Biochemia 8385279520, 9788385279525 [PDF]

Zitiervorschau

KRZYSZTOF A . S O B I E C H

Wydawnictwo AWF we Wrocławiu

a d e m i a W y c h o w a n i a Fizycznego w e Wrocł

Krzysztof A. Sobiech

BIOCHEMIA wydanie VI

Wrocław 2001

OD AUTORA Prezentowana praca składa sie z pięciu części. Pierwsza jest poświecona białkom i enzymom wraz z "krótka powtórka z chemii organicznej, a kolejne - przemianie cukrowej, hormonom, przemianie lipidów oraz gospodarce wodnej i mineralnej w organizmie człowieka. Całość przedstawionych' zagadnień ujęto pod katem wysiłku fizycznego, podając Czytelnikom do każdej części przytaczane piśmiennictwo oraz zagadnienia pomocnicze przydatne w przygotowaniu do sprawdzianów i egzaminu. Na końcu pracy, w Aneksie, podano wybrane cykle i wzory, piśmiennictwo zalecane oraz uzupełniające, pomocne w opanowaniu całości materiału, a takZe alfabetyczny skorowidz rzeczowy, który ułatwi poruszanie sie po szlakach metabolicznych. Zawarte w skrypcie treści moga być wykorzystane także w wybranych tematach z fizjologii, patofizjologii, medycyny sportu i żywienia. Autor chciałby podziękować wszystkim za dyskusje i uwagi dotyczące poprzednich edycj i, a szczególnie Współpracownikom z Zakładu Biochemii, których wyniki badań z lat 1986-1991 wzbogaciły prace i pozwoliły na wydanie jej w obecnej formie.

"- Komilel Wydawniczy: mgr Bogusława Idzik (Sekretarz), dr n. hum. Jerzy Jankowski (Redaktor Naczelny), prof. dr hab. Anioni Janus/., prof. dr hab. Ewaryst Jaskólski, dr Ryszard Jasiński, dr hab. Paweł Kowalski, prof. nadzw. (Przewodniczący), Monika Sitarz, prof. dr hab. Leonard Szymański

Recenzenci prof. dr hab. Teresa Banaś prof. dr hah. Sie fan Bączyk

Redaktor Małgorzata Mierzejewska

© Copyright 2001 by Wydawnictwo A W F Wrocław ISBN 83-85279-52-0 Wydawnictwo Akademii Wychowania Fizycznego we Wrocławiu Wydanie VI. Nakład 1000 egz. Poligrafia A W F we Wrocławiu

C Z E S Ć I

BIAŁKA I ENZYMY

Istotnym warunkiem zrozumienia przemian zachodzących w organizmach żywych będących treścią biochemii jest znajomość chemii organicznej. Stanowi ona bank informacji, z ktćrego będziemy korzystać, zapoznając sie z poszczególnymi działami biochemii. Im lepiej dokonamy powtórki tego materiału, tym łatwiej i z większa satysfakcja zgłębimy tajniki chemii fizjologicznej. 1.

Krótki przegląd wybranych zagadnień z chemii organicznej

Przedstawiony w tym rozdziale materiał należy traktować jako wskazówkę i przewodnik po chemii związków organicznych, których reakcje maja dla biochemii istotne znaczenie. 1.1.

Węglowodory

*

Węglowodory sa to związki organiczne Wyróżniamy węglowodory nasycone (alkany) C H

2

węgla i wodoru. oraz nienasycone:

alkeny C H- i alkiny C H _( n= 1,2,3... m = 2,3.4...). Podając m 2m m 2m-2 wzory związków organicznych, należy bezwzględnie unikać zapisu sumarycznego np.: C H , C H czy 2' 0

C

2

&

2

Ą

H

2

W szeregach homologicznych spotykamy kolejno:

- C metan

- C - C

c =c

etan

eten

C - C

- c -

propan

c = c -

c = c etyn (acetylen)

Iw

propen

c = c -

c

propyn

-

I I I I - C - C - C - C I I I I

I I I c = C - C - C I I I I

butan ,

I

buten-1

I I CsC-C-CI I butyn-1

Alkany sa mało reaktywne ' chemicznie. Ulegają reakcji podstawiania z chlorowcami dając chlorowcopochodne, które odgrywają ważna role w syntezie związków organicznych. Alkeny łatwo wchodzą w reakcje ze względu na podwójne wiązanie w cząsteczce. Ulegają one reakcji przyłączania (addycji) np. wodoru, chloru. W reakcji np. propylenu z bromowodorem powstaje bromek propylu według reguły Markownikowa, tzn. wodór z cząsteczki HX łączy sie z tym węglem podwójnego wiązania, który związany jest z większą liczbą atomów wodoru. Alkiny maja wiązanie potrójne (- C = C - ) , dzięki któremu wykazują dużą aktywność chemiczną. Ulegają reakcji przyłączania, np. etyn łączy sie z wodorem, chlorowodorem i wodą. W tej ostatniej reakcji, zwanej reakcją Kuczerowa, powstaje aldehyd octowy, który po utlenieniu daje kwas octowy, a po zredukowaniu alkohol etylowy: H

H

C = C

HOH . . ,?—j—>

' C = C — OH

I

|

katalizator

|

|

|

H

H

H

H

H

etyn

alkohol winylowy Reakcja Kuczerowa

O

S

1

> H - C - C

:.i.s ^ H

aldehyd octowy

Węglowodory wykazują zjawisko izomerii i polimeryzacji. I tak wśród alkanów wyróżniamy izomerie łańcuchową:

CH

3

- CH

2

- CH

butan

2

- CH

3

H I CH„ - C - CH. I izobutan (2-metylo-propan)

a wśród alkenów izomerie strukturalną (funkcyjna i pozycyjna) oraz izomerie przestrzenną (cis, trans). Zjawisko polimeryzacji polega na wytworzeniu sie nowego związku, będącego wielokrotnością związku wyjściowego, zwanego monomerem. Można to ująć następująco:

n (H C = C H ) 2

(- H„C - CH_-) Z Ł n

2

Należy podkreślić kluczowa role, jaka w syntezie odgrywa etyn (acetylen), co przedstawiono na rys. 1. 1.2.

organicznej

Izomeria

Występowanie związków posiadających identyczny wzór sumaryczny, lecz różniący sie struktura, nosi nazwę izomerii. IZOMERI STRUKTURALNA łańcuchowa funkcyjna (szkieletowa) (metameria) A C poło2enia B

PRZESTRZENNA optyczna D

(STEREOIZOMERIA) konformacyjna E

geometryczna F

A. Atomy węgla moga być powiązane'w prosty łańcuch lub tworzyć układ rozgałęziony. Właściwości fizyczne i chemiczne tych związków są różne. I I I I - C - C - C - C I I I I

butan

I I I _ C - C - C I I I - C I 2-metylo-propan

B. Położenie podstawnika może być różne (np. grupy -OH, ~ N H lub może nastąpić zmiana lokalizacji podwójnego wiązania.

propanol - 1

I I - C - C I I OH propanol

I I I I C - C - C = C 1 I I

I I I I - C - C = C- C 1 I

C - C — C - OH t I I

buten - 1

t C I

- 2

buten - 2

2

)

-i

BEZWODNIK OCTOWY

Rys. 1.

Etyn (acetylen) w syntezie organicznej

POLISTYREN

-NH

2

ANILINA

FENOL

O

POLICHLOREK WINYLU C = C

BENZEN

CHLOREK WINYLU Cl t

>,-C

C = C - C = C I I WINYLOACETYLEN 1

^

I

I

= C- C-

C-

CHLOROPREN -

o

c -

V

C — C '

I ^ ETANAL I ALDEHYD

t

o ( N

ci

CHLOREK ACETYLU

i KAUCZUK SYNTETYCZNY

o

I

^ OH

KWAS AMINOOCIOWY AMINOKWAS

GLICYLOGLICYNA PEPTYD

C. Dwa związki różnią się miedzy sobą rodzajem występujących w nich grup funkcyjnych.

-

f

I

I

c -

c -

I

I

-

c

c I

\

c -

c I

II

-

o aldehyd propionowy I

I

I

- C - C - OH I

aceton (propanon)

I

etanol

I

- C - O - c I I

-

eter dimetylowy 4

(

Szczególny przypadek izomerii grup funkcyjnych stanowi f unkcyjnych tautomeria, w której mamy do czynienia z równoczesną obecnością dwóch postaci tej samej cząsteczki. Ważnym przykładem tej izomerii jest tautometrla keto-enolowa kwasu pirogronowego. •, OH N

^ r '

C ' C = 0 I

H -

C - H H

forma ketonowa

H -

C - OH II C H

forma enolowa

D. Przyczną występowania tego typu izomerii jest obecność w cząsteczce atomu węgla połączonego z czterema różnymi podstawnikami. Taki atom węgla nazywamy asymetrycznym. Stereoizomery różnią sie przede wszystkim wielkością kąta i kierunkiem skręcania płaszczyzny światła spolaryzowanego. Dla związków łańcuchowych liczba takich izomerów jest równa 2 , gdzie n równa sie liczbie asymetrycznych atomów węgla w cząsteczce. Taki atom węgla nazywamy też chiralnym, a izomeryczne cząsteczki chiralne określa sie mianem enancjomerów. Poniżej przedstawiono konfiguracje aldehydu glicerynowego:

^ c I H — C - OH I JJ _ £ _ Q I

znak (+) oznacza, ze związek skręca płaszczyznę światła w prawo, (-) w lewo. Oznaczenie D - określa położenie grupy -OH po prawej stronie wzoru, przy węglu asymetrycznym.

