Aspiryna - pospolity lek

Aspiryna to najbardziej popularny lek na świecie. Chemicznie jest to kwas acetylosalicylowy - substancja sztuczna, wytworzona po raz pierwszy w 1897 roku przez niemieckiego chemika - Felixa Hoffmanna. Aspiryna przeszła do histroii jako pierwszy sztuczny (syntetyczny) lek, choć należy pamiętać, że półproduktem w jego syntezie była substancja naturalna - kwas salicylowy. Ta ostatnia występuje (w postaci metylowego estru) w wiązówce błotnej - roślinie rosnącej również w Polsce. W dziewiętnastym wieku łacińska nazwa wiązówki błotnej brzmiała: Spirea ulmaria i to właśnie od tej nazwy wywodzi się nazwa handlowa: "aspiryna" (acetylowana substancja z rośliny Spirea). Acetylacja to nic innego, jak potraktowanie kwasem octowym.

Wbrew pozorom, kwas salicylowy nie występuje w korze wierzby, na co mogłaby wskazywać jego nazwa (salix znaczy po łacinie "wierzba"). W surowcu tym występuje natomiast alkohol salicylowy - saligenina (w połączeniu z glukozą). Wykazuje ona podobne działanie, co stosowana obecnie aspiryna, z tym, że słabsze. Już w starożytności wywarem z kory wierzby leczono gorączkę, bóle głowy i zębów oraz reumatyzm. Warto tutaj zauważyć, że wywary z kory wierzby działają łagodnie na żołądek, czego nie da się powiedzieć o samej tabletce aspiryny.

Jak działa aspiryna? Czemu zawdzięcza swoje działanie przeciwzapalne i przeciwbólowe? Otóż, lek ten należy do grupy niesterydowych leków przeciwzapalnych (NLPZ), do której wlicza się też ibuprofen i naproksen. Tak jak wszystkie substancje z tej grupy, aspiryna ma zdolność blokowania enzymu o nazwie: cyklooksygenaza. Enzym ten odpowiada za syntezę prostaglandyn - szerokiej klasy związków, z których niektóre mają zdolność wywoływania reakcji zapalnej i odczucia bólu. Zablokowanie cyklooksygenazy powoduje spadek poziomu prostaglandyn w organizmie - a co za tym idzie - wygaszenie reakcji zapalnej i bólu.

Beta-oksydacja
Kwasy tłuszczowe stanowią bardzo wydajne źródło energii niezbędnej do napędzania procesów życiowych komórek. Owa energia pozyskiwana jest z nich dzięki trzem następującym kolejno po sobie procesom: beta-oksydacji, cyklowi Krebsa i łańcuchowi oddechowemu. Wszystkie one przebiegają w mitochondriach - ważnych organellach komórkowych.
Beta-oksydacja polega na kolejnym odcinaniu jednostek dwuwęglowych (w postaci acetylokoenzymu-A) od łańcucha węglowodorowego kwasu tłuszczowego, co skutkuje jego stopniowym skracaniem, aż do całkowitego zmetabolizowania.
Powstające jednostki acetylokoenzymu-A (acetylo-CoA) są substratem dla cyklu Krebsa, gdzie ulegają dalszemu utlenieniu z pozyskaniem energii.
Dodatkowo, podczas beta-oksydacji redukowane są nośniki NAD i FAD, które następnie włączają się bezpośrednio w produkcję nośników energii w łańcuchu oddechowym.

Poniżej - schemat beta-oksydacji:

Przykładowo: kwas palmitynowy C₁₅H₃₁COOH ma 16 atomów węgla, więc w procesie jego całkowitej beta-oksydacji powstanie 8 jednostek dwuwęglowych. Natomiast z kwasu stearynowego C₁₇H₃₅COOH powstanie tych jednostek 9.

Podsumowując: całkowite utlenienie (wszystkie 3 procesy) 1 cząsteczki popularnego kwasu tłuszczowego - kwasu palmitynowego daje aż 129 cząsteczek ATP - nośnika energii dla komórki. Dla porównania: z jednej cząsteczki cukru - glukozy, uzyskujemy tylko 36 cząsteczek ATP.

Beta-oksydacja nienasyconych kwasów tłuszczowych przebiega podobnie, ale celem poradzenia sobie z ich wiązaniami podwójnymi typu cis, w procesie tym dodatkowo uczestniczą enzymy z grupy izomeraz (zamiana wiązań cis na trans lub położenia wiązań trans) i reduktaz (uwodorowanie wiązań podwójnych cis).

W przypadkach głodzenia lub wystąpienia cukrzycy, wątroba człowieka utlenia w dużych ilościach kwasy tłuszczowe. Powoduje to wzrost stężenia produktu beta-oksydacji - acetylokoenzymu-A i jego wykorzystanie w reakcjach prowadzących do powstania ciał ketonowych.
Wyróżniamy 3 ciała ketonowe: aceton, kwas acetooctowy i kwas 3-hydroksymasłowy. Mogą być one wykorzystywane przez tkanki pozawątrobowe jako źródło energii, ale, jeśli mimo to, ich stężenie we krwi jest wysokie, to mamy do czynienia ze stanem patologicznym - kwasicą ketonową.
Nieleczona kwasica ketonowa jest groźna i poprzez stany osłabienia, zaburzeń świadomości i śpiączki, prowadzi do zgonu.

Węglowodany (sacharydy) to związki organiczne, których cząsteczki cechuje obecność grupy aldehydowej (CHO) lub ketonowej (C=O) oraz grup hydroksylowych (OH) podłączonych do pozostałych atomów węgla (niekoniecznie do wszystkich).
Jest to bardzo ważna klasa związków biochemicznych, szeroko rozpowszechnionych w organizmach żywych i pełniących istotne funkcje metaboliczne lub budulcowe.

