanie ­­– NH – CO – nazywamy wiązaniem peptydowym.

Każde białko ma ściśle określoną, genetycznie uwarunkowaną kolejność aminokwasów w łańcuchu. Łańcuch taki może się układać w przestrzeni na różne sposoby, jednak najczęściej zwija się on najpierw w spiralę w ten sposób, że reszty węglowe aminokwasów ustawiają się na zewnątrz tej spirali. Strukturę tę zwiemy: α-heliks. Posiada ją większość białek enzymatycznych. Spirala taka układa się następnie przestrzennie w ściśle określony sposób. Zmiana tego przestrzennego ułożenia łańcucha (np. pod wpływem ogrzewania) powoduje z reguły utratę specyficznych właściwości danego białka. Również, jeśli dojdzie do zamiany jakiegoś aminokwasu w łańcuchu na inny (np. w skutek mutacji genetycznej), białko może utracić swoje specjalne biologiczne właściwości.

Proces trawienia białek to rozbijanie łańcucha białkowego z powrotem na aminokwasy. Aminokwasy są wchłaniane w jelitach i transportowane do komórek, gdzie są zużywane albo jako budulec – do budowy własnych białek, albo jako paliwo. Na dzisiejszym wykładzie przyjrzymy się reakcjom ich spalania.

W procesie rozkładu aminokwasów wyróżnić można 2 etapy. Pierwszy to usunięcie azotu, czyli grupy aminowej poprzez zamianę jej na grupę ketonową. W skutek tej reakcji powstaje odpowiedni ketokwas.

Drugi etap to spalanie szkieletu węglowego aminokwasu. Każdy aminokwas ma swój specyficzny szlak rozkładu prowadzący w efekcie końcowym do acetylo-CoA, pirogronianu lub innego metabolitu pośredniego cyklu Krebsa.

 

I. Metabolizm azotu.

Jedynym aminokwasem, od którego może się odłączyć grupa aminowa tworząc wolny amoniak jest glutaminian. W reakcji tej glutaminian po odłączeniu amoniaku zamienia się w α-ketoglutaran.

 

R–CH(NH₂) –COOH + NAD(P) + H₂O ↔ R–CO–COOH + NH₃ + NAD(P)H₂

Glutaminian α-ketoglutaran amoniak

 

Usuwanie grupy aminowej z innych aminokwasów dokonuje się natomiast poprzez przeniesienie jej na powstały w powyższej reakcji α-ketoglutaran. W reakcji tej aminokwas zamienia się na odpowiedni ketokwas a α-ketoglutaran zamienia się na glutaminian, od którego może się amoniak może się już odłączyć.

Pomocniczą parą kwasów jest układ alanina – pirogronian, która również zbiera azot z innych aminokwasów jednak ostatecznie przenosi go na α-ketoglutaran i glutaminian.

CH₃–CH(NH₂)–COOH alanina

CH₃–CO–COOH pirogronian

W reakcji przenoszenia azotu pomiędzy aminokwasami uczestniczy witamina B₆.

 

Amoniak jest substancją wysoce toksyczną, szczególnie dla układu nerwowego. Dlatego istnieją mechanizmy szybkiego usuwania nadmiaru amoniaku. Głównym sposobem jego usuwania jest synteza mocznika.

 

Synteza mocznika

 

Mocznik syntetyzowany jest w cyklicznym ciągu reakcji zwanym cyklem mocznikowym. Zachodzi on w wątrobie. Kolejne aminokwasy tworzące ten cykl to kolejno:

– ornityna

– cytrulina

– argininobursztynian

– arginina

 

Sumarycznie cykl ten można zapisać następująco:

 

NH₃ + CO₂ + asparaginian + 3 ATP → NH₂–CO–NH₂ + fumaran

Amoniak mocznik

 

Cząsteczka mocznika zawiera dwie grupy aminowe połączone grupą ketonową. Źródłem jednej grupy aminowej jest bezpośrednio amoniak, źródłem drugiej grupy jest asparaginian, który po oddaniu grupy aminowej zamienia się w fumaran.

