Zrozumienie pH
2
Dlaczego zrozumienie teorii kwasowo-zasadowej tak wielu stu- w 1962 roku Creese i jego współpracownicy napisali w  The Lan-
dentom sprawia trudność? cet :  Różnorodność pseudonaukowego żargonu dotycząca tego te-
Tajemniczy żargon stosowany w teorii kwasowo-zasadowej budzi matu jest zadziwiająca . Trudności rosną z powodu anachronicznej
zdziwienie. nomenklatury, którą można zilustrować następującym dialogiem:
Teoria kwasowo-zasadowa często jest uważana za trudny problem.
Wyjaśnia ona pojęcie kwasów i ich zdolności do dysocjacji na
sprzężoną zasadę i jony wodorowe H+ (które są  protonami ). Już
Kwas mlekowy całkowicie dysocjuje przy obojętnym pH krwi
Pacjent na intensywnej terapii z kwasicÄ… mleczanowÄ… pH 7,15
i powstaje sprzężona zasada  mleczan z protonem (H+).
ma 5,4 mmol/l mleczanu we krwi tętniczej. Jaka jest różnica
(Profesor napisał wzory na odwrocie koperty)
między kwasem mlekowym a mleczanem?
COOH COO
Student Profesor
CHOH CHOH + H+
CH3 CH3
Och, jeśli kwas mlekowy jest prawie całkowicie zdysocjowany,
to niewielkie ilości kwasu mlekowego są obecne kwas mlekowy mleczan + proton
we krwi w kwasicy mleczanowej?
Student
Tak, dobrze. Dla pH 7,15 równanie Hendersona-Hasselbacha pokazuje, że z każdej cząsteczki kwasu mlekowego
otrzymujemy 2000 cząsteczek mleczanu (zobacz rozwiązanie profesora poniżej). [B ]
pH = pK + log  
[HB]
mleczan
Dla pH 7,15 przy uwzględnieniu, że pK dla kwasu mlekowego wynosi 3,85, mamy: 7,15 = 3,85 + log        
kwas
mlekowy
Profesor
mleczan mleczan
log            = 7,15  3,85 = 3,30 obliczajÄ…c            = 103,3 = 2000
kwas mlekowy kwas mlekowy
tzn., że przy pH 7,15 prawie 2000 cząsteczek mleczanu przypada na każdą cząsteczkę kwasu mlekowego,
Dobrze, więc jest to podwyższone
co proporcjonalnie stanowi niewiele, bo 0,05%.
stężenie sprzężonej zasady
mleczanu, który jest obecny w krwi?
Tak, dobrze
Student
Profesor
I to jest to podwyższone stężenie
mleczanu, które jest potencjalnie
śmiertelne?
Nie. W rzeczywistości mleczan jest  dobrą cząsteczką.
Jest ona użytecznym prekursorem glukoneogenezy.
Student
Natomiast podwyższone stężenie protonów jest szkodliwe.
Och, rozumiem&
im wyższe stężenie protonów, Profesor
tym niższe pH.
Właśnie, ponieważ pH jest ujemnym logarytmem przy podstawie
Student
10 ze stężenia jonów wodorowych (tj. protonów).
Profesor
(czując nadchodzące zwycięstwo). To znaczy, jeżeli mówimy,
że krew tętnicza jest zakwaszona, oznacza to paradoksalnie,
że występuje w niej bardzo mało kwasu& Dlatego czyż nie Hmmm, cóż&
byłoby lepiej nazwać ją roztworem  hiperprotonicznym ?
Niezupełnie.
Student
Profesor
Więc w tak zwanej kwasicy mleczanowej mamy nadmiar
sprzężonej zasady, mleczanu i protonu generowanych
w czasie dysocjacji, tj. nieobecność kwasu mlekowego&
Nie byłoby lepiej dokładnie nazwać te warunki Dobrze, przypuszczam jednak,
 hiperprotonemią mleczanową ? że to nigdy się nie przyjmie!
Student
Profesor
14 Zrozumienie pH
glukozo-
glukoza
-6-fosforan
Dysocjacja kwasu mlekowego
ATP ADP
Ryc. 2.1 pokazuje, jak proporcja mleczan/kwas mlekowy zmienia
się wraz ze zmianą pH. Kiedy stężenie mleczanu i kwasu mleko-
fruktozo-
wego jest identyczne (czyli stosunek stężeń wynosi 1), pH jest -6-fosforan
równe pK dla kwasu mlekowego i wynosi 3,85.