H

H

aldehyd D-(+)-glicerynowy E. Izomeria konformacyjna dotyczy postaci cząsteczek utworzonych wskutek swobodnej rotacji wokół osi obrotu. Ilustrują to tzw. wzory kozłowe (a,b) oraz wzory Newmana przedstawione dla etanu (c.d):

a

b

e

d

F. Izomer ia geome t ryczna [cis, trans) jest spowodowana obecnością podwójnego wiązania w cząsteczce, które uniemożliwia rotacje obu atomów węgla

C = C ^.Podstawniki moga występować w

dwóch mo2liwych wariantach: po tej samej stronie podwójnego (odmiana cis), albo po przeciwnych stronach trans). Ilustruje to przykład dwóch izomerów:

wiązania ( odmiana

m /

o

c

c \

•

0

^

C = 0

H

o

C =

c

c

HO

c

OH

H

/

HO kwas maleinowy (odmiana cis)

kwas fumarowy (odmiana trans)

1.3.

Alkohole

Alkohole charakteryzuje obecność co najmniej jednej grupy hydroksylowej -OH. Ta grupa funkcyjna może być przyłączona do atomu węgla: w i-J ,owinę I

I

I

R-C-OH

•

'*

a

h :

-

'••"»""

-

I

I

R - C - C — I I OH

I

c

I

' H

R - C - C I I OH

b

c

W przypadku a) określamy ten alkohol jako I-rzedowy, b) Il-rzedowy i c) III- rzędowy. Alkohole tworzą szereg homologiczny, do którego należą: metanol, etanol, propanol, butanol itd. Alkohole I-rzedowe utleniają sie do aldehydów, II-rzedowe do ketonów wg reakcji: H

•

R-C-OH

' •• —

Q

>

R - C

"

+

H • • tu. •

•

2

H J:,..

R. - C - OH 1

H„0

\

•

.

—

i

aldehyd

>

&

R. - C - R„ 1

ii

Z

. j .^"'.T 5

+

H„0 ć.

u

H

keton Utlenianie alkoholi II-rzedowych przebiega trudniej niż I- i IIrzedowych. Najpierw na skutek dehydratacji powstają olefiny, a następnie ketony zawierające mniej atomów węgla niż alkohole wyjściowe:

Uli

C H

3 I C = CH. I CH„

3

C

3

J

3

H

ra

C H

3 I - C - OH

-HOH

CH,

H

+

CH„

°

2

2°

aceton

izobutylen

alkohol butylowy (III- rzędowy)

+C

J5U L o

Przez redukcje aldehydów lub ketonów odpowiednie alkohole. Ważniejsze reakcje alkoholi:

można otrzymać

z powrotem

a) z kwasami tworzą estry: 0

0 R

i "

c

H

s

- 0 - R,

R

l

C

"

H

OH

2°

0 - R,

b) z metalami alkalicznymi tworzą alkoholany: 2 R

- OH

+

2Na

>

c) w obecności kwaśnych katalizatorów eter i wode:

Z R

-

OH

>

R

-

0

2

R

j

reagują

-

R

0

~

+

CH 0H 2

-

OL/JH

glicerol

CH 0H

-

CHOH

2

-

a

+

H 2

ze soba,

tworząc

H 0

Oprócz alkoholi zawierających jedna grupę alkohole wielowodorotlenowe, do których należą: glikol etylenowy

N

2

-OH

CH 0H 2

występują

1.4.

Aldehydy i ketony

Jak wspomniano, aldehydy ( R — C

)

i ketony ( R.- C - R_)

H II-rzędowych. Godna powstają odpowiednio z alkohol i Iodnotowania jest metoda Kuczerowa - reakcja etynu z woda, w której powstaje etanal (aldehyd octowy). Szereg nasyconych aldehydów i ketonów tworzą: metanal, etanal, propanal, butanal oraz propanon (aceton), butanon, pentanon-2. Pod wpływem różnych odczynników aldehydy łatwo ulegają utlenieniu do kwasów karboksylowych. Ketony w odróżnieniu od aldehydów o wiele trudniej utleniają sie do kwasów przez odmianę enolowa. 0

R - C

/

:oi

\

HOH

>

0

0

H

[0]

R - C — OH S

H

HOH

R - C

H

OH

aldehyd

kwas karboksylowy

OH

n

J

> H^C - C = C H

J

OH

K

1

«

H_C - C -CH-

J

>

[03 0

Ł

—

'

*

> H - C - C i

1.5.

forma enolowa

H - C . ^

0

H

aceton

+

\

OH

kwas octowy

kwas mrówkowy

Kwasy organiczne

ł Związki.te oznacza sie wzorem ogólnym R — C

. Charakteryzują

\H sie one obecnością grupy karboksylowej (tab. 1 ) , w której wyróżniamy grupę karbonylowa i wodorotlenowa. Kwasy otrzymuje sie przez utlenianie alkoholi I-rzedowych, aldehydów oraz w wyniku hydrolizy estrów, chlorków kwasowych lub amidów. Trzy ostatnie reakcje podano poniżej:

* °

H 0 — >

1

N

^ °

2

R, - C O - R

R. — C

ester

kwas

R - C

>

R - C ^

Cl

0

ł^

2° -

>

+

*°

•

R - C ^

HC1

NH ™ 3 H

OH

2

amid T a b e l a

alkohol

kwas

H

NH

R- - OH

OH

chlorek kwasowy

R - C

+ OH

2

kwas 1.

Grupy funkcjonalne organicznych

występujące

Grupa

Występowanie (przykład)

1

2

—

w

związkach

oznacza R

*° karboksylową

kwasy organiczne

(kwas octowy)

N

aminowa

aminy

(etyloamina)

N - H

Iminowa

iminokwasy

(prolina)

OH H / -

c d. tabeli 1.

— S — H

• )•

tlolowa

- 0 - H

aminokwasy siarkowe

(cysteina)

hydroksylowa

hydroksykwasy (kwas mlekowy) hydroksyaminokwasy (seryna)

ketonowa _ •j

ketony ketonokwasy

\

C = 0

H OH I I H — C = C —

enolowa

- C

(kwas pirogronowy)

(fosfoenolopiragronian)

aldehydowa

aldehydy

(etanal)

alkoholowa

alkohole I-rzedowe

(butanol-1)

H I

C - OH I H

KO

H

C - OH

alkoholowa

alkohole II-rzedowe

(butanol-2)

alkoholowa

alkohole III-rzedowe

(2-metylopropanol-2)

I

C - OH I i

I

.

r

c d.tabeli 1.

1

2

O — C ^

amidowa NH

amidy

(glutamina)

2

Jednokarboksylowe kwasy tworzą szereg homologiczny ( kwas mrówkowy, kwas octowy, kwas propionowy, kwas masłowy itd.). Ulegają następującym ważniejszym reakcjom (rys. 1): a) estryfikacji z alkoholami (patrz alkohole), b) podstawienia atomu wodoru w grupie karboksylowej:

metalem ( CH

— C

—.octan sodu ) O — Na

c) zastąpienia grupy -OH w grupie karboksylowej przez resztę -NH 2

( powstają amidy

R — C

) lub atomem chloru

(powstają chlorki kwasowe R - C^

)

CI

,0 R - C \

d) z kwasów karboksylowych powstają bezwodniki

^ 0 R - C 0

Ważna grupę HOOC-(CH ) -COOH, 2

n

związków stanowią kwasy dwukarboksylowe, gdz i e N=0,1,2,3 itd., które tworzą szereg

homologiczny (kwas szczawiowy, kwas malonowy, kwas bursztynowy, kwas gluatarowy). Kwasy te lub ich pochodne spotykamy w wielu przemianach biochemicznych.

Na oddzielne omówienie zasługują kwasy, które oprócz grupy karboksylowej mają w łańcuchu atom (atomy) chloru (chlorowcokwasy), grupę -OH (hydroksykwasy) oraz aldehydokwasy i ketonokwasy. Przedstawicielami tych grup związków są: H i H - C - C

Cl \ *° Cl-C-C

>° S

I

| 0

Cl

kwas chlorooctowy - — -

H - C - C ,

0

OH

C

,f -

H

3

H

kwas glikolowy

0 H

kwas trójchlorooctowy, TCA (często używany w laboratorium)

• r

\

N

Cl

H

- c - C , \ 0

OH r

-.

kwas

mlekowy

0

, 0

y

0 = C-C •

.

••-.=..>-«• N

^

H

ć

.

CH_ - C - C II > 0

x

J

OH

kwas glioksalowy

OH

kwas pirogronowy

Pamiętać trzeba także*o innych kwasach, które biorą udział w reakcjach ważnych dla organizmu. Sa to: OH I

H - C - COOH

HOOC - C - CTL - COOH

II

HOOC - C - H kwas fumarowy

|

•

f

f - ••- " . H

2

.••••!•

kwas jabłkowy

H i t

H - C - COOH 1 1

- COOH 1 H - C - COOH 1

HO -

HOOC - CCHOH) - COOH 2

c

H

kwas cytrynowy

kwas winowy

COOH I C = 0

COOH I

C = O I 1 Z

I COOH

c

]

Sz

COOH kwas alfa-keto-glutarowy {kwas 2-okso-glutarowy)

kwas szczawiooctowy

1.6.

Aminy, amidy Jeżeli w cząsteczce amoniaku atom [atomy) wodoru zastąpimy rodnikiem organicznym, to otrzymamy aminę. Wyróżniamy aminy: R

H / N

— R

H - N

N

R,

H

II-rzedowe

I-rzedowe

— R \

R III-rzedowe

Związki te powstają w reakcji Hofmanna miedzy amoniakiem 1 chlorowcopochodnymi. W organizmach żywych powstają w reakcji dekarboksylacji aminokwasów jednokarboksylowych przy udziale enzymów. W szeregu homologicznym wyróżniamy metyloamlne, etyloamine, propyloamine itd. Amidy (patrz kwasy organiczne) sa acylowymi pochodnymi amoniaku, w którym atomy wodoru są podstawione grupą acylową 0 [ R - C

). Mogą występować w odmianach tautomerycznych:


N

R - C

NH "2

^

odmiana laktamowa

NH

odmiana 1aktimowa

Nasze zainteresowanie skupia sie asparaginie ( patrz aminokwasy). 1.7.

v

głównie

na

glutaminie

i

Estry, etery

Estry kwasów organicznych (patrz kwasy organiczne) powstają w reakcji alkoholi z kwasami organicznymi, zwanej estryfikacja. Można je przedstawić wzorem: R. - C = 0 1

'

' i -

i:.

