BIOCHEMIA – WYKŁAD II

METABOLIZM AMINOKWASÓW I BIAŁEK

• Dzienny „obrót” białka w organizmie człowieka wynosi około 400g.

• Z tego około 100g ulega degradacji i ilość ta musi być zastąpiona aminokwasami dostarczanymi z pożywienia.

• Pozostałe aminokwasy są wykorzystane do resyntezy białka lub służą jako substraty do syntezy innych związków.

• Zdrowy człowiek wymienia w ciągu doby około 1-2% całkowitej ilości białka.

• Miarą obrotu metabolicznego białek jest „bilans azotowy”. Jest to porównanie ilości azotu przyswojonego w ciągu do doby do ilości azotu wydalanego.

• Bilans azotowy może być:

  • zrównoważony – ilości azotu przyswojonego i i wydalonego są sobie równe;

  • dodatni – ilość azotu przyswojonego jest większa od ilości wydalonego;

  • ujemny – ilość azotu przyswojego jest mniejsza od ilości wydalonego.

ŹRÓDŁA METABOLICZNE AMINOKWASÓW:

• rozpad białek pokarmowych,

• rozpad białek komórkowych,

• rozpad białek pozakomórkowych,

• synteza aminokwasów.

• Aminokwasy z tych czterech źródeł tworzą wewnątrzkomórkową pulę wolnych aminokwasów.

• W przeciwieństwie do kwasów tłuszczowych i glukozy aminokwasy nie mogą być magazynowane.

• Ich nadmiar jest degradowany do ciał ketonowych, acetylo~S-CoA lub metabolitów glukoneogenezy.

• Rozpad białek – proteoliza – zachodzi pod działaniem enzymów proteolitycznych, które hydrolizują wiązania peptydowe.

• Enzymy proteolityczne są nazywane proteazami, proteinazami lub peptydazami. Wyróżniamy:

  • egzopeptydazy – odłączają N-końcowe (aminopeptydazy) lub aminokwasy C-końcowe (karboksypeptydazy)

  • endopeptydazy – hydrolizują wiązania peptydowe w głębi łańcucha białkowego, uwalniając mniejsze peptydy.

METABOLIZM GRUP AMINOWYCH AMINOKWASÓW:

• Głównym miejscem rozkładu aminokwasów jest wątroba.

• Grupa α-aminowa aminokwasu może być odłączana w sposób dwojaki:

  • poprzez jej przekazanie na inny akceptor (ketokwas)

  • poprzez bezpośrednie odłączenie w postaci amoniaku.

TRANSAMINACJA

• Pierwszym etapem rozkłądu aminokwasów jest na ogół transaminacja.

• Transaminacja polega na przenoszeniu grup aminowych z różnych aminokwasów na jeden z trzech α-ketokwasów: pirogronian, szczawiooctan lub α-ketoglutaran.

• Reakcje te katalizują aminotransferazy: alaninowa, asparginianowa, glutaminianowa.

• Transaminacji podlegają niemal wszystkie aminokwasy.

• Aminokwas pozbawiony grupy aminowej staje się ketokwasem.

• Ketokwas, który przyłączył grupę aminową staje się aminokwasem.

• W przekazywaniu -NH₂ pośredniczy fosforan pirydoksalu.

• Istota transaminacji sprowadza się do „zmiatania” grup aminowych z różnych aminokwasów i przekazania ich na α-ketoglutaran i szczawiooctan z wytworzeniem glutaminianu i asparaginianu.

• Amoniak (NH₃) jest związkiem toksycznym.

• Wiąże proton przechodząc w jon amonowy (NH₄⁺), co przesuwa równowagę kwasowo-azotową w kierunku alkalizacji tkanek i płynów ustrojowych.

• Nadmiar amoniaku powoduje redukcyjną aminację α-ketoglutaranu – metabolitu cyklu Krebsa.

• A jego ubytek sprawia, iż maleje ilość kolejnych metabolitów tego cyklu, a w konsekwencji szczawiooctanu.

• Maleje pojemność cyklu Krebsa – zmniejsza się możliwość spalania octanu do CO₂ i H₂O.

