dr Henryk Różański
Naturalne substancje anaboliczne
 
 
Home
Metabolica
Fitosterole
Saponiny
Linki
 

Wstęp

Metabolizm, czyli przemiana materii


Metabolizm jest to całokształt reakcji biochemicznych zachodzących w komórkach organizmu, związany z przepływem materii, energii i informacji, zapewniający organizmowi wzrost, ruch, rozmnażanie, wrażliwość i pobudliwość.

Istnieją dwa kierunki przemian metabolicznych: anabolizm i katabolizm.

Anabolizm (asymilacja, przyswajanie, synteza) obejmuje reakcje syntezy (biosyntezy) związków organicznych (złożonych) ze związków prostych (substraty). Reakcje te wymagają dostarczenia energii, w wyniku czego w produktach gromadzi się więcej energii niż jest zawarte w substratach. Do podstawowych reakcji anabolicznych zalicza się biosyntezę białek, tłuszczów i cukrów.

substrat -----> ATP ---> ADP -----> produkt
energia

Ogromną rolę w przemianie materii pełni ATP (adenozynotrójfosforan = adenozynotrifosforan, kwas adenozynotrójfosforowy). Udział ATP w składzie chemicznym organizmu wynosi 0,5%. Jest to związek zbudowany z adeniny (A), rybozy (R) i 3 reszt kwasu fosforowego (P); zawiera dwa wiązania wysokoenergetyczne; jest najważniejszym przenośnikiem energii, pełni funkcje aktywatora w przemianach metabolicznych. ATP Jest stale odnawiany w procesie oddychania wewnątrzkomórkowego. Synteza ATP odbywa się głównie w mitochondriach w wyniku fosforylacji, polegającej na przyłączaniu przez ADP (adenozynodifosforan = adenozynodwufosforan) reszt fosforanowych (P):

A + R + 3P ---> ATP

ADP + P + energia ---> ATP

ATP jest wykorzystywany w reakcjach syntezy organicznej jako dawca energii i do aktywacji substratów przez wiązanie ich z resztą fosforanową pod wpływem kinaz, np.

ATP + glukoza---> ADP + glukozo-6-fosforan (aktywna metabolicznie forma glukozy, czyli wzbogacona w energię, dzięki czemu glukoza może zostać włączona do procesów metabolicznych)

Katabolizm (dysymilacja, rozkład) obejmuje reakcje rozkładu złożonych związków oragnicznych na produkty proste. Wyzwolona z tych związków energia jest kumulowana w postaci ATP. Przykładem typowej reakcji katabolicznej jest oddychanie wewnątrzkomórkowe, czyli utlenienie biologiczne glukozy:

C6H12O6 + 6H2O ---> 6CO2 + 6H2O + energia (2877 kJ)

Powstała energia w rekacji oddychania jest wykorzystywana do pracy mechanicznej (np. skurcz mięśni), elektrycznej (np. przewodzenie impulsów nerwowych), osmotycznej (np. aktywny transport elektrolitów), świetlnej (np. u niektórych pierwotniaków i owadów).

Anabolizm (asymilacja) i katabolizm (dysymilacja) przebiegają w organizmie równocześnie i wzajemnie są od siebie uzależnione.
Procesy kataboliczne to reakcje egzoergiczne (wyzwalają energię), a procesy anaboliczne to reakcje endoergiczne (pochłaniają energię). Wszystkie procesy metaboliczne przebiegają z udziałem enzymów i skłądników pokarmowych regulujących (biopierwiastki, witaminy), które pełnią funkcje biokatalizatorów (wpływają na tempo reakcji biochemicznych).
W organizmach młodych, rozwijających się, procesy anaboliczne (asymilacji, A) przewyższają procesy dysymilacji, D (katabolizmu): A>D.
W organizmach dojrzałych, w wieku średnim (około 28-33 rok życia) procesy anabolizmu i katabolizmu są w dynamicznej równowadze: A=D. U osobników starych procesy kataboliczne przewyższają procesy anaboliczne: A<D.