Rj - rodnik pochodzący z kwasu R

2

- rodnik pochodzący z alkoholu ** . xnii*A

Przedstawicielem estrów jest octan etylu (rys. 1). Etery (R^ — 0 — R^) sa to związki, w których dwa rodniki połączone sa przez atom tlenu. Otrzymuje sie je (patrz alkohole) w reakcji dwóch cząsteczek alkoholu w środowisku kwasowym. Do ważniejszych eterów stosowanych w medycynie i w chemii zaliczamy eter etylowy (rys. 1). 1.8.

Aminokwasy

Małocząsteczkowe zwązki chemiczne posiadające w swej budowie przynajmniej jedną grupę karboksylową i jedną grupę aminową noszą nazwę aminokwasów. Wszystkie aminokwasy wchodzące w skład białek mają grupę aminową w pozycji alfa, są optycznie czynne (za wyjątkiem glicyny) i w większości należą do szeregu o konfiguracji L. Istnieje wiele podziałów aminokwasów opartych na różnych kryteriach: 1) obojętne (monoamino - monokarboksylowe): glicyna, alanina, 2 ) kwaśne (monoamino - dwukarboksylowe): kwas glutaminowy, kwas asparginowy, 3) zasadowe (dwuamino - monokarboksylowe): arginina, lizyna, 4) aromatyczne: fenyloalanina, tyrozyna, 5) heterocykliczne: tryptofan, histydyna,

6) iminokwasy: prolina, hydroksyprolina, 7) hydroksyaminokwasy: seryna, treonina, 8) siarkowe: cysteina, metionina. Jeden aminokwas może być przyporządkowany do kilku grup np. tyrozyna (obojętny, aromatyczny i hydroksyaminokwas). Według P.Karlsona (1987), aminokwasy obojętne i amidy moga występować: - z apolarnym łańcuchem bocznym (Gly, Ala, Val, Leu, Ile, Pro, Phe), - z łańcuchem zawierającym grupę polarna nie ulegająca jonizacji (z grupą -OH: Ser, Tre, Tyr z grupa tlolową -SH: Cys, Cys-S-S-Cys, Met, z grupą indolowa Trp oraz z grupa amidowa Gin, Asn). Wzory aminokwasów przedstawiono w tab. 2. Ze względów fizjologicznych niezwykle istotny jest podział aminokwasów na egzo- i endogenne, czyli te, które organizm jest w stanie sam syntetyzować i te, które musza być dostarczane z pożywieniem. Aminokwasy egzogenne: Aminokwasy endogenne: arginina alanina histydyna asparagina izoleucyna cystyna leucyna " kwas asparaginowy lizyna kwas glutaminowy metionina glutamina fenyloalanina glicyna treonina hydroksyprolina tryptofan prolina walina seryna tyrozyna Ze względu na posiadanie grupy karboksylowej aminokwasy tworzą z alkoholami estry, które w reakcji z amoniakiem przechodzą w amidy. Pod wpływem kwasu azotawego ulegają dezaminacji, co znalazło zastosowanie w metodzie van Slyke'a do oznaczania I-rzedowych grup aminowych.

^ ^° CH- - C - C v

J

\

i

NH

?

7 CH. - C - C

J 0

2

HN0 - >

H

| OH

^° + N_

\

Ł 0

+ H_0 Ł

H

Obecność grup kwaśnych i zasadowych jest przyczyną amfoterycznych właściwości aminokwasów. W zależności od pH roztworu moga one występować w trzech formach:

I

^ °

•

S

I +

NH

I

^ °

R _ c - C

R - C - C 0

H

NH

3

kationowa

fcv

v N

I

I

2

^ °

R - C - C -

S

I

°

+

anionowa

NH

0

3

obojnacza

Wartość pH, przy której suma ładunków cząsteczki wynosi zero, nosi nazwę punktu izoelektrycznego. Punkt izoelektryczny (pi) jest cecha charakterystyczna dla każdego aminokwasu i wynosi przykładowo dla Glu 3,22, Ala 6,02 i Lys 9,74. Wartość pi dla peptydów i białek jest wypadkową całkowitego ładunku wszystkich aminokwasów wchodzących w skład danej substancji. Oprócz aminokwasów występujących w białkach (tab. 2) spotykamy także aminokwasy niebiałkowe, stanowiące składniki niektórych peptydów lub związki pośrednie przemiany ustrojowej. Należą do nich hydroksylizyna, homocysteina, ornityna, cytrulina, betaalanina, homoseryna, kwas gamma-amlnomasłowy. Często spotykamy pochodne aminokwasów, do jakich należą histamina (powstała po dekarboksylacji histydyny), serotonina i melatonina (powstałe z 5-hydroksytryptofanu), noradrenalina i adrenalina (pochodne tyrozyny) oraz diaminy: kadaweryna (z lizyny) i agmatyna (z argininy). 1.9.

Peptydy

Peptydy są to związki zbudowane z dwu lub kilku cząsteczek aminokwasów (oligopeptydy do 10 reszt i polipeptydy do 100 reszt aminokwasowych). Każdy peptyd ma wolną grupę aminowa (N-końcową: "koniec aminowy") i wolną grupę karboksylową (C-końcową: koniec "karboksylowy"). Wiązanie peptydowe, którym połączone są ze sobą aminokwasy jest szczególnym przykładem wiązania amidowego. Powstaje ono miedzy grupą aminową jednego aminokwasu a grupą karboksylową drugiego aminokwasu z uwolnieniem jednej cząsteczki wody: ' -

f.

- N - C - C 1

1 R

+

«0 -

^y

— N - C - C 1

1

« -0

T a b e l a

2.

Aminokwasy

Nazwa

Skróty

1

2

Budowa łańcucha bocznego R [patrz str. 23) 3

glicyna

Gly (G)

H -

alanina

Ala (A)

C

walIna

leucyna

H

3—

CH

2

-

^ > — CH

2

-

(/\

-,— CH

0?

2

N H

H,C prolina

Pro (P)

CH„

I

I

HC

2

CH - COOH N H

Skrótów trzyliterowych używa sie w celu ułatwienia pisania nazw i wzorów polipeptydów. Symbole jednoliterowe stosowane sa w kompute­ rowym zapisie sekwencji białek. * Wzór Pro podano w całości

O 1

- N

—

N t I H

I

O

i

T"

C

.

I

1

H

2°

R,

wiązania peptydowe

Na podstawie licznych analiz stwierdzono, Ze wszystkie wiązania peptydowe sa równocenne, niezależnie od tego, Jakie aminokwasy Je tworzą. Odległości i katy miedzy atomami węgla i azotu położone we wspólnej płaszczyźnie sa jednakowe. Opisano także możliwości tworzenia sie wiązania wodorowego typu (N — H ... 0 = C ) . Przedstawiony zapis wiązania peptydowego jest znacznie uproszczony. Rzeczywisty stan strukfury elektronowej wiązania peptydowego ma postać:

1

s /

C

= N

^ «2

Wiązanie peptydowe jest sztywne 1 leży w jednej płaszczyźnie. Z tej postaci można wyprowadzić izomerie cis i trans. W białkach występuje postać trans, jaką zajmują atomy węgla względem wiązania wegiel-azot. W tab. 3 zestawiono ważniejsze peptydy i podano ich funkcje. Znanych jest kilkadziesiąt peptydów, a ich lista jest stale uzupełniana. Spełniają one wiele ważnych funkcji biologicznych jako hormony przysadki, tarczycy, przewodu pokarmowego i trzustki oraz jako regulatory funkcji mózgu, układu oksydoredukcyjnego i efektory enzymów (szczegółowo zagadnienia te zostaną omówione w innym miejscu). Nazwy poszczególnych peptydów sa albo zwyczajowe, albo mają charakter systematycznych nazw chemicznych. Do pierwszej grupy można zaliczyć glutation i oksytocyne, które mają nazwy zwyczajowe. Nazwy systematyczne tworzy sie według

T a b e l a

3.

Niektóre peptydy i ich funkcje

Nazwa

Liczba ' ' ~ aminokwasów

glutation

Funkcja

3

układ redoks, koenzym

3

czynnik uwalniający tyreotropine

9

hormon tylnego płata przysadki, wywołuje skurcze macicy

9

hormon tylnego płata przysadki, podwyższa ciśnienie krwi, efekt antydiuretyczny i

angiotensyna

8

bradykinina

9

kinina, podwyższa ciśnienie krwi kinina obniża ciśnienie krwi

lullberyna (LH-RF)

10

czynnik uwalniający lutropine

gramicydyna S

ł©

antybiotyk cykliczny

kortykoliberyna (CRF)

11

czynnik uwalniający kortykotropine (ACTH)

gastryna

17

hormon pobudzający wydzielanie HC1 w żołądku

27

hormon pobudzający wydzielanie trzustki

tyreoliberyna

(TRF)

ocytocyna (oksytocyna)

wazopresyna -i

,

;

sekretyna glukagon kalcytonina

, 1

:

29 r, hormon podnoszący poziom glukozy we krwi

32

hormon obniżający poziom wapnia we krwi

zasady pisania wzorów peptydów, zaczynając od N-końcowego aminokwasu, dodając końcówkę -ylo i pozostawiając C-końcowy aminokwas bez zmian. Na przykład nazwę tripeptydu zbudowanego z alaniny, seryny i glicyny można zapisać w dwojaki sposób: alanyloseryloglicyna lub Ala-Ser-Gly. Dla podkreślenia, który z aminokwasów jest N- czy C-końcowy dodaje sie (H) dla N-końcowego i (OH) dla C-końcowego. Uproszczony zapis tripeptydu H-(Ala-Ser-Gly)-OH.

