PODSTAWOWE PRZEMIANY ZWIĄZKÓW W ORGANIZMIE
Losy składników diety po strawieniu i absorpcji składają się na przemiany pośrednie czyli szlaki metaboliczne. Szlaki metaboliczne dzieli się na 3 kategorie:
Szlaki anaboliczne prowadzące syntezy związków tworzących strukturę ciała i warsztat metaboliczny. Takim szlakiem jest synteza białek.
Szlaki kataboliczne dotyczą procesów oksydacyjnych, które uwalniają energię swobodną zwykle w postaci fosforanu bogatoenergetycznego lub równoważników redukujących, np. łańcuch oddechowy i fosforylacja oksydacyjna.
Szlaki amfiboliczne mają więcej niż jedną funkcję i biegną na „skrzyżowaniu dróg" metabolicznych, działając jako łączniki między ciągami anabolicznymi i katabolicznymi, np. cykl kwasu cytrynowego. Metabolizm węglowodanów dotyczy głównie glukozy
Glukoza jest metabolizowana we wszystkich komórkach ssaków w procesie glikolizy do pirogronianu i mleczanu. Glukoza jest wyjątkowym substratem, ponieważ glikoliza może przebiegać w nieobecności tlenu (anaerobowo), ale końcowym produktem jest wtedy tylko
mleczan.
GLIKOLIZA
Zasadniczą rolą glikolizy jest rozkład sacharydów, przez 6-fosforan glukozy do pirogronianu, który odgrywa główną rolę w metabolizmie szkieletów węglowych większości związków organicznych. Proces ten może przebiegać w warunkach tlenowych i warunkach beztlenowych (fermentacja mleczanowa). Całkowity rozpad monosacharydów jest procesem wielofazowym odbywającym się w
cytoplazmie.
Mechanizm procesu glikolizy
Przemiana glukozy do pirogronianu przebiega przez 10 kolejno po sobie następujących reakcji.
Mechanizm procesu glikolizy tlenowej
Ogólne równanie glikolizy z glukozy do pirogronianu jest następujące: Glukoza + 2 Pi + 2 NAD+ + 2 ADP => 2 pirogronian + 2 ATP + 2 NADH + H+
2 NADH + H+ + O2 + 6 ADP + 6 Pi => 2 NAD+ + 2 H20 + 6 ATP
Bilans energetyczny glikolizy tlenowej:8 cz. ATP
Glikoliza beztlenowa
Ogólne równanie glikolizy z glukozy do mleczanu jest następujące:
Glukoza + 2 ADP + 2 Pi - 2 L(+) - Mleczan + 2 ATP + 2 H20
NADH + H+ nie jest utleniany przez mitochondrialny łańcuch oddechowy, lecz przez końcowy produkt glikolizy - pirogronian. Cząsteczka pirogronianu przejmuje parę atomów wodoru (2H+ + 2e-) z NADH + H+, redukując się do mleczanu i utleniając NADH + H+ do NAD+. Redukcja pirogronianu do mleczanu przy równoczesnym utlenianiu NADH + H+ do NAD+ zachodzi w cytosolu pod działaniem dehydrogenazy mleczanowej.
Metaboliczne losy pirogronianu
Transaminacja - akceptor grup aminowych z aminokwasów, przechodzi w alaninę.
Glukoneogeneza - karboksylacja pirogronianu do szczawiooctanu, który jest włączony do procesu syntezy glukozy ze związków niecukrowych.
Dekarboksylacja oksydacyjna
GLUKONEOGENEZA
Glukoneogeneza jest określeniem obejmującym wszystkie mechanizmy i szlaki metaboliczne odpowiedzialne za przekształcenie związków niewęglowodanowych w glukozę lub glikogen. Głównymi substratami glukoneogenezy są glukogenne aminokwasy, mleczan, glicerol i propionian. Wątroba i nerki są głównymi tkankami, w których odbywa się ten proces, gdyż one właśnie zawierają, pelen zestaw niezbędnych do tego enzymów.
