Biochemia

Związki organiczne

Podstawą większości związków organicznych jest łańcuch węglowy, czyli atomy węgla układające się w cząsteczce kolejno jeden za drugim - jak koraliki na sznurku. Do takiego łańcuszka mogą się przyczepiać różne inne atomy lub grupy atomów. Każdy atom węgla jest czterowartościowy, co oznacza, że ma 4 łapki, poprzez które może się łączyć i innymi atomami. Dwie łapki są z reguły zajęte przez sąsiednie atomy węgla, mają więc po dwie wolne łapki by przyłączyć coś innego. Jedynie skrajne atomy węgla w łańcuchu mają trzy wolne łapki.

| | | | |

-C-C-C-C-C-

| | | | |

 Co może się przyłączać do tych wolnych łapek? Podstawowym atomem, który się tam przyłącza jest wodór -H. Jeśli cały łańcuch węglowy będzie otoczony tylko atomami wodoru, to będziemy mieć podstawowy związek organiczny należący do grupy węglowodorów. W skrócie zapiszemy to w następujący sposób: CH₃ - CH₂ - CH₂ - CH₂ - CH₃. Takie szkielety węglowe o różnych długościach są podstawą do budowy różnych innych związków organicznych. Zamiana któregoś z atomów wodoru na coś innego będzie nam tworzyć nową grupę związków. Jedną z podstawowych możliwości jest zamiana wodoru -H na grupę -O-H. W wyniku takiej zamiany powstają związki należące do grupy alkoholi. Inną możliwością jest przyłączenie zamiast dwóch atomów wodoru jednego dwuwartościowego atomu tlenu =O. Jeśli takie podstawienie znajduje się wewnątrz cząsteczki, mamy do czynienia z ketonami[i], jeśli natomiast podstawienie takie ma miejsce na jej końcu powstaje aldehyd[ii]. Jeśli przy skrajnym atomie węgla na jednej łapce ulokuje się grupa -OH a na dwu pozostałych tlen =O, to powstaje bardzo ważna w biochemii grupa karboksylowa -COOH. Obecność takiej grupy sprawia, że cząsteczka staje się kwasem. Zawierają ją prawie wszystkie kwasy organiczne, w tym również kwasy tłuszczowe.

Do łańcucha węglowego mogą się zasadniczo przyłączać najróżniejsze atomy i grupy chemiczne, tworząc różnorodne związki. Wiele z nich odgrywa ważną rolę w organizmie człowieka. Jednak wymienię tutaj na razie jeszcze tylko dwie grupy: grupę fosforanową -H₂PO₄ i aminową -NH₂.

Jeśli chodzi o grupę fosforanową, to połączenie jej z łańcuchem węglowym tworzy tzw. wiązanie wysokoenergetyczne. Odłączenie się grupy fosforanowej połączone jest z wydzieleniem zgromadzonej w tym wiązaniu energii. Związki posiadające taką grupę to akumulatorki gromadzące porcję energii do wykorzystania w przyszłości. Jednym z najważniejszych takich związków-akumulatorków w naszym organizmie jest kwas adenozynotrójfosforowy zwany w skrócie ATP - podstawowy przenośnik energii. Jest on syntetyzowany w trakcie spalania białek, tłuszczów i węglowodanów, a następnie wykorzystywany w komórce do najróżniejszych celów: np. skurczu mięśnia czy syntezy innych związków chemicznych. Grupa aminowa -NH₂ natomiast jest ważna, ponieważ występuje w każdym aminokwasie i odgrywa istotną rolę przy łączeniu się aminokwasów w cząsteczki białek.

  

Co to są białka, tłuszcze i węglowodany?

Jak z pewnością każdy Optymalny z pewnością wie, są to trzy podstawowe rodzaje związków chemicznych, z których zbudowany jest nasz organizm i które tworzą nasz pokarm. Jak są one zbudowane? Co wynika z tej budowy? Na pierwszy ogień weźmy, te których budowa jest stosunkowo najprostsza czyli:

 

WĘGLOWODANY

Węglowodany to związki, których ogólny, sumaryczny schemat budowy można by ująć wzorem C_n(H₂O)_n. Jak widać są to związki, w których na jeden atom węgla przypada jedna cząsteczka wody. Ponieważ atom węgla ma masę 12j.m.a.[iii] a cząsteczka wody 18j.m.a. można z pewnym przybliżeniem powiedzieć, że węglowodany to mieszanina węgla i wody w proporcji 2:3. Dokładniej mówiąc węglowodany to związki, w których przy jednym atomie węgla dwa atomy wodoru zostają zastąpione jednym atomem tlenu =O, przy pozostałych atomach węgla natomiast jeden wodór -H zamieniony jest na grupę -OH. Najbardziej elementarnym cukrem w organizmie jest glukoza, która składa się z 6 atomów węgla. Jej wzór można więc zapisać jako: CH₂OH - CHOH - CHOH - CHOH - CHOH - CHO.[iv] Jej wzór sumaryczny natomiast to C₆H₁₂O₆. Prawie wszystkie węglowodany, jakie zjadamy zostają rozłożone lub przemienione do tej właśnie cząsteczki. Innym ważnym dla nas cukrem prostym jest fruktoza. Występuje ona w dużych ilościach w owocach. Połączenie 1 cząsteczki glukozy i fruktozy daje sacharozę, czyli cukier z cukierniczki. Połączenie to można zapisać następująco: C₆H₁₂O₆ (glukoza) + C₆H₁₂O₆ (fruktoza) Ⴎ C₁₂H₂₂O₁₁ (sacharoza) + H₂O. Z reakcją tą wiąże się pewna komiczna (przynajmniej dla mnie) obserwacja. Cukier spożywczy to czysta chemicznie sacharoza, która po rozpuszczeniu w wodzie rozpada się z powrotem na glukozę i fruktozę przyłączając cząsteczkę wody. Masa cukru w skutek rozpuszczania zwiększa się więc nieco i ze 100g cukru spożywczego robi się 52.5g glukozy oraz 52.5g fruktozy. Można więc śmiało powiedzieć i będzie to naukową prawdą, że zawartość cukru w cukrze wynosi 105%.

Powiedzmy jeszcze parę słów o cukrach złożonych, takich jak np. skrobia z ziemniaków lub glikogen w wątrobie i mięśniach. Powstają one przez łączenie się cząsteczek cukrów prostych w łańcuch. Połączeniu się każdych dwóch kolejnych cząsteczek cukru towarzyszy odłączenie jednej cząsteczki wody. Reakcję tę można w skrócie zapisać następująco:

n C₆H₁₂O₆ Ⴎ (C₆H₁₀O₅)_n + n H₂O.

Dzięki takiemu skondensowaniu cukier może być w tkankach dużo łatwiej przechowywany.

 

TŁUSZCZE.

 Do tłuszczów należy szereg związków chemicznych, wśród których można wyróżnić różne grupy. Dwie dla nas najważniejsze to:

1. tłuszcze właściwe czyli triglicerydy;

2. steroidy;

Należałoby jednak wymienić choćby z nazwy w tym miejscu również inne grupy tłuszczów, takie jak sfingolipidy, cerebrozydy, fosfolipidy, glikolipidy, sulfolipidy, aminolipidy czy lipoproteiny. Odgrywają one swoje istotne role w organizmie, jednak, zważywszy, że ilościowo nie ma ich w naszym ciele dużo, a na Diecie Optymalnej ich niedobór nam nie grozi, na razie nie będziemy się nad nimi zbyt mocno rozwodzić.

Przyjrzyjmy się grupie pierwszej, czyli triglicerydom. Cząsteczka triglicerydu powstaje z połączenia 1 cząsteczki glicerolu i 3 cząsteczek kwasów tłuszczowych. Glicerol[v] to jedna z pośrednich cząsteczek podstawowego szlaku spalania glukozy. Zbudowana jest z łańcucha 3 atomów węgla, przy każdym z nich znajduje się jedna grupa -OH. Do każdej z 3 grup -OH przyłączony jest poprzez swoją grupę -COOH jeden kwas tłuszczowy. To właśnie kwasy tłuszczowe są głównym ilościowo składnikiem triglicerydów. Musimy się przy nich zatrzymać nieco dłużej, gdyż mogą one być bardzo różne.

 

Kwasy tłuszczowe

 Kwas tłuszczowy zbudowany jest z łańcucha węglowego otoczonego ze wszech stron wodorami. Jedynie pierwszy atom węgla tworzy grupę karboksylową -COOH. Kwasy tłuszczowe występujące w przyrodzie mają w większości parzystą liczbę atomów węgla, gdyż są syntetyzowane z jednostek dwuwęglowych. Dwa podstawowe kwasy tłuszczowe to kwas palmitynowy[vi] (16 atomów węgla) i stearynowy[vii] (18 atomów węgla). Są one podstawowym budulcem wszelkich błon komórkowych. Są to kwasy nasycone, gdyż liczba atomów wodoru wokół łańcucha węglowego jest największa jaka może być. Drugą grupą kwasów tłuszczowych są kwasy nienasycone. Nie mają one pełnego obsadzenia wodorami wszystkich możliwych miejsc. Najczęstszym kwasem nienasyconym jest 18-węglowy kwas oleinowy[viii], w którym brakuje dwóch atomów wodoru przy węglach 9 i 10. Zamiast nich, między węglami tymi pojawia się tzw. wiązanie podwójne -C=C-. Im więcej jest wiązań podwójnych, tym mniej wodoru zawiera cząsteczka i tym bardziej nienasycony jest dany kwas tłuszczowy. Liczba wiązań podwójnych w cząsteczce dochodzi maksymalnie do 6-ciu. Kwasy tłuszczowe nienasycone są w temperaturze pokojowej zasadniczo cieczami, podczas gdy nasycone mają konsystencję stałą. Istotne jest w tym miejscu zwrócenie uwagi, że wiązanie podwójne pojawiające się w cząsteczce, usztywnia ją w tym miejscu - wokół wiązania podwójnego niemożliwa jest wzajemna rotacja końców cząsteczek. Możliwe są przez to dwa rodzaje ustawień łańcuchów węglowych: cis i trans. Ilustruje to rycina poniżej:

W przyrodzie występuje przede wszystkim forma cis. Zagięcie cząsteczki w formie cis powoduje, że leżące koło siebie cząsteczki różnych kwasów tłuszczowych trudniej dopasowują się do siebie, wzrasta przez to „płynność” całego tłuszczu. Forma trans powstaje przede wszystkim jako produkt uboczny podczas procesu nasycania wodorem kwasów tłuszczowych przy produkcji margaryny. Niewielka część kwasów trans pochodzi ze spożywanych tłuszczów przeżuwaczy, u których powstają one w przewodzie pokarmowym w wyniku działania mikroorganizmów.

 Wróćmy teraz z powrotem do triglicerydów. Układ różnych kwasów tłuszczowych (dłuższych lub krótszych, bardziej lub mniej nasyconych) przyłączających się do poszczególnych 3 grup -OH glicerolu może być bardzo różnorodny. Nie zmienia to jednak w dużym stopniu faktu, że główna masa cząsteczki, jak również wartość energetyczna, zawarta jest w trzech kwasach tłuszczowych. Glicerol jest jedynie dla nich łącznikiem. Jednak w procesie syntezy i rozkładu triglicerydów w tkance tłuszczowej będzie on tam odgrywać istotną rolę. Ten temat będzie jednak omówiony dokładniej na jednym z przyszłych wykładów.

 Druga grupa tłuszczów istotna dla Optymalnych (właściwie to nieistotna, tylko robiąca dużo zamieszania) to steroidy. Najważniejszym, kluczowym przedstawicielem tej grupy związków jest cholesterol. Budowa cząsteczki cholesterolu jest dość złożona i omówię ją bliżej, gdy przyjdzie na to czas. Dziś przytoczę jedynie jego wzór sumaryczny: C₂₇H₄₆O. Cholesterol raz przyswojony lub zsyntetyzowany nie może zostać rozłożony ani spalony. Nie jest więc paliwem. Jedyna droga usuwania cholesterolu z organizmu to zamiana go na kwas żółciowy i wydalenie ze stolcem.

 

BIAŁKA

 Podstawą budowy wszystkich białek są aminokwasy. Aminokwasów wchodzących w skład białek jest 20. Jest jeszcze poza tym kilka aminokwasów ważnych metabolicznie, dla nas nie aż tak bardzo istotnych. Jak sama nazwa wskazuje, związki te, to kwasy organiczne zawierające grupę aminową. Muszą więc posiadać grupę karboksylową -COOH i aminową -NH₂. W aminokwasach tworzących białka obie te grupy umieszczone są przy pierwszym węglu, więc jeden koniec cząsteczki jest taki sam we wszystkich aminokwasach[ix]. Jak można się domyślić, to co odróżnia poszczególne aminokwasy, to drugi koniec cząsteczki. Niektóre aminokwasy jesteśmy w stanie sobie zsyntetyzować, niektóre jednak muszą być dostarczone w pożywieniu. Te niezbędne to: Histydyna, Leucyna, Izoleucyna, Lizyna, Metionina, Fenyloalanina, Treonina, Walina i Tryptofan. Łatwo sobie wyobrazić, że im bardziej zbliżony ewolucyjnie będzie zjadany pokarm do tkanki ludzkiej, tym bardziej proporcja aminokwasów w tym pokarmie będzie bliższa proporcji 20 aminokwasów występujących w ludzkim organizmie. Niska wartość białek roślinnych wynika stąd, że niektórych niezbędnych dla nas aminokwasów nie zawierają one w ogóle. Najbardziej wartościowe będą z pewnością białka zawarte w naturalnych pokarmach dla rosnących młodych zwierząt: jajko i mleko. Do kompletu dorzucić by jeszcze można białko zwierząt hodowlanych, pod warunkiem wszelako, że zjadamy naraz całe zwierzę (łącznie z wątrobą, skórą, płucami itd.) a nie tylko jego mięśnie, w których proporcja aminokwasów jest już nieco inna.