T a b e l a

4.

Ważniejsze białka i funkcja biologiczna

Białko Enzymy trypsyna amylaza lipaza Białka zapasowe owoalbumina kazeina gliadyna Białka transportowe hemoglobina mioglobina ceruloplazmina Białka kurczliwe miozyna aktyna Białka ochronne i mmunog1obuliny Hormony insulina hormon wzrostu Białka strukturalne kolagen elastyna alfa-keratyny

2.

ich występowanie lub

Występowanie, funkcja

hydrolizuje białka hydrolizuje wielocukry hydrolizuje lipidy białko jaja białko mleka białko ziaren pszenicy przenosi tlen w krwi kręgowców przenosi tlen w mięśniach przenosi *toiedż we krwi fllamenty atacjonarne w miofibrylach filamenty ruchowe w miofibrylach tworzą kompleksy z białkami reguluje metabolizm glukozy stymuluje wzrost kości ścięgna, chrząstki wiezadła skóra, paznokcie

Białka

Białka odgrywają ważna role prawie we wszystkich procesach biologicznych. Spełniają one następujące funkcje (tab. 4) : - katalityczne jako enzymy, biokatalizatory reakcji zachodzących w organizmach żywych, - transportowe jako nośniki cząsteczek i jonów, - jako białka układów kurczliwych, - mechaniczno-strukturalne, - ochronne immunologiczne, - jako hormony.

2.1.

Struktura biaielc

. f. P : i;' S T Krótką charakterystykę poszczególnych struktur podano w tab.5. W opisie struktury białek wyróżnia sie cztery poziomy ich strukturalnego uporządkowania. Pierwszorzedowa struktura białka oznacza sekwencje aminokwasów w białku, tzn. kolejność w jakiej aminokwasy połączone są ze sobą w łańcuchu polipeptydowym. Wpływ sekwencji aminokwasowej na strukturę molekularną, właściwości fizykochemiczne i biologiczne jest doniosły, gdyż cząsteczki tego samego białka mają zawsze te samą sekwencje aminokwasów, która uwarunkowana jest genetycznie. Struktury nadrzędne II- i Ill-rzedowa białka tworzą konformacje makrocząsteczki. Jako Il-rzedowy poziom organizacji wyróżnia sie konformacje głównego łańcucha polipeptydowego. Przykładem struktury II-rzedowej jest alfa-helisa, beta-struktura lub helisa kolagenu. Trzeciorzędowa struktura jest konformacją całej cząsteczki i odnosi sie do powiązań przestrzennych bocznych reszt aminokwasowych. Według obecnych poglądów podział na struktury II- i III-rzedowe jest arbitralny i może nie odpowiadać realnej budowie białka. Dla niektórych białek wyróżnia sie strukturę IV-rzedową, gdy zbudowane są z więcej niż jednego łańcucha polipeptydowego. Każdy z łańcuchów określa sie mianem podjednostki lub protomeru danego białka.

Enzymom zbudowanym z dwu lub więcej podjednostek przypisano nazwę enzymów oligomerycznych. Mogą one ulegać samorzutnemu lub wymuszonemu przez różne czynniki rozpadowi, czyli dysocjacji. Natomiast proces łączenia sie podjednostek określa sie mianem asocjacji lub reasocjacji. Niekiedy proces ponownego łączenia sie w białko oligomeryczne nazywa sie agregacją. Przedstawiono schemat przestrzennego rozdzielania podjednostek na przykładzie aldolazy C (EC 4.1.2.13). Enzym ten zbudowany z czterech podjednostek związano z nośnikiem (agarozą) w taki sposób, że każda cząsteczka enzymu została przyłączona poprzez jedną tylko podjednostkę (rys. 2). Przemywanie tak związanej aldolazy roztworem mocznika o stężeniu 8 mol/l powoduje dysocjacje tetrameru na protomery z równoczesną ich denaturacją. Rozdziela sie przy tym 75% związanego białka, co odpowiada usunięciu trzech podjednostek przypadających na każdą cząsteczkę, ostatnia zaś pozostaje związana z agarozą w formie rozfałdowanej (B). Usuniecie mocznika w czasie dializy do wody powoduje, że związane z nośnikiem podjednostki odtwarzają swą strukturę II- i III-rzedową, wykazując aktywność katalityczną (O.

T a b e l a

5

Typy struktur białkowych (Karpiak, 1986)

Typ struktury

Rodzaj wiązań utrzymu­ jących strukturę

Definicja

I-rzędowa

kowalencyjny szkielet łańcucha polipeptydowego i sekwencja aminokwasów

wiązania peptydowe

II-rzędowa

przestrzenna budowa łańcuchów polipeptydowych (alfa-helisa, beta-struktura)

mostki -S-Swiazania wodorowe oddziaływania jonowe

Ill-rzedowa

zwijanie łańcuchów polipeptydowych w kłębki

mostki -S-Swiazanla hydrofobowe wiązania wodorowe

IV-rzedowa (w niektórych białkach)

występowanie podjednostek (ich liczba i sposób powiązania)

wiązania hydrofobowe wiązania wodorowe oddziaływania jonowe wiązania koordyna­ cyjne

B

UH!" ^c aldolazaC

A.1.2.13./ Rys. 2.

2.2.

Przestrzenne rozdzielenie podjednostek o - natywna,'"^- zdenaturowana (rozfałdowana)

Alfa-helisa

Alfa-helisa jest struktura zwiniętego ślimakowato. Stabilizują ją \ \ grupami ^ NH i reszta

^CO

aminokwasowa

łańcucha w

łańcucha wiązania

polipeptydowego wodorowe miedzy

głównego. Wyznaczono, że co czwarta

sekwencji

liniowej

znajduje

sie

przestrzennie blisko siebie. Występująca w białkach alfa-helis Jest prawoskretna. Na jej tworzenie maja wpływ niektór aminokwasy, jak Glu, Met, Ala i Leu, zaś przeciwdziałają tworzeni tej struktury Pro, Gly i hydroksyprolina (rys. 3 ) . 2.3.

Beta-struktura (harmonijka, pofałdowana kartka)

Łańcuch polipeptydowy jest prawie całkowicie rozciągnięty tworzy strukturę płaską. Układ harmonijki jest utworzony prze: wiązania wodorowe miedzyłańcuchowe oraz wiązania peptydowe ułożom do siebie przeciwrównolegle. Inny układ polega na utworzenli struktury typu beta przez różne łańcuchy polipeptydowi przebiegające równolegle do siebie. Do reszt aminokwasowyc] wpływających na powstanie struktury beta zalicza sie reszty Val Ile i Tyr. Dotychczas udział struktury beta stwierdzono tylko i fibrolnie jedwabiu.

Rys. 3.

Struktura białka: a) alfa-helisa, b) beta-struktura

Większość białek zbudowana Jest z odcinków alfa-helisy ] beta-struktury, usytuowanych w sposób swoisty dla każdego białka. Przykładowo enzym karboksypeptydaza, zbudowany z 305 reszt aminokwasowych, posiada 115 aminokwasów zlokalizowanych v dziewięciu odcinkach helikalnych i 45 aminokwasów w ośmii odcinkach o konformacji beta. Informacje dotyczące struktura białka są stale uzupełniane i korygowane. Już obecnie można wyodrębnić dalsze poziomy strukturalnej organizacji cząsteczek. J.Z.Siemion (1985) podaje najnowszą klasyfikacje: - struktura pierwszorzędowa (sekwencja aminokwasowa),

T a b c 1a

6.

Podział i występowanie białek oraz niektóre ich przykłady

I

Białka p r o n e (proteiny) obojętne

usadowe histony

p roli miny

bogate w L y i umiarkowanie bogate w L y i bogate w Arg kompleksy

bogate w A r g nasienie zwierzą! gal lina-kog ul salmina-łosoi

z kwa mitu

albuminy globulame główny składnik surowicy przenoszenie wielu substancji

kwalne ikleroproteiny wlókienkawe kolageny keraiyny naskórek. w t o t y , tkanka taczać*

protaminy prolaminy nasiona zbóz gliadyna pszenicy zeina kukurydzy

gluteliny gluteliny białka roflin, przewaga Pro. Glu

nukleinowymi 2. Białka złożone (proteidy) fosfoproleidy

metaloproleidy Fe

Cu

rerryiyna

ccruloplazmina

trans feryny

cryirokuprcini hepaiokuprctna cerebrokuprcma

globuliny*

li po proteidy

chromoproteidy

i

Zn w leukocytach

glikoproteidy

kazeina mleka wiiclina i fosfityna jaja kurzego

alfa betagammaklasy C.A.M.D.E

' Zalaesente globulin do białek zlotafcpca j u t łrwcstionowaiłepiWtlMtltJrych autwtfw

e n z y m y białka odpornościowe składniki błon orosomukoid owo mu ko id fetuina

składniki błon, przenoszenie lipidów, cholesterolu, k w a s ó w tłuszczo­ wych

hem o proteidy hemoglobina mioglobina cytochromy (U wo proteidy koen­ zymy dehydrogenaz ka rotenoprotełdy białkł w i ą z c e witaminę. A

1

-

struktura drugorzędowa (konformacje krótkich fragmentów białka) struktura naddrugorzedowa (kilka przylegających do siebie krótkich fragmentów o strukturze drugorzedowej), domena białkowa (większy odcinek wyodrębniony w samodzielną trójwymiarową strukturę), białko globularne (konformacja cząsteczki białka jako całości), agregat białkowy (pojecie odpowiadające IV-rzędowej strukturze).