Wyróżniamy przemianę materii ogólną, podstawową i pośrednią.

Przemiana materii ogólna to całokształt procesów materialnych i energetycznych zachodzących pomiędzy środowiskiem a ustrojem w normalnych warunkach fizjologicznych.

Przemiana materii podstawowa to całokształt przemian metabolicznych niezbędnych do podtrzymania istotnych (podstawowych) czynności życiowych (np. układu oddechowego, układu krążenia, układu nerwowego), w warunkach zupełnego spokoju, przy pustym przewodzie pokarmowym, w temperaturze pokojowej.

Przemianą materii pośrednią określamy całość przemian chemicznych i fizycznych odbywających się w komórkach, tkankach i narządach.

Przemiana białek

Białko pokarmowe ulega w procesie trawienia hydrolizie enzymatycznej do aminokwasów. Wchłonięte w jelicie aminokwasy zostają z krwią żyły wrotnej przetransportowane do wątroby, gdzie ulegają przemianom.
Aminokwasy mogą ulegać:
- reakcjom dezaminacji (deaminacji)
- reakciom transaminacji
- reakciom dekarboksylacji

Część aminokwasów jest wykorzystywana do syntezy białek budulcowych; kolejne do budowy hormonów, enzymów i barwników. Nadmiar aminokwasów ulega w wątrobie dezaminacji (odłączenie grupy aminowej -NH2 od aminokwasu) i przemianie na glukozę lub ketokwasy, które z kolei mogą być utlenione do CO2 i H2O z wyzwoleniem energii, lub też zamienione na tłuszcz. Odłączone od aminokwasów grupy -NH2 zostają przekształcone do amoniaku lub mocznika i wydalone z ustroju wraz z moczem i potem. Zatem w procesie dezaminacji aminokwasu wydzielony zostaje amoniak i powstaje alfa-ketokwas lub kwas nienasycony. Wyróżniamy dezaminację oksydacyjną i deazminację nieoksydacyjną.
W dezaminacji oksydacyjnej enzymy mogą współdziałać z NAD+ (dwunukleotyd nikotynamidoadeninowy utleniony, Nicotinamide Adenine Dinucleotide), NADP+ (fosforan dwunukleotydu nikotynamidoadeninowego utleniony, Nicotinamide Adenine Dinucleotide Phosphate), FAD (dwunukleotyd flawinoadeninowy utleniony, Flavin Adenine Dinucleotide) lub FMN (mononukleotyd flawonowy utleniony, Flavin Mono-Nucleotide. Do enzymów współdziałających z NAD+ lub NADP+ należy dehydogenaza glutaminianowa, która występuje w komórkach wątroby. W budowie enzym ten zawiera cynk. Katalizuje przemianę kwasu glutaminowego do kwasu alfa-ketoglutarowego i amoniaku:

Kwas glutaminowy + NAD+ + H2O <---> kwas alfa-ketoglutarowy + NH3 + NADH+H+ (NADH2 - dwunukleotyd nikotynamidoadeninowy zredukowany)

 

Dehydrogenaza ta może również katalizować deaminację oksydacyjną waliny i leucyny. Warto dodać, że wspomniany enzym bierze udział we włączaniu azotu amonowego do związków organicznych u roślin i bakterii glebowych. U bakterii występuje również dehydrogenaza L-alaninowa współdziałająca z NAD+, katalizująca deaminację alaniny do pirogronianu i amoniaku.

Enzymy współdziałające z FMN i FAD w deaminacji oksydacyjnej, należą do oksydaz aminokwasowych. Produktem reakcji enzymatycznej jest iminokwas, który ulega nieenzymatycznej przemianie do amoniaku i alfa-ketokwasu. FADH2 (FAD zredukowany) powraca do formy utlenionej FAD+ po oddaniu atomów wodoru na tlen O2:

FADH2 + O2 ---> FAD+ + H2O2

W reakcji powstaje nadtlenek wodoru (H2O2), ten z kolei podlega rozkładowi przy udziale peroksydazy.
Enzymy współdziałające z FAD wykazują wysoką specyficzność w stosunku do konfiguracji przestrzennej aminokwasów. Należa tutaj oksydazy D-aminokwasowe oraz oksydazy L-aminokwasowe.