ATP
Glikoliza
ADP
2 000
mleczan fruktozo-1,6-
      =   
-bis-fosforan
1
kwas mlekowy
7,85
pH = 7,15
6,85
fosforan aldehyd
dihydroksyacetonu 3-fosfoglicerynowy
5,85
NAD+ Pi
4,85
pK kwasu mlekowego = 3,85 H2O
NH3
pH
NADH+H+
3,85
nerka 1,3-bis-fosfoglicerynian
CO2
2,85 ADP
1,85
H+
ATP
3-fosfoglicerynian
0,85
1 1 1
1 10 100 1000
  
1 1000 100 10
10 000
 2-fosfoglicerynian
10 000
NH4+
mleczan
HCO3
stosunek      
kwas mlekowy
wodorowęglan H2O
fosfoenolopirogronian
ADP
Ryc. 2.1. Zależność pomiędzy dysocjacją kwasu mlekowego i pH poka-
zuje, jak stosunek mleczan/kwas mlekowy zmienia siÄ™ wraz ze zmianÄ… pH.
ATP
Kiedy stosunek jest równy 1, pH równa się pK dla kwasu mlekowego
COO COO-
(pK = 3,85)
HCOH C O
NAD+ NADH+H+
CH3 CH3
H+ + mleczan pirogronian
dehydrogenaza
mleczanowa
Kwas mlekowy i bufor węglanowy
Poniższą demonstrację można przeprowadzić w warunkach domo-
[H2CO3]
wych. Wystarczy wykonać ćwiczenie wywołujące wysiłek beztle-
kwas węglowy
nowy, polegające na wbieganiu pod górę tak szybko, jak to
spontanicznie
możliwe, aż do utraty oddechu. W tym czasie poprzez beztlenową
H2O
glikolizę twoje mięśnie wytwarzają kwas mlekowy, który dysocjuje
na mleczan i proton [H+] (ryc. 2.2)! . Protony muszą być usunięte,
dochodzi do tego w momencie, gdy wodorowęglan reaguje z [H+],
CO2
tworząc kwas węglowy, który spontanicznie rozpada się na wodę
ditlenek węgla
i CO2. Wzrost stężenia CO2 stymuluje płuca do hiperwentylacji,
aby mogły one pozbyć się nadmiaru CO2.
CO2
! Wytwarzanie protonów towarzyszące powstawaniu mleczanu pokazane na
ryc. 2.2 nie zostało przedstawione zbyt czytelnie; nie jest ono jasno wyjaś-
nione (prawdopodobnie) w większości podręczników. Czytelnicy, którzy
nie są usatysfakcjonowani tradycyjnym (ale niepoprawnym) wyjaśnieniem
powstawania protonów, powinni przeczytać: Robergs R.A., Ghiasvand F.,
Ryc. 2.2. Kwas mlekowy i pH homeostazy przy udziale buforu wodoro-
Parker D, (2004) Biochemistry of exercise  induced acidosis Am J Physiol
węglanowego. Bufor wodorowęglanowy usuwa protony [H+] tworzone pod-
Regula Integr Comp Physiol 287, R502 R516.