ZNACZENIE BIOMEDYCZNE
Glukoneogeneza zaspokaja zapotrzebowanie organizmu na glukozę wówczas, gdy podaż węglowodanów w diecie jest zbyt mała. Ciągłe dostarczanie glukozy jest niezbędne jako źródło energii zwłaszcza dla układu nerwowego i dla erytrocytów. Poniżej pewnego krytycznego stężenia glukozy we krwi występuje zaburzenie czynności mózgu, które w warunkach ciężkiej hipoglikemii może prowadzić do śpiączki i zgonu.
Cykl kwasu cytrynowego ma udział w glukoneogenezie.
Przemiana pirogronianu w fosfoenolopirogronian zachodzi w dwóch etapach:
I. Pirogronian + C02 + ATP -» szczawiooctan + ADP (enzym karboksylaza pirogronianowa
II. Głównym enzymem, umożliwiającym przejście z cyklu do głównego szlaku glukoneogenezy, jest karboksykinaza fosfoenolopirogronianowa, katalizująca dekarboksylację szczawiooctanu do fosfoenolopirogronianu z GTP jako źródłem fosforanu bogatoenergetycznego:
Przebieg procesu glukoneogenezy jest regulowany przez efektory allosteryczne i przez hormony.
Karboksylaza pirogronianowa jest aktywowana allosterycznie przez acetylo-CoA. Podwyższony poziom acetylo-CoA jest sygnałem metabolicznym, wskazującym na potrzebą wzmożenia syntezy szczawiooctanu. Sytuacja taka zachodzi np. podczas głodu, który wymusza nasilenie glukoneogenezy.
Przy niskim poziomie acetylo-CoA karboksylaza pirogronianowa pozostaje nieaktywna.
Hormony kory nadnerczy (glukokortykoidy) oraz glukagon pobudzają a insulina hamuje glukoneogenezę.
METABOLIZM BIAŁKOWO-AZOTOWY
Białka w organizmie człowieka są stale odnawiane przez nieprzerwany proces ich degradacji i następnie resyntezy z wolnych aminokwasów.
Obrót białek jest kluczowym procesem fizjologicznym we wszystkich formach życia.
Aminokwasy występujące w nadmiarze nie mogą być magazynowane w organizmie. Niewielka ich część jest wydalana z moczem. Pozostałe są degradowane. Ich szkielety węglowodorowe stają się substratami w procesie ketogenezy lub glukoneogenezy.
Aminokwasy są konieczne do biosyntezy białka.
Niektóre z nich muszą być obowiązkowo doprowadzone z pożywieniem(aminokwasy egzogenne).
Pozostałe, czyli aminokwasy endogenne, są również dostarczane z pokarmem, ale mogą być także wytwarzane w organizmie z węglowych związków pośrednich w procesie transaminacji. Aminokwasy służące do resyntezy białka ustrojowego pochodzą:
z pożywienia
z syntezy endogennej
75-80% z degradacji białka ustrojowego, głównie mięśni.
Każdego dnia człowiek wymienia powyżej 1—2% całkowitego białka swego organizmu, głównie białka mięśni. Azot pozostałych uwolnionych aminokwasów (20—25%) tworzy mocznik. Metabolizm większości aminokwasów wymaga transaminacji.
Szkielety węglowe powstające w wyniku transaminacji są:
utleniane do C02 w cyklu kwasu cytrynowego,
wykorzystane do syntezy glukozy (glukoneogeneza)
ulegają przemianie w ciała ketonowe.
Po deaminacji aminokwasów nadmiar azotu aminowego jest usuwany jako mocznik. Aminokwasy wchłonięte z jelita do krwi oraz pochodzące z rozpadu białek endogennych tworzą pulę wolnych aminokwasów (ich nadmiar spala się do C02 i H20, dając przy tym energię).
Aminokwasy mogą ulegać przemianom polegającym na:
- transaminacji - deaminacji - dekarboksylacji.
Pierwszym etapem katabolizmu aminokwasów jest reakcja transaminacji, podczas której usunięta zostaje grupa aminowa.
TRANSAMINACJA - przeniesienie grupy α-aminowej na jeden z trzech
α -ketokwasów: pirogronian, szczawiooctan, α -ketoglutaran.
Aminokwasy źródłem związków biologicznie czynnych
aktywne fragmenty jednowęglowe,
barwniki porfirynowe,
zasady purynowe i pirymidynowe,
niektóre hormony i neurotransmitery,
amonoalkohole,
meleniny,
aminy i poliaminy,
karnityna - przenośnik kwasów tłuszczowych przez błony mitochondrialne
koenzymy.