 Białka to bardzo złożone cząsteczki chemiczne powstałe przez połączenie się w długi łańcuch kilkuset do kilku tysięcy aminokwasów. Aminokwasy te występują w poszczególnych białkach w ściśle określonej genetycznie kolejności i ilości. Aby zsyntetyzować białko, konieczne jest więc występowanie w komórce WSZYSTKICH aminokwasów, które w danym białku występują i to najlepiej w takiej proporcji, w jakiej występują one w syntetyzowanym białku. Jeśli będzie brakować choćby jednego aminokwasu (szczególnie, jeśli jest to aminokwas niezbędny) synteza białka nie nastąpi, a wszystkie gotowe do syntezy aminokwasy zostaną spalone. Organizm będzie czekać na moment, aż wszystkie aminokwasy będą dostępne.

5

[i] Pojawia się wtedy związek o schemacie ogólnym R₁ - CO - R₂.

[ii] Grupę aldehydową w chemii zapisuje się jako: R - CHO.

[iii] j.m.a. to tzw. jednostka masy atomowej. 1 gram równa się 6.023 თ10²³ j.m.a. Tak jak tuzin oznacza 12 sztuk, tak mol w chemii oznacza 6.023თ10²³ sztuk. Przykładowo: 1 mol atomów węgla C waży 12g, 1 mol atomów tlenu O waży 16g, 1 mol atomów wodoru H waży 1g, 1 mol cząsteczek wody H₂O waży 18g (16g+1g+1g), a 1 mol cząsteczek glukozy C₆H₁₂O₆ waży 180g (6თ12g + 12თ1g + 6თ16g = 180g). Widzimy więc, że masa każdej cząsteczki to suma mas wszystkich jej atomów.

[iv] W rzeczywistości w cząsteczce glukozy dokonują się pewne wewnętrzne przekształcenia, które sprawiają, że cząsteczka ma kształt pierścienia. Istotne jest również to, z której strony w stosunku do łańcucha węglowego przyłącza się grupa OH. W cząsteczce glukozy układ ten jest ściśle określony. Fruktoza lub galaktoza mają ten sam wzór chemiczny, a jedynie różne rozmieszczenie grup -OH w cząsteczce.

[v] Wzór glicerolu to: CH₂OH - CHOH - CH₂OH. Masa molowa - 92g.

[vi] Wzór kwasu palmitynowego to: CH₃ - CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂-COOH. W skrócie: CH₃ - (CH₂)₁₄-COOH, lub sumarycznie: C₁₆ H₃₂O₂. Masa molowa - 256g.

[vii] Wzór kwasu stearynowego to: CH₃ - (CH₂)₁₆-COOH, lub sumarycznie: C₁₈ H₃₆O₂. Masa molowa - 284g.

[viii] Wzór kwasu oleinowego to: CH₃ - CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH= CH- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂- CH₂-COOH. W skrócie: CH₃ - (CH₂)₇ - CH=CH - (CH₂)₇ - COOH, lub sumarycznie: C₁₈ H₃₄O₂.

[ix] Ogólny wzór aminokwasów to R - CH(NH₂) - COOH. R - to łańcuch węglowy specyficzny dla danego aminokwasu. Przy łańcuchu tym może być dodatkowo grupa -OH (seryna, treonina), grupa karboksylowa (kwas asparaginowy, kwas glutaminowy), azot N w różnych konfiguracjach (arginina, lizyna, histydyna, asparagina, glutamina), siarka S (cysteina, metionina), tzw. pierścień aromatyczny (fenyloalanina, tyrozyna, tryptofan) lub pierścień niearomatyczny (prolina, hydroksyprolina). „Gołe” łańcuchy węglowe mają glicyna, alanina, walina, leucyna i izoleucyna.

drogi przemian węglowodanów

w komórkach naszego organizmu. Innymi słowy, pragnę opowiedzieć, co się dzieje z cukrem po przedostaniu się do komórek? Zaczynamy od węglowodanów, gdyż ich spalanie stanowi swego rodzaju biochemiczny szkielet dla spalania zarówno białek jak i tłuszczy. Na szkielet ten składają się trzy podstawowe szlaki przemian: glikoliza, cykl pentozowy oraz cykl Krebsa. Zostaną one przedstawione w sposób jak najbardziej ogólny, by zminimalizować niepotrzebne na tym etapie nadmierne szczegóły. Wydaje się ważne, by mieć najpierw przed oczami ogólne spojrzenie na całość, a następnie dopiero wchodzić w szczegóły. Podręcznik Biochemii niestety jest zasypany szczegółami, a całościowe spojrzenie trzeba sobie w dużej mierze wyrobić samemu na podstawie dokładnej wielokrotnej lektury poszczególnych rozdziałów. Spalanie białek i tłuszczy, jak również synteza cholesterolu i kwasów tłuszczowych zostanie przedstawiona w podobny schematyczny sposób na wykładach następnych. Punktem wyjścia dla najbliższych rozważań jest moment, w którym poszczególne składniki odżywcze (B,T,W) dostały się już do komórki i muszą ulec spaleniu lub zostać użyte do syntez wewnątrzkomórkowych. Pominięty zostanie na razie cały etap ich trawienia, wchłaniania do krwi i transportu z krwi do komórki. Pominięte też zostaną na razie wszelkie przemiany chemiczne prowadzące do powstania początkowych punktów metabolizmu wewnątrzkomórkowego, a mianowicie: glukozy, kwasów tłuszczowych i aminokwasów.

  Jeśli chodzi o glukozę, to, jak już pisałem na pierwszym wykładzie, jest to cukier o sześciu atomach węgla, a więc należący do grupy heksoz[i]. Na glukozę zamienia się skrobia, czyli w praktyce chleb, zboża i ziemniaki, które są ilościowo najistotniejszym źródłem węglowodanów na żywieniu tradycyjnym. Na glukozę zamienia się też wewnątrzkomórkowo galaktoza[ii], która jest cukrem występującym w mleku.

Nieco inaczej jest z fruktozą, czyli cukrem występującym w owocach, tudzież w cukrze z cukierniczki. Nie zamienia się ona na glukozę lecz włącza się ona w szlak jej spalania, omijając ważny etap regulacji szybkości tego procesu. Ze względu na ważność tego szczegółu wspominam o nim już dziś. Szczegółowo zostanie to omówione na jednym z kolejnych wykładów.

Tłuszcze, jakkolwiek we krwi transportowane są w różnej postaci, wewnątrz komórki występują w postaci rozłożonej, czyli jako kwasy tłuszczowe i glicerol. Jako triglicerydy[iii] funkcjonują wewnątrzkomórkowo jedynie w tkance tłuszczowej - jako zapas energetyczny.

Białka natomiast jeszcze w przewodzie pokarmowym zostają rozłożone do poszczególnych aminokwasów, następnie poprzez krew docierają do komórek, gdzie następuje ich dalsza przemiana.

 

Zanim omówione zostaną losy tych trzech głównych składników odżywczych, przybliżyć trzeba nieco krótko budowę wnętrza komórki. Z punktu widzenia procesów spalania wewnątrzkomórkowego konieczne jest wyróżnienie dwóch osobnych przestrzeni płynowych: cytoplazmy i mitochondriów. Cytoplazma to płyn, który wypełnia komórkę. W cytoplazmie zanurzone są inne organella komórkowe, czyli odgrodzone błonką przestrzenie, w których zachodzą jakieś specjalne zjawiska lub przemiany. Strukturą tego typu o specjalnym znaczeniu w procesach spalania są mitochondria.

Mitochondrium to taka dość wyjątkowa struktura wewnątrzkomórkowa. Jest ono o tyle ciekawe, że posiada własne DNA, czyli kod genetyczny do produkcji białek, z których jest zbudowane.

Jest więc jakby takim malutkim mikroorganizmem żyjącym w symbiozie z komórką. Rozmnaża się wewnątrz naszych komórek, dostarczając w zamian ATP, czyli energii do wszelkich procesów życiowych komórki. Ponieważ mitochondria z plemnika zostają po jego wniknięciu do komórki jajowej zniszczone jako ciała obce, całe DNA mitochondrialne dziedziczone jest zawsze tylko po matce.

Piszę o mitochondriach nieco szerzej, gdyż właśnie w nich odbywa się sporo reakcji spalania białek, tłuszczów i węglowodanów. Podwójna błona lipidowa, która oddziela wnętrze mitochondrium od cytoplazmy stanowi istotną barierę dla przenikania przez nią różnych związków chemicznych. Istnieją specjalne mechanizmy transportu dla niektórych związków, niektóre natomiast mogą przez nią przenikać swobodnie. Jest to bardzo ważne z punktu widzenia regulacji procesów spalania i procesów syntez wewnątrzkomórkowych. Mówiąc o każdej reakcji chemicznej trzeba zawsze wyraźnie zaznaczyć, czy zachodzi ona w cytoplazmie, czy też w mitochondrium. W „Harperze” nie zawsze jest to należycie podkreślane.

Prawie wszystkie reakcje, jakie zachodzą w mitochondriach, ukierunkowane są na syntezę ATP[iv] (kwas adenozynotrójfosforowy). Związek ten to najważniejszy w naszym organizmie przenośnik energii. Posiada on przyłączone aż 3 wysokoenergetyczne grupy fosforanowe. Po odłączeniu jednej grupy fosforanowej powstaje ADP (kwas adenozynodwufosforowy). Po odłączeniu drugiej grupy fosforanowej powstaje AMP (kwas adenozynomonofosforowy). Jeśli jakaś reakcja lub proces w organizmie wymaga dostarczenia energii, równolegle z nim zachodzi z reguły rozpad ATP na ADP i wolny fosforan. Jeśli rozpad taki dostarcza zbyt mało energii do zajścia odpowiedniej reakcji, ATP może rozpaść się na AMP i pirofosforan[v] dostarczając większej, podwójnej porcji energii. W skrócie grupa fosforanowa -H₂PO₄ będzie oznaczana w reakcjach przez P.

 

Glikoliza

Podstawowym szlakiem spalania węglowodanów jest tzw. szlak glikolizy, który zachodzi w cytoplazmie komórki. W szlaku tym 1 cząsteczka glukozy C₆H₁₂O₆ zostaje zamieniona na 2 cząsteczki kwasu pirogronowego CH₃-CO-COOH. Kwas pirogronowy (zwany też w skrócie pirogronianem) jest najważniejszym punktem węzłowym metabolizmu wewnątrzkomórkowego. Jest on tą cząsteczką, która swobodnie przenika do mitochondrium by tam ulec dalszym przemianom.

 

Kolejne związki pośrednie na drodze od glukozy do pirogronianu w szlaku glikolizy to:

1. glukozo-6-fosforan. Jak już pisałem na pierwszym wykładzie, połączenie łańcucha węglowego z grupą fosforanową tworzy wiązanie wysokoenergetyczne. Przyłączenie grupy fosforanowej do 6-go węgla glukozy wymaga zużycia 1 cząsteczki ATP. Obecność grupy fosforanowej sprawia, że cząsteczka, mając w sobie więcej energii, łatwiej wchodzi w następne reakcje.

2. fruktozo-6-fosforan. Następuje przegrupowanie atomów wewnątrz cząsteczki. W tym miejscu, po fosforylacji, do szlaku wchodzi fruktoza.

3. fruktozo-1,6-dwufosforan. Następuje przyłączenie kolejnej grupy fosforanowej kosztem następnej cząsteczki ATP.

4. gliceraldehydo-3-fosforan (2x). Następuje rozpad łańcucha 6-węglowego na dwa łańcuchy 3-węglowe. Wszystkie dalsze przemiany występują podwójnie w stosunku do wyjściowej cząsteczki glukozy.

5. 1,3-dwufosfoglicerynian (2x). Następuje odłączenie dwóch atomów wodoru połączone z przyłączeniem kolejnej grupy fosforanowej. Atomy wodoru zostają przeniesione na złożoną cząsteczkę, której główną rolą jest przenoszenie wodoru. W skrócie nazywamy ją NAD[vi]. (Transport wodoru jest ważnym elementem przemian i zostanie omówiony osobno). Przyłączenie grupy fosforanowej tym razem nie wymaga ATP.

6. 3-fosfoglicerynian (2x). Odłączenie grupy fosforanowej sprzężone jest z odzyskiem ATP.

7. 2-fosfoglicerynian (2x). Następuje przeniesienie grupy fosforanowej z węgla trzeciego na drugi.

8. fosfoenolopirogronian (2x). Następuje odłączenie cząsteczki wody.

9. pirogronian (2x). Następuje odłączenie grupy fosforanowej sprzężone z syntezą cząsteczki ATP.

 

Aby nie wdawać się w nadmierne szczegóły, sumarycznie szlak ten można przedstawić następującym równaniem:

C₆H₁₂O₆ (glukoza) + 2 NAD + 2 ADP + 2 P Ⴎ 2C₃H₄O₃ (pirogronian) + 2 NADH₂ + 2 ATP

W szlaku glikolizy na początku zostają zużyte 2 cząsteczki ATP do przyłączania grup fosforanowych, następnie jednak odzyskane są 4 cząsteczki. Łącznie powstają więc 2 cząsteczki ATP oraz 2 cząsteczki NADH₂. Wodór z NADH₂ może zostać przetransportowany do mitochondrium i tam ulec spaleniu z tlenem. Powstanie wtedy 6 cząsteczek ATP z 2 cząsteczek NADH₂.

2 NADH₂ + O₂ + 6 ADP + 6 P Ⴎ 2 NAD + 2 H₂O + 6 ATP

Łącznie więc na tym etapie spalania glukozy z 1 cząsteczki glukozy powstaje 8 cząsteczek ATP.

 

  Cykl pentozowy

 

Jest to alternatywna droga spalania glukozy umożliwiająca ominięcie niektórych etapów glikolizy. Podobnie jak glikoliza, zachodzi on w całości w cytoplazmie komórki. Dla lepszego zrozumienia tego nieco złożonego szlaku rozpatrzmy los 3 cząsteczek glukozy:

1. glukozo-6-fosforan (3x). (W skrócie: glukozo-6P). Reakcja jak w glikolizie.

2. 6-fosfoglukonian (3x). Następuje odłączenie 2 atomów wodoru od każdej cząsteczki i przeniesienie ich na NADP[vii]. (Jest bardzo ważną kwestią odróżniać, czy wodór jest przenoszony na NAD czy na NADP, ale o tym później).