czas glikolizy beztlenowej. Protony sÄ… usuwane w postaci wody, podczas
gdy CO2 jest wydalany przez płuca
Zrozumienie pH 15
Stymulowane glukozÄ… wydzielanie
26
²
insuliny z komórek ²
glukokinaza
glukozo-
glukoza glukoza
-6-fosforan
ATP łańcuch B
ADP
H+ MODY2
mostek
| |
fruktozo- S S
(mutacja inaktywujÄ…ca)
-6-fosforan | | disulfi-
S
1 ATP
PHHI
łańcuch AS
| | dowy
GLUT2 Glukoza jest
(mutacja aktywujÄ…ca)
ADP
S S
metabolizowana fruktozo-
-1,6-bis-fosforan
do ATP
łańcuch C
fosforan aldehyd
dihydroksyacetonu 3-fosfoglicerynowy
proinsulina
NAD+ Pi
NADH+H+
NADH+H+
1,3-bis-fosfoglicerynian
glikoliza
ADP
proteaza
ATP
3-fosfoglicerynian
peptyd C
ziarnistość
cytozol
2-fosfoglicerynian
łańcuch B
wydzielnicza
| |
H2O
S S
fosfoenolopirogronian | |
ADP S
łańcuch AS
| |
ATP
S S
pirogronian
insulina
przenośnik przenośnik
pirogronianowy pirogronianowy
CoASH
mitochondrium
CO2
NADH+H+
acetylo-CoA
NAD+
szczawio-
jabłczan
cytrynian
octan
H2O
CoASH
NADH+H+
H2O H2O
[cis-akonitan]
H2O
fumaran
izocytrynian
cykl Krebsa
Mg2+
FADH2 CO2
CO2
NADH
FAD
bursztynian bursztynylo-CoA Ä…-ketoglutaran +H+
NAD+
CoASH CoASH
GTP GDP NADH+H+
NAD+ FADH2 ADP
nieaktywna synaptotagmina
łańcuch oddechowy
2
Stężenie ATP wzrasta
ATP
i zamyka ATP-zależne
kanały potasowe
3
K+ aktywna synaptotagmina
PNDM
Zamknięcie kanału K+
Ca2+
(mutacja
Spolaryzo-
przyczynia siÄ™ do de- 4
Kanał
aktywujÄ…ca)
wany po- polaryzacji błony
Ca2+ aktywuje synaptotagminÄ™,
K+ -ATP
PHHI
pozwalajÄ…cej na
tencjał spo- która pomaga ziarnistościom
(mutacja
dopływ jonów Ca2+
wydzielniczym łączyć się z błonami
czynkowy inaktywujÄ…ca)
X plazmatycznymi i wydzielać insulinę
                + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
kanał
wapniowy
typu L
+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +
5
łańcuch B
Aktywacja receptora
| |
S S
sulfonylomocznikowego | |
S
łańcuch AS
| |
PHHI (SUR1) przez pochodne
Pochodne sulfonylo-
(mutacja sulfonylomocznika zamyka mocznika stymulujÄ…
S S
ATP-zależne kanały K+
aktywujÄ…ca)
K+ wydzielanie insuliny Ca2+ insulina
Ryc. 26.1. Metabolizm glukozy dostarcza ATP, który inicjuje wydzielanie insuliny z komórek ² trzustki
Å‚
a
Å„
c
u
c
h
C
p
e
p
t
y
d
C
Tab. 26.1. Metabolizm glukozy prowadzi do powstania ATP, który inicjuje wydzielanie insuliny w komórkach ² trzustki, zobacz ryc. 26.1
1. Glukoza dociera do komórek ² dziÄ™ki transporterowi glukozy GLUT2 i jest fosforylowana poprzez glukokinazÄ™, po czym podlega procesom
metabolizmu w glikolizie, cyklu Krebsa i łańcuchu oddechowym, które prowadzą do powstania ATP.
2. Kiedy stężenie ATP wzrasta, zamykane są kanały potasowe wrażliwe na ATP.
3. W spoczynku błona osocza jest spolaryzowana i od wewnątrz posiada ładunek ujemny (tzw. potencjał spoczynkowy). Kiedy kanały potasowe
są zamknięte przez ATP, jony K+(o ładunku dodatnim) gromadzą się i zobojętniają ładunki ujemne po wewnętrznej stronie błony i tym samym
dokonuje się jej depolaryzacja. Depolaryzacja uaktywnia kanały wapniowe, powodując napływ jonów Ca2+.
4. Jony Ca2+ uaktywniają synaptotagminę, która pomaga w fuzji ziarnistości wydzielniczych zawierających insulinę z błoną komórkową, po czym
insulina jest wydzielana na zewnÄ…trz komórki ².
5. Zespół Kir6.2/SUR1. Pochodne sulfonylomocznika (np. glibenklamid, gliklazyd, tolbutamid) łączą się z SUR1 (ang. sulphonylurea receptor),
w wyniku czego zamykane są kanały KATP (Kir6.2), błona ulega depolaryzacji i wydzielana jest insulina.