Deaminacja nieoksydacyjna jest katalizowana przez enzymy nazwane deaminazami (deaminazy). Należy tutaj amoniakoliaza asparaginianowa, która katalizuje odwracalną reakcje daminacji asparaginianu do furanu. Ta reakcja umożliwia także włączanie azotu amonowego do związków organicznych.

W reakcjach transaminacji (przenoszenie grupy aminowej) oraz dekarboksylacji, koenzymem jest fosforan pirydoksalu (aktywna forma witaminy B6 - pirydoksyny). Fosforan pirydoksalu wchodzi z aminokwasem w połączenie określane mianem zasady Schiffa, które w wyniku przesunięć elektronowych może uwalniać dwutlenek węgla CO2 (w dekarboksylacji), albo wodór H+ (w transaminacji). W wyniku transaminacji wydziela się alfa-ketokwas, a fosforan pirydoksalu ulega przekształceniu w fosforan pirydoksaminy. Fosforan pirydoksaminy w przemianie z udziałem innego alfa-ketokwasu przekazuje mu grupę -NH2, a sam regeneruje się do fosforanu pirydoksalu. Ta ostatnia reakcja przebiega z udziałem koenzymów FAD i (lub) NAD+.
Transaminacja to proces mający ogromne znaczenie w przemianie materii ponieważ pozwala organizmowi oszcz ednie gospodarować azotem i wytwarzać aminokwasy z odpowiadających im szkieletów węglowych. Przemiany te katalizują aminotransferazy (transaminazy) i polegają na przeniesieniu grupy -NH2 z aminokwasu na alfa-ketokwas (zasada Schiffa). Inaczej mówiąc transaminacja to wymiana grupy aminowej między aminokwasami a alfa-ketokwasami.
Odbiorcą grup aminowych może być np. alfa-ketoglutaran, szczawiooctan, pirogronian. Popularne alfa-ketokwasy mogą w wyniku transaminacji dać odpowiednie aminokwasy: pirogronian ---> alaninę; alfa-ketoglutaran ---> glutaminian; szczawiooctan ---> asparaginian; hydroksypirogronian ---> serynę.

Reakcje dekarboksylacji aminokwasów polegają na rozerwaniu wiązania między grupą karboksylową -COOH i resztą cząsteczki aminokwasu, w wyniku czego wydziela się CO2 i powstaje odpowiednia amina. Reakcję katalizują dekarboksylazy aminokwasowe. Dekarboksylacja aminokwasowa jest źródłem amin biogennych - substancji o dużej aktywności fizjologicznej, np. histamina (po dekarboksylacji histydyny), tyramina (po dekarboksylacji tyroksyny), tryptamina (po dekarboksylacji tryptofanu), serotonina = 5-hydroksytryptamina (po dekarboksylacji 5-hydroksytryptofanu). W Wyniku dekarboksylacji niektórych aminokwasów tworzą się ważne części składowe koenzymów, np. 2-propanolamina (składnik koenzymu B12), cysteamina (składnik koenzymu A). Z kwasu glutaminowego powstaje kwas gamma-aminomasłowy GABA, który należy do neurotransmiterów hamujących.

Aminooksydazy to enzymy które unieczynniają aminy biogenne w organizmie, modyfikując w ten sposób niektóre czynności fizjologiczne. Aminooksydazy należą do flawoprotein mających zdolność odwodorowania amin do imin. Wodór zostaje przeniesiony na tlen, powstaje wówczas nadtlenek wodoru. Wiązanie C=N imin ulega degradacji, podczas której wydziela sie amoniak i aldehyd. Najbardziej znaną aminooksydazą jest monoaminooksydaza MAO i diaminooksydaza DAO. Monoaminoksydaza utlenia katecholaminy, np. adrenalinę i noradrenalinę do kwasu wanilinomigdałowego. W medycynie wykorzystuje się inhibitory MAO (substancje hamujące działanie monoaminooksydaz), które przedłużają działanie katecholamin. Do takich inhibotorów MAO należą: izokarboksazyd, fenelzyna, nialamid, tranylcypromina.