Amoniak podlega detoksykacji na drodze różnych procesów.

• Człowiek i większość kręgowców przekształca amoniak i wydala w postaci mocznika.

• Proces przekształcania toksycznego amoniaku w nietoksyczny mocznik nosi nazwę CYKLU MOCZNIKOWEGO.

• Tą drogą grupy aminowe większości aminokwasów wiążą się z CO₂ wytwarzając mocznik, który u człowieka jest głównym produktem końcowym przemiany azotu „białkowego”.

• Glutaminian łatwo uwalnia amoniak, włączany następnie do cyklu mocznikowego.

• Asparaginian przekazuje bezpośrednio swoją grupę aminową do tego cyklu.

• Synteza mocznika jest procesem ciągłym. Nie ustaje nawet w przypadku niedoboru białka w pożywieniu.

• Mocznik nie podlega dalszej biotransformacji. Jest wydalany z moczem. Stężenie mocznika w surowicy krwi (20 do 40mg/dl) jest ważnym parametrem przydatynym w diagnostyce chorób nerek.

• Niesprawne funkcjonowanie cyklu mocznikowego prowadzi do akumulacji amoniaku w tkankach i w płynach ustrojowych. Stan ten nazywamy hiperamonemią.

METABOLIZM SZKIELETÓW WĘGLOWODOROWYCH AMINOKWASÓW

• Ze względu na metabolizm szkieletów węglowodorowych aminokwasy podzielono na:

  gluko-, keto- i glukoketogenne.

• Szkielety węglowodorowe aa glukogennych (alanina, seryna, cysteina, asparaginian i glutaminian) przekształcają się bezpośrednio lub pośrednio w szczawiooctan – kluczowy metabolit glukoneogenezy.

• Szkielety węglowodorowe aa ketogennych (leucyna i lizyna) przekształcają się do ciał ketonowych – acetooctanu, który ulega do β-hydroksymaślanu lub dekarboksylacji do acetonu.

• Szkielety węglowodorwe aa glukoketogennych (fenyloalanina i tyrozyna) rozpadają się na fragmenty, z których jeden jest substratem glukoneogenezy, a drugi jest ciałem ketonowym (acetooctan) lub substratem zużywanym w procesie ketogenezy.

CHOROBY METABOLICZNE:

Wrodzony niedobór enzymów uczestniczących w przemianie aminokwasów jest przyczyną chorób metabolicznych:

• Fenyloketonurii,

• Alkaptonurii,

• Albinizmu.

AMINOKWASY SĄ ŹRÓDŁEM ZWIĄZKÓW BIOLOGICZNIE CZYNNYCH

• Z przemian seryny powstają aktywne fragmenty jednowęglowe: aktywny aldehyd i aktywny kwas mrówkowy – biorą one udział w procesach transmetylacji.

• Z tyrozyny powstają: dopamina, adrenalina i noradrenalina. W wyniku modyfikacji tyrozyny zawartej tyreoglobulinie powstaje tyroksyna i trijodotyronina. Z tyrozyny powstają melaniny (barwniki włosów, skóry – albinizm).

• Z tryprofanu powstaje kwas nikotynowy – substrat do syntezy koenzymów – NAD₊ i NADP_+.

• Z cysteiny powstaje tauryna – która zwiększa rozpuszczalność kwasów żółciowych.

• Z cysteiny powstaje aktywny siarczan – dawca reszt siarczanowych w różnych syntezach.

• Z metioniny powstaje S-adenozylometionina – przenośnik i dawca grup metylowych, uczestniczy w transmetylacji i transsulfurylacji.

• Z argininy powstaje tlenek azotu – związek bardzo nietrwały, o wielostronnej funkcji biologicznej. Obniża on ciśnienie tętnicze, hamuje agregację płytek krwi, pobudza fibrynolizę, uczestniczy w przekazywaniu sygnałów.

• Z glicyny, argininy i metioniny powstaje kreatyna, prekursor fosfokreatyny – rezerwuaru energii w mięśniach.

• Z lizyny i metioniny powstaje karnityna – przenośnik długołańcuchowych kwasów tłuszczowych przez wewnętrzną błonę mitochondrialną.