Węglowodany możemy podzielić na:

• monosacharydy - cukry proste, które w procesie hydrolizy (ataku przez cząsteczki wody) nie ulegają rozpadowi do form prostszych

• disacharydy - cukry, które w procesie hydrolizy rozpadają się na 2 cząsteczki monosacharydów

• oligosacharydy - cukry, które w procesie hydrolizy rozpadają się na 3 do 6 cząsteczek monosacharydów

• polisacharydy - cukry, które w procesie hydrolizy rozpadają się na ponad 6 cząsteczek monosacharydów

MONOSACHARYDY - w zależności od liczby budujących je atomów węgla dzielimy na: triozy (3 atomy węgla), tetrozy (4), pentozy (5), heksozy (6) i heptozy (7). Monosacharydy (gł. heksozy) pełnią w świecie ożywionym funkcję "paliwa", z którego komórki pozyskują energię. Heksozy o największym znaczeniu to: glukoza, fruktoza, mannoza i galaktoza.
Monosacharydy występujące w naturze to prawie zawsze izomery przestrzenne typu D (praktyczny brak izomerów typu L).

Glukoza (cukier gronowy) - zdecydowanie najważniejszy monosacharyd dla większości organizmów żywych. Jest on przerabiany w komórkach do dwutlenku węgla i wody podczas glikolizy, cyklu Krebsa i oddychania mitochondrialnego. W procesach tych pozyskiwana jest energia niezbędna komórkom do podtrzymania procesów życiowych.
Fruktoza (cukier owocowy) - główny cukier owoców i miodu. Może zostać przemieniona w organizmie ludzkim w glukozę lub włączyć się bezpośrednio w proces glikolizy.
Mannoza - rzadko występuje w stanie wolnym; zwykle jest składnikiem polisacharydów. Może włączać się do procesu glikolizy. Wchodzi też w skład wielu glikoprotein organizmu ludzkiego (połączenia białek i cukrów).
Galaktoza - rzadko występuje w stanie wolnym. Może zostać przemieniona w organizmie ludzkim w glukozę i włączyć się pod jej postacią w proces glikolizy. Jest też syntetyzowana w gruczole sutkowym, by ulec dalszej przemianie do laktozy - cukru mlecznego.
Ryboza - pentoza będąca składnikiem RNA (kwasu rybonukleinowego), ATP - komórkowego nośnika energii oraz witaminy B₁₂. Bardzo podobny do rybozy cukier - deoksyryboza jest integralną częścią łańcucha DNA każdego organizmu.

DISACHARYDY:

Sacharoza (cukier spożywczy) - jest wynikiem połączenia cząsteczki glukozy i fruktozy. Na skalę przemysłową otrzymuje się ją z buraków cukrowych lub trzciny cukrowej.
Laktoza (cukier mleczny) - jest wynikiem połączenia cząsteczki glukozy i galaktozy. Główny cukier mleka ssaków.
Maltoza (cukier słodowy) - jest wynikiem połączenia 2 cząsteczek glukozy. Produkt częściowej hydrolizy polisacharydu - skrobi. Występuje w słodzie i w piwie.

POLISACHARYDY:

Skrobia - wynik połączenia wielu cząsteczek glukozy w łańcuchy i formy rozgałęzione. Bardzo powszechny polisacharyd roślin, pełniący w nich funkcję zapasową (magazyn energii).
Glikogen - wynik połączenia wielu cząsteczek glukozy w bardzo rozgałęzione formy. Pełni funkcję zapasową u zwierząt. Gromadzony jest w wątrobie i w mięśniach.
Celuloza - główny składnik ścian komórkowych roślin i niektórych grzybów (lęgniowce). Pełni zatem funkcję strukturalną. Jest wynikiem połączenia wielu cząsteczek glukozy w łańcuchy, przy czym połączenia pomiędzy jednostkami łańcucha są innego typu niż w skrobi.
U ssaków, tylko przeżuwacze i inne trawożerne mogą wykorzystywać celulozę jako pokarm. Jest tak dlatego, że w ich żołądkach znajdują się mikroorganizmy, które mają enzym (celulazę) potrafiący rozbijać celulozę.
Inulina - wynik połączenia wielu cząsteczek fruktozy z małą domieszką glukozy. Służy jako materiał zapasowy dla roślin z rodziny astrowatych (złożonych).

Aminokwasy endogenne

Aminokwasy to szeroka grupa związków organicznych. Charakterystyczną cechą ich struktury jest obecność 2 grup funkcyjnych: aminowej (NH₂) i karboksylowej (COOH).
Wszystkie aminokwasy, które wchodzą w skład białek, są tzw. α-aminokwasami.
Znaczy to, że grupy: aminowa i karboksylowa są połączone z tym samym atomem węgla i jest to pierwszy atom łańcucha węglowego (pomijając atom węgla samej grupy COOH).
Oto ogólny wzór α-aminokwasu:

Białka są przykładem polikondensatów. W ich przypadku łańcuchy tworzone są z połączonych α-aminokwasów. Łączenie to odbywa się za pomocą wiązania peptydowego CO-NH, które powstaje w reakcji pomiędzy grupą COOH poprzedzającego aminokwasu z grupą NH₂ aminokwasu następnego. W procesie tym wydziela się woda (H₂O).

Grupę 20 uniwersalnych α-aminokwasów, budujących białka, możemy u człowieka podzielić na dwie równoliczne podgrupy:

• AMINOKWASY ENDOGENNE - te, które organizm jest w stanie sobie w wystarczającej ilości wyprodukować:
  
  alanina (Ala) - powstaje z pirogronianu - produktu glikolizy
  kwas asparaginowy (Asp) - powstaje ze szczawiooctanu - składnika cyklu Krebsa
  asparagina (Asn) - powstaje z kwasu asparaginowego
  cysteina (Cys) - powstaje z aminokwasów: metioniny lub seryny
  glicyna (Gly) - powstaje z choliny lub aminokwasów: alaniny lub seryny
  kwas glutaminowy (Glu) - powstaje z α-ketoglutaranu - składnika cyklu Krebsa
  glutamina (Gln) - powstaje z kwasu glutaminowego
  prolina (Pro) - powstaje z kwasu glutaminowego
  seryna (Ser) - powstaje z 3-fosfoglicerynianu - składnika glikolizy
  tyrozyna (Tyr) - powstaje z aminokwasu egzogennego: fenyloalaniny

• AMINOKWASY EGZOGENNE - te, które muszą być dostarczone w pożywieniu: fenyloalanina (Phe), izoleucyna (Ile), leucyna (Leu), lizyna (Lys), metionina (Met), treonina (Thr), tryptofan (Trp), walina (Val), arginina (Arg) i histydyna (His).