3. rybulozo-5P (3x). Po dwa kolejne wodory zostają przeniesione na NADP, odłączona zostaje też cząsteczka dwutlenku węgla CO₂. Rybuloza jest cukrem 5-węglowym, a więc należy do grupy pentoz. (Ponieważ w cyklu tym fosforan jest przyłączony zawsze do ostatniego węgla, cyferka w nazwach kolejnych cukrów pośrednich oznacza również ilość atomów węgla w cząsteczce).

4. ksylulozo-5P (2x), rybozo-5P (1x). Przegrupowania atomów wewnątrz cząsteczek.

5. ksylulozo-5P (1x), sedoheptulozo-7P (1x), gliceraldehydo-3P (1x). Przegrupowania atomów pomiędzy tymi cząsteczkami.

6. ksylulozo-5P (1x), fruktozo-6P (1x), erytrozo-4P (1x). Dalsze przegrupowania atomów pomiędzy cząsteczkami.

7. fruktozo-6P (2x), gliceraldehydo-3P (1x). Dalsze przegrupowania atomów między cząsteczkami. Oba powstałe związki są produktami pośrednimi glikolizy. Mogą więc ulec spaleniu włączając się do tego cyklu. Mogą też zajść reakcje odwrotne do glikolizy, czyli może nastąpić odbudowanie glukozo-6P, co powoduje zamknięcie cyklu pentozowego. glukozo-6P może wtedy ponownie wejść w reakcje tego cyklu.

 

Obraz tego cyklu jawi się pewnie jak na razie w sposób nie zbyt jasny. Dla naszych potrzeb zapamiętajmy więc jedynie sumaryczną reakcję spalania 1 cząsteczki glukozy po przejściu odpowiednią ilość razy tego cyklu, która jest już znacznie prostsza w odbiorze:

C₆H₁₂O₆ + 12 NADP + 6 H₂O Ⴎ 12 NADPH₂ + 6 CO₂

Widzimy tu, że 1 cząsteczka glukozy bez udziału tlenu, wykorzystując dodatkowo tlen i wodór zawarte w wodzie, rozpada się na dwutlenek węgla i wodór. Duża ilość wodoru powstałego w tym cyklu (przenoszonego przez NADP, a nie NAD) jest następnie używana do syntezy kwasów tłuszczowych i cholesterolu. Zauważmy też ciekawostkę, że powstający w tym cyklu wodór pochodzi w połowie z cukru, a w połowie z wody. Nie będzie więc merytorycznie błędem, jeśli nieco przewrotnie i żartobliwie napiszę, że tkanka tłuszczowa, do syntezy której jest on zużywany, powstaje z wody. Oczywiście niezbędny jest współudział nadmiaru węglowodanów ☺. (Niech jednak nikt przypadkiem nie pomyśli, że jak się ograniczy picie wody, to można bezkarnie jeść cukier!! ☺)

 

  Los pirogronianu

 

Wróćmy jednak do tonu nieco poważniejszego. Jak już pisałem, pirogronian to węzłowy związek chemiczny w metabolizmie wewnątrzkomórkowym. Jest on końcowym etapem wstępnego spalania glukozy oraz (o czym się dowiemy na jednym z kolejnych wykładów) większości aminokwasów. Jest on tym związkiem, który swobodnie przenika z cytoplazmy do mitichondrium, by tam ulec dalszym przemianom. W mitochondrium ma on dwie możliwości przemian. Pierwsza z nich, prowadząca do jego spalenia, to zamiana na acetylo-koenzym A[viii]. W reakcjach chemicznych związek ten zapisywany jest w skrócie jako CH₃-CO-CoA lub po prostu acetylo-CoA. W czasie tej reakcji odłączony zostaje CO₂, a dwa wodory zostają przeniesione na NAD, by później w trakcie spalania z tlenem wytworzyć 3 cząsteczki ATP:

CH₃-CO-COOH + CoA + NAD Ⴎ CH₃CO-CoA + CO₂ + NADH₂

Acetylo-CoA to drugi bardzo ważny, węzłowy związek w metabolizmie wewnątrzkomórkowym. Jest on cząsteczką, która może ulec albo spaleniu w mitochondrium, albo wyjść z mitochondrium i zostać zużytą do syntezy kwasów tłuszczowych lub cholesterolu w cytoplazmie komórki.

Wracając jednak do pirogronianu: druga możliwość, jaka może mu się przydarzyć poza zamianą na acetylo-CoA, to zamiana na szczawiooctan. Podstawowy cel tej przemiany to dostarczenie związków pośrednich dla cyklu Krebsa, o którym za chwilę. Jakie są jednak odleglejsze tego konsekwencje, dowiemy się na jednym z następnych wykładów, gdyż sprawa pozornie bardzo złożona, w dokładniejszej analizie będzie bardzo ładnie się upraszczać. Wyjaśnione to jednak zostanie po omówieniu spalania aminokwasów.

 

 

Cykl Krebsa

 

Cykl Krebsa to ciąg reakcji zachodzących w mitochondrium, umożliwiający spalenie 1 cząsteczki acetylo-CoA. Cykl Krebsa to pierwsza część spalania acetylo-CoA, w trakcie którego następuje jego rozłożenie na wodór H₂ i dwutlenek węgla CO₂. Wodór jest wykorzystany następnie do syntezy ATP, co następuje w trakcie jego spalania z tlenem. CO₂ jest usuwany.

 

Kolejne reakcje tego cyklu są następujące:

1. szczawiooctan + acetylo-CoA + H₂OႮ cytrynian + CoA

(przeniesienie reszty acetylowej z CoA na szczawiooctan)

2. cytrynian  Ⴎ izocytrynian

(przekształcenia wewnątrz cząsteczki)

3. izocytrynian + NAD  Ⴎ szczawiobursztynian + NADH₂

(przeniesienie dwóch pierwszych wodorów na NAD)

4. szczawiobursztynian  Ⴎ ၡ-ketoglutaran + CO₂

(odłączenie 1 cząsteczki CO₂)

5. ၡ-ketoglutaran + CoA+ NAD Ⴎ sukcynylo-CoA + CO₂ + NADH₂

(odłączenie cząsteczki CO₂ oraz przeniesienie dwóch kolejnych wodorów na NAD, chwilowo uczestniczy w tym cząsteczka CoA)

6. sukcynylo-CoA +H₂O+ ADP + P Ⴎ bursztynian + CoA + ATP

(odłączenie CoA sprzężone jest z syntezą 1 cząsteczki ATP)

7. bursztynian + FAD Ⴎ fumaran + FADH₂

(odłączenie dwóch kolejnych wodorów, tym razem uczestniczy w tym inny przenośnik: FAD[ix])

8. fumaran + H₂O  Ⴎ jabłczan

(przyłączenie cząsteczki wody)

9. jabłczan + NAD Ⴎ szczawiooctan + NADH₂

(przeniesienie kolejnych wodorów na NAD, powrót do wyjściowego szczawiooctanu)

 

Powyższe reakcje można podsumować następująco:

 

CH₃CO-CoA + 3 H₂0  + 3 NAD + FAD + ADP+P

Ⴎ CoA + 2CO₂  + 3 NADH₂  + FADH₂  + ATP.

Ponieważ z jednej cząsteczki NADH₂ można uzyskać 3 cząsteczki ATP, natomiast z FADH₂ można uzyskać jedynie 2 cząsteczki ATP, łącznie jeden pełny cykl spalania acetylo-CoA daje łącznie 12 cząsteczek ATP (3თ3 z NADH₂ + 1თ2 z FADH₂ + 1 bezpośrednio w cyklu Krebsa).

Jeśli teraz podliczymy wszystkie cząsteczki ATP, jakie mogą powstać przy spalaniu 1 cząsteczki glukozy, to uzyskamy: 8 ATP (glikoliza) + 2თ3 ATP (pirogronianႮacetylo-CoA) + 2თ12 ATP (cykl Krebsa). Razem daje to 38 cząsteczek ATP.

Aby móc porównywać wartość energetyczną różnych związków sensowniej będzie jednak wyliczyć ilość ATP powstałą z pełnego spalania 100 gramów danej substancji. W przypadku glukozy ze 100g uzyskuje się 21.1 mola[x] ATP.

 

Spalanie i synteza tłuszczów.

 Witam serdecznie na kolejnym wykładzie z serii „Biochemia w pigułce”. Dziś omówione zostaną szlaki metaboliczne spalania tłuszczów oraz ich syntezy. Spalanie tłuszczów to przede wszystkim zachodząca w mitochondriach ၢ-oksydacja kwasów tłuszczowych. Jeśli chodzi o syntezę to omówiona zostanie zachodząca w cytoplazmie synteza kwasów tłuszczowych. Na pierwszy ogień weźmy się za procesy spalania, gdyż będzie to naturalna kontynuacja poprzedniego wykładu dotyczącego spalania węglowodanów.

 

Trigliceryd - to podstawowy związek chemiczny będący paliwem tłuszczowym. Może on krążyć we krwi samodzielnie. Może wchodzić w skład frakcji lipidowych osocza takich jak VLDL, LDL, HDL, chylomikrony, w których to jest on transportowany pomiędzy różnymi tkankami organizmu. Może być wreszcie odłożony jako zapas w komórkach tłuszczowych. Pierwszy etap spalania cząsteczki triglicerydu zachodzi w większości o dziwo w tkance tłuszczowej. Dotyczy to zarówno triglicerydów krążących we krwi, jak i tych uwalnianych z tkanki tłuszczowej. Polega on na rozkładzie cząsteczki na glicerol i 3 kwasy tłuszczowe. Kwasy tłuszczowe dostają się do krwi, skąd są pobierane przez tkanki celem spalenia.

 

Los glicerolu zależy natomiast od obecności w danej tkance enzymu kinazy glicerolowej, który przyłącza doń grupę fosforanową. Jeśli tkanka posiada ten enzym, glicerol zostaje przekształcony do gliceraldehydo-3P, związku pośredniego glikolizy i cyklu pentozowego. Następuje wtedy jego spalenie lub zużycie do syntez. Jeśli tkanka tego enzymu nie ma, glicerol jest wyrzucony do krwi. Krąży on tam tak długo, aż trafi do tkanki, która ten enzym posiada. Enzymu tego nie ma w tkance tłuszczowej. To jest bardzo ważna informacja dla wszystkich, którzy mają problem z nadwagą. Oznacza, że glicerol powstały z rozpadu triglicerydu nie może zostać zużyty od odbudowy nowej cząsteczki triglicerydu. Ten arcyważny szczegół zostanie dokładnie omówiony w niedalekiej przyszłości, gdyż procesy zachodzące w tej komórce są nieco bardziej złożone.

Zakładając, że cząsteczka glicerolu zostałaby całkowicie spalona, podsumowanie wszystkich pośrednich reakcji (zamiana na pirogronian, acetylo-CoA i spalenie w cyklu Krebsa) będzie wyglądać następująco:

C₃H₈O₃(glicerol) + 3½ O₂ + 22 P + 22 ADP Ⴎ  3 CO₂ + 4 H₂O + 22 ATP

W przeliczeniu na gramy natomiast - ze 100g glicerolu uzyskać można 23.9 mola ATP. Jest to wartość porównywalna z glukozą (21.1mola/100g).

 

Przeanalizujmy teraz los uwolnionych kwasów tłuszczowych. Jakkolwiek w biochemii mówi się o Wolnych Kwasach Tłuszowych (WKT), to faktycznie nie poruszają się one samodzielnie we krwi, lecz są transportowane przez białka. We krwi są one transportowane przez podstawowe białko osocza - albuminę. Wewnątrz komórek natomiast jest to białko wiążace kwasy tłuszczowe lub białko Z. Samodzielnie poruszają się jedynie krótkie kwasy tłuszczowe, które są łatwiej rozpuszczalne w wodzie. Po wniknięciu do komórki kwasy tłuszczowe ulegają w pierwszej kolejności aktywacji, by móc wejść w dalsze reakcje spalania. Aktywacja polega na przyłączeniu do końca karboksylowego cząsteczki znanego nam już koenzymu A. Reakcja ta zachodzi kosztem rozpadu ATP na AMP i pirofosforan, czyli wymaga dwóch wiązań wysokoenergetycznych. Zachodzić może zarówno w cytoplazmie, jak i w mitochondrium. Taką aktywną cząsteczkę nazywamy niezależnie od długości łańcucha węglowego kwasu tłuszczowego - acylo-CoA.

Ani wolny kwas tłuszczowy, ani acylo-CoA nie mogą przenikać samodzielnie do wnętrza mitochondrium. W procesie transportu przez błonę uczestniczy specjalny związek L-karnityna. Piszę o tym, gdyż istnieje sporo doniesień na temat ważnej roli tego związku w procesie spalania nie tylko tłuszczów, ale również glukozy. Istnieją silne przesłanki sugerujące możliwość rozwoju względnego niedoboru tego związku na diecie wegetariańskiej. Niedobór taki utrudnić może transport kwasów tłuszczowych do mitochondriów, sprzyjać rozwojowi cukrzycy oraz kwasicy mleczanowej. L-karnityna syntetyzowana jest w organizmie z dwóch aminokwasów: lizyny i metioniny, a do jej syntezy niezbędne są: witaminy: PP, B₆, C oraz żelazo. Oba te aminokwasy są niezbędne w diecie tzn. organizm nie jest w stanie ich zsyntetyzować z cukru. Dużą zawartością karnityny cechują się przede wszystkim mięsa. W przypadku diety o niskiej zawartości mięsa ograniczone jest zarówno dostarczanie owych aminokwasów, jak i samej karnityny.

 

Wróćmy jednak do spalania kwasów tłuszczowych. Zaktywowany kwas tłuszczowy, czyli acylo-CoA jest już w mitochondrium. Tutaj następuje jego ostateczne spalanie. Ogólnie, w procesie spalania wyróżnić można 2 etapy. Pierwszy - to cięcie kwasu tłuszczowego na fragmenty dwuwęglowe, czyli cząsteczki acetylo-CoA. Drugi - to omówione już poprzednio spalanie acetylo-CoA w cyklu Krebsa. Zajmiemy się więc dokładniej jedynie pierwszym etapem.