²
Metabolizm komórki ² Struktura czÄ…steczki insuliny
Komórki ² sÄ… komórkami wysp Langerhansa w trzustce, które pro- Proinsulina jest gromadzona w komórkach ² i jest przetwarzana
dukują, przechowują i wydzielają insulinę. Insulina jest wydzielana w insulinę w ziarnistościach wydzielniczych przy udziale proteaz.
po posiłku i według teorii dotyczących paliwa metabolicznego jest Proteolityczne odszczepienie łańcucha C prowadzi do powstawania
to zwiÄ…zane z metabolizmem glukozy w komórkach ², gdzie jed- aktywnej insuliny, tzn. dimeru Å‚aÅ„cuchów A i B.
nocześnie produkowany ATP staje się biochemicznym stymulato-
Tab. 26.2. Wrodzone wady metabolizmu komórek ²
rem wydzielania insuliny. I tak gdy następuje wchłanianie pokarmu
zawierającego węglowodany, wzrastająca ilość glukozy ulega zme-
Glukokinaza: Nadaktywność glukokinazy powoduje
tabolizowaniu do ATP, co powoduje wydzielanie proporcjonalnie
heterozygotyczność, nadmiernie wysoki metabolizm glukozy
większej ilości insuliny.
mutacja aktywujÄ…ca w komórkach ², który skutkuje nadmiernym
Kilka kroków opisanego procesu zostało podsumowanych w ta-
wydzielaniem insuliny, i przetrwałą
beli 26.1 (odnoszÄ…cej siÄ™ do ryc. 26.1).
hipoglikemiÄ™ hiperinsulinemicznÄ… (PHHI)
u noworodków.
²
Wrodzone wady metabolizmu komórek ²
Glukokinaza: Gdy glukokinaza jest mniej aktywna,
mogą powodować nadmierne lub
heterozygotyczność, to powoduje zmniejszenie metabolizmu
niewystarczajÄ…ce wydzielanie insuliny
mutacja glukozy w komórkach ², awnastÄ™pstwie
SÄ… one rzadkimi przypadkami wad wrodzonych, powodujÄ…cymi od-
dezaktywujÄ…ca tego  zmniejszenie wydzielania insuliny
powiednio hipoglikemiÄ™ lub hiperglikemiÄ™.
i cukrzycÄ™ typu MODY 2.
Kir6.2: Kanały potasowe KATP są stale otwarte
Nadmierne wydzielanie insuliny
heterozygotyczność, (aktywne), co zapobiega wydzielaniu insuliny
Nadmierne wydzielanie insuliny powoduje przetrwałą hipoglike-
mutacja aktywująca i powoduje przetrwałą cukrzycę noworodków
mię hiperinsulinemiczną (PHHI). PHHI pojawia się u pacjentów
(PNDM, ang. permanent neonatal diabetes
z mutacją genu glukokinazy (GCK). PHHI pojawia się również
mellitus). Ostatnie badania pokazują, że
przy mutacji genów kanałów potasowych Kir6.2 (tab. 26.2, ryc.
pacjenci (którym podawano insulinę) reagują
26.1).
na terapiÄ™ pochodnymi sulfonylomocznika.
Kir6.2: Kanały potasowe KATP są stale zamknięte
NiewystarczajÄ…ce wydzielanie insuliny
heterozygotyczność, (nieaktywne), co powoduje ciągłe
Cukrzyca typu MODY (ang. maturity onset diabets of the young) jest
mutacja wydzielanie insuliny powodujące przetrwałą
Å‚agodnÄ… formÄ… cukrzycy powodowanÄ… mutacjÄ… genu kodujÄ…cego
dezaktywujÄ…ca hipoglikemiÄ™ hiperinsulinemicznÄ… (PHHI)
glukokinazÄ™ lub czynnikami transkrypcyjnymi regulujÄ…cymi syntezÄ™
SUR1: Aktywna mutacja SUR1 stymuluje ciągłe
i wydzielanie insuliny.
heterozygotyczność, zamykanie kanałów potasowych KATP,
Utrwalona cukrzyca noworodków (PNDM, ang. permanent neo-
mutacja powodując stałe wydzielanie insuliny i PHHI.
natal diabetes mellitus) występuje zwykle w ciągu 6 miesięcy od na-
aktywujÄ…ca
rodzenia i dotychczas, aby ratować życie pacjentów, leczono ich
insuliną. Jednakże ostatnio okazało się, że około 30% z tak leczo- Mutacja
nych noworodków ma mutację uaktywniającą genu kodującego dezaktywująca dla
podjednostkę Kir6.2 kanału potasowego KATP*. Takie mutacje SUR1 nie została
skutkujÄ… niewystarczajÄ…cym wydzielaniem insuliny i w konsekwen- opisana
cji PNDM (tab. 26.2, ryc. 26.1).