Oto wzory strukturalne wszystkich 10 aminokwasów endogennych człowieka:

Aminokwasy egzogenne

Aminokwasy to szeroka grupa związków organicznych. Charakterystyczną cechą ich struktury jest obecność 2 grup funkcyjnych: aminowej (NH₂) i karboksylowej (COOH).
Wszystkie aminokwasy, które wchodzą w skład białek, są tzw. α-aminokwasami.
Znaczy to, że grupy: aminowa i karboksylowa są połączone z tym samym atomem węgla i jest to pierwszy atom łańcucha węglowego (pomijając atom węgla samej grupy COOH).
Oto ogólny wzór α-aminokwasu:

Białka są przykładem polikondensatów. W ich przypadku łańcuchy tworzone są z połączonych α-aminokwasów. Łączenie to odbywa się za pomocą wiązania peptydowego CO-NH, które powstaje w reakcji pomiędzy grupą COOH poprzedzającego aminokwasu z grupą NH₂ aminokwasu następnego. W procesie tym wydziela się woda (H₂O).

Grupę 20 uniwersalnych α-aminokwasów, budujących białka, możemy u człowieka podzielić na dwie równoliczne podgrupy:

• AMINOKWASY EGZOGENNE - te, które muszą być dostarczone w pożywieniu:
  
  




• fenyloalanina (Phe)
  izoleucyna (Ile)
  leucyna (Leu)
  lizyna (Lys)
  metionina (Met)
  treonina (Thr)
  tryptofan (Trp)
  walina (Val)
  arginina (Arg)
  histydyna (His




• AMINOKWASY ENDOGENNE - te, które organizm jest w stanie sobie w wystarczającej ilości wyprodukować: alanina (Ala), asparagina (Asn), kwas asparaginowy (Asp), cysteina (Cys), kwas glutaminowy (Glu), glutamina (Gln), glicyna (Gly), prolina (Pro), seryna (Ser) i tyrozyna (Tyr).

Podział na aminokwasy egzogenne i endogenne nie obowiązuje u niektórych drobnoustrojów i u roślin, gdyż organizmy te potrafią same wyprodukować sobie wszystkie aminokwasy.
Można by uważać, że wszystkie rośliny stanowią zatem doskonałe źródło aminokwasów egzogennych. Otóż, nie zawsze tak jest, ze względu na to, że poziom niektórych aminokwasów może być u roślin za niski. Na przykład: zboża nie mogą stanowić jedynego źródła pożywienia, bo mało jest w nich lizyny i tryptofanu.

Należy tu też nadmienić, że organizm ludzki jest w stanie produkować sobie pewne ilości histydyny i argininy, ale jest to synteza na dłuższą metę niewystarczająca. Produkcja tych 2 aminokwasów jest szczególnie za niska u rosnących dzieci.

Oto wzory strukturalne wszystkich 10 aminokwasów egzogennych człowieka:

Witaminy
(rozpuszczalne w tłuszczach)

Witaminy to związki organiczne o specyficznych i bardzo różnych typach budowy, które są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu żywego, ale nie są przezeń produkowane i muszą być dostarczane z pożywieniem.
Warto tu nadmienić, że nazwa: "witamina" została ukuta w 1912 roku przez polskiego biochemika - Kazimierza Funka.
Witaminy dzielimy na rozpuszczalne w tłuszczach i rozpuszczalne w wodzie. Do pierwszej grupy (omawianej w tym artykule) należą witaminy: A, D, E i K, a do drugiej - witaminy grupy B oraz witaminy: C, H i M.

WITAMINA A (retinol) - substancja ta pełni rolę regulatora odczytu genów w komórkach człowieka. Już w organizmie ulega przemianom do retinalu i kwasu retinojowego. Retinal wchodzi w skład rodopsyny - barwnika występującego w pręcikach siatkówki oka, odpowiedzialnego za widzenie w słabym świetle (w odcieniach szarości). Kwas retinojowy bierze udział w syntezie glikoprotein, co ma pozytywny wpływ na wzrost i różnicowanie się komórek organizmu.
Objawami niedoboru witaminy A są: kurza ślepota (upośledzone widzenie o zmierzchu), wysychanie rogówek i spojówek, suchość skóry, zanikanie nabłonków i łuszczyca.

Bardzo dobrymi, naturalnymi źródłami witaminy A są: marchew, pomidory, jaja, mleko, masło, ser i wątroby zwierząt hodowanych dla mięsa.

Występujący obficie w marchwi beta-karoten (jej pomarańczowy barwnik) zwany jest prowitaminą A. Jest tak dlatego, że organizm potrafi wytworzyć sobie witaminę - retinol ale tylko wtedy, gdy dostarcza się mu w pokarmie prowitaminę - beta-karoten.

WITAMINA D (cholekalcyferol, ergokalcyferol) - obydwie te substancje: witamina D₂ (ergokalcyferol) i witamina D₃ (cholekalcyferol) mogą być przyjmowane w pokarmie, albo mogą być syntetyzowane z odpowiednich prowitamin przy udziale światła słonecznego. Trzeba tu jednak zaznaczyć, że odmiana D₂ powstaje tylko w roślinach, a odmiana D₃ - tylko w organizmach zwierzęcych.
Z obydwóch związków organizm ludzki potrafi sobie wyprodukować czynne metabolity (kalcytriole), które grają bardzo ważną rolę w przemianie wapniowej i fosforanowej.
Objawami niedoboru witaminy D są: krzywica (u dzieci), rozmiękanie kości i osteoporoza (u dorosłych).