 

Cięcie na fragmenty dwuwęglowe polega na kolejnym odłączaniu od końca karboksylowego cząsteczek acetylo-CoA. Jeśli kwas tłuszczowy ma nieparzystą ilość atomów węgla, to specjalne enzymy rozłożą tę nieparzystą końcówkę. Zważywszy jednak, że zdecydowana większość kwasów tłuszczowych ma parzystą ilość atomów węgla, ilościowo jest to proces marginalny. Przeanalizujmy sobie proces odszczepiania jednej cząsteczki acetylo-CoA:

R-CH₂ -CH₂-COၾCoA Ⴎ R-CH = CH -COၾCoA przeniesienie dwóch wodorów na FAD

R-CH = CH -COၾCoA Ⴎ R-CHOH-CH₂-COၾCoA  przyłączenie cząsteczki wody

R-CHOH-CH₂-COၾCoAႮ R-CO - CH₂-COၾCoA przeniesienie dwóch wodorów na NAD

R-CO - CH₂-COၾCoA Ⴎ R-COၾCoA + CH₃-COၾCoA

odłączenie acetylo-CoA, przyłączenie wolnego CoA do reszty łańcucha węglowego R.

 

W jednym etapie odłączania acetylo-CoA uzyskujemy więc 1 FADH₂ oraz 1 NADH₂. Ponieważ utlenienie FADH₂ daje 2 cząsteczki ATP, a NADH₂ - 3 ATP, utlenienie tego wodoru daje łącznie 5 cząsteczek ATP.

Przeprowadźmy teraz obliczenia bilansu energetycznego spalania 1 cząsteczki kwasu palmitynowego, podstawowego - 16-węglowego kwasu tłuszczowego. Zostaje wykonanych 7 cięć, w wyniku których powstaje 8 cząsteczek acetylo-CoA. Każde cięcie dostarcza 5 ATP, a każdy acetylo-CoA daje w cyklu Krebsa 12 ATP. Odjąć trzeba jeszcze 2 cząsteczki zużyte na pierwszą reakcję aktywacji kwasu tłuszczowego. Ostateczny bilans więc to 7თ5 + 8თ12 - 2 = 129 cząsteczek ATP. W przeliczeniu na gramy, ze 100g kwasu palmitynowego można uzyskać 50.4 mole ATP. Jest to wartość ok. 2.5x większa niż dla glukozy.

 

W przypadku nienasyconych kwasów tłuszczowych istnieją specjalne mechanizmy, które umożliwiają ominięcie podwójnego wiązania w trakcie cięcia na acetylo-CoA. Aby nie wdawać się w nadmierne szczegóły, wystarczy powiedzieć, że każde podwójne wiązanie w cząsteczce kwasu tłuszczowego to 3 cząsteczki ATP mniej w łącznym bilansie. Wiązania podwójne nie obniżają więc znacząco kaloryczności tłuszczów, powodują jednak konieczność produkcji dodatkowych enzymów w mitochondrium zmniejszając wydajność jego pracy jako całości. Dodatkowo, a właściwie to przede wszystkim, wiązania podwójne istniejące w cząsteczce bardzo łatwo reagują z różnymi wolnymi rodnikami powstającymi w komórce, w wyniku czego powstają różne związki toksyczne. Usuwanie tych toksyn wiąże się dla komórki ze znacznym wysiłkiem energetycznym.

 

Synteza kwasów tłuszczowych

 

Synteza kwasów tłuszczowych nie jest prostym odwróceniem reakcji spalania, lecz odrębnym procesem biochemicznym o niezależnych mechanizmach regulacji. Spalanie zachodzi w mitochondrium, synteza natomiast ma miejsce w cytoplazmie komórki. W wyniku spalania kwasów tłuszczowych wodór zostaje przeniesiony na NAD i FAD. Do syntezy natomiast, jako dawca wodoru służy NADPH₂. W obu wypadkach jako szkielet węglowy używany jest acetylo-CoA. Prześledźmy sobie teraz nieco dokładniej sposób syntezy kwasu tłuszczowego.

Dwa podstawowe związki używane do syntezy to acetylo-CoA oraz NADPH₂. Źródłem acetylo-CoA mogą być zarówno białka, tłuszcze, jak i węglowodany. W celu wykorzystania do syntezy musi opuścić mitochondrium. Nie opuszcza on jednak bezpośrednio mitochondrium. Zachodzi najpierw jego połączenie ze szczawiooctanem w cytrynian i dopiero cytrynian opuszcza mitochondrium. W cytoplazmie następuje z powrotem rozłożenie cytrynianu do acetylo-CoA i szczawiooctanu. Reakcja ta jednak tutaj wymaga energii 1 cząsteczki ATP. Szczawiooctan przekształca się w jabłczan i wchodzi z powrotem do mitochondrium.NADPH₂ natomiast powstaje w cyklu pentozowym spalania glukozy. Jego źródłem, oprócz cukru, może być również większość aminokwasów. Wydłużanie łańcucha następuje fragmentami dwuwęglowymi. Cząsteczka acetylo-CoA jest przyłączana do już istniejącego łańcucha, a następnie tlen z grupy ketonowej jest zamieniany na wodór. Synteza kwasu tłuszczowego jest o tyle ciekawa, że wszystkie reakcje z wyjątkiem oznaczonej poniżej numerem „2” - przyłączania CO₂ - są wykonywane przez jedną wielką cząsteczkę enzymatyczną, która składa się w wielu podjednostek, z których każda wykonuje jedną reakcję. Takie „zlepienie” się wszystkich enzymów jednego szlaku metabolicznego powoduje bardzo znaczną poprawę wydajności całego procesu, gdyż cząsteczki nie muszą się szukać w cytoplazmie. Poszczególne związki pośrednie są przenoszone z jednej podjednostki na następną zupełnie jak na dobrze zorganizowanej taśmie produkcyjnej. Co więcej taśma ta jest zamknięta w kółko, czyli kwas tłuszczowy po wydłużeniu o dwa węgle trafia w ten sam punkt przestrzeni, z którego wystartował[i].

 

Prześledźmy kolejne reakcje wydłużania cząsteczki kwasu tłuszczowego:

1. Na początku do enzymu przyłącza się pierwsza cząsteczka acetylo-CoA będąca zarodkiem syntetyzowanego kwasu tłuszczowego.

CH₃-COၾCoA + enzym Ⴎ CH₃-COၾenzym + CoA

 

2. Wszystkie następne cząsteczki acetylo-CoA są najpierw aktywowane przez przyłączenie cząsteczki CO₂. Reakcja nie wymaga energii:

CH₃-COၾCoA + CO₂  Ⴎ  COOH-CH₂-COၾCoA (malonylo-CoA)

 

3. Grupa malonylowa jest również przyłączana do enzymu w sąsiedztwie acetylowej (acylowej):

CH₃-COၾenzym + COOH-CH₂-COၾCoA Ⴎ CH₃-COၾenzymၾCO-CH₂-COOH + CoA

4. Grupa acetylowa (acylowa) jest przenoszona na malonylową, odłącza się z powrotem cząsteczka CO₂:

CH₃-COၾenzymၾCO-CH₂-COOH Ⴎ enzymၾCO-CH₂-CO-CH₃ + CO₂

5. Pierwsze uwodornienie cząsteczki:

enzymၾCO-CH₂-CO-CH₃ + NADPH₂ Ⴎ enzymၾCO-CH₂-CHOH-CH₃

6. Odłączenie cząsteczki wody:

enzymၾCO-CH₂-CHOH-CH₃ Ⴎ enzym ၾCO-CH=CH-CH₃ + H₂O

7. Drugie uwodornienie cząsteczki:

enzymၾCO-CH=CH-CH₃ + NADPH₂ Ⴎ enzymၾCO-CH₂-CH₂-CH₃ (acylo-enzym)

 

8a. Przeniesienie grupy acylowej „na lewo”. Kontynuacja reakcji od punktu 3.

enzymၾCO- CH₂-CH₂-CH₃ Ⴎ CH₃-CH₂-CH₂-COၾenzym

8b. Jeśli kwas tłuszczowy jest już wystarczająco długi, następuje jego odłączenie od enzymu:

enzymၾCO-C_nH_2n+1 + H₂O Ⴎ enzym + C_nH_2n+1-COOH

 

Porównajmy teraz krótko syntezę i rozkład kwasów tłuszczowych z energetycznego punktu widzenia. NADH₂ oraz NADPH₂ są sobie energetycznie prawie równoważne. W mitochondriach istnieje enzym, który przenosi wodór pomiędzy tymi związkami bez żadnego nakładu energii. Oba odpowiadają więc w przybliżeniu energii zawartej w 3 cząsteczkach ATP. Przypomnijmy sobie, że w cyklu pentozowym rozpad cząsteczki glukozy wytwarza 12 NADPH₂, co odpowiada 36-ciu cząsteczkom ATP. Całkowite spalenie glukozy daje natomiast 38 ATP. Jak widać są to wartości prawie jednakowe. W trakcie cięcia kwasu tłuszczowego na acetylo-CoA powstaje NADH₂ oraz FADH₂ co odpowiada 5 cząsteczkom ATP. Do wbudowania acetylo-CoA w trakcie syntezy potrzebne są natomiast 2 cząsteczki NADPH₂, co odpowiada 6 cząsteczkom ATP. Dodatkowo przetransportowanie każdej cząsteczki acetylo-CoA na zewnątrz mitochondrium wymaga 1 cząsteczki ATP. Ponieważ cięć lub wbudowań jest w przypadku palnmitynianu 7, a cząsteczek acetylo-CoA 8, różnica między syntezą a rozkładem cząsteczki kwasu tłuszczowego to tylko 15 cząsteczek ATP. Zważywszy, że ze spalenia uzyskuje się aż 129 ATP, stanowi to tylko ok. 12% jego wartości energetycznej[ii].

Porównajmy teraz jeszcze ile ATP uzyskamy spalając glukozę w szlaku glikolizy i cyklu Krebsa, a ile, jeśli najpierw zsyntetyzujemy z niej palmitynian, a następnie go spalimy.

Do syntezy 1 cząsteczki palmitynianu potrzeba 8 cząsteczek acetylo-CoA i 14 cząsteczek NADPH₂. Aby tę ilość uzyskać, trzeba rozłożyć w szlaku glikolizy 4 cząsteczki glukozy oraz w cyklu pentozowym 7/6 cząsteczki:

a) 4 C₆H₁₂O₆ Ⴎ 8 CO₂ + 8 CH₃-COၾCoA + 56 ATP (glikoliza)

b)
C₆H₁₂O₆ + 7 H₂0 Ⴎ 7 CO₂ + 14 NADPH₂ (cykl pentozowy)

c) 8 CH₃-COၾCoA + 8 szczawiooctan Ⴎ 8 cytrynian (opuszcza mitochondrium)

d) 8 cytrynian + 8 ATP Ⴎ 8 szczawiooctan (wraca do mitoch.) + 8 CH₃-COၾCoA

e) 8 CH₃-COၾCoA + 14 NADPH₂ Ⴎ C₁₅H₃₁COOH + 6 H₂O + 8 CoA

Reasumując powyższe reakcje oraz pomijając wodę i CO₂:

 
C₆H₁₂O₆ Ⴎ C₁₅H₃₁COOH + 48 ATP

Spalenie palmitynianu, jak już wcześniej wyliczyliśmy, daje 129 cząsteczek ATP. Łącznie więc zamiana
cząsteczki glukozy na palmitynian, a następnie spalenie go, daje 129+48 =177 cząsteczek ATP. Jeśli natomiast spalimy
cząsteczki glukozy bezpośrednio w szlaku glikolizy i cyklu Krebsa, uzyskamy
თ 38 =
cząsteczki ATP. Dodatkowo uwzględnić jeszcze trzeba dwie niwelujące się poprawki: Pierwsza to
cząsteczki ATP zużytej na aktywację glukozy do cyklu pentozowego. Druga związana jest z reakcją nr 3 glikolizy (wykład 2). Dla kierunku zachodzącego w glikolizie zużywane jest ATP (4x), natomiast dla kierunku przeciwnego występującego w cyklu pentozowym - nie. Ponieważ w cyklu pentozowym reakcja ta zachodzi tutaj
x, dominować będzie kierunek glikolizy. Łącznie jednak nie zajdzie ona 4x, lecz
x. Zysk więc to
cząsteczki ATP.

Reasumując: Szlak glukoza Ⴎ palmitynian Ⴎ spalanie daje 177 -
+
= 177 ATP, natomiast spalenie bezpośrednie daje
ATP. Różnica
cząsteczek ATP jest tak niewielka, że można to potraktować jako majstersztyk ewolucji. Zamiana węglowodanów na tłuszcz pozwala, jak widzimy, zmagazynować 90% zawartej w węglowodanach energii.

 Rozpatrywany przypadek to oczywiście pewien szczególny przypadek metaboliczny, gdyż acetylo-CoA może być pozyskany nie z cukru, lecz z aminokwasów lub tłuszczu. Wtedy cały spożywany cukier może się spalać w cyklu pentozowym. Przy udziale
cząsteczki cukru powstanie wtedy 1 cząsteczka palmitynianu. Przeliczając na gramy: 100g węglowodanów może dać wtedy 122g palmitynianu.

Do usłyszenia na kolejnym wykładzie dotyczącym spalania aminokwasów.

 

Spalanie aminokwasów

  Witam ponownie wszystkich zainteresowanych wykładami „Biochemii w pigułce”. Na dzisiejszym wykładzie przeanalizujemy sobie losy zjadanego białka, czyli - po rozłożeniu na czynniki pierwsze - aminokwasów.

Jak już pisałem na pierwszym wykładzie, 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 - ...