DEKARBOKSYLACJA AMINOKWASÓW DOSTARCZA AMIN BIOGENNYCH:

• kwasu γ-aminomasłowego – neurotransmitera, którego źródłem jest glutaminian.

• histaminy – powstaje z histydyny. Pobudza sekrecję HCl w żołądku, rozszerza naczynia włosowate i zwiększa ich przepuszczalność. Uwalnia się w procesach alergicznych.

• 5-hydroksytryptaminy, zwanej serotoniną – powstaje z tryptofanu. Pełni funkcję neurotransmitera.

• putrescyny – powstaje z ornityny. Uczesnitniczy w syntezie poliamin.

  BIOENERGETYKA

WYTWARZANIE ENERGII W KOMÓRCE:

• Istotą życia jest nieustanne przetwarzanie materii i energii, zwane metabolizmem.

• Z pewnym uproszczeniem można przyjąć, iż źródłem energii dla ludzkiego organizmu jest utlenianie wodoru w tlenie.

• Atomy wodoru pochodzą z wysoko zredukowanych substratów energetycznie: głównie glukozy i kwasów tłuszczowych, a także z glicerolu, ciał ketonowych oraz szkieletów węglowodorowych aminokwasów.

• Utlenianie wodoru w komórkach zachodzi powoli, wieloetapowo, a znacząca część uwalnianej energii (ponad 40%) jest magazynowana w postaci przetworzonej energii chemicznej – której głównym przenośnikiem jest ATP – adenozynotrifosforan.

• Substraty energetyczne są dawcami par atomów wodoru dla specjalnych koenzymów: dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NAD) lub dinukleotydu flawinoadeninowego (FAD) redukując je do NADH⁺ + H⁺ lub FADH₂, które przekazują dalej protony i elektrony na kolejne akceptory, a w końcowym etapie na atom tlenu.

• System przenośników protonów i elektronów z substratu energetycznego na tlen, prowadzący do wytworzenia H₂O, nosi nazwę łańcucha oddechowego.

FOSFORYLACJA OKSYDACYJNA

• Elektrony, które przechodzą przez łańcuch oddechowy, tracą znaczną część ich wolnej energii. Część tej energii jest przetwarzana w energię chemiczną i magazynowana w postaci ATP.

• Proces powstawania ATP sprzężony z mitochondrialnym systemem transportu elektronów przez łańcuch oddechowy nosi nazwę fosforylacji oksydacyjnej.

ENERGIA ZMAGAZYNOWANA W POSTACI ATP JEST ZUŻYTKOWANA PRZEDE WSZYSTKIM DO:

• skurczu mięśni szkieletowych,

• skurczu mięśnia sercowego,

• utrzymaniu gradientu stężeń jonów i metabolitów po obydwu stronach błon biologicznych (transport)

• prawidłowego funkcjonowania OUN,

• syntezy biomolekuł.

PRZEKAZYWANIE ENERGII CHEMICZNEJ PRZEZ ATP:

• procesy egzoergiczne:

• glikoliza

• oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu

• utlenianie octanu w cyklu Krebsa

• utlenianie ciał ketonowych

• utlenianie kwasów tłuszczowych i glicerolu

• procesy endoergiczne:

• skurcz mięśni

• synteza biomolekuł

• transport czynny

• neurotransmisja

• fosforylacja cukrów i białek

ZWIĄZKI FOSFORANOWE O WYSOKIEJ ENERGII:

• 1,3-bisfosfoglicerynian, fosfoenolopirogronian, fosfokreatyna.

• Fosfrokreatyna jest rezerwuarem energii potrzebnej do skurczu mięśnia.

FOSFORYLACJA SUBSTRATOWA

• Uwalnianie energii ze związków wysokoenergetycznych z pominięciem łańcucha oddechowego nosi nazwę fosforylacji substratowej.

MITOCHONDRIUM

• Pełni rolę generatora energii (siłowni energetycznej).

• Niektóre komórki (np. krwinki czerwone) nie posiadają mitochondriów – nie mają zdolności utleniania substratów energetycznych ani produkcji ATP drogą fosforylacji oksydacyjnej.