Bardzo dobrymi, naturalnymi źródłami witaminy D są: tran, oleje rybne, śledzie, sardynki, łosoś, tuńczyk, ser, masło, mleko i wątroby zwierząt hodowanych dla mięsa.

WITAMINA E (tokoferole) - występuje w kilku odmianach (alfa, beta, gamma, delta), z których najwyższą aktywność wykazuje alfa-tokoferol.
Witamina ta jest antyutleniaczem, a więc chroni struktury komórkowe (głównie fosfolipidy błon) przed ich utlenianiem przez wolne rodniki.
Objawy niedoboru witaminy E zdarzają się rzadko i są to: niedokrwistość (u kobiet ciężarnych i noworodków), osłabienie, rozdrażnienie, zaburzenia koncentracji i bezpłodność (u mężczyzn).

Bardzo dobrymi, naturalnymi źródłami witaminy E są: kiełki pszenicy, oleje: słonecznikowy, sojowy i kukurydziany, orzechy, szpinak, brukselka, mleko i jaja.

WITAMINA K (filochinon, menachinony) - nazwa grupy substancji o podobnej budowie. Filochinon (witamina K₁) produkowany jest przez rośliny, a menachinony (witamina K₂) - przez bakterie jelitowe.
Witamina K jest niezbędna do powstania biologicznie aktywnych czynników krzepnięcia krwi: II, VII, IX i X. Przyczynia się też do regulacji gospodarki wapniowej organizmu.
Jako, że witamina K₂ syntetyzowana jest przez bakterie jelitowe, to objawy niedoboru zdarzają się u dorosłych rzadko i mają zwykle związek z wyjałowieniem jelit wskutek zażywania antybiotyków.
Oto te objawy: niska krzepliwość krwi, zwiększona podatność na krwotoki, trudno gojące się rany, upośledzona mineralizacja kości i u noworodków: skaza krwotoczna.

Bardzo dobrymi, naturalnymi źródłami witaminy K są: brokuły, szpinak, sałata, kapusta, jaja, jogurt, ser i tran rybi.

Witaminy
(rozpuszczalne w wodzie)

Witaminy to związki organiczne o specyficznych i bardzo różnych typach budowy, które są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania organizmu żywego, ale nie są przezeń produkowane i muszą być dostarczane z pożywieniem.
Warto tu nadmienić, że nazwa: "witamina" została ukuta w 1912 roku przez polskiego biochemika - Kazimierza Funka.
Witaminy dzielimy na rozpuszczalne w wodzie i rozpuszczalne w tłuszczach. Do pierwszej grupy (omawianej w tym artykule) należą witaminy grupy B oraz witaminy: C, H i M, a do drugiej - witaminy: A, D, E i K.

WITAMINA B₁ (tiamina) - w organizmie człowieka przekształcana jest do formy aktywnej - pirofosforanu tiaminy. Związek ten jest integralnym składnikiem enzymów przeprowadzających reakcje dekarboksylacji oksydacyjnej α-ketokwasów i transketolacji w cyklu pentozofosforanów.
W przypadku niedoboru witaminy B₁ rozwija się choroba beri-beri, której objawami są: wyczerpanie, drżenie i osłabienie mięśni, brak apetytu, obrzęki kończyn i niewydolność krążeniowa.

Bardzo dobrymi, naturalnymi źródłami witaminy B₁ są: nierafinowane ziarna zbóż, drożdże, wieprzowina, groch, fasola, mleko, orzechy i ryby.

WITAMINA B₂ (ryboflawina) - w organizmie człowieka powstają z niej aktywne formy: FMN i FAD, które są nieodzowną częścią kilku enzymów z grupy oksydoreduktaz (oksydaz i dehydrogenaz).
Objawami jej niedoboru są: zapalenie kącików ust, pękanie i złuszczanie się warg, zapalenie języka, łojotok, światłowstręt i pogorszenie ostrości wzroku.

Bardzo dobrymi, naturalnymi źródłami witaminy B₂ są: drożdże, wątroba, nerki, chude sery, grzyby, ryby, jaja, mleko, fasola i groch.

WITAMINA B₃ (niacyna) - zwana również witaminą PP, jest mieszanką dwóch substancji: kwasu nikotynowego i nikotynamidu. W organizmie ludzkim powstają z nich aktywne formy: NAD⁺ i NADP⁺, które są niezbędne do prawidłowego funkcjonowania wielu enzymów z grupy dehydrogenaz i reduktaz.
W przypadku niedoboru witaminy B₃ obserwujemy objawy choroby o nazwie "pelagra". Są to: osłabienie, utrata wagi, zaburzenia trawienia, zapalenie skóry, depresja i zaniki pamięci.

Bardzo dobrymi, naturalnymi źródłami witaminy B₃ są: drożdże, wątroba, serca, drób, ryby, ser, orzechy, fasola i groch. U ludzi, którzy spożywają duże ilości kukurydzy lub sorgo obserwuje się objawy niedoboru niacyny.

WITAMINA B₅ (kwas pantotenowy i pochodne) - w organizmie człowieka zostaje przekształcony do postaci aktywnej - acetylokoenzymu A (CoA-SH). Substancja ta bierze aktywny udział w reakcjach cyklu Krebsa, syntezy cholesterolu i syntezy kwasów tłuszczowych.
Objawy niedoboru obserwowane są bardzo rzadko, bo witamina B₅ występuje w świecie ożywionym powszechnie (stąd jej nazwa: pantotenowy, którą tłumaczyć można jako: "wszechobecny"). Do symptomów niedoboru zaliczamy: trudności z koncentracją, drażliwość, depresję, wypadanie włosów, uczucie pieczenia w nogach, przemęczenie i utratę apetytu.