Tyrozyna -
• dopamina (mózg - neuroprzekaźnik, neurotransmiter),
noradrenalina (rdzeń nadnercza)
adrenalina;
tyroksyna i trijodotyronina (hormony tarczycy);
melaniny (z dopachinonu - melanogeneza)
Tryptofan - kwas nikotynowy - niacyna; substrat do biosyntezy koenzymów NAD+ i NADP+. Cysteina - tauryna - składnik soli kwasów żółciowych, pełni funkcję neurotransmitera w centralnym układzie nerwowym;
•siarka cysteiny utlenia się do siarczanu tworząc tzw. aktywny siarczan - kosubstrat w biosyntezie glikozoaminoglikanów (heparyna)
Metionina -
• uczestniczy w transmetylacji, jest przenośnikiem i dawcą grup metylowych, np.
metylacja noradrenaliny do adrenaliny,
przemiana guanidynooctanu w kreatyninę.
Glicyna, arginina, metionina - aminokwasy, z których powstaje kreatyna.
Kreatyna akceptor reszt fosforanowych z ATP - kinaza kreatynowa; przekształca się w fosfokreatynę, która jest rezerwuarem energii, warunkującym czynność skurczową mięśni. Fosfokreatyna, niewykorzystana do celów energetycznych, przekształca się w kreatyninę, która nie podlega biotransformacji i jest wydalana z moczem.
Kreatynina - wskaźnik diagnostyczny funkcji nerek; wzrost powyżej 1 mg/dl wskazuje na upośledzenie czynności nerek.
Lizyna i metionina - karnityna - przenośnik reszt długołańcuchowych kwasów tłuszczowych poprzez wewnętrzną błonę mitochondrialną.
Arginina - tlenek azotu:
obniża ciśnienie tętnicze krwi,
reguluje krzepliwość krwi,
uczestniczy w przekazywaniu sygnałów wewnątrz komórki i pomiędzy komórkami.
Glicyna - substrat w biosyntezie puryn i porfiryn.
Asparaginian - substrat w biosyntezie pirymidyn.
Glutamina - dawca azotu do biosyntezy pierścienia purynowego.
Seryna - wbudowuje się do fosfolipidów tworząc fosfatydyloserynę; wpływa na czynność i strukturę mózgu.
Tryptofan - metabolizm bakteryjny przekształca w produkty gazowe: indol i skatol, ważne dla podtrzymania perystaltyki jelit.
DEAMINACJA- odłączenie grupy aminowej od aminokwasu w postaci amoniaku (NH3) Deaminacja kwasu asparginowego przy udziale tlenu: DEKARBOKSYLACJA - odłączenie grupy karboksylowej w postaci C02 Produkty dekarboksylacji aminokwasów noszą nazwę amin biogennych.
W wyniku dekarboksylacji aminokwasów obojętnych i zasadowych powstają aminy biogenne, które z wyjątkiem histaminy zwężają naczynia krwionośne i podwyższają ciśnienie krwi. Aminy biogenne, to pochodne aminokwasów, które są związkami o różnych funkcjach biologicznych, wśród nich są przede wszystkim substancje o charakterze hormonalnym, ale również o własnościach toksycznych.
Aminy biogenne dzieli sie na: alifatyczne, fenolowe i heterocykliczne.
BILANS AZOTOWY
Bilans azotówy dotyczy różnicy między całkowitym azotem spożytym a całkowitym azotem wydalonym w kale, moczu i pocie. Dodatni bilans azotowy, przyjęcie więcej azotu niż wydalenie jest charakterystyczny dla rosnących dzieci i ciężarnych kobiet. Zdrowi dorośli ludzie zachowują równowagę azotowa., tj. ilość azotu spożytego odpowiada ilości azotu wydalonego. Ujemny bilans azotowy, w którym ilość azotu wydalonego przewyższa ilość azotu spożytego, może występować po operacjach, w zaawansowanym raku, w wyniku niemożności przyjmowania właściwego lub dostatecznie wysokiej jakości białka (np. kwashiorkor, marasmus).
Ogólny schemat metabolizmu kwasów tłuszczowych i jego główne produkty końcowe
Metabolizm lipidów dotyczy głównie kwasów tłuszczowych i cholesterolu.