• Inne (np. komórki mięśniowe) – potrzebują dużo energii, zawierają dużo mitochondriów, produkują znaczną ilości ATP drogą fosforylacji oksydacyjnej.

ORGANIZACJA ŁAŃCUCHA TRANSPORTU PROTONÓW I ELEKTRONÓW:

• Zlokalizowany jest w wewnętrznej błonie mitochondrialnej.

• Każdy przenośnik pobiera elektron od dawcy i przekazuje go biorcy, czyli następnemu przenośnikowi zawartemu w łańcuchu oddechowym. Końcowym akceptorem pary elektronów staje się atom tlenu.

• Proces ten zużywa większość tlenu pobieranego przez organizm.

• Pierwszym akceptorem atomów wodoru jest najczęściej NAD⁺ (niekiedy FAD⁺), kolejnym FMN, następnym koenzym Q (ubichinon).

• Dalszy transport elektronów zachodzi niezależnie od transportu protonów. Elektrony poprzez cytochrom b, cytochrom c₁, cytochrom c oraz cytochrom a+a₃ przechodzą na tlen. Powstaje anion tlenkowy O^2-, który wiąże się z dwoma protonami tworząc cząsteczkę wody.

• Łańcuch transportu elektronów jest sprzężony w trzech miejscach z reakcjami fosforylacji, w których ADP wiąże Pi tworząc ATP.

• Transport jednej pary atomów wodoru z substratu na tlen przy udziale NAD+ dostarcza 3 cząsteczek ATP.

• Transport przy udziale FAD – 2 cząsteczek ATP. Wodory z FADH2 są przekazywane bezpośrednio na koenzym Q, z pominięciem NAD+ i FMN, a także miejsca pierwszej fosforylacji oksydacyjnej.

INHIBITORY TRANSPORTU ELEKTRONÓW:

• Niektóre substancje hamują w sposób wybiórczy transport elektronów przez określone ogniwa łańcucha oddechowego, hamując równocześnie syntezę ATP, np. cyjanek i tlenek węgla.

REAKTYWNE FORMY TLENU – RFT

• W procesach utleniania powstają reaktywne formy tlenu (RFT). Niektóre z nich noszą nazwę wolnych rodników tlenowych (aktywnych form tlenu).

• Wolnymi rodnikami nazywamy atomy lub cząsteczki mające niesparowany elektron.

DO REAKTYWNYCH FORM TLENU NALEŻĄ:

• anionorodnik ponadtlenkowy

• rodnik wodoronadtlenkowy

• rodnik wodorotlenowy

• tlenek azotu, dwutlenek azotu, tlen singletowy.

• Wolne rodniki są bardzo nietrwałe i są unieczynniane w komórce przez odpowiednie enzymy oksydoredukcyjne i dostateczną ilość substratów redukujących.

• Enzymy: katalaza i peroksydaza, dysmutaza ponadtlenkowa.

• Antyoksydanty: glutation oraz witaminy: E, C, A.

KUMULACJA REAKTYWNYCH FORM TLENU WYWIERA SZEREG EFEKTÓW TOKSYCZNYCH:

• Uszkadzają błony plazmatyczne.

• Inaktywyją wiele enzymów i białek transportowych.

• Degradują białka macierzy pozakomórkowej.

• Naruszają strukturę kwasów nukleinowych – co może powodować mutacje i transformacje nowotworowe.

• Degradują nienasycone kwasy tłuszczowe.

RFT powodują miażdżycę, pełnią istotną rolę w procesach zapalnych, są bezpośrednią przyczyną wielu schorzeń, a także powodują starzenie się organizmu.

METABOLIZM CUKRÓW

• Cukry – węglowodany są związkami o charakterze aldehydoalkoholi lub ketoalkoholi wielowodorotlenowych.

• Monosacharyd – zawierają od trzech do siedmiu atomów węgla. Wyróżniamy triozy, tetrozy, pentozy, heksozy i heptozy.