Bardzo dobrymi, naturalnymi źródłami witaminy B₅ są: wątroba, otręby, kiełki pszenicy, nierafinowane ziarna zbóż, rośliny strączkowe, ser, orzechy, jajka, ziemniaki, awokado, pomarańcze i banany.

WITAMINA B₆ (pirydoksyna, pirydoksal, pirydoksamina) - w postaci aktywnej (ufosforylowanej) wchodzi w skład kilku enzymów ważnych w przemianach aminokwasów (transaminacje), a także związany jest z fosforylazą, która rozkłada glikogen - związek "magazynujący" glukozę.
W przypadku niedoboru witaminy B₆ (częstego u alkoholików) obserwujemy następujące objawy: zapalenie nerwów obwodowych, apatię, bezsenność, depresję, drażliwość i stany zapalne skóry.

Bardzo dobrymi, naturalnymi źródłami witaminy B₆ są: drożdże, otręby pszenne, mięso, ryby, drób, jajka, mleko, warzywa, orzechy i kiełki pszenicy.

WITAMINA B₁₂ (cyjanokobalamina) - związek o bardzo skomplikowanej strukturze, zawierający jon kobaltu. Produkowany jest wyłącznie przez drobnoustroje. Gra ważną rolę w biosyntezie glukozy i DNA. W wyniku jego niedoboru rozwija się u człowieka niedokrwistość złośliwa. Obserwuje się też inne objawy ze strony układu nerwowego: trudności z równowagą, rozdrażnienie, stany lękowe i depresyjne, kłopoty z pamięcią i drętwienie kończyn.
Dobrymi źródłami witaminy B₁₂ są: wątroba, serca, nerki, ryby, mleko i jaja.

WITAMINA C (kwas askorbinowy) - związek o działaniu antyutleniającym. Poza tym bierze udział w biosyntezie kolagenu, adrenaliny, kwasów żółciowych i sterydów kory nadnerczy.
Charakterystycznym skutkiem niedoboru witaminy C jest choroba: szkorbut (gnilec), objawiająca się obrzękiem dziąseł, chwiejącymi się zębami, krwotokami podskórnymi i osłabieniem mięśni.

Bardzo dobrymi, naturalnymi źródłami witaminy C są: owoc dzikiej róży, cytrusy, papryka, jabłka, porzeczki, maliny, jeżyny, szpinak, kapusta, kalafior, brokuły i cebula.

WITAMINA H (biotyna) - związek będący integralną częścią kilku enzymów z grupy karboksylaz, mających istotne znaczenie dla cyklu Krebsa oraz w biosyntezie glukozy i kwasów tłuszczowych.
W przypadku niedoboru witaminy H obserwujemy: depresję, halucynacje, bóle mięśniowe, wypadanie włosów, podwyższony poziom cholesterolu we krwi i zapalenie skóry.
Do niedoboru dochodzi jednak rzadko, bo biotyna syntetyzowana jest przez bakterie jelitowe.

Bardzo dobrymi, naturalnymi źródłami witaminy H są: wątroba, orzechy, drożdże, jaja, grzyby, szpinak, marchew i pomidory.

WITAMINA M (kwas foliowy) - w organizmie ludzkim ulega przekształceniu do formy aktywnej - tetrahydrofolianu. Substancja ta gra ważną role w metabolizmie, bo jest przenośnikiem grup jednowęglowych w biosyntezie aminokwasu - metioniny i w biosyntezie DNA.
Objawy niedoboru witaminy M są podobne do tych, które występują przy niedoborze witaminy B₁₂: niedokrwistość, rozdrażnienie, stany lękowe i depresyjne, kłopoty z pamięcią i koncentracją, bezsenność, bóle głowy i kołatanie serca.
Bardzo dobrymi, naturalnymi źródłami witaminy M są: warzywa liściaste, pomidory, groch, fasola, orzechy, drożdże, wątroba i jaja.

Cykl Krebsa

Cykl Krebsa, czyli cykl kwasu cytrynowego to cykl przemian metabolicznych, który przebiega w komórkach wszystkich organizmów oddychających tlenem. Został on odkryty w 1937 roku przez Hansa Krebsa i to od nazwiska tego biochemika bierze się jego nazwa.

Cykl Krebsa u eukariontów zlokalizowany jest wewnątrz mitochondriów - ważnych organelli komórkowych (u prokariontów przebiega w cytoplazmie). Składa się on z 9 etapów, katalizowanych przez 8 odrębnych enzymów (dwa etapy katalizuje ten sam enzym).
Zadaniem cyklu Krebsa jest utlenić związek o nazwie: acetylokoenzym A (acetylo-CoA) do 2 cząsteczek dwutlenku węgla (CO₂), a pozyskaną w tym procesie energię ulokować w chemicznych nośnikach energii: GTP, NADH i FADH₂.

Sumaryczny wzór cyklu Krebsa to:

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

Podczas jednego, pełnego obrotu cyklu Krebsa powstają 3 cząsteczki NADH, jedna cząsteczka FADH₂ i jedna cząsteczka GTP. Najbardziej wszechstronnym nośnikiem energii w komórce jest ATP. GTP jest łatwo zamieniany na ATP przez odpowiedni enzym. Natomiast NADH i FADH₂ biorą udział w mitochondrialnym łańcuchu oddechowym - przemianie, która zamienia energię tych zredukowanych związków na energię wiązań ATP. Niezbędnym uczestnikiem łańcucha oddechowego jest tlen.

Jedna cząsteczka NADH pozwala wyprodukować 3 cząsteczki ATP, a jedna cząsteczka FADH₂ - 2 cząsteczki ATP. Nietrudno więc obliczyć, że jeden pełny obrót cyklu Krebsa pozwala wytworzyć 12 cząsteczek ATP - uniwersalnego nośnika energii dla komórki (3 x 3 + 1 x 2 + 1 = 12).