2.4.

Podział białek

Każdy podział białek jest dyskusyjny z uwagi na brak właściwych kryteriów. Białka można dzielić ze względu na ich budowę (np. globularne, fibrylarne), rozpuszczalność (np. albuminy globuliny), ruchliwość elektroforetyczną (patrz elektroforeza), funkcję, obecność komponentów niebiałkowych itp. Większość autorów preferuje tradycyjny podział białek, nieco modyfikowany w miarę dostarczania nowych wyników badań. Podział białek i niektóre ich przykłady podano w tab. 6.

2.5. 2.5.1.

Eksperymentalne metody badania białek Skład aminokwasowy

Białko ulega rozpadowi na aminokwasy podczas hydrolizy kwasowej w 6 mol/l roztworze kwasu solnego w temperaturze 110 C w czasie ok. 24 godzin. Następnie aminokwasy rozdziela się metodą chromatografii jonowymiennej i oznacza ilościowo, stosując m.in. automatyczne analizatory aminokwasów. Zapis rozdziału aminokwasów za pomocą automatycznego analizatora aminokwasów przedstawia rys. 4. Skład aminokwasowy niektórych białek przedstawiono w tab. 7. 2.5.2.

Sekwencja aminokwasów .- ,

i

Insulina była pierwszym białkiem, którego pełną sekwencje poznano dzięki pionierskim badaniom F.Sangera (1951). Od tego czasu poznano sekwencje wielu białek, stosując różne techniki łącznie z instrumentem do automatycznego określania sekwencji aminokwasów, zwanym sekwenatorem. W urządzeniu tym wykorzystuje sie metodę degradacji Edmana, która polega na kolejnym odszczepieniu reszt aminokwasowych od aminowego końca. Substancja znakująca (fenyloizotiocyjanian) reaguje z wolną końcową grupą aminową tworząc odpowiednią pochodna, która w środowisku słabo kwaśnym oddziela się od pozostałego białka lub peptydu,skróconego o jedną resztę aminokwasową. Schemat degradacji Edmana przedstawia rys. 5.

i

i

Rys. 4.

2.5.3.

Rozdział aminokwasów analizatora aminokwasów

za

pomocą

automatycznego

Specyficzne rozszczepianie białek na peptydy

W celu poznania sekwencji białka lub polipeptydów przeprowadza sie ich wstępne rozszczepianie metodami chemicznymi lub enzymatycznymi. Stosuje sie bromocyjan (CNBr), który rozszczepia polipeptydy po karboksylowej stronie metioniny oraz kwas nadmrówkowy (HCOOOH), który rozcina mostki dwusiarczkowe (-S-S-). Z metod enzymatycznych stosuje sie cały zestaw enzymów pro teo1 i tycznych, jak trypsyna, chymot rypsyna, pepsyna, papa ina i inne. Po rozdziale peptydów metodą chromatograficzna przeprowadza sie degradacje Edmana, poznając sekwencje poszczególnych peptydów. Końcowym etapem badań nad pełną sekwencją białka jest żmudna interpretacja poszczególnych, cząstkowych sekwencji, zwana techniką nakładających sie peptydów.

T a b e l a

7.

Aminokwas

Gly Ala Val Leu Ile Ser Thr Cys Met Phe Tyr Trp Pro Asp Glu Lys Arg His

Procentowy skład aminokwasowy niektórych białek Albumina osocza człowieka

• .

1,6 0,2 7,7 11.9 1.7 3,7 5,0 6,3 1,3 7,8 4,7 0,2 5,1 10,4 17,4 12,3 6,2 3,5

N H

a b

4,5 4,0 9,4 8,6 2,6 i 11,8 8,9 2,3 0,9 4,8 6,8 3,4 7,9 .| ' 9,0 ; 12,5 . ••. 8,0 4,5 2,6 J

Miozyna

Aktyna

1,9 6,5 2,6 15,6

8,3

-

-

—

-

--

3,9 5,0 1,4 3.4 4,3 3,4 0,8 1,9 8,9 22,1 10,3 . 7,0 1,7

A l a - G l y - L e u - V a l - Ile - S e r ~

1.5 -

-

1.5 0,2 5,0 11,0 5,5 11,5 1,6 2,5

C

0

0

H +

[>(^Ala J G l y - L e u - V a l - Jle - S e r r>(A'la)

c d t>(GJy^) Rys. 5.

Globulina osocza człowieka

Gly-Leu-Val-Jle-Ser t>(^Gly) L e u - V a l - J l e - S e r Leu-Val-Ile-Ser

Degradacja Edmana (na przykładzie heksapeptydu): a- znakowanie fenyloizocyjanianem, b- uwalnianiehydroliza ograniczona, c- znakowanie jak w a, d- uwalnianie jak w b

>

2.6.

Fizykochemiczne właściwości białek

Podstawowym warunkiem poznania właściwości każdego białka Jest uzyskanie go w stanie czystym, czyli homogennym. Dokonuje sie tego, wykorzystując różnice wielkości, ładunku i rozpuszczalności, a także zdolności do specyficznego wiązania z innymi substancjami. 2.6.1.

Elektroforeza

W cząsteczce białka występują ładunki elektryczne. Przewaga dodatnich lub ujemnych ładunków wpływa na tzw. ładunek wypadkowy (efektywny) białka. Dzięki obecności tego ładunku białka mogą poruszać sie w polu elektrycznym. Zjawisko to nazywamy elektoforeza, która jest podstawową metoda rozdziału białek dla celów diagnostycznych i preparatywnych. Stosując różne nośniki (podłoża), bufory o określonym pH i odpowiednią temperaturę, można uzyskać rozdział białek jak na rys. 6. Jako nośniki stosuje sie bibułę, fctlle z octanu celulozy oraz rozdział w żelach agarowych, skrobiowych i poliakryloamldowych. 2.6.2.

Immunoelektroforeza

Immunoelektrof oreza polega na reakcji antygenu, substancji najczęściej białkowej, wywołującej w odpowiednich warunkach odpowiedź immunologiczna, z przeciwciałem, które jest białkiem o właściwościach lmmunoglobulin swoiście wiążącym sie z antygenem.Reakcja zachodzi w żelu agarowym. W pierwszym etapie badane substancje (antygeny) rozdziela sie w polu elektrycznym, a w drugim następuje immunodyfuzja i precypitacja miedzy antygenem i przeciwciałem. W miejscu zetknięcia antygenu i przeciwciała powstają charakterystyczne linie precypitacyjne (rys. 6 ) . Wprowadzenie przeciwciał do badan biochemicznych spowodowało burzliwy rozwój nowej dziedziny nauki - immunochemi i, blisko spokrewnionej z immunologią i biochemią. Plonem badah immunochemicznych jest wprowadzenie metod immunofluorescencyjnych (lokalizacja białka w tkankach) i radioimmunologicznych ( tab. 8 ) . 2.6.3.

Chromatografia jonowymienna

Powszechnie rozdział białek prowadzi sie na wymieniaczach jonowych, którymi są jonity - syntetyczne żywice, pochodne celulozy lub dekstranu. Polega on na elektrostatycznym oddziaływaniu miedzy rozdzielanymi substancjami a posiadającymi grupy polarne jonitami. Jonity dzieli sie na katj.onity z grupami -S0 H lub -COOH i na anionity z grupami - N ( C H ) , -NH^ lub 3

3

3

Rys. 6.

2.6.4.

a - schemat rozmieszczenia frakcji po przeprowadzeniu elektroforezy w Zelu agarowym ,b - schemat rozmieszcze­ nia frakcji po immunoelektroforezie

Filtracja żelowa, sączenie molekularne

Do rozdziału białek wykorzystuje sie tzw. żele, substancje nierozpuszczalne w wodzie, uformowane w kształcie ziaren zdolnych do pęcznienia, charakteryzujące się określoną wielkością porów. Mieszanina substancji o różnych wielkościach cząsteczek ulega rozdziałowi na skutek wnikania do wnętrza ziarenek żelu cząsteczek mniejszych od porów żelu. Większe cząsteczki nie mogąc sie przedostać do wnętrza żelu, są eluowane w pierwszej kolejności. W dalszej kolejności w miarę malejącej masy cząsteczkowej eluowane są mniejsze cząsteczki. Działanie sita molekularnego przedstawiono na rys. 7. Stosuje sie żele typu Sephadex, Bio-Gel itp.

T a b e l a

8.

Metody analizy białek, modyfikacje (Hitzig, 1983, zmodyfikowane) Właściwości

Metody A.

Fizykochemiczne 1. precypltacja, 2. elektroforeza

rozpuszczalność bibułowa, agarowa, skrobiowa, po1 i akry1oami dowa ul trawirowanle absorpcja i wymiana jonów aminokwasy, cukry, lipidy, metale

3. sedymentacja 4. chromatografia 5. skład 6. sekwencja B.

C.

Immunochemiczne 1. immunoelektroforeza 2. immunodyfuzja 3. immunofluorescencja 4. radioimmunologia

lokalizacja w tkankach znakowanie izotopami

Funkcjonalne 1. aktywność enzymatyczna białka jako enzymy 2. metody enzymolmmunologlczne

2.6.5.