 

Cykl mocznikowy przebiega częściowo w mitochondriom a częściowo w cytoplazmie.

Aby cały cykl domknąć musi nastąpić odtworzenie asparaginianu z fumaranu. Ścieżka biegnie przez cykl Krebsa:

Fumaran → jabłczan → szczawiooctan → apsaraginian

Ostatnia reakcja jest reakcją transaminacji połączoną z zamianą glutaminianu na α-ketoglutaran, gdyż szczawiooctan jest ketokwasem tworzącym parę z asparaginianem.

Przypomnijmy, że w rekacji jabłczan→ szczawiooctan powstaje NADH₂, z którego powstają 3 cząsteczki ATP. Również reakcja powstawania amoniaku wytwarza NADH₂ odpowiadające 3 cząsteczkom ATP. Łączny bilans więc jest taki, że synteza mocznika dostarcza 3 cząsteczek ATP, gdyż na 3 cząsteczki zużywane przy syntezie mocznika, równocześnie powstaje 6 cząsteczek z powstających równolegle 2 NADH₂.

 

Spalanie łańcuchów węglowych.

 

Obecnie zajmiemy się losami pozostałych szkieletów węglowych, gdyż one stanowią o wartości energetycznej aminokwasów. Jednak zanim to zrobimy, przypomnijmy sobie wzory poszczególnych aminokwasów.

 

Aminokwasy z łańcuchem węglowym bez grup dodatkowych:

 

Aminokwasy z grupą hydroksylową –OH:

 

 

Aminokwasy zawierające grupę karboksylową –COOH:

 

 

Aminokwasy zawierające azot:

 

Aminokwasy zawierające siarkę:

 

Aminokwasy zawierające pierścień:

 

Aminokwasy, jak widzimy, podzielić można według rodzaju grup dodatkowych przyłączających się do łańcucha węglowego. Innego podziału można dokonać wg ich wpływu na pH: kwaśne (–COOH), obojętne i zasadowe (–NH₂) oraz wg rozpuszczalności: dobrze rozpuszczalne w wodzie (-OH, -SH, -COOH, -NH₂) i dobrze rozpuszczalne w tłuszczach (bez grup dodatkowych).

 

Przyjrzyjmy się teraz ogólnemu schematowi włączania się aminokwasów do cyklu Krebsa. Wśród aminokwasów wyróżnić można zasadniczo na trzy grupy. (1) Te, które w procesie spalania dochodzą do acetylo-CoA, (2) te, które w procesie spalania dochodzą do pirogronianu oraz (3) te, które przekształcają się do któregoś ze związków pośrednich cyklu Krebsa¹[i]. Taki podział aminokwasów wynika z odmiennych losów, jakie mogą te aminokwasy spotkać. Aminokwasy metabolizujące się bezpośrednio do acetylo-CoA mogą (podobnie jak tłuszcz) ulec tylko i wyłącznie spaleniu. Aminokwasy metabolizujące się do pirogronianu lub związków cyklu Krebsa mogą zamieniać się na glukozę i po wejściu w cykl pentozowy dostarczać wodoru do syntezy kwasów tłuszczowych i cholesterolu. Kwestie te zostały omówione przy okazji omawiania cyklu Krebsa.

  

  

Na rycinie przedstawiono miejsca, w których poszczególne aminokwasy włączają się do metabolizmu komórki. Kolorem czerwonym zaznaczone są te aminokwasy, które metabolizują się do acetylo-CoA, kolorem zielonym te, które zamieniają się w pirogronian. Kolorem niebieskim natomiast te, które przekształcają się do któregoś związku cyklu Krebsa. Brązowym kolorem zaznaczone są miejsca pobierania lub wytwarzania związków wysokoenergetycznych (ATP, NADH₂, NADPH₂, FADH₂)

Zakładając warunki dobrego odżywienia, grupa „zielona” i „niebieska” tworzą grupę aminokwasów glukogennych. Grupa „czerwona” natomiast to aminokwasy ketogenne.