Źródłem długołańcuchowych kwasów tłuszczowych jest albo synteza z acetylo-CoA pochodzącego z przemiany węglowodanów albo lipidy z pokarmów.
W tkankach kwasy tłuszczowe mogą zostać utlenione do acetylo-CoA (β-oksydacja) lub ulec estryfikacji do acylogliceroli, które w postaci triacylogliceroli (tłuszcz) stanowią główną rezerwę energetyczną organizmu. Lipoproteiny, przenosząc lipidy, ulegają również oddziaływaniom enzymatycznym, co powoduje ich przemiany metaboliczne. Można wyróżnić dwa podstawowe procesy:
* Lipolizę, której rezultatem jest dostarczenie do tkanek wolnych kwasów tłuszczowych pochodzących z triglicerydów lipoprotein. Działają tutaj dwa enzymy:
lipaza lipoproteinowa, dla której substratem są triglicerydy chylomikronów i VLDL,
lipaza wątrobowa, dla której substratem są triglicerydy iHDL.
Obydwa enzymy są umocowane na śródbłonku naczyń.
Estryfikację cholesterolu kwasów tłuszczowych lecytyną katalizowaną przez acylotransferazę lecytyna-cholesterol.
β-oksydacja kwasów tłuszczowych polega na kolejnym odczepianiu i uwalnianiu acetylo-CoA.)
System transportu reszt acylowych z cytosolu do macierzy mitochondrialnej nosi nazwę czółenka karnitynowego lub mostka karnitynowego. Przenośnikiem jest karnityna, tworzy się acylokanityna.
1.Acetylo-CoA pochodzącego z przemiany węglowodanów, ulega całkowitemu utlenieniu do C02 i H20 w cyklu kwasu cytrynowego. Kwasy tłuszczowe są bardzo wydajnym tkankowym źródłem energetycznym, dostarczając znacznych ilości energii zarówno w procesie β-oksydacji, jak i w cyklu kwasu cytrynowego (utlenienie 1 cz. palmitynianu do C02 i H20 dostarcza 129 cz. ATP).
Są one źródłem atomów węgla dla cholesterolu i innych steroidów.
W wątrobie są z nich wytwarzane ciała ketonowe rozpuszczalne w wodzie. Są one alternatywnym paliwem tkankowym, które w pewnych warunkach (np. w głodzeniu) staje się ważnym źródłem energii.
UTLENIANIE KWASÓW TŁUSZCZOWYCH: KETOGENEZA
Jeżeli ilość acetylo-CoA, powstającego w mitochondriach wątroby, przekroczy możliwości jego dalszego przetworzenia w tym narządzie, zostaje uruchomiony proces biosyntezy ciał ketonowych. Szlak ketogenezy ma miejsce w wątrobie.
Ciała ketonowe (acetooctan, aceton, β-hydroksymaślan) służą jako materiał energetyczny dla tkanek pozawątrobowych. Acetooctan ulega ciągłej samoistnej dekarboksylacji do acetonu. W warunkach zdrowia i przy prawidłowym odżywianiu ilość ciał ketonowych jest znikoma. Narasta w okresie głodu i u chorych na cukrzycę - spowodowaną niedoborem insuliny.
CYKL KWASU CYTRYNOWEGO: KATABOLIZM ACETYLO-CoA
Cykl kwasu cytrynowego (cykl Krebsa, cykl kwasów trójkarboksylowych) jest ciągiem reakcji zachodzących w mitochondriach, w wyniku których reszty acetylowe ulegają katabolizmowi z uwolnienie równoważników wodorowych.
Utlenieniu tych ostatnich towarzyszy uwolnienie, wychwytywanie i gromadzenie w formie ATP. Cykl Krebsa jest sprzężony z mltochondńalnym łańcuchem oddechowym i z reakcjami fosforylacji oksydacyjnej.
ZNACZENIE BIOMEDYCZNE
Zasadnicza rola cyklu kwasu cytrynowego polega na działaniu jako wspólny sziak końcowy utleniania węglowodanów, lipidów i białek.
Wynika to z faktu, że glukoza, kwasy tłuszczowe oraz niektóre aminokwasy są metabolizowane do acetylo-CoA lub związków pośrednich cyklu.