Schemat całego cyklu przedstawiono poniżej (z pominięciem enzymów):

Acetylokoenzym A jest cząsteczką centralną dla metabolizmu tlenowców. Jest on produktem deaminacji wielu aminokwasów, cząsteczką końcową tzw. beta-oksydacji kwasów tłuszczowych, a także związkiem, w który przeprowadzany jest pirogronian - produkt glikolizy monocukrów.
A więc to dzięki tej "zbiorczej" cząsteczce, komórka może uzyskiwać energię zarówno z aminokwasów (składniki białek), jak i z tłuszczów i cukrów.
Zauważmy, że drugim substratem, do którego przyłączany jest acetylo-CoA na początku cyklu Krebsa, jest szczawiooctan. Ale mamy tu do czynienia z cyklem, czyli szczawiooctan jest także jednym z produktów końcowych. Cały cykl bierze zatem udział w utlenianiu acetylokoenzymu A, ale pozostaje on niezmienny dzięki swojej cykliczności (koniec przechodzi w początek). Jeśli coś uczestniczy w reakcji, a mimo to nie zmienia się, to jest to katalizator. A więc możemy traktować cały cykl Krebsa jak jeden, złożony katalizator.

Cykl mocznikowy

Ostatecznym produktem utlenienia cukrów i tłuszczów w komórce są: woda i dwutlenek węgla. W przypadku aminokwasów (składników białek) sprawa się komplikuje, bo zawierają one azot, więc powstają z nich także toksyczne jony amonowe (NH₄⁺).

Istnieją 3 grupy zwierząt, które różnią się sposobem radzenia sobie z kłopotliwymi jonami NH₄⁺:

• Organizmy amonioteliczne - wydalają niezmienione NH₄⁺. Jest tak u zwierząt wodnych, gdyż nie mają one problemu z dostępnością wody i mogą wydalać dużo niestężonego moczu lub wydalać przez skórę. Należą tu: ryby kostnoszkieletowe, bezkręgowce wodne, krokodyle.

• Organizmy ureoteliczne - wydalają mocznik. Potrzebują wiązać NH₄⁺ do związku mało toksycznego i rozpuszczalnego w wodzie, bo wskutek oszczędności wody, produkują zagęszczony mocz. Należą tu organizmy lądowe: niektóre płazy, ssaki (torbacze, łożyskowce).

• Organizmy urykoteliczne - wydalają kwas moczowy. Wiążą NH₄⁺ do związku praktycznie nierozpuszczalnego w wodzie, bo ich mocz prawie nie zawiera wody. Należą tu: owady, gady, ptaki.

Człowiek jest zwierzęciem ureotelicznym. Wydala azot głównie w postaci mocznika; w mniejszych ilościach produkuje też kwas moczowy, ale jest on wynikiem utleniania zasad purynowych, zawartych w DNA.

Komórki człowieka wiążą powstający w nich jon amonowy NH₄⁺ w mniej toksyczną glutaminę. Wyjątkiem są mięśnie, które neutralizują NH₄⁺ przeprowadzając go w alaninę. Obydwa produkty wydzielane są do krwioobiegu, który transportuje je do wątroby.

W wątrobie, glutamina i alanina "oddają" jony amonowe. Część tych jonów jest także przekształcana w asparaginian.
Cykl mocznikowy (cykl ornitynowy) to przemiana metaboliczna, zachodząca w komórkach wątroby (mitochondrium + cytoplazma), która ma za zadanie przekształcić jony NH₄⁺ i azot z asparaginianu w mocznik. Ten ostatni jest następnie wydalany z organizmu przez nerki jako ostateczny produkt wiązania trujących jonów amonowych.

Cykl mocznikowy został odkryty w 1932 roku przez Hansa Krebsa i Kurta Henseleita. Stąd jego inna nazwa: cykl Krebsa-Henseleita.

Sumaryczny wzór tego cyklu:

asparaginian + NH₄⁺ + CO₂ + 3ATP + 2H₂0 → mocznik + 2ADP + 2P_i + AMP + PP_i + fumaran

Schemat całego cyklu przedstawiono poniżej (z pominięciem enzymów):

Widać, że cykl mocznikowy wykorzystuje jako napęd cząsteczki ATP - uniwersalnego nośnika energii. A więc jest to cykl, który nie produkuje energii (jak np. cykl Krebsa), ale ją zużywa.

Naukowcy mają dowody mówiące, że czasami u niektórych zwierząt ureotelicznych mocznik nie jest wydalany z organizmu, ale z powrotem wykorzystywany do produkcji aminokwasów. W szczególnych przypadkach istnieje potrzeba "zamkniętego obiegu azotu w organizmie". Dzieje się tak np. u niedźwiedzi, które podczas zimowego snu nie wydalają moczu.

Cykle: pentozofosforanowy i Calvina -
optymalne rozwiązania ewolucyjne ?

Artykuł ten piszę zainspirowany lekturą dwóch znakomitych prac o optymalizacji metabolizmu. Pozwolę je sobie teraz zacytować:

MELANDEZ HEVIA, WADDEL T.G, MONTERO F Optimization of metabolism: The Evolution of Metabolic Pathways Toward Simplicity Through the Game of the Pentose Phosphate Cycle. Journal of Theoretical Biology (1994) 166, 201-220.
MELANDEZ HEVIA The Game of Pentose Phosphate Cycle. Journal of Teoretical Biology (1985) 117, 251-263.

Przypuszczalnie jest też trochę zbyt specjalistyczny, ale uznałem, że warto „promować” artykuły biologiczne ukazujące jak wiele ciekawych rzeczy można już dziś zrobić w biologii rozumiejąc dogłębnie podstawy i myśląc (a nie tylko wkuwając szczegółowe opisy struktur i procesów).
W artykułach powyższych zawarty został niezwykle oryginalny i błyskotliwy wywód pokazujący, że dwie ważne przemiany biochemiczne: cykl pentozofosforanów i cykl Calvina to rozwiązania optymalne i to nieprzypadkowo, gdyż to dzięki temu przetrwały one i możemy je teraz obserwować. To, co napiszę poniżej jest „lekkostrawnym” streszczeniem dwóch zacytowanych już, oryginalnych prac.