Poszczególne szlaki metaboliczne zamiany poszczególnych aminokwasów do ich końcowych produktów są dość złożone i dla prawie każdego aminokwasu indywidualne. Szczegółowe reakcje zostały pominięte. Warto jedynie zauważyć, że liczba enzymów niezbędna do spalania białka jest dość duża, gdyż wynosi ok. 70. Przy dużym obciążeniu białkiem w diecie, komórki muszą syntetyzować dużo więcej enzymów do jego przerabiania, niż w przypadku cukru czy tłuszczu. Trzeba też wspomnieć, ż siarka z cysteiny i metioniny metabolizuje do kwasu siarkowego. Kwas siarkowy powstający z tych aminokwasów to w przybliżeniu 2/3 całej puli jonów wodorowych powstających w naszym organizmie w trakcie metabolizmu. Spożywanie dużych ilości białka, szczególnie przy piciu niedostatecznych ilości wody, sprzyja więc rozwinięciu się przewlekłej utajonej kwasicy mezenchymalnej. Produkty bogate w białko są też najczęściej bogate w puryny, z których powstaje jako produkt końcowy kwas moczowy – kolejny czynnik zakwaszający.

 

Wartość energetyczna aminokwasów

 

Ponieważ w procesie spalania wszystkie aminokwasy grupy „niebieskiej” tak, czy owak muszą przejść przez pirogronian, a spalanie pirogronianu i acetylo-CoA zostało już omówione, przedstawiony zostanie jedynie zysk energetyczny do tego momentu ich metabolizmu. Dla przypomnienia jedynie podam, że spalanie 1 cząsteczki acetylo-CoA daje nam 12 cząsteczek ATP, natomiast spalanie pirogronianu daje 15 cząsteczek ATP.

W trakcie przekształcania poszczególnych aminokwasów do tych dwóch głównych metabolitów powstają takie związki wysokoenergetyczne jak NADH₂, NADPH₂, FADH₂ często też jest zużywany ATP do biochemicznej aktywacji jakiejś reakcji. Podsumowanie wszystkich reakcji przedstawia załączona tabela²[ii].

 

	zawart. %	NADH2 3 ATP	ATP bezpośr. 1 ATP	FADH2 2 ATP	NADPH2 3 ATP	grupa CH2 6 ATP	Piro-gronian 15 ATP	acetylo-CoA 12 ATP	łącznie ATP
glicyna	7.35	0.5					0.5		9
alanina	7.85						1		15
seryna	6.04						1		15
cysteina	1.88	-1					1		12
asparagina	4.55	-1			1		1		15
kwas asparaginowy	5.37	-1			1		1		15
glutamina	3.77	1	1	1	1		1		24
kwas glutaminowy	5.83	1	1	1	1		1		24
arginina	5.33	2	1	1	1		1		27
histydyna	2.35	1	1	1		1	1		27
prolina	4.56	3	1	1	1		1		30
metionina	2.28	1	-2	1	1	1	1		27
walina	6.91	2	1	2	1		1		29
treonina	6.17	0.5	-1	1			0.5	1	22
izoleucyna	5.8	1	1	2	1		1	1	38
fenyloalanina	4.07		-2				1	2	37
tyrozyna	3.27		-1		1		1	2	41
leucyna	9.43		-2	1				3	36
lizyna	5.88	1		1			1 (?)	1 (?)	32 (?)
tryptofan	1.31	-1.5	-1	1	-2.5	1	2 (?)	1 (?)	37 (?)

 