Cykl odgrywa również istotną rolę w glukoneogenezie, transaminacji, deaminacji i lipogenezie. Wszystkie te procesy zachodzą, w znaczącym stopniu w wątrobie.
Cykl Krebsa jest głównym źródłem energii.
Bilans: z 1 cz. glukozy powstają 2 cz. acetylo-CoA, w przeliczeniu na cz. glukozy tj. 24 cz. ATP. Przebieg cyklu podlega precyzyjnej regulacji. Funkcjonują mechanizmy, które koordynują zużycie ATP z syntezą ATP. Są to:
•Efektory allosteryczne funkcjonują w odniesieniu do enzymów: syntazy cytrynianowej, dehydrogenazy izocytrynianowej, dehydrogenazy α-ketoglutaranowej aktywizując je przez sygnalizacje niedoboru lub hamując przez sygnalizację dostatku energii w komórce.
•Dostępność ADP i Pi.
•Stosunek NADH:NAD+ i FADH2:FAD.
zredukowany di nukleotyd nikotynoamidoadeninowy
zredukowany dinukleotyd flawinoadeninowy
4. Dostępność szczawiooctanu.
ROLA CYKLU KREBSA W METABOLIZMIE KOMÓRKI
Jest wspólnym szlakiem końcowym utleniania węglowodanów, lipidów i białek poprzez acetylo-CoA.
Jest miejscem wychwytywania energii swobodnej uwalnianej podczas spalania węglowodanów, lipidów i białek.
Powstają równoważniki redukujące przekazywane na łańcuch oddechowy. Umiejscowienie cyklu w mitochondriach ułatwia przenoszenie równoważników na łańcuch oddechowy.
Miejsce początku syntezy kwasów tłuszczowych oraz aminokwasów (procesy trans- i deaminacji)
5.Udział w glukoneogenezie.
UTLENIANIE BIOLOGICZNE
Około 1780 roku Lavoisier wysunął przypuszczenie, że w organizmach żywych zachodzą procesy spalania; porównywalne do procesów utleniania.
O ile w procesie spalania najważniejszą reakcją dostarczającą energii jest łączenie się tlenu z węglem na dwutlenek węgla, natomiast w utlenianiu biologicznym kluczowa reakcja jest łączenie się tlenu z wodorem i powstawanie wody.
We współczesnym pojęciu procesy red-ox rozpatruje się jako:
UTLENIANIE - czyli oddawanie elektronów lub wodoru, albo przyłączanie tlenu.
REDUKCJA - przyjmowanie elektronów lub wodoru albo oddawanie tlenu.
Spalanie tkankowe czyli utlenianie biologiczne
jest przeniesieniem pary elektronów z wodoru (powstającego w wyniku spalania acetylo-CoA w cyklu Krebsa, acetylo-CoA pochodzi z przemian katabolicznych lipidów, węglowodanów i białek) na tlen.
Przeniesienie elektronów i protonów na tlen jest przemianą wysoce egzoergiczną i przebiega ze
znacznym spadkiem energii swobodnej.
Ta znaczna jak na procesy biologiczne ilość energii nie zostaje jednak wyzwolona od razu, ale dzięki istnieniu szeregu układów oksydoredukcyjnych uwalnia się małymi porcjami i może być magazynowana w sposób chemiczny (ATP).
ENZYMY ŁAŃCUCHA ODDECHOWEGO
Enzymy łańcucha oddechowego i sprzężonej z nim fosforylacji oksydatywnej zlokalizowane są. w błonie wewnętrznej mitochondruim.
Enzymy te należą do klasy oksydoreduktaz -
są to:
dehydrogenazy,
reduktazy,
oksydazy.
1.Dehydrogenezy
Pierwszym etapem utleniania tkankowego jest przeniesienie atomów wodoru na NAD* (dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy), te reakcje katalizują dehydrogenazy, specyficzne co do substratu.
2.Reduktazy
W drugim etapie łańcucha oddechowego NADH + H+ zostaje ponownie utleniony i przekazuje wodory na enzymy flawinowe.