• Polisacharydy zawierają setki lub tysiące jednostek monosacharydowych. Dzielą się na homopolisacharydy (homoglikany) – złożone z jednakowych jednostek cukrowych (skrobia, glikogen, celuloza) i heteropolisacharydy (heteroglikany) – złożone z różnych jednostek cukrowych i niecukrowych.

FUNKCJE BIOLOGICZNE CUKRÓW PROSTYCH

• Są głównymi substratami zużywanymi do produkcji energii.

• Pośrednie produkty przemiany cukrów są substratami zużywanymi do różnych syntez, np. tłuszczów i niektórych aminokwasów.

• Ryboza i deoksyryboza są składnikami nukleozydów, nukleotydów i kwasów nukleinowych.

• Pochodne cukrów prostych: aminoheksozy i kwasy unorowe tworzą wielkocząsteczkowe glikozoaminoglikany – składniki macierzy pozakomórkowej.

• Z białkami i z lipidami tworzą odpowiednio glikoproteiny lub glikolipidy.

METABOLIZM GLUKOZY

• Glukoza jest głównym, a dla niektórych komórek jedynym (erytrocyty) lub prawie jedynym (komórki mózgu) substratem energetycznym.

• Przemiana glukozy do CO₂ i H₂O jest procesem wieloetapowym. Pierwszym z nich jest glikoliza, a jej produktem jest pirogronian. Ten, w kolejnym etapie ulega oksydacyjnej dekarboksylacji do acetylo~S-KoA. Reszty acetylowe utleniają się do CO₂ i H₂O w cyklu Krebsa.

• Każdy z tych etapów generuje energię magazynowaną w postaci ATP,

GLIKOLIZA

• Jest cytoplazmatycznym szlakiem metabolicznym, przekształcającym glukozę (i inne heksozy) do pirogronianu, w celu dostarczenia komórce energii oraz substratów do innych szlaków metabolicznych.

• Jest centralnym punktem przemiany cukrów, ponieważ prawie wszystkie z nich (np. fruktoza, galaktoza) przekształcają się poprzez glukozę.

GLIKOLIZA TLENOWA

• Pirogronian jest produktem końcowym glikolizy w komórkach posiadających mitochondria i zaopatrywanych w tlen.

• W przebiegu glikolizy zużywa się NAD⁺ (cytosolowy) a tlen jest potrzebny do jego reoksydacji (odtworzenia), ponieważ NAD⁺ jest niezbędny do dalszego funkcjonowania glikolizy.

• Przemiana glukozy do pirogronianu przebiega poprzez 10 kolejno następujących po sobie reakcji.

• Pierwszy etap glikolizy, obejmujący 5 reakcji, zachodzi kosztem energii zainwestowanej w ten proces (2 cząsteczki ATP). Drugi etap generuje energię.

• Duży wkład w poznanie glikolizy wniósł prof. JakubParnas.

BILANS ENERGETYCZNY GLIKOLIZY TLENOWEJ:

• Przemiana 1 cząsteczki glukozy do 2 cząsteczek pirogronianu dostarcza (netto) 8 cząsteczek ATP.

• Pirogronian zachowuje większość energii zawartej w glukozie, która uwalnia się w kolejnych etapach rozpadu pirogronianu.

• Proces glikolizy jest precyzyjne regulowany przy udziale insuliny (+) i glukagonu (-).

GLIKOLIZA BEZTLENOWA

• Zachodzi w komórkach nie posiadających mitochondriów lub niedostatecznie zaopatrywanych w tlen.

• Końcowym produktem jest mleczan.

• Reakcję redukcji pirogronianu przez NADH+H₊ do mleczanu katalizuje dehydrogeneza mleczanowa.

• Proces ten zachodzi przede wszystkim w krwinkach czerwonych i w mięśniach szkieletowych w okresie wysiłku.

BILANS ENERGETYCZNY GLIKOLIZY BEZTLENOWEJ

• Glikoliza beztlenowa jest mniej wydajna pod względem energetycznym niż glikoliza tlenowa.

• Przemiana 1 cząsteczki glukozy do 2 cząsteczek mleczanu dostarcza jedynie 2 cząsteczek ATP. Obydwie powstają drogą fosforylacji substratowej.