 

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: ၡ-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 oraz dalsze losy tegoż azotu prowadzące ostatecznie do zsytetyzowania mocznika[i] i wydalenia go z moczem. Mechanizmów usuwania grupy aminowej jest kilka, jednak zawsze jako produkt tej reakcji powstaje odpowiedni ketokwas. Grupa aminowa -NH₂ jest więc zamieniana na tlen =O:

R - CH(NH₂) - COOH Ⴎ R - CO - COOH

Szczegóły tych przemian oraz synteza mocznika zostaną omówione na jednym z przyszłych wykładów. Dziś zajmiemy się jedynie losami pozostałych szkieletów węglowych, gdyż one stanowią o wartości energetycznej aminokwasów. Jednak zanim to zrobimy, obejrzyjmy 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 Krebsa[ii]. 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 związków cyklu Krebsa są dobrym dawcą NADPH₂ do syntezy kwasów tłuszczowych, łatwo też mogą zamieniać się na glukozę. Los aminokwasów przekształcających się do pirogronianu zależy natomiast od tego, czy pirogronian zostanie w mitochondrium przekształcony do acetylo-CoA, czy też do szczawiooctanu. Ponieważ w warunkach dostatku energii i pożywienia pierwsza z tych reakcji jest silnie hamowana a druga pobudzana, można powiedzieć, że prawie w całości zamieniają się one wtedy na szczawiooctan - metabolit cyklu Krebsa. W warunkach braku energii - zamieniają się one na acetylo-CoA i ulegają spaleniu.

  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.

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 na wykładzie 2, 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 tabela[iii].  

	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 minimalna ilość białka jest jednak niezbędna i nic go nie zastąpi.

 

Na jakie szczegóły dotyczące spalania aminokwasów chciałbym 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[iv] (np. cytrynian za ၡ-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 Ⴎ

B. specyficzne metabolity pośrednie danego aminokwasuႮ

C. cząsteczka cyklu Krebsa Ⴎ

D. kolejne reakcje cyklu Krebsa aż do jabłczanu Ⴎ

E. wyjście jabłczanu na zewnątrz mitochondrium Ⴎ

F1 - przekształcenie jabłczanu w pirogronian z wytworzeniem NADPH₂ Ⴎ

G1 - wniknięcie pirogronianu do mitochondium Ⴎ

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

b) zamiana pirogronianu na acetylo-CoA i spalenie.

F2 - przekształcenie jabłczanu poprzez szczawiooctan do fosfoenolopirogronianu Ⴎ

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.

Zauważmy też jeszcze jeden istotny szczegół. Reakcja jabłczan Ⴎ pirogronian zachodząca w cytoplazmie generuje NADPH₂, który jest następnie wykorzystywany do syntezy kwasów tłuszczowych. Oznacza to, każda cząsteczka aminokwasu glukogennego daje jedną cząsteczkę NADPH₂ wykorzystywaną do syntez kwasów tłuszczowych lub cholesterolu. Reakcja jabłczan Ⴎ pirogronian może, co prawda, zajść również ścieżką: jabłczanႮszczawiooctanႮfosfoenolopirogronianႮpirogronian, 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 Ⴎ 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 Ⴎ szczawiooctan Ⴎ jabłczan Ⴎ transport jabłczanu na zewnątrz Ⴎ 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: pirogronianႮszczawiooctan. 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, które w całości omówione zostaną w przyszłości.

Na koniec dokonajmy jeszcze pewnych podsumowań. Ze 100g białka, zakładając, że proporcje pomiędzy poszczególnymi aminokwasami są takie, jak to przedstawiono w tabeli, 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 21.1 mola ATP.

Zakładając maksymalną sprawność zamiany białka na glukozę. Ze 100g białka uzyskać można 69g glukozy. 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 więc przyjąć równoważność energetyczną białek i węglowodanów. Z punktu widzenia minimalnego zapotrzebowania organizmu można też powiedzieć, że istotna jest tak na prawdę suma białek i węglowodanów, którą determinuje szybkość 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. Do tego tematu wrócimy jeszcze na chwilę po omówieniu mechanizmów regulacyjnych warunkujących aktywności różnych enzymów w komórce.

Do usłyszenia na kolejnym wykładzie, na którym omówiona zostanie rola enzymów oraz wyjaśnione zostaną mechanizmy regulujące aktywność różnych szlaków metabolicznych.

   

Enzymy

 Witam serdecznie na piątym już wykładzie z serii `Biochemia w pigułce'. Po nieco ciężkawym poprzednim wykładzie, na którym dokonane zostało podsumowanie spalania białek, dziś nie będziemy chwilowo mówić o reakcjach chemicznych, ale o mechanizmach, które regulują szybkość poszczególnych reakcji w organizmie, jak również szybkość całych szlaków metabolicznych. Omówienie tych zagadnień na obecnym etapie wydaje się być konieczne dla właściwego zrozumienia biochemii. Poza tym, umożliwi mi w przyszłych wykładach omawianie mechanizmów regulacyjnych na bieżąco w trakcie przedstawiania określonych szlaków metabolicznych.

Zdecydowana większość reakcji chemicznych zachodzi w organizmie dzięki obecności w komórkach odpowiednich enzymów. Jedynie bardzo nieliczne reakcje zachodzą samoczynnie. Enzymy są to cząsteczki białkowe, które znacznie przyspieszają zachodzenie poszczególnych reakcji. Są więc organicznymi katalizatorami[i] - mówimy, że enzymy katalizują określone reakcje chemiczne. Enzym to z reguły cząsteczka białkowa zbudowana z kilkuset do kilku tysięcy aminokwasów, które układają się w ściśle określoną strukturę przestrzenną. Na powierzchni takiej cząsteczki wyróżnić można z reguły mały fragment, który przyłącza substraty[ii] reakcji i umożliwia zajście reakcji. Nazywamy go centrum aktywnym enzymu. Fragment ten to najczęściej kilka aminokwasów z całej cząsteczki, które leżą względem siebie w ściśle określonej konfiguracji przestrzennej. Nawet minimalne zaburzenie budowy centrum aktywnego może zaowocować brakiem aktywności enzymatycznej. Enzymy katalizujące określoną reakcję wyizolowane od różnych gatunków zwierząt cechują się z reguły różnicami aminokwasów w pozostałej części cząsteczki enzymu, jednak centrum aktywne u wszystkich tych gatunków pozostaje identyczne. Świadczy to o wspólnym genetycznym pochodzeniu tych enzymów. W centrum aktywnym często istotną rolę odgrywa pojedynczy atom metalu ( np. żelaza, miedzi, cynku) lub któraś z witamin. Taka nietypowa cząstka chemiczna w centrum aktywnym wytwarza bardzo specyficzny rozkład mikropól elektrycznych i magnetycznych, który lokalnie obniża próg energetyczny danej reakcji. Ogólnie - niebiałkową część enzymu uczestniczącą w katalizowaniu reakcji nazywamy koenzymem, a część białkową - apoenzymem.

 

Energia wewnętrzna

 

Energia wewnętrzna to pojęcie z zakresu termodynamiki. Mówi ona, jaka ilość energii zawarta jest w określonej cząsteczce chemicznej. Energia generalnie to jest coś takiego, co w przyrodzie nie ma prawa zniknąć. Co najwyżej jedna postać energii może się zamienić w inną. W przypadku reakcji chemicznych, energia wewnętrzna zawarta w substratach reakcji jest z reguły większa niż energia wewnętrzna produktów. Różnica tych energii uwalniana jest do otoczenia i najczęściej rozpraszana w postaci ciepła. Reakcja może jednak zachodzić również w przeciwną stronę, produkty mają wtedy większą ilość energii wewnętrznej niż substraty, a brakująca ilość energii musi zostać pobrana z otoczenia. Każda reakcja chemiczna może więc zachodzić teoretycznie w obie strony. W praktyce jednak stwierdzenie to dotyczy jedynie sytuacji, gdy różnica energii między substratami i produktami reakcji jest niewielka. Jeśli różnica ta jest duża - reakcja praktycznie zachodzi tylko w jedną stronę - w stronę zmniejszania się energii wewnętrznej w cząsteczkach i wydzielania się zawartej w substratach energii do otoczenia.

  Entalpia

 

Entalpia to pojęcie ideowo prawie identyczne z energią wewnętrzną. Różnica polega jedynie na tym, w jakich warunkach zachodzi reakcja. O różnicy energii wewnętrznych mówimy wtedy, gdy reakcja zachodzi w warunkach stałej objętości układu. O różnicy entalpii - gdy reakcja zachodzi w warunkach stałego ciśnienia. W przypadku cieczy i ciał stałych różnica między energią wewnętrzną i entalpią jest minimalna i praktycznie pomijalna. Istotna różnica pojawia się jedynie w przypadku gazów. Organizm ludzki gazem jednak nie jest. Formalnie jednak poprawniej jest używać pojęcia entalpii a nie energii wewnętrznej.

  Stała reakcji K_eq

 

Każda reakcja chemiczna, również taka, która zachodzi w ludzkim organizmie, cechuje się tzw. stałą reakcji K_eq. Jeśli A i B to substraty reakcji a C i D to jej produkty, to formalnie stałą reakcji możemy zdefiniować jako:

gdzie [A], [B], [C] i [D] oznaczają odpowiednio stężenia poszczególnych substratów i produktów w stanie równowagi. Stan równowagi pojawia się wtedy, gdy reakcja zachodzi w obie strony z jednakową szybkością.

Łatwo sobie wyobrazić, że jeśli reakcja zachodzi z wydzieleniem się ciepła do otoczenia, czyli zmniejszaniem się entalpii, równowaga ustali się na poziomie ilościowej przewagi produktów (C,D) nad substratami (A,B). Stała reakcji wynosi w takim układzie więcej niż 1. Jeśli natomiast reakcja wymaga dostarczenia energii z otoczenia, równowaga ustala się na poziomie ilościowej przewagi substratów nad produktami. K_eq wynosi wtedy mniej niż 1. Jeśli w czasie reakcji entalpia się nie zmienia, równowaga ustali się przy równych ilościach substratów i produktów, a stała reakcji wynosi wtedy 1.

Dla bardziej zaawansowanych przedstawiam formalną zależność między stałą reakcji a różnicą entalpii produktów i substratów:

၄G = -RT ln K_eq

gdzie: ၄G to różnica entalpii, R to stała gazowa równa 8.31 J/molთK, a T to temperatura.

  Trzeba wyraźnie powiedzieć, że enzymy nie zmieniają warunków równowagi danej reakcji chemicznej. K_eq pozostaje stałe niezależnie od obecności enzymów. Enzymy jedynie znacznie przyspieszają osiągnięcie stężeń równowagi chemicznej. Jeśli jednak produkty jakiejś reakcji są systematycznie usuwane z komórki (np. wchodzą w następną reakcję szlaku), równowaga może nie być osiągana nigdy. Enzymy sprawiają wtedy, że reakcja zachodzi ze znacznie większą prędkością niż bez nich.

 

Reakcje jedno- i dwukierunkowe

 

Większość reakcji chemicznych zachodzących w ludzkim organizmie cechuje się bardzo niewielką zmianą entalpii, co sprawia, że może ona zachodzić w obie strony w zależności od tego, czy chwilowo więcej jest substratów, czy produktów reakcji. (Ściślej: czy iloczyn stężeń produktów do iloczynu stężeń substratów jest większy czy też mniejszy od stałej K_eq, która jest bliska 1). W takim przypadku pojęcia substrat i produkt są właściwie umowne, gdyż, jeśli reakcja zaczyna zachodzić w stronę przeciwną formalnie substrat staje produktem a produkt substratem. W większości przypadków jednak reakcje takie zachodzą w organizmie zawsze w określoną stronę i ten kierunek umownie przyjmuje się w zapisie i przy określaniu, co jest substratem a co produktem. Są jednak reakcje, które zachodzą w organizmie w obie strony w zależności od tego, jaki jest stan metaboliczny organizmu. Przykładem będzie tu większość reakcji glikolizy (p. wykład 2), które mogą zachodzić w kierunku spalania glukozy, jeśli organizm potrzebuje energii i nie może pozyskać jej z innych źródeł. Mogą też zachodzić w kierunku syntezy glukozy (tzw. glikoneogeneza, czyli zamiana białek na cukier oraz zamknięcie cyklu pentozowego), jeśli organizm pozyskuje wystarczająco dużo energii z tłuszczu. Również dużą wymiennością kierunku cechują się reakcje przenoszenia grupy aminowej między aminokwasami i ketokwasami.

Niektóre jednak reakcje cechują się dość dużą utratą entalpii i dlatego w praktyce zachodzą tylko w jedną stronę. Reakcje w drugą stronę nie zachodzą, gdyż musiałaby istnieć bardzo duża różnica stężeń, praktycznie niemożliwa do wytworzenia wewnątrz komórki. Reakcje te, skoro wydziela się tam więcej ciepła, zachodzą dużo łatwiej niż pozostałe. Organizm często musi się wręcz bronić, by nie zachodziły one zbyt szybko. Są to najczęściej kluczowe węzły regulacyjne dla szlaków metabolicznych. Jeśli wymagane jest, by określona reakcja mogła zachodzić w organizmie w obie strony, z reguły istnieją wtedy dwa różne enzymy katalizujące reakcje w przeciwnych kierunkach. W jedną stronę reakcja przebiega wtedy samorzutnie. Dla kierunku przeciwnego brakująca energia jest pobierana ze związku wysokoenergetycznego, najczęściej z ATP. Różne złożone mechanizmy regulują wtedy ilość oraz aktywność enzymów katalizujących te reakcje, by dostosować szybkość zachodzenia danej reakcji do potrzeb organizmu. Nawet niewielkie różnice w funkcjonowaniu tych mechanizmów regulacyjnych u różnych ludzi mogą owocować dużymi różnicami w intensywności zachodzenia poszczególnych szlaków. Optymalna proporcja BTW może być więc dla poszczególnych ludzi całkiem odmienna. Największe różnice widać w praktyce na poziomie zapotrzebowania różnych osób na węglowodany.

 

Ilość i aktywność enzymu a szybkość reakcji

 

Każdy cząsteczka enzymu ma jakąś maksymalną szybkość pracy, czyli ilość reakcji chemicznych, jakie może przekatalizować w czasie jednej sekundy. Ograniczeniem są tu czasy potrzebne na subtelną zmianę ustawienia przestrzennego cząsteczek enzymu w trakcie przyłączania substratów, a następnie odłączania produktów. W przypadku enzymów nie podlegających mechanizmom regulacji owa maksymalna szybkość pracy jest w zasadzie stała. W przypadku enzymów podlegających regulacji - szybkość pracy enzymu (czyli jego aktywność) może się ona zmieniać. Aktywność enzymu może być hamowana lub pobudzana przez różne czynniki. Najczęściej są to różne związki chemiczne występujące w komórce.