* Gloyn A.L., Pearson E.R., Antcliff J.F. et al. (2004) Activating
mutations in the gene encoding the ATP-sensitive potassium-chan-
nel subunit Kir 6.2 and permanent neonatal diabetes. N Eng J
Med 350, 1838 49.
Stymulowane glukozÄ… wydzielanie insuliny z komórek ß 63
Wchłanianie i usuwanie triacylogliceroli
42
i cholesterolu pokarmowych przez chylomikrony
sole
kwasów lipaza
Z W
TROBY PRZEZ
żółciowych trzustkowa
DROGI ŻÓA
CIOWE
Orlistat
 hamuje lipazÄ™
jelito cienkie
lipaza
trzustkowÄ…
trzustkowa
triacyloglicerole
kwasy + glicerol
(TAG) pokarmowe
tłuszczowe
cholesterol
pokarmowy
ABC  transporter
reestryfikacja
cholesterolu
w enterocytach
cholesterol estry cholesterol TAG
ACAT
cholesterolu
Sterole i stanole roślin-
acylo-CoA CoASH
ne (obecne w niektórych
margarynach)
układ
hamujÄ… transport
cholesterolu, zapobie-
chłonny
Inhibitory ACAT wykazują własności
gając wchłanianiu
leków obniżających stężenie cholesterolu
tego sterolu z jelita
B
48
Ryc. 42.1. Wchłanianie i losy triacyloglicerolu i cholesterolu pokarmowych
Wchłanianie triacylogliceroli pokarmowych dzielane przez enterocyty do dróg chłonnych, które tworzą ostatecz-
Triacyloglicerole pokarmowe po przejściu przez żołądek trafiają do je- nie przewód piersiowy. Przewód ten łączy się z lewą i prawą żyłą pod-
lita, gdzie są emulgowane w obecności soli kwasów żółciowych. Wy- obojczykową w klatce piersiowej.
dzielana do jelita lipaza trzustkowa hydrolizuje triacyloglicerole do
kwasów tłuszczowych i glicerolu, a te są następnie wchłaniane przez Wykorzystanie triacylogliceroli
komórki jelita i reestryfikowane do triacylogliceroli. Podróż chylomikronów we krwi trwa do momentu, gdy dotrą do naczyń
włosowatych, gdzie przyłączają do siebie cząsteczki apoC2 i apoE po-
Jelitowe wchłanianie cholesterolu chodzące z HDL. Po dotarciu do tkanek docelowych wiążą się do lipazy
Cholesterol pokarmowy jest wchłaniany za pośrednictwem jelitowych lipoproteinowej i ujemnie naładowanych proteoglikanów (na powierzchni
ABC transporterów cholesterolu (rozdział 41). Już wewnątrz komór- śródbłonka tych naczyń, przyp. tłum.). Lipaza lipoproteinowa jest akty-
ki cholesterol jest estryfikowany przez acylotransferazę acylo-CoA- wowana przez apoC2 i hydrolizuje TAG do kwasów tłuszczowych i gli-
-cholesterol (ACAT) do hydrofobowych estrów cholesterolu. Ta reakcja cerolu. Dalsze losy kwasów tłuszczowych zależą od rodzaju tkanki doce-
ułatwia i zwiększa wchłanianie cholesterolu i jest prawdopodobnie ko- lowej. W tkance tłuszczowej są reestryfikowane znów do TAG, które są
rzystna dla osób pozbawionych możliwości spożywania żywności bogatej odkładane jako materiał zapasowy. W mięśniach natomiast kwasy tłusz-
w cholesterol, jak np. mięso. Niestety, mechanizm ten nie jest korzystny czowe mogą zostać wykorzystane jako materiał energetyczny.