W dwóch przypadkach (lizyna i tryptofan) dokładny metabolizm nie jest do końca znany, stąd podsumowanie przedstawione w tabeli może nie być w tych przypadkach dokładne. Przyjąłem założenie, że glutarylo-CoA (ostatni znany metabolit ich spalania) rozpada się na acetylo-CoA i pirogronian. Nie można jednak wykluczyć, że są to dwie cząsteczki jednego lub drugiego. W przypadku glicyny możliwe są dwa alternatywne szlaki metabolizmu. Ponieważ w jednym z nich powstaje metyleno-H₄-folian, a w drugim jest on pobierany, w obliczeniach przyjąłem połowiczny podział pomiędzy oba szlaki. Treonina w pierwszej reakcji rozpada się na aldehyd octowy i glicynę. Ponieważ aldehyd octowy jest metabolitem alkoholu etylowego odpowiedzialnym za „kaca”, jest to więc teoretycznie aminokwas „kacogenny”. Zakładając spożycie białka 50g/dobę, zjadamy dziennie ok. 3g treoniny. Z tego powstaje 1.3g aldehydu, co odpowiada spożyciu ok. 1.4g alkoholu etylowego, czyli np. wypiciu ok. łyżeczki od herbaty wódki. Czy to jest dużo? Na szczęście nie. Ułamkowe wartości dla tryptofanu związane są z tym, że nie jest sprecyzowane, który ze związków NAD czy NADP uczestniczy w jednej z reakcji. Można domniemać, że mogą oba, w zależności od potrzeb komórki.

To, co rzuca się w oczy w trakcie studiowania szczegółów spalania poszczególnych aminokwasów to w większości przypadków bardzo duża liczba reakcji, które muszą zajść, by dany aminokwas został spalony. Sprawia to, że białko, jako paliwo, jest generalnie kiepskim surowcem. Zważywszy, że średnia kaloryczność białka jest zbliżona do węglowodanów, korzystniej jest dla organizmu zjadać na potrzeby syntez węglowodany, a nie białka. Pewna ilość białka jest jednak niezbędna i nic go nie zastąpi. Należy w związku z tym zjadać takie białko, które zawiera proporcję aminokwasów najbliższą optymalnej, a więc przede wszystkim jajka, produkty mleczne (ale ze względów alergicznych raczej nie samo mleko), ryby, podroby, mięso. Unikać należy w miarę możliwości białka niskiej wartości czyli przede wszystkim roślinnego. Białko sojowe jest dość popularnym białkiem roślinnym z tego względu, że jako jedno z nielicznych białek roślinnych zawiera wszystkie aminokwasy niezbędne dla człowieka. Niestety proporcja tych aminokwasów dość daleko odbiega od ideału przyjętego przez WHO.

 

Na jakie szczegóły dotyczące spalania aminokwasów chciałbym jeszcze zwrócić uwagę?

 

Zauważmy, że jeśli dostarczalibyśmy komórce tylko tłuszcz, czyli acetylo-CoA, to, jakakolwiek reakcja cyklu Krebsa by nie zaszła, sumaryczna liczba cząsteczek tego cyklu w mitochondrium nie uległaby zmianie. Gdy jedna cząsteczka przybywa, to inna ubywa. Gdy jednak cząsteczka aminokwasu zamienia się np. na fumaran, to całkowita liczba cząsteczek cyklu Krebsa w danym mitochondrium zwiększa się o 1. Oznacza to, że jakaś cząsteczka tego cyklu musi opuścić mitochondrium, by utrzymała się równowaga ilościowa. Żadna z cząsteczek cyklu Krebsa nie ma możliwości ulec spaleniu wewnątrz mitochondrium. Przechodzić przez błonę mitochondrium może wiele cząsteczek cyklu, jednak zawsze jest to wymiana jeden za jeden (np. cytrynian za α-ketoglutaran). Jedyna możliwość zmniejszenia się liczby cząsteczek cyklu Krebsa wewnątrz mitochondrium to wymiana przez błonę jabłczanu na fosforan nieorganiczny. Dlatego też można powiedzieć, że w przypadku aminokwasów, które przekształcają się do któregoś ze związków cyklu Krebsa, po dojściu do jabłczanu opuszczają one mitochondrium i dalej metabolizują się do fosfoenolopirogronianu lub pirogronianu. Ścieżka ich spalania wygląda więc następująco:

A. aminokwas →

B. specyficzne metabolity pośrednie danego aminokwasu→

C. cząsteczka cyklu Krebsa →

D. kolejne reakcje cyklu Krebsa aż do jabłczanu →

E. wyjście jabłczanu na zewnątrz mitochondrium →

F1 - przekształcenie jabłczanu w pirogronian z wytworzeniem NADPH₂ →

G1 - wniknięcie pirogronianu do mitochondium →

a) zamiana pirogronianu na szczawiooctan i powrót do punktu D.

b) zamiana pirogronianu na acetylo-CoA i spalenie.

lub

F2 - przekształcenie jabłczanu poprzez szczawiooctan do fosfoenolopirogronianu →

G2 - reakcje „odwróconej glikolizy” czyli tzw. glikoneogenezy prowadzące do syntezy glukozy.