Enzymy te zwane są reduktazami, ponieważ katalizują reakcje red-ox bez udziału substratu lub tlenu. Są to zwykle wieloenzymatyczne systemy kompleksowe zarówno pod względem budowy jak i mechanizmu działania,
3. Oksydazy
Poza enzymami flawinowymi znana jest też ważna grupa enzymów współdziałających z flawinami i zdolnych do bezpośredniego przeniesienia elektronów z substratu na tlen. Ma wtedy miejsce dwuelektronowa aktywacja tlenu i powstaje nadtlenek wodoru - enzymy te nazwano dehvdrogenazami tlenowymi lub oksydazami.
Oksydaza cytochromowa jest oksydazą końcową czyli jedynym enzymem, który reaguje bezpośrednie z _ tlenem. W przypadku oksydazy cytochromowej zawsze ma miejsce aktywacja czteroelektroncwa tlenu.
FOSFORYLACJA OKSYDATYWNA
Jest to przyłączanie cząsteczek fosforanu do ADP
ADP + P => ŔTP
syntaza ATP
W sktad łańcucha transportu elektronów w wewnętrznej błonie mitochondrialnej wchodzą trzy pompy protonowe związane z trzema spośród czterech kompleksów uczestniczących w transporcie elektronów (pomarańczowe strzałki wskazują drogę elektronów, a czarne - protonów). Energia uwalniana podczas transportu elektronów służy do przenoszenia protonów (H+) z macierzy mitochondrialnej do przestrzeni międzybłonowej, gdzie wzrasta stężenie protonów. Nie mogą one dyfundować z powrotem do macierzy inaczej niż przez specjalne kanały w cząsteczkach syntazy ATP położonych w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Przepływ protonów przez syntazę ATP dostarcza energii do syntezy ATP z ADP i Pi. Wewnętrzna część syntazy ATP obraca się (grube czerwone strzałki) jak wirnik motoru. Transport elektronów z NADH w „dół" łańcucha oddechowego powoduje pompowanie jonów H+ z matriks mitochondrialnej poprzez wewnętrzną błonę mitochondrialną do przestrzeni międzybłonowej, przez trzy pompy H+:
dehydrogenazę NADH, kompleks cytochromów bc1
i oksydazę cytochromową.
Wpompowywanie jonów H+ generuje duże stężenie jonów H+ w przestrzeni międzybłonowej.
W ten sposób powstaje elektrochemiczny gradient protonowy.
Syntezę ATP napędzają protony przepływające przez syntazę ATP z powrotem do matriks. Schemat łańcucha oddechowego
FADH2
(flawoproteiny)
NADH -> dehydrogenaza -> CoQ ->
NADH (H+)
CoQ -> kompleks -> cytochrom c ->
cytochromów bc1 (H+)
cytochrom c -» oksydaza cytochromowa -> O2
(H+)
Szybkość fosforylacji oksydacyjnej jest uzależniona od dostępności ADP
(kontrola oddechowa - zużycie tlenu).
Elektrony przepływają przez łańcuch oddechowy tylko wtedy, gdy potrzebna jest synteza ATP. Jeżeli stężenie ATP jest duże, a stężenie ADP małe, transport elektronów nie działa, gromadzi się NADH, FADH2, powstaje nadmiar cytrynianu, a cykl Krebsa i glikoliza zostają zahamowane. 1 cz. NADH (zredukowany dinukleotyd nikotynoamidoadeninowy) -> 2,5 cz. ATP 1 cz. FADH2 (zredukowany dinukleotyd flawinoadeninowy) -» 1,5 cz. ATP
Energia fosforylacji:
Utlenieniu 1 mola NADH + H+ przez ½mola 02 towarzyszy wydzielenie 52 kcal/mol.
Na I etapie przy różnicy potencjałów 0,26V powstaje 11,5 kcal, na II etapie przy różnicy potencjałów 0,32V
- 15,5 kcal, na III etapie przy różnicy potencjałów 0,55V- 25 kcal.
Do zsyntetyzowania 1 cząsteczki ATP z ADP i P potrzeba 8,6 kcal, czyli dla 3 - 25,8 kcal. 26/52 = 50% proces jest więc możliwy energetycznie.
Energia swobodna z hydrolizy związków wysokoenergetycznych wykorzystywana
jest do:
reakcji endoergicznych
pracy mechanicznej
aktywny transport przez błony
utrzymania ciepłoty ciała
-jako energia świetlna - robaczek świętojański.
1