Chromatografia powinowactwa, swoista sorbcja

Bardzo użyteczna w izolacji enzymów i ich inhibitorów jest metoda chromatografii powinowactwa. Polega ona na przepuszczeniu

Q

Rys. 7.

b

C

Działanie sita molekularnego: a - cząsteczki różnych rozmiarów naniesione na żel, b - filtracja w żelu, c - rozdział cząsteczek według ich wielkości

przez kolumnę, wypełnioną nierozpuszczalnym nośnikiem z przyłączonym substratem lub inhibitorem, materiału zawierającego izolowany enzym. Białka, które nie wykazują powinowactwa do aktywnego czynnika unieruchomionego na nośniku, wypływają z kolumny. Izolowany enzym wiąże sie i jest następnie swoiście eluowany. Metoda ta, w licznych odmianach, znajduje sie w centrum zainteresowania analityki biochemicznej.

MOCZ

Rys.

8.

H 0 2

Chromatografia powinowactwa inhibitora trypsyny na anhydrotrypsynie unieruchomionej na Sepharose 4B

Przykładem zastosowania chromatografii powinowactwa jest wydzielenie w stanie czystym inhibitora trypsyny z moczu powysiłkowego (Borkowski, 1989). Na kolumnę z nośnikiem (Sepharose 4B) związanym ze zmodyfikowaną trypsyną nanoszono mocz powysiłkowy o pH doprowadzonym do 7,6 zawierający inhibitor tego enzymu. Białko niespecyficzne związane wymyto 0,5 M NaCl. Inhibitor eluowano ( na rys. 8 oznaczono strzałką) roztworem 0,1 M HC1 i natychmiast zobojętniano.

2.6.6.

Sedymentacja białek

W czasie wirowania białek w roztworze następuje ich osadzenie, czyli sedymentacja. Szybkość sedymentacji zależy od wielu czynników, a zwłaszcza masy cząsteczkowej 1 kształtu cząsteczki białka. Metoda ta, wykorzystująca ultrawirówke ( metoda ultrawirowania), znalazła duże zastosowanie przy określaniu masy cząsteczkowej białek oraz przy ich rozdziale. Rys. 9 przedstawia krzywą sedymentacji białek surowicy 1 moczu przed i po wysiłku fizycznym.

2.7.

Denaturacja białek

W warunkach rodzimym, czyli

fizjologicznych białko występuje natywnym. Jest to uwarunkowane

Tf

i

ii

Rys. 9.

w stanie względami

surowica

mocz po wysiłku fizycznym

i

Zapis sedymentacji białek surowicy i wysiłku fizycznym

moczu

przed

i po

energetycznymi cząsteczki białka. W wypadku działania określonych czynników, jak podwyższona temperatura, wysokie ciśnienie, zmiany pH (działanie kwasów lub zasad) może dojść do zniszczenia struktury (konformacji) białka. Następuje pękanie wiązań wodorowych odpowiedzialnych za struktury alfa i beta i dochodzi do powstania tzw. zwoju przypadkowego. Zjawisko to nosi nazwę denaturacji. Jeżeli działanie czynnika denaturującego nie' trwa zbyt długo, to może nastąpić proces odwrotny - powrót do stanu natywnego. Określa sie to zjawisko mianem renaturacji.

2.8.

Białko w moczu po wysiłku fizycznym

W moczu prawidłowym stwierdza sie zawsze niewielka ilość białka. Przyjmuje sie, ze w ciągu doby ilość ta nie przekracza 200 mg, odpowiada to 70 fig/ml moczu. Większa ilość białka w moczu obserwuje sie, oprócz stanów patologicznych, jak choroby nerek i dróg moczowych, zatrucia metalami ciężkimi, cukrzyca czy żółtaczka, po wysiłku fizycznym. W tab. 9 zestawiono występowanie T a b e l a

9.

Rodzaj wysiłku

bieg 5 km pływanie gimnastyka maraton piłka nożna

Występowanie białek w moczu po wysiłku fizycznym (Poortmans, 1984, zmodyfikowane) Czas trwania (min)

60 - 180 120 210 240 —

Wydalanie białka ( jig/min) spoczynek

41 40 61 35 70 38

wysiłek

380 do 5100 240 213 320 258

białek w moczu po różnych rodzajach wysiłku. Jak z niej wynika, stężenie białka po wysiłku wyraźnie wzrasta, szczególnie po treningu pływackim. Wielu autorów informuje także o wzroście poziomu białka w moczu maratończyków. Bieg maratoński należy do najtrudniejszych konkurencji, w czasie której dochodzi do dużych zmian metabolicznych w organizmie biegacza. Jak wynika z badań własnych, w moczu maratończyków następuje istotny wzrost poziomu białka. Znaczny wzrost białka całkowitego oraz uromukoidu (odpowiednik orosomukaidu w surowicy) obserwowano w grupie biegaczy i biegaczek; poziom uromukoidu mierzony 24 godziny po biegu był wyższy niż chwile po jego zakończeniu. Wśród białek obecnych w moczu powysiłkowym (proteinuria powysiłkowa) stwierdzono, przy użyciu metod immunologicznych, albuminę oraz kilka innych frakcji, których identyfikacja jest tematem aktualnie prowadzonych badań (tab. 10). Na podstawie badań można sadzić, że istnieje zależność miedzy poziomem białka w moczu a uzyskanym wynikiem sportowym. Większy przyrost ilości białka w moczu obserwowano u zawodników gorzej przygotowanych i uzyskujących słabszy wynik sportowy. Odmiennie, jak wynika z tab. 11, zachowują sie w moczu długodystansowców aminokwasy. Po biegu następuje bardzo wyraźny spadek poziomu wszystkich aminokwasów, szczególnie Gly, His i Ser.

Tabela

10.

Poziom białka i uromukoidu w moczu maratończyków (Sobiech i i*., 1987)

Grupa męska do 4h Wskaźnik

Grupa żeńska 4-5h

Grupa męska 4-5h

A

B

C

A

B

C

A

B

C

Bialfcn ug/ml

82,9

230,3

167,0

99,3

263,0

129,1

88,7

500,5

198,0

Uromukoid ug/ml

9,5

20,9

21,5

9,1

14,3

S>,8

10,1

25,1

28,7

A - przed biegiem B - natychmiast po biegu C - 24 godz, po biegu

T a b e l a

11.

Występowanie aminokwasów w moczu po 100 km (Decombaz i in. , 1979)

biegu

na

Wydalanie aminokwasu nmole/min Aminokwas przed biegiem Leu Lys Thr Ala Gly Ser Glu Gin Asp Asn His Arg

46 174 160 392 982 389 90 311 178 73 864 28

po biegu

24 godz. po biegu

17 51 53 127 242 •

34 92 59 161 415 184 36 174 97 39 495 13

Ł_

-r

r

54 169

76 -

i

'

F

,

15

- - ~ ' -• - -

Interesujący jest wzrost ichi poziomu 24 godziny po biegu na 100 km. W tab. 12 przedstawiono listę białek tzw . ostrej fazy, które występują w surowicy ludzi , a poziom ich wzrasta w stanach zapalnych, w chorobie nowotworowej oraz w innych schorzeniach. Na uwagę zasługuje prawidłowość, że poziom tych białek w moczu ulega podwyższeniu po wysiłku fizycznym. Dotyczy to zwłaszcza białek T a b e l a

12.

Białka "ostrej fizycznego

fazy"

Masa cząsteczkowa

Białko alfa -antytrypsyna orosomukoid ceruloplazmina haptoglobina immunoglobulina G 3S-gamma^ globulina

45 44 160 100 160 25

000 000 000 000 000 000

-

markery

wysiłku

Mocz „ powysiłkowy *y- W 23 6 4 8 180

Wielkość stężenia białka w moczu maratończyków (w odniesieniu do moczu spoczynkowego) (Poortmans, 1984) niskocząsteczkowych

OS-gamma^lobulina, orosomukoid), ale także

wielkocząsteczkowych, jak ceruloplazmina i IgG.

3.

Enzymy (biokatalizatory, zaczyny, fermenty)

Białka posiadające funkcje katalityczna noszą nazwę enzymów. Charakteryzują sie one dużą aktywnością oraz specyficznością. Aktywnością enzymatyczna nazywamy zdolność do przekształcania substratu (substratów) w produkt (produkty) z wytworzeniem w przebiegu katalizy kompleksu ES: substrat(S) + enzym(E) ->[ES](stan przejściowy) -> produkt(P) + E Enzymy obniżają swobodną energie aktywacji katalizowanych reakcji, która musi być dostarczona, aby mogła mieć miejsce reakcja chemiczna. Swobodną energią aktywacji ( A G ) nazywamy różnice miedzy energia stanu przejściowego a energią substratu: ^

Gr

mm

_

G

stanu przejściowego

c

substratu

czas reakcji Rys. 10.

Przebieg reakcji przy udziale enzymu i reakcji niekatalizowanej : E - energia początkowa substratów, E E

-

energia

aktywacji

-

energia

reakcji

reakcji

niekatalizowanej,

katalizowanej

przez

enzym,

31

E

-

spadek swobodnej energii reakcji, E

końcowa produktów

- energia

Wpływ enzymu na katalizowana reakcję ilustruje nadtlenku wodoru - ^ 0 ^ -

przykład

rozkładu

Katalaza obniża swobodna energie aktywacji reakcji do 30% w porównaniu do katalizatora nieorganicznego (65%). Powstawanie w stanie przejściowym kompleksu enzym-substrat [ES] zachodzi w T a b e l a

13.