dla osób spożywających dużo cholesterolu w diecie. Ale margaryny
wzbogacone w sterole roślinne mogą być używane do zahamowania je- Wykorzystanie cholesterolu
litowego wchłaniania cholesterolu i obniżania stężenia cholesterolu we Rozpad chylomikronów spowodowany działaniem lipazy lipoprote-
krwi. Trwają badania zmierzające do wykorzystania inhibitorów ACAT inowej powoduje uwolnienie pewnych ilości cholesterolu. Jest on
jako nowych leków obniżających stężenie cholesterolu w surowicy. Eze- uprzątany przez cząstki HDL, które transportują cholesterol do wą-
tymib jest nowym lekiem, który hamuje wchłanianie cholesterolu i któ- troby, gdzie ulega on przemianie do kwasów żółciowych.
rego mechanizm działania nie został do końca poznany. Dodatkowe informacje na ten temat w: Fray K.N. (2003) Metabolic
regulation: a human perspective, 2nd ed. Blackwell Publishing, Oxford.
Chylomikrony
Triacyloglicerole i estry cholesterolu zamykane są pod płaszczem fos-
folipidów i apoB48 i tworzą tzw. natywne chylomikrony. Są one wy-
94 Wchłanianie i usuwanie triacylogliceroli i cholesterolu pokarmowych przez chylomikrony
Tkanki obwodowe.
HDL usuwa nadmiar
cholesterolu z komórek
zwrotny transport
HDL
cholesterolu do wÄ…troby
(dojrzałe)
ubogie w lipidy
czÄ…steczki
A1 C2 A1 C2
A1 C2
zawierajÄ…ce ApoA1
LCAT jest aktywowana
DO W
TROBY PRZEZ
przez ApoA1 w HDL.
T
TNICE W
TROBOWE
LCAT usuwa wolny receptor HDL
HDL oddaje
lizofosfatydy-
reduktaza
cholesterol poprzez
ApoC2 i E
albuminy
locholina cholesterol
HMG-CoA
tworzenie jego estrów
do powstajÄ…cych A1 LCAT
osocza
(rozdziały
lecytyna
w czÄ…stkach HDL
chylomikronów
10 i 38)
(fosfatydylocholina)
( dobry cholesterol )
jÄ…dro
Synteza reduk-
tazy HMG-CoA
wolny
(niedojrzałe) HDL
A1 A1
i receptorów
cholesterol cholesterol
Lipaza lipoproteinowa
LDL jest regu-
Tkanki obwodowe.
aktywowana jest przez ApoC2
lowana przez
HDL usuwa nadmiar
C2
i stymulowana przez insulinÄ™
SREBP-2
cholesterolu z komórek
niski cholesterol
Typ 4 aminokwasy
wysoki cholesterol
receptor
kwasy
hiperlipidemii
HDL oddaje tłuszczowe
resztek
glicerol
ApoA1, C2 i E
chylomi-
do chylomikronów kronów
A1 C2
degradacja
lipaza lipo-
naczynie
proteinowa
cholesterol
Typ 3
włosowate
hiperlipidemii. wÄ…troba
Typ 5 hiperlipidemii.
kwasy
Nieprawidłowa ApoE
Cukrzyca
żółciowe
Typ 1 hipercholesterolemii.
Deficyt lipazy lipoproteino-
przez drogi przez żyłę
wej, deficyt ApoC2
żółciowe wrotną
fibraty,
glicerol
np.
gemfibrozyl,
sole
aktywujÄ…
kwasów
lipazÄ™
krążenie
żółciowych
lipoproteinowÄ…
wÄ…trobowo-jelitowe
kwasów żółciowych
TKANKA TA
USZCZOWA.
Reestryfikowane
kwasy
z glicerolem
tłuszczowe
i odkładane jako TAG
jelito cienkie
RÓŻNE TKANKI.
MI
ÅšNIE.
wydalanie
Synteza
Dostarczanie
z kałem
fosfolipidów
energii
błonowych
Cholestyramina,
cholestipol.
Żywice jonowymienne
Tkanki docelowe (obwodowe)
wiążą sole kwasów żółcio-
wych i wydalane są z kałem
Wchłanianie i usuwanie triacylogliceroli i cholesterolu pokarmowych przez chylomikrony 95
E
E
E
E
B
8
4
B
E
4
8