 

Zauważmy, że celem reakcji (G1a), czyli zamiany pirogronianu na szczawiooctan, jest zwiększenie łącznej liczby cząsteczek cyklu Krebsa w mitochondrium. Każdej takiej reakcji musi odpowiadać jedno wyjście jabłczanu na zewnątrz. Są to dwa punkty metabolizmu, które regulują łączną liczbę cząsteczek cyklu Krebsa wewnątrz mitochondrium.

Zauważmy, że jeśli nie będziemy zjadać białek ani węglowodanów, to nie będzie możliwości zwiększania liczby tych cząsteczek. Jabłczan będzie powolutku uciekać, w mitochondrium zacznie brakować związków cyklu Krebsa i proces spalania tłuszczów (acetylo-CoA) będzie przebiegać coraz mniej sprawnie. Czysto teoretycznie, gdyby jabłczan nie uciekał z mitochondrium, spalanie acetylo-CoA mogłoby trwać wiecznie. W praktyce, potrzeba chociaż trochę białka lub węglowodanów, by spalanie tłuszczów mogło przebiegać sprawnie. W tym sensie białko i węglowodany można traktować jako „smar” na spalanie tłuszczów.

Zbyt mała ilość węglowodanów i białka powoduje, że równolegle zjadany tłuszcz nie będzie się spalał z wydajnością adekwatną do potrzeb. Węglowodany i białko są więc rozrusznikiem dla pozyskiwania paliwa z bardziej wydajnego źródła, jakim są tłuszcze. W zależności od konstytucji metabolicznej – jedni ludzie szybko spalają tłuszcz pomimo zjadania małej ilości węglowodanów – dla nich zjadanie dużych ilości węglowodanów jest niekorzystne, gdyż jeszcze bardziej pobudza i tak szybkie pozyskiwanie energii. Korzystne jest to jedynie w warunkach uprawiania sportu wyczynowego, gdzie odbiór produkowanej energii jest zapewniony. Z kolei osoby, które wolno pozyskują energię, potrzebują więcej węglowodanów w proporcji do tłuszczów, by w ogóle zachować jakąś szybkość pozyskiwania tej energii. W przypadku tych osób dieta niskowęglowodanowa będzie jeszcze bardziej zwalniać i tak już wolny z natury matabolizm. Zakładając, że nie zjadamy białka ponad miarę, ale tyle ile potrzeba, każdy ma jakąś swoją uwarunkowaną konstytucyjnie optymalną proporcję między węglowodanami a tłuszczem, przy której czuje się najlepiej.

 

Zauważmy też jeszcze jeden istotny szczegół. Reakcja jabłczan → pirogronian zachodząca w cytoplazmie generuje NADPH₂, który jest następnie wykorzystywany do syntezy kwasów tłuszczowych. Oznacza to, każda cząsteczka aminokwasu glukogennego może dać jedną cząsteczkę NADPH₂ wykorzystywaną do syntez kwasów tłuszczowych lub cholesterolu. Reakcja jabłczan → pirogronian może, co prawda, zajść również ścieżką: jabłczan→szczawiooctan→fosfoenolopirogronian→pirogronian, w trakcie której powstaje nie NADPH₂, ale NADH₂. Ta ścieżka nie jest jednak preferowana, gdyż komórka ma zasadniczo problem pozbycia się z cytoplazmy nadmiaru NADH₂ powstającego w trakcie glikolizy. Ścieżka ta zachodzi wtedy, gdy komórka chce produkować cukier, a nie spalać go, gdyż wtedy właśnie potrzebny jest NADH₂ a nie NADPH₂. Ponieważ celem zamiany aminokwasu na glukozę może być jej wejście w szlak pentozowy, tak czy owak z aminokwasów glukogennych produkowany wtedy jest NADPH₂ do syntez kwasów tłuszczowych, czy to w bezpośrednim spalaniu (reakcja jabłczan → pirogronian), czy to poprzez zamianę na cukier i cykl pentozowy. W przypadku cyklu pentozowego wydajność syntezy NADPH₂ jest rzecz jasna znacznie większa.