Reakcja

2H 0 2

2H 0 • 0 2

Katalizator

>

2

2

Enzymatyczny i nieenzymatyczny nadtlenku wodoru

bez

Energia aktywacji kJ/mol

rozkład

Procent

75,36

100

platyna koloidalna

48,98

65

katalaza z wątroby

23,03

30

sposób selektywny i wiąże się z osłabieniem niektórych wiązań chemicznych. Obecność kompleksu została udowodniona metodami mikroskopii elektronowej i rentgenografii. Stwierdzono, że wiązanie substratu do enzymu zmienia także takie jego właściwości, jak rozpuszczalność, termostabilność, zdolność pochłaniania światła i łączenia z inhibitorem kompetycyjnym. Reakcja enzymu z substratem zachodzi w miejscu (centrum) aktywnym (katalitycznym) enzymu, które stanowi małą część jego cząsteczki. Miejsce aktywne jest układem przestrzennym zbudowanym z grup chemicznych, leżącym w różnych pozycjach liniowej sekwencji aminokwasów. Poglądy na temat mechanizmu katalizy enzymatycznej ulegały w ostatnim stuleciu istotnym zmianom. Jakkolwiek wszyscy byli zgodni co do tego, że specyficzność wiązania substratu z enzymem zależy od warunków stereochemicznych obu komplementarnych składników, to jednak inaczej wyobrażali sobie przebieg katalizy. W 1890 r. E.Fisher sformułował tzw. teorię klucza i zamka. Twierdził on, że enzym można porównać do zamka, natomiast substrat do pasującego do niego klucza. Zaproponował zatem układ sztywny i statyczny. Innym modelem wiązania enzymu z substratem jest dynamiczna koncepcja Koshlanda (1968), nazwana wymuszonym dopasowaniem. Zakłada ona, że w chwili zbliżenia substratu i enzymu następuje indukowanie zmian konformacyjnych w enzymie i w substracie, tzw. wzajemne wzbudzone dopasowanie (można to porównać do reki i pięciopalczastej rękawiczki) - rys. 12. Obecnie uważa się, że cząsteczka enzymu może mieć jedno lub więcej centrów aktywnych, w których wyróżnia sie reszty katalityczne, decydujące o przebiegu katalizy, oraz grupy pomocnicze. Według Koshlanda obecne w cząsteczce enzymu centrum aktywne (katalityczne) złożone jest z aminokwasów pełniących

określone funkcje w katalizie. Wśród nich wyróżniamy: - aminokwasy kontaktowe (zarówno wiążące substrat, Jak i biorące bezpośredni udział w reakcji) położone w odległości 0,2 nm od substratu (K), - aminokwasy pomocnicze (P) nie stykające sie z substratem, pełniące określoną role w katalizie, aminokwasy stabilizujące strukturę przestrzenna enzymu (S). W obszarze centrum aktywnego znajduje sie miejsce wiązania substratu określające swoistość oraz miejsce katalityczne, w którym zachodzi reakcja. Jeżeli w centrum katalitycznym wiązanie z substratem odbywa sie w różnych miejscach, to określa sie Je mianem subcentrów. Oprócz centrum aktywnego enzymy mogą posiadać centrum regulacyjne, na które działają efektory, wywołujące określone zmiany konformacyjne białka. Efektory mogą zatem pośrednio regulować aktywność enzymatyczną. Ma to miejsce

I

OBSZAR CENTRUM

AKTYWNEGO

MIEJSCE W I Ą Z A N I A

Rys. 11.

SUBSTRATU

Budowa centrum aktywnego (Witwicki i Ardelt, 1984)

szczególnie w enzymach allosterycznych regulatorowych, które zbudowane są z podjednostek (budowa IV-rzedowa). Enzymy te moga posiadać dwa centra: aktywne i allosteryczne (regulatorowe) w jednej podjednostce, jak i w różnych formach monometrycznych.

Właściwości kinetyczne enzymów allosterycznych odróżniają je od innych enzymów, nazywanych autosterycznymi. Szczególnie dotyczy to zależności szybkości reakcji od stężenia substratu (rys. 13). W wypadku enzymów allosterycznych przebieg krzywej zależności ma charakter sigmoidalny. Kinetyczne właściwości niektórych enzymów można opisać według modelu Michaelisa-Menten. Szybkość V tworzenia produktu reakcji ilustruje równanie: [ S ] V = V max [ S ] + K m gdzie

V

m a x

jest

szybkością

reakcji

w

warunkach

całkowitego

wysycenia enzymu substratem a K , stała Michaelisa, jest stężeniem substratu, przy którym szybkość maksymalnej (rys. 14).

reakcji osiąga połowę wartości

•> •1 Rys. 12.

Wartość K

Interakcja enzym (E) - substrat (S): a zamek-klucz, b - model dopasowania indukowanego

model

jest stała dla danego substratu w określonych warunkach m reakcji (temperatura, pH itp.). Jest ona miara powinowactwa enzymu do substratu. Im mniejsza jest wartość K , tym powinowactwo m enzym-substrat jest większe i odwrotnie. Jeżeli jakiś enzym

rozkłada wartości

kilka substratów, to wyznaczenie dla każdego z nich K p ozwala określić najodpowiedniejszy dla niego m wartość. substrat, czyli ten, dla którego K ma najmniejsza m dla niektórych enzymów przedstawiono w tab. 14. Wartości

stężenie s u b s t r a t u

Rys. 13.

Zależność aktywności enzymu od stężenia substratu: 1 - enzym autosteryczny, 2 - enzym allosteryczny

T a b e l a

14.

Wartości K

m

dla niektórych enzymów

Substrat

Enzym

K. m

(mM)

Heksokinaza glukoza fruktoza

0,15 1,50

Chymotrypsyna amid N-formylotyrozyny amid glicylotyrozyny Gamma-glutamylotransfera

12,0 122,0

( z mleka)

gamma-Glu-4-ni troanilid gamma-Glu-l-naftyloamid

0,45 1,12

Rys. 14.

Zależność szybkości reakcji stężenia substratu (S)

enzymatycznej

(V)

od

Wartości

oprócz ich użyteczności w badaniach reakcji m' enzymatycznych, maja także znaczenie praktyczne. Wykazano doświadczalnie, że przy stężeniu substratu 100 razy przekraczającym wartości stałej Michaelisa enzym działa z szybkością maksymalną, co jest pożądane w badanich enzymatycznych. 3.1.

Szybkość reakcji enzymatycznej

Szybkość reakcji enzymatycznej zależy od: stężenia substratu, „. . ilości enzymu, vi *:r>:f. temperatury, pH, stężenia produktu, stężenia modyfikatorów: inhibitorów blokatorów i aktywatorów. 1

-

3.1.1.

Wpływ stężenia substratu

Przy stałej ilości enzymu zwiększenie stężenia substratu powoduje wzrost szybkości reakcji. Zależność tę przedstawia rys. 13. Szybkość reakcji wzrasta do pewnych granic i dalsze zwiększenie stężenia substratu nie ma na nią wpływu. Niektóre enzymy w obecności dużych ilości substratu obniżają swą aktywność

katalityczną. Nadmiar substratu może przeszkodzić w wymianie składników reakcji, w odłączeniu sie produktu od centrum katalitycznego enzymu oraz w jego odpływie. MoZe tak2e wywierać niekorzystne zmiany na strukturę enzymu. Od stężenia substratu może zależeć typ katalizowanej reakcji. Przy niskim stężeniu substratu niektóre glikozydazy wykazują funkcje hydrolityczną (są hydrolazami), a w wysokim stężeniu przejawiają ponadto funkcje transferazową, katalizujac reakcje transglikozylacji. 3.1.2.

Wpływ ilości enzymu

Przy znacznym nadmiarze substratu, przy całkowitym wysyceniu enzymu szybkość reakcji katalizowanej przez enzym jest wprost proporcjonalna do jego ilości. W takich warunkach powinny być przeprowadzone reakcje enzymatyczne w laboratoriach biochemicznych lub diagnostycznych. W organizmie jednak stężenia substratów są dość niskie i szybkość reakcj i jest proporcjonalna do każdorazowego stężenia substratu. 3.1.3.

Wpływ temperatury

Wiadomo, że podwyższenie temperatury o 10°C powoduje ok. dwukrotny wzrost szybkości reakcji chemicznej. W reakcji enzymatycznej wraz ze wzrostem temperatury rośnie szybkość przemiany substratu w produkt. Pamiętać jednak należy o tym, że wszystkie dotąd poznane enzymy są białkami, które w podwyższonej temperaturze ulegają denaturacji i stają sie nieaktywne biologicznie. W niskich temperaturach, bliskich 0°C, szybkość katalizowanej reakcji jest bardzo mała, co wynika z niskiej energi i kinetycznej cząsteczek. Każdy enzym ma swoje optimum

Rys. 15.

Wpływ pH i temperatury na aktywność 1 - pepsyna, 2 - amylaza, 3 - trypsyna

enzymu:

temperaturowe, w którym szybkość katalizowanej przez niego reakcji jest najwyższa. Powyżej tej temperatury optymalnej szybkość reakcji obniża sie. Niektóre enzymy przejawiają najwyższa aktywność w temperaturze około 25°C, większość powyżej 40-50°C, zaś nieliczne, pochodzenia bakteryjnego, działają nawet w temperaturze bliskiej 100°C (rys. 15). t

3.1.4.

Wpływ pH

'

-. . —

•

f

•' ''

Stężenie jonów wodorowych odgrywa dużą role w enzymatycznej. W zależności od pH środowiska reakcji

Rys. 16.