Reakcje dezaminacji i dekarboksylacji zachodzą podczas gnicia materii białkowej (np. mięsa). Procesy gnicia przeprowadzają bakterie gnilne. W wyniku dekarboksylacji ornityny i lizyny powstają cuchnące aminy: putrescyna i kadaweryna.

Organizmy zwierzęce nie magazynują białek, jedynie w wątrobie są ich niewielkie ilości. Zatem każdy osobnik wymaga stałego dostarczania białek w pokarmie. Białka są niezbędne do stałego odnawiania tkanek, a w organizmach młodych - do ich budowy. Azot stanowi 16% masy białek. Stosunek azotu przyswojonego z pokarmem do azotu wydalonego z moczem i potem nazywamy bilansem azotowym ustroju. W organizmach dojrzałych równa się on 1. Stan taki nazywamy równowagą azotową. Jeżeli ustrój pobiera więcej azotu niż wydala mówimy o bilansie azotowym dodatnim i ma on miejsce w organizmach młodych. Bilans azotowy dodatni można też zaobserwować u osobników dorosłych w czasie rekonwalescencji, po wyniszczającej chorobie, po głodówce, podczas zażywania niektórych leków anabolicznych, zwiększających retencję azotu w ustroju, w czasie laktacji, podczas ciąży. Nadwyżka azotu jest zużytkowana do regeneracji komórek. Zjawisko zatrzymywania azotu w organizmie nazywamy retencją. Aby utrzymać bilans azotowy w równowadze, człowiek dorosły musi spożywać około 80 g białka na dobę.  
Białka zawarte w pokarmach mają różna wartość odżywczą. Tę wartość determinuje aminokwasowy skład jakościowy i ilościowy. Istnieją bowiem aminokwasy, które nie mogą zostać wytworzone w organizmie i musza być dostarczone w pokarmie w postaci gotowej; są to aminokwasy niezbędne, czyli egzogenne. Do aminokwasów egzogennych należą: walina, leucyna, izoleucyna, fenyloalanina, tryptofan, treonina, metionina i lizyna. Do białek pełnowartościowych należą białka serów, białka mleka, białka mięsne, białka jaj. Białka w organizmie ulegja nieustannej odnowie. Średnio w ciągu 80 dni zostaje odnowiona połowa całkowitego zasobu białek człowieka. Anabolizm białek jest pobudzany w organizmie przez hormon wzrostowy (somatotropina), insulinę, 17-ketosteroidy nadnerczy (dehydroepiandrosteron), hormony płciowe (estrogeny, androgeny).

Białka mogą stanowić materiał energetyczny: utlenienie l g białka dostarcza 17 kJ energii*.

*Jednostka ciepła - kaloria /cal/ nie należy do układu SI, jednakże jest powszechnie stosowana w tabelach fizjologicznych i dietetycznych. Jednostką energii w układzie SI jest dżul (J); l cal = 4,184 J; lkcal = 4,184kJ.

Przemiana węglowodanów (cukrów)

Dla organizmów zwierzęcych (w tym ludzi) źródłem cukrowców jest pożywienie. Spożywane sa na ogół cukrowce złożone, które w trakcie hydrolizy enzymatycznej rozkładają się na sacharydy proste, głównie glukozę.