 

Warto zwrócić uwagę na jeszcze jeden ciekawy cykl reakcji. Chodzi o ciąg reakcji: „pirogronian → szczawiooctan → jabłczan → transport jabłczanu na zewnątrz → pirogronian”

Zauważmy, że w warunkach obecności w mitochondrium dużych ilości NADH₂ i ATP, czyli warunkach bardzo dobrego odżywienia, pojawienie się tego cyklu wypompowuje NADH₂ z mitochondrium i wytwarza na zewnątrz NADPH₂ do syntez kwasów tłuszczowych. Koszt jednego cyklu to 1 cząsteczka ATP konieczna na reakcję: pirogronian→szczawiooctan. Ponieważ z jednej cząsteczki NADH₂ uzyskuje się średnio 3 cząsteczki ATP, łącznie z 4 cząsteczek ATP wewnątrz mitochondrium uzyskuje się równowartość 3 cząsteczek na zewnątrz wykorzystywanych do syntez. Sprawność wynosi więc 75%. Jaka jest intensywność tego cyklu? W Harperze nie ma ten temat niestety ani słowa. Powiem więcej, nie został on w ogóle dostrzeżony. Cykl ten jest częścią bardziej złożonych mechanizmów wyrównywania się ilości NADH₂ i NADPH₂ po obu stronach błony mitochondrialnej.

 

Na koniec dokonajmy jeszcze pewnych podsumowań. Zakładając, że proporcje pomiędzy poszczególnymi aminokwasami są takie, jak to przedstawiono w tabeli, ze 100g białka można uzyskać łącznie 22.5 mola ATP, z tego co najmniej 1.2 mola zawarte jest w NADPH₂ wykorzystywanym do syntez. Jest to wartość porównywalna z węglowodanami, gdzie dla przypomnienia, ze 100g glukozy uzyskuje się 21 moli ATP.

Zakładając maksymalną sprawność zamiany białka na glukozę. Ze 100g białka uzyskać można 69g glukozy. (Wartość ta zależy oczywiście od proporcji aminokwasów w danym białku.) Trzeba jednak pamiętać, że choć co najmniej 31g białka musi zostać spalone, to proces ten będzie hamować spalanie węglowodanów i zwiększać ilość węglowodanów wchodzących w cykl pentozowy.

Na codzienne potrzeby można przyjąć równoważność energetyczną białek i węglowodanów. Z 1g białka, podobnie jak dla węglowodanów uzyskuje się netto ok. 4 kcal energii. Z punktu widzenia minimalnego zapotrzebowania organizmu na białka, węglowodany i tłuszcz, można też powiedzieć, że istotna jest tak na prawdę suma białek i węglowodanów, która zależy od szybkości uciekania jabłczanu z mitochondrium oraz procentowy podział rozpadu pirogronianu pomiędzy acetylo-CoA i szczawiooctan. O tym, która z tych dwóch reakcji przeważa, decyduje szereg czynników, w tym również predyspozycje osobnicze. Stąd też minimalne zapotrzebowanie na białko i węglowodany jest indywidualnie dość zróżnicowane.

 

    

---

1. [i] na związki cyklu Krebsa składają się kolejno: cytrynian, izocytrynian, szczawiobursztynian, α-ketoglutaran, sukcynylo-CoA, bursztynian, fumaran, jabłczan i szczawiooctan.

   ↩

2. [ii] w tabeli tej nie jest uwzględniony wydatek energetyczny związany z syntezą mocznika z odłączanego azotu.↩