Aktywność węzłowego enzymu często decyduje o szybkości określonego szlaku metabolicznego, dlatego pojęcia: aktywność enzymu i aktywność szlaku są do pewnego stopnia wymienne. Podstawowym mechanizmem regulacji szybkości szlaku, bardzo często spotykanym, jest hamowanie początkowej reakcji szlaku przez produkt końcowy:

W powyższym przykładzie produkt końcowy szlaku E hamuje początkowy etap jego syntezy A Ⴎ B. Taki mechanizm zapobiega nadmiernej produkcji jakiegoś związku, z którym następnie nie byłoby co zrobić. Zapewnia również, że przy braku związku końcowego jego synteza zostanie odblokowana.

Wpływ hamujący (pobudzający) związków chemicznych na enzym może być dwojaki. Mogą one zmieniać ilość cząsteczek enzymu w komórce oraz zmieniać aktywność cząsteczek enzymu już istniejącego.

W pierwszym przypadku - zmiana ilości cząsteczek enzymu zachodzi najczęściej poprzez zahamowanie (pobudzenie) jego syntezy. Procesy syntezy i rozkładu enzymu są nieco rozłożone w czasie, stąd efekty tego typu regulacji nie są natychmiastowe.

W drugim przypadku - zmiana aktywności enzymu zachodzi najczęściej w ten sposób, że związek końcowy szlaku przyłącza się do cząsteczki enzymu zmieniając nieco jej kształt, w tym również kształt centrum aktywnego. Powoduje to zmianę aktywności danego enzymu, najczęściej zmniejszenie tej aktywności. Tego typu efekt jest w zasadzie natychmiastowy.

Sieć różnych mechanizmów pobudzania i hamowania różnych reakcji w organizmie jest bardzo złożona. Poszczególne szlaki metaboliczne są regulowane przez szereg różnych związków chemicznych, hormonów oraz przez układ nerwowy. W przyszłych wykładach powrócimy do najbardziej nas interesujących szlaków: glikolizy, glikoneogenezy, syntezy i spalania tłuszczów, by w bardziej szczegółowy sposób omówić, od czego zależy intensywność tych szlaków w komórce. Do usłyszenia na kolejnym wykładzie.

 

 

CHOLESTEROL

Wstęp    Chylomikrony    VLDL    LDL     HDL    WKT    Skład-Tabela

 Tematem dzisiejszego wykładu będzie ponownie cholesterol. Jest to związek chemiczny, o którym można pisać po wielokroć. Powiem więcej: trzeba pisać po wielokroć. Doszedłem do takiego wniosku przysłuchując się dyskusji prowadzonej ostatnio przez wieloletnich, zaangażowanych Optymalnych, którzy pomimo, że wielokrotnie już słyszeli ode mnie, co myślę, ciągle badają sobie cholesterol i zastanawiają się, czy przypadkiem to nie on jest sprawcą jakichś drobnych dolegliwości, które u kogoś się pojawiły. Powtórzyłem im po raz kolejny, że nie należy martwić się cholesterolem, ale chyba znowu ich nie przekonałem. Zaprawdę nie wiem już, jakich słów mam w tym celu używać!

W dzisiejszym artykule omówione będą poszczególne frakcje cholesterolu we krwi oraz niektóre uwarunkowania związane z jego transportem.

 Tłuszcze są związkami nierozpuszczalnymi w wodzie. Dlatego też w celu przenoszenia tych związków przez krew wykształciły się specjalne, skomplikowane mechanizmy transportowe. Złożoność tego układu bardzo utrudnia jego pełne zrozumienie. Spróbuję przybliżyć Państwu podstawowe informacje na ten temat.

 Najważniejsze związki tłuszczowe, które są transportowane przez krew to trójglicerydy, fosfolipidy, cholesterol oraz wolne kwasy tłuszczowe. Związki te nie są rozpuszczalne w wodzie, dlatego transportowane są w postaci maluteńkich kropelek tłuszczu, w połączeniu ze specjalnymi białkami transportującymi. Białka te nazywamy apolipoproteinami.

W zależności od rodzaju białka transportującego i składu zawartych tłuszczów wyróżniamy kilka rodzajów krążących po krwi tłuszczowych kuleczek zwanych naukowo frakcjami lipidowymi. Niektóre z nich to nasi „starzy przyjaciele” :VLDL, LDL i HDL. Jednak dla pełnego opisu wymienić trzeba jeszcze: chylomikrony, IDL i remnanty chylomikronów.

Oznaczanie cholesterolu zawartego w tej czy innej frakcji w sposób przybliżony mówi nam o zawartości całej frakcji lipidowej. Przykładowo, cholesterol stanowi ok. połowę masy cząstki LDL. Jeśli oznaczony cholesterol LDL wynosi 200mg% to ilość całej frakcji LDL wynosi ok. 400mg%.

 Chciałbym dzisiaj opowiedzieć Państwu parę słów na temat związku chemicznego, wokół którego narosło w ostatnich 30-tu latach bardzo dużo mitów, legend, wierzeń i przesądów, mianowicie o cholesterolu.

Cholesterol - związek, którym straszy się miliardy ludzi na całym świecie. Obarcza się go winą za bardzo wiele chorób, które nękają nasz świat. Niewiele brakuje, by obarczyć go odpowiedzialnością „za stonkę, gradobicie i koklusz”. Co jest prawdą? Spróbujmy odpowiedzieć na to pytanie.

 

Spójrzmy najpierw na jego wzór chemiczny:

Widzimy, że jest to dość złożony w swojej budowie związek. Zawiera 4 połączone pierścienie węglowe z dołączonym rozgałęzionym łańcuchem węglowym, jedno wiązanie podwójne i jedną grupę -OH, która nadaje mu chemiczną przynależność alkoholi. Stąd też końcówka w nazwie -ol. Sumaryczny wzór tej cząsteczki to C₂₇H₄₅OH. Jakie obserwacje można jeszcze poczynić patrząc na nią? Pierścienie nadają tej cząsteczce nieco sztywny charakter. Oprócz jednego tlenu brak jest innych atomów czy grup chemicznych, co nadaje jej właściwości fizyczne zbliżone do węglowodorów i tłuszczów. Cząsteczka dobrze rozpuszcza się w tłuszczach, nie rozpuszcza się natomiast w wodzie. Stosunek ilości węgla do wodoru wynosi 1:1.7. Oznacza to, że wodoru jest w niej mniej niż w kwasach tłuszczowych i wielu innych związkach organicznych, gdzie wynosi on ok. 1:2. Doktor Jan Kwaśniewski mówi o cholesterolu „śmietnik węglowy”. Widzimy, że jest to prawda. Cząsteczka zawiera relatywnie więcej węgla niż pozostałe związki chemiczne w naszym organizmie. Nie jest to może duża różnica, ale wystarczająco istotna, by przesuwać równowagę ciągów reakcji chemicznych w kierunku jego syntezy, jeśli spożywamy nadmiar węgla w stosunku do wodoru (czyli węglowodany).

Synteza tego związku w naszym organizmie jest dość złożonym procesem i nie będę jej tu w całości przytaczał, podzielę ją na kilka etapów:

I. 3 CH₃-CO-CoA + H₂O Ⴎ C₆H₉O₄-CoA (HMG-CoA) + 2 CoA

3 cząsteczki acetylo-CoA, czyli tzw. aktywnego octanu, łączą się w tzw. HMG-CoA

II. HMG-CoA + 2 NADPH₂ Ⴎ C₆H₁₂O₄ (mewalonian) + 2 NADP + CoA

Na tę reakcję chciałbym zwrócić uwagę, gdyż jest to ważny punkt regulacyjny szybkości szlaku syntezy cholesterolu. Aktywność enzymu katalizującego tę reakcję, zwanego reduktazą HMG-CoA decyduje w głównej mierze o szybkości całego szlaku syntezy. Enzym ten jest hamowany przez cholesterol - produkt końcowy szlaku, przez mewalonian - produkt bezpośredni reakcji, przez kwasy żółciowe - powstające z cholesterolu, no i wreszcie przez tzw. statyny, czyli leki hamujące syntezę cholesterolu. Również głodzenie zmniejsza aktywność tego enzymu. Aktywność enzymu wzrasta natomiast pod wpływem insuliny, której ilość jest bezpośrednio zależna od ilości zjedzonych węglowodanów i w mniejszym stopniu - białek.

III. C₆H₁₂O₄ + 3 ATP Ⴎ C₅H₉O-PP + 3 ADP + P + CO₂

Powstający pirofosforan dimetyloallilu ma możliwość przy pomocy osobnego szlaku metabolicznego przekształcić się z powrotem do HMG-CoA. W wątrobie, w stanie sytości jest to zaledwie 5% jego ilości. W stanie głodu nawet 33%. W warunkach niedożywienia synteza cholesterolu jest więc przyhamowywana.

IV. 6 C₅H₉O-PP + NADPH₂ Ⴎ C₃₀H₅₀ (skwalen) + 6 PP + NADP

6 cząsteczek kondensuje do stosunkowo prostego węglowodoru nienasyconego - skwalenu

V. C₃₀H₅₀ + 6 O₂ + 5 NADPH₂ + 2 NAD Ⴎ C₂₇H₄₅OH (cholesterol) + 3 CO₂ + 5 NADP + 5 H₂O + 2 NADH₂

Następuje tutaj kondensacja skwalenu w układ pierścieni. Utlenienie 3 węgli. Ilość potrzebnego tlenu, NADPH₂ oraz powstającego NADH₂ nie jest pewna, gdyż reakcje te zostały przedstawione w Biochemii Harpera w sposób dość ogólny. Dokładny przebieg tych reakcji nie jest prawdopodobnie na razie do końca znany.

 

Sumaryczny uproszczony zapis wszystkich tych reakcji można przedstawić następująco:[i]

18 CH₃-CO-CoA (acetylo-CoA) + 18 NADPH₂ + 18 ATP + 6 O₂ + 2NAD + H₂O

Ⴎ 1 cholesterol + 9 CO₂ + 18 NADP + 18ADP + 18 CoA + 6 P + 6 PP + 2 NADH₂

 

Jakie wnioski płyną z tych reakcji? Przede wszystkim taki, że do syntezy cholesterolu używane są te same związki chemiczne, co do syntezy kwasów tłuszczowych: acetylo-CoA jako dawca węgla oraz NADPH₂ jako dawca wodoru.

Przypomnę, że acetylo-CoA to związek pośredni spalania zarówno białek, tłuszczów, jak i węglowodanów. Jego ilość w komórce zależy przede wszystkim od stanu odżywienia. Aby spalić tę cząsteczkę potrzeba 2 cząsteczki O₂, po jednej na każdy atom węgla. Aby spalić 18 cząsteczek acetylo-CoA potrzeba by więc aż 36 cząsteczek O₂.

NADPH₂ natomiast powstaje przede wszystkim w cyklu pentozowym spalania glukozy. W warunkach ograniczonej podaży węglowodanów (i białek, które mogą się zamieniać w węglowodany) związek ten nie powstaje w nadmiarze. Synteza kwasów tłuszczowych oraz cholesterolu jest wówczas ograniczona.

Synteza cholesterolu wymaga obecności, jak widzimy, również niedużej ilości ATP, którego w warunkach dobrego odżywienia jest w organizmie dosyć. Wymaga też bardzo niedużej ilości tlenu, znacznie mniejszej, niż byłaby potrzebna do spalenia acetylo-CoA (6 O₂ do syntezy cholesterolu vs. 36 O₂ do spalenia). Powstające również 2 cząsteczki NADH₂ nie mają ilościowo istotnego znaczenia. Są to wodory, które trzeba tylko przenieść do mitochondrium, by mogły zostać spalone.

Jeśli w jakiejś komórce zostaną stworzone warunki obfitości pożywienia i niedoboru tlenu, to chętniej będzie następować synteza cholesterolu i kwasów tłuszczowych, niż spalanie pokarmów, gdyż ten proces wymaga znacznie mniejszej ilości tlenu. Również cykl pentozowy spalania glukozy będzie chętniej występował w warunkach niedotlenienia, gdyż zachodzi on bez obecności tlenu, natomiast glikoliza tego tlenu wymaga. Tzw. korytkowy sposób odżywiania, w którym zjadamy dużo tłuszczów i węglowodanów a organizm produkuje dużo insuliny, będzie sprzyjał dostarczaniu zarówno dużych ilości acetylo-CoA, NADPH₂ i insuliny, co stwarza najkorzystniejsze warunki do zachodzenia syntezy zarówno kwasów tłuszczowych jak i cholesterolu.

Jeśli takiemu sposobowi odżywiania będzie towarzyszył chroniczny brak dotleniania organizmu - choćby poprzez ruch na świeżym powietrzu, zaistnieją jeszcze bardziej sprzyjające warunki do nasilania się tego procesu.

Jednym z miejsc w organizmie, które jest stosunkowo najsłabiej ukrwione i dotlenione, jest błona wewnętrzna ściany tętnicy. Paradoksalnie, pomimo bardzo dużej ilości krwi płynącej w bardzo bliskiej odległości od tych komórek, są one ukrwione bardzo słabo. Następuje to poprzez naczynia włosowate unaczyniające ścianę tętnicy, które wnikają doń od zewnątrz. Podwyższone ciśnienie, jakie panuje w ścianie tętnicy potencjalnie może utrudniać wypełnianie się naczyń włosowatych w ścianach tętnic. Tam właśnie - w warunkach względnego niedotlenienia - najłatwiej dochodzi do przesadnej syntezy cholesterolu, który jest wtedy odkładany wewnątrz ściany w postaci złogów. Złogi te coraz bardziej zwężają światło danej tętnicy. Rozwija się miażdżyca.

A z miażdżycą to jest tak, że im bardziej jest ona nasilona, im mniej krwi przeciska się przez pozwężane naczynia, tym mniej krwi dociera następnie do błony wewnętrznej tętnicy i tym bardziej nasilają się warunki względnego niedotlenienia. W pewnym momencie koło zaczyna się napędzać - miażdżyca zaczyna postępować coraz szybciej.