METABOLICZNE LOSY PIROGRONIANU

• Produkt glikolizy tlenowej – pirogronian ulega wielokierunkowym przekształceniom.

• Większość ulega oksydacyjnej dekarboksylacji z wytworzeniem acetylo~S-KoA, który jest substratem włączanym do cyklu Krebsa lub może być użyty do syntezy kwasów tłuszczowych, cholesterolu (a pośrednio innych steroidów).

• W wątrobie dominującym szlakiem wykorzystania pirogronianu jest jego karboksylacja, prowadząca do powstania szczawiooctanu, który jest włączany do procesu glukoneogenezy (syntezy glukozy ze składników niecukrowych).

• Część pirogronianu staje się akceptorem grup –NH₂ przechodzących w alaninę.

OKSYDACYJNA DEKARBOKSYLACJA PIROGRONIANU

• Zachodzi w mitochondrium przy udziale kompleksu wieloenzymatycznego – dehydrogenazy pirogronianowej i 5 koenzymów: pirofosforanu tiaminy (TPP), NAD⁺, FAD, KoA-SH oraz liponianu.

• Proces dostarcza 3 cząsteczek ATP, w przeliczeniu na 1 cząsteczkę pierogronianu, 6 cząsteczek ATP – na jedną cząsteczkę glukozy.

CYKL KREBSA

• Mechanizm cyklu zbadał w latach 30-tych XX wieku sir Hans Krebs, a kluczowe elementy cyklu przedstawił w 1937, za co został nagrodzony w 1953 Nagrodą Nobla.

CYKLKWASÓW TRIKARBOKSYLOWYCH

• Cykl kwasów trikarboksylowych (cykl Krebsa lub cykl kwasu cytrynowego) łączy metabolizm cukrów, kwasów tłuszczowych i białek.

• Jego zasadnicza funkcja polega na utlenianiu acetylo~S-KoA do CO₂ i H₂O.

• Acetylo~S-KoA odgrywa kluczową rolę w metabolizmie, ponieważ pochodzi z przemian cukrów, kwasów tłuszczowych i szkieletów węglowodorowych aminokwasów.

• Cykl Krebsa również dostarcza substratów do różnych syntez.

• Funkcjonuje wyłącznie w mitochondriach i jest sprzężony z reakcjami fosforylacji oksydacyjnej.

• Utlenianie acetylo~S-KoA przez cykl Krebsa zużywa 2/3 całkowitej ilości tlenu i dostarcza 2/3 ATP powstającego w organizmie człowieka.

BILANS CYKLU KWASU TRIKARBOKSYLOWYCH

• 11 cząsteczek ATP powstaje w wyniku procesów oksydoredukcyjnych – fosforylacja oksydacyjna.

• 1 cząsteczka GTP lub ATP powstaje na drodze fosforylacji substratowej.

• Łącznie powstaje 12 cząsteczek ATP.

REGULACJA CYKLU KWASÓW TRIKARBOKSYLOWYCH

• Cykl Krebsa, będący głównym źródłem energii, podlega precyzyjnej regulacji.

• Dostatek energii w komórce, cechujący się wysoką zawartością ATP, GTP i NADH+H⁺, jest sygnałem do spowolnienia cyklu Krebsa.

• Niedobór energii, objawiający się ubytykiem tych nukleotydów z równoczesnym wzrostem zawartości ADP, GDP i NAD⁺ nasila ten proces.

BILANS ENERGETYCZNY PRZEMIANY GLUKOZY DO CO₂ I H₂O:

Glukoza (1 cząsteczka), utleniając się do 6 cząsteczek CO₂ i 12 cząsteczek H₂O, dostarcza 38 cząsteczek ATP.

C₆H₁₂ + 6 O₂ + 38 ADP + 38 Pi 6 CO₂ + 6 H₂O + 38 ATP

Glikoliza 10-2 = 8 ATP

Dekarboksylacja pirogronianu 2x3 = 6 ATP

Cykl Krebsa 2x12 = 24 ATP

ŁĄCZNIE: 38 ATP