Prawidłowe stężenie glukozy we krwi wynosi 0,08-0,12% (80-120 mg). Nadmierny spadek stężenia glukozy D (+) we krwi (nadmierna hipoglikemia) jest niebezpieczny, zwłaszcza dla układu nerwowego. 100 g tkanki mózgowej zużywa w ciągu 1 minuty 3,3 ml tlenu oraz 5 mg glukozy w ciągu 1 minuty. Głęboką hipoglikemię mózg może przeżyć jedynie 90 minut, natomiast hipoksję (niedobór tlenu) do 10 minut. Dłuższy niedobór tlenu i glukozy powoduje w mózgu nieodwracalne zmiany. Transport glukozy do mózgu jest niezależny od insuliny. Mózg ma zdolność zmagazynowania około 2 g glukozy w postaci glikogenu i ta właśnie rezerwa umożliwa przeżycie 90 minut w razie niedoboru cukru. Przez 100 g tkanki mózgowej przepływa 15 ml krwi w ciągu 1 minuty. Niedobór cukru w organizmie powoduje śpiączkę, obniżenie temperatury ciała , spadek napięcia mięsniowego, obfite pocenie się (poty), drgawki, a dłużej utrzymujący się niedobór cukru - śmierć. Nadmiar glukozy organizm magazynuje w wątrobie i mięśniach w postaci glikogenu lub zamienia ją na tłuszcze. Odkładanie się nadmiaru cukru w wątrobie i mięśniach oraz utlenianie węglowodanów regulowane jest między innymi przez insulinę. Insulina obniża poziom cukru we krwi, bowiem zwiększa jej przenikanie do wnętrza komórek ciała. W warunkach normalnych insulina pojawia się we krwi po spożyciu pokarmów węglowodanowych. Glukagon, adrenalina i tyroksyna zwiększają stężenie glukozy we krwi.

Węglowodany są głównym źródłem energii dla organizmu. Energia zostaje wyzwolona podczas utleniania biologicznego glukozy. W warunkach beztlenowych (glikoliza) glukoza jest rozkładana do pirogronianu. W warunkach tlenowych pirogronian ten jest utleniany do CO2 i H2O w cyklu kwasów trójkarboksylowych (cykl Krebsa). Cykl Krebsa jest jednym z najważniejszych cykli dostarczających organizmowi energii nie tylko z cukrów, ale również z białek i tłuszczów. Wstępną reakcją jest oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu z utworzeniem acetylokoenzymu A i 3 cząsteczek ATP. Acetylokoenzym A jest kluczowym związkiem pośredniczącym i powstaje:

a) w łańcuchu przemian cukrów podczas oksydacyjnej dekarboksylacji pirogronianu;

b) z tłuszczów - poprzez beta-oksydację (beta-utlenienie) kwasów tłuszczowych lub glikolizę glicerolu pochodzącego z tłuszczów;

c) z aminokwasów - poprzez pirogronian oraz w wyniku przemian aminokwasów do produktów pośrednich cyklu kwasów trójkarboksylowych.

Acetylokoenzym A wchodzi do cyklu kwasów trójkarboksylowych, łącząc się ze szczawiooctanem - produktem pośrednim tego cyklu; w wyniku rekacji powstaje kwas cytrynowy. W kolejnych przemianach cuklu, od cytrynianu (związek 6-węglowy) do szczawioostanu (związek 4-węglowy) uwalniane są 2 cząsteczki CO2, a na koenzymy dehydrogenaz przenoszone są 4 pary atomów wodoru. Po utlenieniu wodorów w łańcuchu oddechowym (łańcuch rekacji oksydacyjno-redukcyjnych) powstaje energia (ATP) i woda.

Związki pośrednie cyklu Krebsa mogą włączać się do innych przemian: mogą być prekursorami cukrów (glukoneogeneza - poprzez przemianę szczawiooctanu do fosfoeneolopirogronianu i dalej do cukrów); mogą być prekursorami tłuszczów (poprzez cytrynian i acetylokoenzym A do kwasów tłuszczowych); mogą być prekursorami aminokwasów (poprzez aminację odpowiednich ketokwasów do kwasu asparaginowego i kwasu glutaminowego; mogą być prekursorami nukleotydów (alfa-ketoglutaran i szczawiooctan).