Na początku miejsca z niedużymi złogami stają się troszeczkę bardziej niedokrwione niż sąsiednie fragmenty tej samej tętnicy bez złogów. Synteza cholesterolu troszkę silniej zachodzi więc tam, gdzie miażdżyca już jest. Stąd tętnice nie zarastają równomiernie cholesterolem, ale pojawiają się miejscowe zgrubienia, w których najszybciej uruchomił się proces samonapędzania się miażdżycy. Jeśli takie zwężenie jest pojedyncze - można próbować je usunąć lub ominąć operacyjnie. Jednak bez zmiany sposobu odżywiania, bez poprawy utlenienia tkanek poprzez rozszerzenie naczyń włosowatych, proces będzie postępował i w niedługim czasie w jakimś innym pobliskim miejscu blaszka miażdżycowa zacznie szybko narastać zamykając ponownie tętnicę.

Chylomikrony                                                                                                   

 

Cząstki chylomikronów powstają w jelicie. Są to największe cząstki spośród wszystkich wymienionych. Mogą osiągać rozmiar nawet 1um, czyli 1/8 rozmiaru krwinki czerwonej. Jej główna funkcja to transport paliwa czyli trójglicerydów z jelita do mięśni i nerek, serca, mózgu i innych narządów. Proces tworzenia się takiej cząstki jest dość długi, gdyż spożyty tłuszcz musi zostać najpierw rozłożony w jelicie do glicerolu i kwasów tłuszczowych, przetransportowany do komórki śródbłonka jelitowego, w nim z powrotem złożony jest trójgliceryd, cząsteczki trójglicerydu zostają załadowane do cząstki chylomikronu, ta następnie jest wydalona na zewnątrz komórki. Chylomikrony dostają się do krwi przez przewód chłonny, czyli z pominięciem wątroby. Czas życia takiej cząstki jest bardzo krótki, bo ok. 0,5-1 godziny. W tym czasie przekazuje ona paliwo do tkanek organizmu. Gdy większość zapasu trójglicerydu zostanie już przekazana do tkanek, cząstka chylomikronu zmniejsza swój rozmiar ponad 2-krotnie i nazywa się wtedy remnantem chylomikronu (remnant - pozostałość po czymś). Remnanty chylomikronów są w całości wychwytywane przez wątrobę. Pozostałe ilości trójglicerydów, fosfolipidów i cholesterolu dostają się do wnętrza komórki wątrobowej. Ich dalszy los zależy od potrzeb organizmu. Generalnie wątroba pełni nadrzędną rolę rozdzielczo-wysyłkową dla większości związków lipidowych w organizmie.

Jak pisałem, chylomikron żyje bardzo krótko. Wynika z tego, że o szybkości spalania tłuszczu decyduje nie dostarczanie tłuszczu do komórek ale szybkość tworzenia w chylomikronów w jelicie. Tłuszcz jest wchłaniany powoli i na bieżąco spalany.

 

VLDL                                                                                                               

 

Te cząstki są wytwarzane przez wątrobę. Są one bardzo podobne do chylomikronów powstających w jelicie. Przenoszą one trójglicerydy i cholesterol z wątroby do innych tkanek. Podstawowe białko tej cząstki jest bardzo podobne do białka w chylomikronach, jednak jest wystarczająco odmienne, by być rozpoznawanym przez komórki narządów jako inna cząstka. Trójglicerydy, które są przenoszone przez VLDL, pochodzą nie ze zjedzonego tłuszczu, lecz ze zjedzonych białek i węglowodanów, które wątroba przerabia na trójglicerydy. Załadowanych jest tu też trochę cholesterolu i fosfolipidów, które mają być przeniesione do tkanek.

W tym miejscu u wielu czytających to osób pewnie zadrżało serce, że czy to przypadkiem nie jest ten cholesterol, który potem jest znajdowany w blaszkach miażdżycowych?? Spokojnie. Od razu wyjaśniam, że nie. Nasze komórki potrzebują dużo cholesterolu i niewielka jego ilość musi być tam dostarczona. Wszak, po co komórki miały by za każdym razem wytwarzać go od nowa (z cukru), skoro w organizmie są jego zapasy. Jak już kiedyś pisałem, synteza cholesterolu wymaga dużo energii, więc organizm go oszczędza i gospodaruje nim z dużą rozwagą. Powolne wydalanie z organizmu (ze stolcem), jak również odkładanie go na zapas w ścianach tętnic właśnie o tym świadczą.

Wróćmy do VLDL. Po przeniesieniu paliwa czyli trójglicerydów do tkanek, VLDL zamienia się na krótko na IDL, a następnie w LDL.

 

LDL                                                                                                                   

 

Tak więc LDL jest cząstką, która powstała z VLDL. Jest ona ok. 2-3x mniejsza niż VLDL z którego powstała, gdyż jest już pozbawiona ładunku paliwa, czyli trójglicerydów. Zawiera w sobie ok.: 20% białka, 50% cholesterolu, 20% fosfolipidów, 10% trójglicerydów. Zawiera w sobie tyle cholesterolu, gdyż jego ilość nie zmniejszała się dotąd. Średni czas życia tej cząstki we krwi wynosi ok. 2 dni. W ok. 70% cząstki te są usuwane przez wątrobę, a w ok. 30% przez inne tkanki i narządy. Podział ten jest do pewnego stopnia zmienny w zależności od potrzeb organizmu.

Ktoś dociekliwy powie z pewnością w tym miejscu. “A czy przypadkiem te 30% nie jest pochłaniane przez ściany tętnic?”

Otóż nawet jeśli trochę tak, to zauważmy, że ilość powstającej w wątrobie VLDL, a więc i LDL, zależy przede wszystkim od ilości zjadanych białek i węglowodanów, które wątroba zamienia na trójglicerydy i cholesterol. Na Diecie Optymalnej ilość powstających VLDL i LDL jest więc najniższa możliwa. Aktualne stężenie tej frakcji nijak się ma (a w każdym bądź razie bardzo słabo) do “przepływu” VLDL i LDL przez krew. Jeśli mało powstaje, to mało też jest usuwane. Specjalne mechanizmy regulujące pobieranie LDL do wątroby utrzymują odpowiednie stężenie LDL we krwi, by wszystkie tkanki mogły pobrać tyle LDL (i zawartych w nim cholesterolu i fosfolipidów) ile potrzebują. Mechanizmy regulujące każdego działają nieco inaczej, więc każdy ma inne stężenie LDL w osoczu. Jednak ilość pochłanianych przez tkanki cząstek jest mała. U zaawansowanych Optymalnych, których komórki mają już wystarczająco dużo cholesterolu i fosfolipidów, nie potrzeba go dostarczać zbyt dużo.

Dla uzupełnienia powiem jeszcze jedynie, że cholesterol w ścianach tętnic powstaje na miejscu z cukru pod wpływem insuliny.

Zauważmy w tym miejscu jeszcze jedną rzecz. Tylko cholesterol z VLDL (LDL) może być pobierany przez tkanki obwodowe. Remnanty chylomikronów są W CAŁOŚCI pochłaniane przez wątrobę. Oznacza to, że cholesterol z pożywienia, którego niewielka ilość zabierana jest do chylomikronów, nie ma możliwości bezpośredniego trafienia do tkanek. Musi najpierw przejść przez wątrobę.

  

HDL                                                                                                                           

Jest to frakcja, która jest produkowana przez wątrobę i jelito. Spełnia ona dwa główne zadania.

Pierwsze to transport cholesterolu z tkanek obwodowych i innych frakcji lipidowych osocza (VLDL, chylomikrony), do wątroby. Jest to jakby taki woreczek, który po wytworzeniu i wydaleniu do krwi jest pusty, następnie krąży po organizmie i zbiera cholesterol, po napełnieniu się wyrzuca swą zawartość do komórek wątrobowych i wraca pusty do obiegu. W końcu jest usuwany w całości przez wątrobę.

Druga ważna rola tych cząstek to przechowywanie zapasu cząstek białkowych, tzw. apolipoprotein (apoA, apoC i apoE). Są to białka, które są niezbędne dla prawidłowego przekazywania do tkanek trójglicerydów, cholesterolu i fosfolipidów. Są też ważne przy usuwaniu LDL i remnantów chylomikronów przez wątrobę. Chylomikrony i VLDL wyprodukowane w jelitach i wątrobie nie posiadają na swej powierzchni wszystkich tych białek. Są one przenoszone z HDL dopiero po przedostaniu się do krwi. Białka te są przenoszone z powrotem na HDL z remnantów chylomikronów i LDL przed ich usunięciem z krwi przez wątrobę.

 

Wolne kwasy tłuszczowe                                                                                

 

Mówiąc o gospodarce tłuszczem w organizmie nie można pominąć roli wolnych kwasów tłuszczowych (WKT). Dotychczas w uproszczeniu pisałem, że trójglicerydy z chylomikronów i VLDL są transportowane do tkanek obwodowych. W rzeczywistości wygląda to tak, że na zewnętrznych powierzchniach komórek większości tkanek obwodowych znajdują się cząsteczki enzymu lipazy lipoproteinowej. Jest to białko, do którego przyłączają się cząstki chylomikronów i VLDL. W trakcie takiego przyłączenia dochodzi do rozłożenia zawartych w tych cząstkach trójglicerydów na glicerol i wolne kwasy tłuszczowe. Glicerol dostaje się do krwi, wnika do komórek, które posiadają enzym kinazę glicerolową i tam ulega spaleniu. Kwasy tłuszczowe w większości są od razu transportowane do wnętrza komórki, część jednak pozostaje we krwi i dociera do innych tkanek, które zużytkowują je jako paliwo.

Z pewnością wyda się wszystkim dziwne, że stężenie wolnych kwasów tłuszczowych we krwi jest niskie w stanie sytości a wysokie w stanie głodzenia. Dzieje się tak dlatego, że ich ilość we krwi zależy głównie od tego, ile ich powstaje, a najwięcej tworzy się ich w okresie głodu. Uwalniane są one wtedy w dużej mierze z zapasów tłuszczu w tkance tłuszczowej. Do gwałtownego wzrostu ilości wolnych kwasów tłuszczowych dochodzi także w niewyrównanej cukrzycy, gdyż insulina hamuje ich powstawanie. Dochodzi wtedy do niekontrolowanego ich uwalniania z tkanki tłuszczowej. Ponieważ nie mogą one się w całości spalić, część z nich wątroba przerabia na tzw. ciała ketonowe.

Część WKT po wchłonięciu do tkanek może być z powrotem połączona z glicerolem, czyli odłożona na zapas. Zjawisko to najbardziej występuje w mięśniach i sercu, gdzie dostęp do szybkiego paliwa jest niezbędny. W niedużym stopniu WKT mogą się również wchłaniać do tkanki tłuszczowej, jednak zauważmy, że tkanka tłuszczowa nie zawiera kinazy glicerolowej, czyli glicerol musi sobie wytworzyć z cukru. Wytwarzanie glicerolu może zajść tylko w warunkach sytości, a w tych warunkach stężenie WKT w surowicy jest niskie. Tym nie mniej, u niektórych osób ilość spożywanych tłuszczów może wpływać na szybkość chudnięcia, a nawet, rzadko, powodować przybranie na wadze. Konieczne jest wtedy ograniczenie spożycia tłuszczów.

 

                                                                                                         początek

Skład poszczególnych frakcji lipidowych ( wg Biochemii Harpera 2001)

 

Frakcja	Źródło	Średnica [nm]	Białko %	Lipidy całk. %	Procent lipidów całkowitych
										Trój- glicery- dy	Fosfo- lipidy	Estry Chole- sterolu	Wolny Chole- sterol	Wolne Kwasy Tłusz- czowe
Chylomi- krony	jelito	90-1000	1-2	98-99	88	8	3	1	-
VLDL	wątroba	30-90	7-10	90-93	56	20	15	8	1
IDL	VLDL i chylo- mikrony	25-30	11	89	29	26	34	9	1
LDL	VLDL	20-25	21	79	13	28	48	10	1
HDL	wątroba jelito	7.5-10	57	43	13	46	29	6	6

 

 

 

Jak działa żywienie optymalne w miażdżycy?

Przede wszystkim wyhamowany jest cykl pentozowy spalania glukozy. Nie ma nadmiernej produkcji NADPH₂. W takich warunkach nawet, jeśli będzie dużo acetylo-CoA i mało tlenu, synteza cholesterolu zachodzić nie będzie. Zmniejszone spożycie węglowodanów pociąga za sobą zmniejszoną produkcję insuliny, która jest hormonem nasilającym syntezę cholesterolu i kwasów tłuszczowych. Obecne w ścianach złogi zaczynają się powolutku rozpuszczać, tym szybciej, im lepiej ukrwiona jest tkanka. Widzimy więc, dlaczego po przejściu na żywienie miażdżyca szybciej cofa się z małych tętniczek, niż z dużych. W małych tętniczkach złogi są mniejsze a krew ma do pokonania mniejszą drogę poprzez grubość ściany tętnicy do blaszki miażdżycowej. Tam szybciej dochodzi do wypłukiwania się cholesterolu. Jeśli zatkana jest duża tętnica, blaszka miażdżycowa może mieć rozmiar nawet 1 cm. Zanim taka ilość cholesterolu się wypłucze, mogą minąć lata. Dodatkowo, jeśli krew do ściany określonej tętnicy dochodzi do niej przez tą właśnie tętnicę, to oczywiście wypłukiwanie będzie następować na początku tym wolniej im bardziej zatkana jest ta tętnica. Tu również będziemy mieli do czynienia z samonapędzaniem się usuwania złogów. Im więcej cholesterolu zostanie wypłukanego, tym drożniejsza jest tętnica, i tym szybciej następuje dalsze wypłukiwanie cholesterolu. Jest to jeden z powodów, dlaczego całkowicie zamknięte tętnice udrażniają się najwolniej.

  Jak działają prądy selektywne w miażdżycy?