CYKL PENTOZOFOSFORANÓW

Przypomnijmy sobie najważniejsze cechy tej kluczowej przemiany biochemicznej (rysunek 1) :

• występuje u wszystkich organizmów (Procaryota i Eucaryota)

• dostarcza energii w postaci NADPH służącej do syntezy tłuszczów i nukleotydów

• dostarcza „strategicznego” składnika do syntezy RNA i DNA - rybozo-5fosforanu

Rys.1. Schemat cyklu pentozofosforanowego. C1 - dwutlenek węgla, C3 - gliceraldehydo-3fosforan, C4 - erytrozo-4fosforan, C5 - rybulozo-5fosforan, C5' - ksylulozo-5fosforan, C5'' - rybozo-5fosforan, C6 - glukozo-6fosforan, C7 -sedoheptulozo-7fosforan. Strzałki przerywane oznaczają więcej niż jedną reakcję enzymatyczną.

Zagrajmy teraz w grę. Celem naszym będzie otrzymanie za pomocą jak najmniejszej liczby posunięć rozkładu: po 6 kulek w 5 pudełkach startując z rozkładu: po 5 kulek w 6 pudełkach. Reguły gry: za jednym ruchem można pobierać dowolną liczbę kulek.
Schemat rozwiązania optymalnego przedstawia rysunek 2.

Rys.2. Optymalne rozwiązanie dla przejścia rozkładu po 5 kul w 6 pudełkach do rozkładu po 6 kul w 5 pudełkach za minimalną liczbą posunięć.

Zmieńmy teraz reguły gry. Za jednym posunięciem można pobierać dowolną liczbę kul z wyjątkiem jednej. Teraz schemat rozwiązania optymalnego wygląda jak na drugim rysunku:



Rys.3. Optymalne rozwiązanie dla przejścia rozkładu po 5 kul w 6 pudełkach do rozkładu po 6 kul w 5 pudełkach za minimalną liczbą posunięć (za jednym ruchem nie można pobrać 1 kulki).

Można łatwo zauważyć, że schemat ten obrazuje w sposób abstrakcyjny fazę regeneracji pięciu cząsteczek cukru sześciowęglowego z sześciu cząsteczek cukru pięciowęglowego w cyklu pentozofosforanowym. Widzimy więc, że przyroda wybrała najmniejszą liczbę posunięć w grze o specyficznych regułach, które zmusiły ją do pobierania 2 lub 3 kulek.
Dlaczego jednak takie były reguły gry? I dlaczego tak ważna była minimalna ilość posunięć? Dlaczego cykl o większej liczbie przemian, np. ten pokazany poniżej nie był faworyzowany przez dobór ?
Zanim odpowiemy sobie na te pytania musimy wyjaśnić pewne istotne zagadnienie. Zawsze gdy mówimy optymalny czyli najlepszy musimy spytać się pod jakim względem. Jest to pytanie o kryteria.



Rys.4. Przykład rozwiązania nieoptymalnego przy regułach zawartych w opisie z rys.3.

Autorzy wymienionych prac podają sensowne kryterium optymalizacji: maksymalny wypływ produktów w jednostce czasu.

Najprawdopodobniej komórka - przodek wszystkich Procaryota i Eucaryota posiadała już zoptymalizowany cykl pentozofosforanów - ten który istnieje do dziś (bo wszystkie one go teraz mają). Zanim została jednak wyselekcjonowana możliwe było istnienie komórek o dłuższych cyklach pentozofosforanowych, np. o takim jak zaraz powyżej . Przegrały one dlatego, że - jak udowadniają autorzy - cykle o większej liczbie przemian zawsze dają mniejszy wypływ produktów w jedn. czasu (zakładając że działają w nich te same enzymy co te z cykli krótszych). Zobrazujmy to zjawisko przystępnie. Aby zaszła większa liczba reakcji musi spotkać się ze sobą większa liczba cząsteczek, co wymaga dłuższego czasu. W jednostce czasu objawi się to więc mniejszym wypływem produktu reakcji. W konkurencji między komórkami na pewno ważna była maksymalizacja otrzymanego produktu w jedn. czasu, gdyż jak wiemy cykl pentozofosforanów służy do otrzymywania energii. W konsekwencji cykle krótsze będą dawać więcej energii w jedn. czasu i dawać przewagę selekcyjną komórkom, na których obszarze przebiegają (gdyż np. będą one dzięki temu mogły częściej się dzielić). Kryterium postawione przez autorów jest zatem istotne ewolucyjnie, a co za tym idzie - najlepsze rozwiązanie spełniające je z najwyższym prawdopodobieństwem przetrwa.
Autorzy obliczyli liczbę reakcji dla całego cyklu pentozofosforanów (czyli uwzględnił też przemiany przed regeneracją 6C5 → 5C6). Liczy on 20 przemian / jeden obrót. Cykl oparty na schemacie z rysunku 2 liczyłby natomiast tylko 18 przemian /jeden obrót czyli mniej.
Dlaczego więc nie wygrał jeszcze krótszy cykl ? Czy reguły gry z przenoszeniem 1 kulki (czyli jednostki jednowęglowej) są w przyrodzie zabronione?
Autorzy udowodnili, że nie są. Wykazali jednak również, że enzymy przenoszące jednostkę jednowęglową zawsze będą mało specyficzne, czyli oprócz reakcji z rysunku pierwszego będą w stanie przeprowadzać inne. Wystąpi więc konkurencja o substrat między reakcjami pożądanymi i niepożądanymi. Obniży to w konsekwencji wypływ produktu z reakcji pożądanej. Wykazano natomiast, że enzymy pobierające jednostki 2 i 3-węglowe potrafią być bardzo specyficzne. Te uczestniczące w reakcjach na rysunku drugim są tak wyselekcjonowane, że potrafią przeprowadzać tylko te reakcje. Nie może więc zachodzić np. przemiana C3 + C5 → C8, która należy do cyklu dłuższego i której przeprowadzenie obniżyłoby wypływ produktu. Cykl najkrótszy przegrał więc dlatego, że istnieje cykl trochę dłuższy mający za to skanalizowane, tylko takie jak na schemacie przemiany substratów.
To cykl pentozofosforanów obserwowany obecnie jest zatem optymalnym rozwiązaniem ewolucyjnym!