Cykl Corich

W warunkach ograniczonego dostępu tlenu podczas intensywnego wysiłku fizycznego, ilość wytworzonego NADH podczas glikolizy jest na tyle duża, że niemożliwe staje się jego utlenienie w łańcuchu oddechowym do NAD+. Pirogronian wytworzony podczas glikolizy zostaje przekształcony w mleczan pod wpływem dehydrogenazy mleczanowej, w reakcji tworzącej NAD+. Dzięki temu glikoliza w dalszych etapach dostarcza ATP. Mleczan musi jednak zostać przekształcony z powrotem do pirogronianu. Przenika on z mięśni do krwi i zostaje przetransportowany do wątroby. W wątrobie dehydrogenaza mleczanowa przekształca mleczan do pirogronianu (reakcja odwracalna). W procesie glukoneogenezy pirogronian jest zużyty do syntezy glukozy.

Przemiana tłuszczów (lipidów)

Tłuszcze są składnikami energetycznymi i budulcowymi dla organizmów. 1 g tłuszczu utleniony daje 9,3 kcal energii.

Nazwa węglowodany pochodzi od węgla i wody, bowiem stosunek wodoru do tlenu jest taki jak w wodzie tj. 2:1, jednakże w przeciwieństwie do wody cukry obok tlenu i wodoru zawierają jeszcze węgiel.

Tłuszcze w hydrolizie enzymatycznej rozkładają się na kwasy tłuszczowe i glicerol. Substancje te są wchłaniane do krwi i limfy przez kosmki jelitowe. Żyłą wrotną część tłuszczów jest przetransportowana do wątroby, gdzie ulegają przemianom. Jednakże 95% spożytego tłuszczu przenika z krwiobiegu do układu limfatycznego z pominięciem wątroby.

Tłuszcz może zostać odłożony w tkance podskórnej i wokół niektórych narządów wewnętrznych (nerki, jelita). Synteza kwasów tłuszczowych zachodzi w mitochondriach i w cytoplazmie komórek. Synteza ta wymaga dopływu energii w postaci ATP oraz obecności nukleotydów adenylowych. Synteza kwasów tłuszczowych polega na wydłużaniu łańcucha kwasu tłuszczowego o fragmenty dwuwęglowe. Fragmenty dwuwęglowe pochodzą z acetylokoenzymu A, a produktami są nasycone kwasy tłuszczowe. W biosyntezie kwasów tłuszczowych niezbędny jest udział karboksybiotyny dla karboksylacji acetylo-CoA do malonylo-CoA (malonylo-koenzymu A).

CH3CO~S-CoA + 7HOOC-CH2CO~CoA + 14NADPH + 14H+ ---> CH3(CH2)14CO~S-CoA + 7CO2 = 7HS-CoA + 14NADP+ + 6H2O palmitylo-CoA

Ważniejsze etapy biosyntezy kw. tłuszczowych:

1. Karboksylacja acetylo-CoA do malonylo-CoA (enzym biotynowy - karboksylaza acetylo-CoA);
2. Acetylo-CoA i malonylo-CoA są przekształcone w ich ACP-pochodne (Acyl Carrier Protein - proteina przenosząca acyle);
3. Kondensacja acetylo-ACP i malonylo-ACP do acetoacetylo-ACP, uwolnienie ACP i CO2;
4. Przekształcenie acetoacetylo-ACP do reszty kwasu masłowego butyrylo-ACP (proces redukcji i odwodnienia);
5. Wydłużanie łańcucha węglowodorowego przez przyłaczanie kolejnych dwuwęglowych (2-C) jednostek malonylo-ACP, aż do powstania palmitynianu 16-węglowego (C-16);
6. Dalsze wydłużanie (elongacja) łańcuchów węglowodorowych odbywa się na agranularnym (gładkim) retikulum endoplazmatycznym. Źródłem 2-węglowych jednostek jest malonylo-CoA, jednakże kwas tłuszczowy jest wiązany z koenzymem A, a nie z białkowym przenośnikiem ACP.

Więcej na temat biosyntezy i katabolizmu lipidów można przeczytać na specjalnej stronie: http://luskiewnik.strefa.pl/biochemia/lipid.htm

 
This web is powered by Ewisoft Website Builder