Prądy selektywne stosowane przeciwmiażdżycowo, to prądy typu PS zastosowane na 4 kończyny (na cały organizm) lub miejscowo na kończyny górne lub dolne. Efektem zastosowania tych prądów jest rozszerzenie naczyń włosowatych i mikrotętniczek dostarczających krew do tkanek. Skutki ich zastosowania są dwojakie:

1. bezpośrednie - wzrost ilości krwi, która przechodzi przez pozwężane naczynia staje się wystarczająca, by dostarczyć niezbędny tlen i substancje odżywcze. Dla większości tkanek już 20% krwi, która normalnie przechodzi przez naczynie, wystarcza do w miarę prawidłowego funkcjonowania odpowiedniego, zaopatrywanego przez dane naczynie narządu. Objawy kliniczne miażdżycy, jak bóle zamostkowe czy chromanie przestankowe, ustępują lub zmniejsza się ich nasilenie. Efekt obserwowany jest bezpośrednio po wzięciu serii prądów. Na tym etapie, nawet niewielkie zwiększenie ilości przepływającej krwi może dać dość spektakularne ustąpienie dolegliwości związanych z niedokrwieniem.

2. Pośrednie - w skutek lepszego krążenia we włośniczkach unaczyniających tętnice, przyspiesza się proces wypłukiwania cholesterolu i usuwania blaszek miażdżycowych. Ten efekt jest powolny i długofalowy. Efekty są widoczne w skali miesięcy a nawet lat. Jeśli bezpośrednio po wzięciu serii prądów nie nastąpiło całkowite ustąpienie dolegliwości, to na dalszą poprawę trzeba będzie nieco poczekać, aż blaszki miażdżycowe zmniejszą się do rozmiarów umożliwiających przejście przynajmniej ok. 20-30% krwi przez zwężone naczynie. Najbardziej oporne pod tym względem są całkowicie zatkane duże pnie tętnicze. Na udrożnienie się ich do poziomu 20-30% trzeba poczekać czasami nawet kilka lat.

Trzeci, dość złożony i nie do końca poznany mechanizm związany jest ze zjawiskiem termogenezy. Wzmożone napięcie współczulne, będące istotnym czynnikiem powodującym rozwój nadciśnienia tętniczego, może powodować spadek ilości receptorów ၢ dla adrenaliny i noradrenaliny w brunatnej tkance tłuszczowej. Receptory ၢ odpowiedzialne są tam m. in. za termogenezę, czyli rozpraszanie w postaci ciepła nadmiaru spożytego pożywienia. Przy przewlekłym wzmożeniu napięcia współczulnego może dojść do obniżenia liczby tych receptorów, co powoduje zmniejszenie reakcji brunatnej tkanki tłuszczowej na naturalną stymulację nerwową i niewydolność mechanizmu rozpraszania nadmiaru kalorii w postaci ciepła. Nadmiar pożywienia (węglowodany i białka) musi wtedy wejść w cykl pentozowy produkujący NADPH₂ na potrzeby syntez kwasów tłuszczowych i cholesterolu. Zastosowanie prądów PS na 4 kończyny i/lub centralny układ nerwowy, wyrównuje ogólnoustrojową przewagę sympatyczną i zwiększa się wrażliwość brunatnej tkanki tłuszczowej na naturalną noradrenalinę. Z drugiej jednak strony miejscowe zastosowanie prądów S również w sposób bezpośredni pobudza rozkład tłuszczu, być może stymulując bezpośrednio przyrost receptorów ၢ.

 

Oddech a równowaga kwasowo-zasadowa

     W ostatnim czasie na temat równowagi kwasowo-zasadowej napisanych zostało kilka ciekawych artykułów. Chciałbym dzisiaj przybliżyć Państwu nieco informacji na temat pracy układu, który w największym stopniu wpływa na tę równowagę, czyli układu oddechowego.

Prawidłowy oddech w Tradycyjnej Medycynie Chińskiej odgrywa ważną dużą rolę. Prawidłowy, odpowiednio głęboki i spokojny oddech jest istotnym czynnikiem oddziałującym regulująco na układ wegetatywny. We wszystkich filozofiach dalekowschodnich właśnie prawidłowy oddech jest jednym z istotnych czynników pomagających przywrócić równowagę Yin-Yang organizmu. Bardzo ważny jest jednak również wpływ prawidłowej pracy płuc na metabolizm człowieka, a w szczególności na jego równowagę kwasowo-zasadową i jonową.

Punktem wyjścia przemyśleń w tym temacie były artykuły dr Krupki i dr Ponomarenki, na temat równowagi kwasowo-zasadowej pokarmów, które zwróciły moje myśli w tym kierunku. Ile kwasów i zasad powstaje w organizmie? Jak ich ilość jest regulowana? Jak wpływa to na stężenia jonów Na⁺, K⁺, Ca⁺⁺, Mg⁺⁺ i innych? Wszystkie rozważania ilościowe, które podejmowałem, jednoznacznie zawsze wracały do jednego związku chemicznego, który w chemii uważany jest za słaby kwas, jednak dla naszego organizmu, którego kwasowość musi być utrzymywane w bardzo wąskich, lekko zasadowych granicach, bez przesady można powiedzieć, że jest to kwas silny. Chodzi o kwas węglowy - H₂CO₃, powstający w naszym organizmie z dwutlenku węgla (CO₂), którego olbrzymie ilości powstają w każdej minucie i na bieżąco są usuwane z oddechem.

Jest wiadomym, że w trakcie spalania pokarmów powstaje CO₂. Rozpatrzmy sytuację bardzo uproszczoną - spalanie 200g tłuszczu, tyle mniej więcej tego paliwa jest spalane w ciągu doby. Nawet analizując paliwo dające stosunkowo najmniej CO₂, powstaje go w organizmie w ciągu doby ok. 460g. Powstający CO₂ łączy się z wodą dając kwas węglowy H₂CO₃. Ok. 95% kwasu węglowego dysocjuje do anionu HCO₃^¯ i jonu wodorowego H⁺, którego stężenie decyduje o pH krwi i tkanek. Ilość HCO₃¯ we krwi waha się w okolicach 1.0-1.1g/l, natomiast CO₂ w okolicach 0.05-0.06g/l. Przy zgrubnym oszacowaniu ilość CO₂ jest więc ilością pomijalną w porównaniu do ilości HCO₃¯. Przeliczając na gramy, łączna ilość dwutlenku węgla, czy to w postaci CO₂, czy to w postaci HCO₃¯ wynosi więc ok. 1.0-1.1g/litr. Przyjmując objętość krwi i płynów pozakomórkowych równą 13 litrów - daje to łączną ilość w całej krwi równą około 13-14g. Wewnątrz komórek ilość CO₂ i HCO₃¯ jest ok. 2.5x mniejsza, jednak płynu tego jest 2x więcej. Daje to ok.11-12g CO₂. Łącznie w całym organizmie jest to więc ok. 25g CO₂, w większości (95%) w formie zdysocjowanej czyli kwaśnej. Ilość ta wymienia się w przybliżeniu 20-krotnie w ciągu doby. Żaden inny związek kwasowy lub zasadowy występujący w organizmie w większych ilościach nie ulega wymianie tak szybko jak właśnie dwutlenek węgla!

W normalnych warunkach szybkość oddychania regulowana jest przez ośrodek oddechowy w mózgu. Wzrost stężenia CO₂ zwiększa aktywność ośrodka i pobudza oddechy, spadek CO₂ zmniejsza jego aktywność. Jak podaje Harper z roku 1983: „...zmniejszenie wentylacji do ¼ szybkości prawidłowej wywołuje wzrost CO₂ i obniżenie pH z 7.4 (norma) do 7.0 (skrajna kwasica). Z drugiej strony zwiększając szybkość wentylacji dwukrotnie, zmniejsza się prężność CO₂, co prowadzi do wzrostu pH do ok. 7.6. (silna zasadowica). Ponieważ wentylację płuc można zmniejszyć prawie do zera lub zwiększyć ok. 15x, łatwo zrozumieć, w jakim stopniu zmiany wentylacji mogą wpływać na pH płynów pozakomórkowych”.

Zawsze zastanawiało mnie, dlaczego aktywność ośrodka oddechowego w mózgu regulowana jest stężeniem CO₂ we krwi, a nie stężeniem O₂ - jak mogłoby się wydawać słuszne. Powyższe rozważania uzmysławiają, że właśnie CO₂ jest bardzo silnie powiązany z równowagą kwasowo-zasadową i jonową organizmu. Jeśli ilość tlenu spada, organizm może się do tego zaadoptować ułatwiając odłączanie tlenu od hemoglobiny w tkankach. Jeśli rośnie ilość CO₂, równowaga kwasowo-zasadowa i jonowa w krótkim czasie zaczyna się „rozjeżdżać”.

 

Co się dzieje, gdy praca ośrodka oddechowego jest nieprawidłowa, czyli gdy oddychamy troszeczkę zbyt szybko lub zbyt wolno?

Jeśli oddech jest zbyt wolny, ilość CO₂ (a więc także H⁺ i HCO₃¯) nieco wzrasta, organizm się lekko zakwasza. Czujemy się wtedy nieco ociężale, sennie, jesteśmy zmęczeni. Sytuacja podobna ma miejsce, gdy przebywamy dłużej w zamkniętym pomieszczeniu w wieloma ludźmi. Dochodzi wówczas do wzrostu ilości CO₂ w powietrzu i odpowiedniego wzrostu tego związku we krwi. Osoby, które oddychają troszkę zbyt mało, czują się stale tak, jakby były w dusznym pomieszczeniu, a wyjście na świeże powietrze nie pomaga im.

Aby przywrócić prawidłowe pH wkraczają do akcji nerki. Mają one zdolność do wyrzucania nadmiaru jonów H⁺, bądź zatrzymywania ich, jeśli ich w organizmie brakuje. Wydolność tego układu jest jednak znacznie mniejsza, niż wydolność płuc w wydalaniu CO­₂. Zadanie nerek to przede wszystkim usuwanie powstających w organizmie niewielkich ilości kwasów innych niż kwas węglowy, oraz bieżące wyrównywanie pH związanego z nieprawidłowym natężeniem wentylacji płuc.

W przypadku, gdy ośrodek oddechowy pracuje nieznacznie zbyt słabo, nerki muszą przez cały czas pracować nad przywracaniem prawidłowego pH. Aby wyrównać powstające lekkie zakwaszenie zwiększają wydalanie jonów HCO₃¯, zatrzymują jony amonowe NH₄⁺, ale również mogą zatrzymywać inne jony zasadowe Mg²⁺, Ca²⁺ i zwiększać wydalanie innych anionów: np. HPO₄²¯, Cl¯. Dominuje jednak wydalanie nadmiaru jonów HCO₃¯.

Z osłabieniem oddechu mamy m. in. do czynienia u osób chrapiących, a szczególnie, gdy w oddechu pojawiają się dłuższe okresy bezdechu. Mechanizm pojawienia się swego rodzaju cyklu w bezdechu nocnym jest następujący:

(1)       bezdech wyzwalany jest obniżoną wrażliwością ośrodka oddechowego (bądź też anatomicznie zapadaniem się nagłośni w krtani);

(2)       w skutek braku oddechu dochodzi do nagromadzenia się CO₂ i pobudzenia ośrodka oddechowego, który uruchamia nasilone oddychanie;

(3)       po usunięciu nadmiaru CO₂, gdy jego ilość wróci do normy, oddech z powrotem się zatrzymuje, aż do ponownego nagromadzenia się CO₂.

 Niewielkie osłabienie natężenia oddechu może mieć też miejsce, gdy np. długo siedzimy w jednej pozycji z mocno wygiętym kręgosłupem lędźwiowym, tak, że odległość między miednicą a żebrami się mocno zmniejsza. Brzuch wtedy uciska przeponę i ta nie jest w stanie odpowiednio nabrać powietrza do płuc pomimo stymulacji ze strony mózgu. Przy płytkim oddychaniu dochodzi również do zapadnięcia się części pęcherzyków. Wymiana gazowa nie jest wtedy stuprocentowa, gdyż krew opływająca pęcherzyki zapadnięte nie oddaje CO₂ do powietrza. Dlatego ważne jest w czasie pracy siedzącej wstać raz na jakiś czas i wykonać kilka głębszych oddechów.

 

Co się natomiast dzieje, w przypadku, gdy ośrodek oddechowy pracuje troszkę zbyt intensywnie i wydalamy zbyt dużo CO₂? Organizm się lekko alkalizuje i nerki znów muszą wyrównać pH, tyle, że w drugą stronę. Mechanizmów jest kilka, są one podobne jak powyżej tylko odwrotne. Jednym z mechanizmów jest wydalenie nadmiaru zasad poprzez wydalenie jonów zasadowych, do których należą Na⁺, K⁺, Ca²⁺ i Mg²⁺. Pierwsze trzy są precyzyjnie regulowane w nerkach niezależnymi mechanizmami regulacyjnymi, gdyż ich ilość może się tylko nieznacznie wahać w organizmie. Jedynie jon magnezowy nie jest tak wymagający pod tym względem. Dlatego wydaje mi się prawdopodobne, że spośród tych 4 jonów właśnie jon Mg²⁺ jest w pierwszej kolejności wydalany aby wyrównać zaburzenia pH.

Stany hiperwentylacji najczęściej obserwować można u osób z nerwicą wegetatywną. Stymulacja ośrodka oddechowego przez adrenalinę jest typowym dostosowaniem się organizmu do sytuacji walki lub ucieczki, kiedy kwestia dobrego dotlenienia w czasie krótkiego acz intensywnego wysiłku może decydować o przeżyciu lub śmierci w paszczy lwa. Typowa neurastenia to sytuacja, w której mamy do czynienia ze stałym podniesieniem poziomu krążącej adrenaliny, bądź też z nieadekwatnie częstym lub nasilonym jej wyrzutem w sytuacjach nawet niewielkiego stresu. Z reguły nie towarzyszy temu wysiłek fizyczny, który jest naturalną przeciwwagą dla pojawiającej się hiperwentylacji.

Gdy osoba z nerwicą przykładowo przez całą noc oddycha troszeczkę zbyt silnie, dochodzić może u niej do zaburzeń równowagi jonowej i pH. Od dość dawna obserwuje się, że niektóre z pośród tych osób „gubią magnez”. Przypuszczam, że wydalanie tego pierwiastka w celu wyrównywania niewielkich zmian pH spowodowanych hiperwentylacją, może być jednym z ważniejszych mechanizmów jego ucieczki z organizmu u tych osób. Dlatego właśnie często zaleca się osobom z neurastenią uzupełniać prewencyjnie magnez.

 

 

---