CYKL CALVINA TEŻ ?

Cykl Calvina powstał na drodze ewolucji z cyklu pentoz. Występuje on u roślin i jest częścią procesu fotosyntezy, która nie wymaga obecności światła (fazy ciemnej). Dzięki niemu roślina jest w stanie produkować cukry z dwutlenku węgla i związków niosących energię: ATP i NADPH. W wyniku jednego obrotu cyklu powstaje fosforan cukru sześciowęglowego a skomplikowany system reakcji służy do regeneracji wyjściowych 6 cząsteczek cukru pięciowęglowego. I wtedy kółko się zamyka (rys. 5).



Rys.5. Schemat cyklu Calvina. C1 - dwutlenek węgla, C3 - gliceraldehydo-3fosforan, C3' - fosfodihydroksyaceton, C4 - erytrozo-4fosforan, C5 - rybulozo-1,5bisfosforan, C5' - ksylulozo-5fosforan, C5'' - rybozo-5fosforan, C5''' - rybulozo-5fosforan, C6 - fruktozo-6fosforan, C7 -sedoheptulozo-7fosforan. Strzałki przerywane oznaczają więcej niż jedną reakcję enzymatyczną.

Zauważmy, że w przeciwieństwie do cyklu Calvina, gdzie 6 cząsteczek C5 przyłącza 6 cz.C1 aby utworzyć 1 cz. C6 i potem się zregenerować, w cyklu pentozofosforanów 6 cząsteczek C6 rozbijane jest na 6 cz. C1 i 6 cz. C5 aby te ostatnie zregenerowały się do 5 cząstek C6. Rozpada się 1 cz. C6 na jeden obrót z wydzieleniem energii. Jest to więc cykl kataboliczny. W cyklu Calvina natomiast syntetyzowana jest jedna cząstka C6 na jeden obrót z pochłonięciem energii. Mówimy wtedy że cykl jest anaboliczny.

Hevia udowodnił, że optymalny jest również cykl Calvina. Dokonał tego za pomocą rozważań analogicznych do tych dla cyklu pentoz.
Schemat optymalnego rozwiązania gry pokazany jest poniżej. W co jednak w tym przypadku grała ewolucja? Również w kulki! A chodziło o to aby za pomocą jak najmniejszej liczby ruchów otrzymać rozkład: 6 kulek w jednym pudełku i po 5 kulek w 6 pudełkach startując z rozkładu: po 3 kulki w 12 pudełkach. Sprawdzenie tego pozostawiam Tobie.



Rys.6. Optymalne rozwiązanie dla przejścia rozkładu po 3 kule w 12 pudełkach do rozkładu po 5 kul w 6 pudełkach i 6 kul w jednym pudełku za minimalną liczbą posunięć (za jednym ruchem nie można pobrać 1 kulki).

ZAKOŃCZENIE

Nie chciałbym jednak, aby przy lekturze tego zagadnienia powstało przekonanie, że wszystkie rozwiązania ewolucyjne są optymalne. Optymalne czyli najlepsze jakie mogą być przy danych kryteriach. W przypadku rozwiązań na skalę subkomórkową (np. przemian biochemicznych) jesteśmy jeszcze w stanie podać kryteria i w sposób wręcz ścisły przeprowadzić rozważanie prowadzące do wniosku czy może być lepiej czy rozwiązanie jest już zoptymalizowane. Tak się złożyło, że ewolucja doprowadziła w przypadku cyklu pentozofosforanów i cyklu Calvina do wyselekcjonowania wariantów optymalnych w sensie: idealnych.
Jeśli jednak chodzi o obserwację rozwiązań ponadkomórkowych, bardziej złożonych - to sprawa znacznie się komplikuje. Weźmy np. gatunek lwa. Nawet jeśli jesteśmy w stanie podać kryteria ( np. ilość wydanego potomstwa w jedn. czasu ), nie pozwolą nam one sprawdzić czy ten obecnie żyjący gatunek przeszedł już samego siebie w swoim środowisku, czy możemy sobie jednak wyobrazić jakiegoś superlwa, który przewyższa tego realnego. My po prostu nie wiemy jak opisać tak złożony organizm, jakim byłby superlew (dane do rozważań), aby w sposób ścisły i nie pozostawiający żadnych wątpliwości pokazać, że przebywając w niszy lwa wyda on więcej potomstwa.
Istnieje dość znany przykład amerykańskich wiewiórek szarych introdukowanych w Anglii. Żyjące tam wcześniej w swej niszy stabilnie angielskie wiewiórki zostały wyparte przez swe amerykańskie kuzynki, gdyż zwyciężczynie potrafią trawić toksyny żołędzi - więc mogą zjeść ich więcej i wydać więcej potomstwa.
Wszystko co możemy zatem teraz powiedzieć to stwierdzić, że lew jest rozwiązaniem optymalnym ale w sensie: teraz nie ma lepszego. Czy wynika to z faktu, że wszystkie inne hipotetyczne gatunki radziłyby sobie w niszy lwa gorzej, czy może z tego, że istnieją gatunki hipotetyczne, które radziłyby sobie lepiej, lecz jeszcze nie powstały?
Tego nie jesteśmy w stanie stwierdzić. Na tak trudne pytania może odpowiedzieć tylko sama Natura.

---