Wpływ buforu Aa szybkość (Kotoński i Sobiech, 1984)

reakcji

w

katalizie następują

enzymatycznej , .

zmiany elektrostatyczne dotyczące grup aminowych i karboksylowych białka enzymatycznego. Wpływa to bezpośrednio na centrum katalityczne enzymu oraz reakcje z substratem. Nie bez wpływu na wypadkową, optymalna wartość pH, pozostaje także ładunek własny enzymu i substratu. Dla większości enzymów tzw. optimum pH, czyli takie stężenie jonów wodorowych, w którym enzym działa najlepiej, zbliżone jest do pH 7. Istnieje jednak wiele enzymów działających najefektywniej przy innych wartościach pH, jak pepsyna (ok. 1,8), fosfataza kwaśna (5,0), disacharydazy (6,0), trypsyna (8,0), fosfataza alkaliczna (9,0), arginaza (10,0). Badając zależność szybkości reakcji enzymatycznej od pH, stwierdzono różne spektra (profile) działania. Niektóre enzymy wykazują wąskie spektrum (np. pepsyna), tzn. mogą efektywnie działać tylko w niewielkim

przedziale pH. Inne natomiast charakteryzuje szeroki profil, tzn. maja podobną aktywność w zakresie kliku jednostek pH. W rozważaniach nad wpływem pH na szybkość reakcji należy także uwzględnić rodzaj substancji tworzących środowisko buf orujące oraz ich stężenie. Na rys. 16 przedstawiono wpływ czterech buforów na aktywność transglikozylacyjną w mięśniach czerwonych karpia (Cyprinus carpio L. ). Nie można również pominąć denaturującego działania na enzym zbyt kwaśnego lub zbyt alkalicznego środowiska reakcji. 3.1.5.

Wpływ stężenia produktu

Powstający w wyniku reakcji enzymatycznej produkt (produkty) może być czynnikiem hamującym jej przebieg. Wiąże sie to ze swoistą "kontrolą wewnętrzną" przebiegu cykli i ciągów metabolicznych w organizmie. Produkt P reakcji katalizowanej przez enzym E^ staje sie substratem dla enzymu E^. Jeżeli produkt Pj nie zostanie przekształcony w kolejnej reakcji, to nagromadzony nadmiar wpływa hamująco na działanie enzymu E^: E

S

I

odwrotnie,

zwiększenia

l

E

P>

szybkie

znikanie

szybkości

reakcji

2

5__>

produktu

P

2

. . . .

Pj

katalizowanej

może

prowadzić

przez

enzym

do E . 1

Istnienie takiej samoregulacji przemian uzależnione Jest zatem od stężenia produktu reakcji P^ oraz kolejnych produktów pośrednich, jak P . 2

3.1.6.

Wpływ stężenia modyfikatorów.

Szybkość reakcji może sie zmniejszać lub zwiększać pod wpływem określonych substancji, które w różnorodny sposób oddziałują na reakcje enzym-substrat lub na sam enzym. Inhibitory sa to substancje obniżające aktywność enzymatyczna 1 regulujące procesy metaboliczne zachodzące w komórce. Pod względem chemicznym mogą to być jony, związki małocząsteczkowe (rys. 17). Inhibitory dzielimy ze względu na typ hamowania reakcji na: kompetycyjne, - niekompetycyjne, akompetycyjne. Inhibicja kompetycyjna polega na zmniejszeniu szybkości katalizy przez_ zmniejszenie liczby cząstek enzymu, związanych z

Rys. 17. "

Hamowanie reakcji enzymatycznej: a b - niekompetycyjne; E - enzym, S I - inhibitor

kompetycyjne, substrat,

substratem. Inhibitor kompetycyjny wykazuje często duże podobieństwo strukturalne do substratu, z którym współzawodniczy o miejsce aktywne w enzymie. Dochodzi wówczas do tworzenia sie, obok kompleksu ES, także kompleksu enzym-inhibitor. Ten typ hamowania należy do inhibicji odwracalnej, tzn. istnieje możliwość jej cofnięcia przez zastosowanie dostatecznie dużego stężenia substratu. Przykładem inhibitorów kompetycyjnych sa: malonian hamujący aktywność dehydrogenazy bursztynianowej oraz 2,3-dwufosfo-glicerynian - zmniejszający aktywność dwufosfogliceromutazy. Inhibicja niekompetycyjna polega na tym, że inhibitor łączy sie z enzymem poza centrum aktywnym lub wiąże sie z kompleksem enzym-substrat. Ten typ hamowania jest także inhibicją odwracalną, ale w odróżnieniu od inhibicji kompetycyjnej nie da sie jej cofnąć przez zwiększenie stężenia substratu. Wykresy zmian dla inhibicji kompetycyjnej i niekompetycyjnej ilustruje rys. 18. Trzecim, rzadko spotykanym rodzajem hamowania, jest inhibicja akompetycyjna, w której inhibitor łączy sie z kompleksem enzym-substrat. Trzeba jednak pamiętać, że przedstawione typy hamowania nie wyczerpują całości tego zagadnienia. Inhibicja

INHIBICJA KDMPETYCYJNA

INHIBICJA

NIEKOMPETYCYJNA

Rys. 18. Wykresy Llneweavera-Burka dla inhibicji kompetycyjnej i niekonpetyeyjnej

spotykana w organizmie jest bardziej skomplikowana i typy hamowania.

łączy

różne

BIokatory enzymów Oprócz inhibitorów, aktywność enzymów silnie obniżają substancje chemiczne, np. kationy metali ciężkich reagujące z grupami -SH cysteiny, cyjanki, siarczki, fluorki, a także związki fosforoorganiczne. T a b e l a

15.

Wpływ jonów metali na gamma-glutamylotransferazy (Sobiech i in., 1974)

Efektor

Aktywność względna

Kontrola Mg Zn Mn Co Ba

.\ ' / /

+ +

/

Fe


aldehyd octowy 4- CO

dekarboksylacja

karboksylaza pirogronianowa

pirogronian + CO-> + ATP biotyna „ szczawicoctan + ADP + Pi

karboksytacja

izomeraza glukozofosforanowa

glukozo-6-P —>-fruktozo 6-P

izomeryzacja

syntetaza cytrynianowa

acetylo-CoA + szczawiooctan + H j O cytrynian + CoA + H

hydra taza fumaranowa

fumaran + H 0 -^-jablczan

+

>

kondensacja

+

2

hydratacja

z uwagi na ich długość używa sie rzadko. Przykład nazwy systematycznej: EC 3.2.1.1 4-glikanohydrołaza-alfa-(l->4)-glikanowa, cznie alfa-amylaza. 3.9.

czyli poto­

Enzymologia jako dziedzina biochemii '

W ostatnich 20 latach nastąpił szybki rozwój enzymologii spowodowany z jednej strony wprowadzeniem nowych substratów, a z drugiej zainteresowaniem kinetyka enzymatyczna, a szczególnie potrzeba wykorzystania enzymów w diagnostyce klinicznej oraz biotechnologii żywności, leków i produkcji biopreparatów potrzebnych we wszystkich dziedzinach życia. Szczególną uwagę z punktu widzenia naszych zainteresowań zwraca wartość diagnostyczna oznaczeń niektórych enzymów. Wynik oznaczenia aktywności enzymu w analitycznym laboratorium klinicznym ma dla lekarza dużą wartość przy ustaleniu rozpoznania choroby. Jak wynika z tab. 23, w surowicy krwi spotykamy enzymy pochodzące z różnych narządów. Znaczny wzrost ich aktywności wskazuje na uszkodzenie lub stan patologiczny danego, a nie innego, narządu. I tak przykładowo, badanie aktywności alfa-amylazy jest ważne diagnostycznie w chorobach trzustki i ślinianek a nie mięśnia sercowego, w badaniu którego dominującą role spełnia dehydrogenaza mleczanowa (LDH-1, H-4) oraz aminotransferaza asparaginowa. Badania enzymatyczne odgrywają także ważną role w ocenie wysiłku fizycznego. Jak już wspominano, na wyróżnienie zasługuje oznaczania takich enzymów jak dehydrogenaza mleczanowa i jej izoenzymy, kinaza fosfokreatyninowa (wraz z izoenzymami), a także aldolaza, gamma-glutamylotransferaza i inne. T a b e l a

Narząd

23.

Swoistość narządowa niektórych występujących w surowicy

Enzym

enzymów

Swoistość

gamma-glutamylotranspeptydaza aminotransferaza alaninowa dehydrogenaza mleczanowa LDH-5 (M ) aminotransferaza asparaginianowa

+ +

trzustka

lipaza amylaza

+ +

+ +

ślinianki

amylaza

+

+

wątroba

r

+ +

+ +

c d.tabeli 23 . Narząd

Swoistość

Enzym

kości

fosfataza zasadowa

+

+

+

żołądek

uropepsyna, pepsynogen

4-

+

+

miesdeń sercowy

dehydrogenaza mleczanowa LDH-1 (H ) aminotransferaza asparaginianowa

+

+ +

drogi

aminopeptydaza leucynowa

+

+

żółciowe

gamma-glutamylotranspeptydaza

+

+

3.10.

+

Badania własne dotyczące aktywności enzymów w moczu i w surowicy

W tab. 24-27 zebrano wyniki badań wykonanych w Zakładzie Biochemii AWF we Wrocławiu. W tab. 24 przedstawiono aktywność siedmiu enzymów w surowicy przed i po biegu maratońskim. Stwierdzono znaczny, istotny wzrost badanych enzymów, zwłaszcza dehydrogenazy mleczanowej, kinazy kreatyninowej i aldolazy. T a b e l a

24.

Aktywność niektórych enzymów w surowicy

Aktywność enzymu (j/l) kinaza kreatyninowa dehydrogenaza mleczanowa aldolaza aminotransferaza asparaginianowa aminotransferaza alaninowa aminopeptydaza leucynowa aminopeptydaza alaninowa

Przed biegiem 137.3 150,3 1,48 8,7 11,0 2,3 23,8

Po biegu 567,1 303,6 3,36 9,5 19,3 5,1 25,3

Badanie enzymów w moczu zestawiono w tab. 25. We wszystkich wypadkach obserwowano wzrost aktywności po wysiłku fizycznym oraz spadek po 24 godzinach. Nie odnotowano powrotu aktywności do stanu przedwysiłkowego po upływie 24 godzin. U tych samych zawodników badano także aktywność alfa-amylazy oraz jej dwu izoenzymów: trzustkowego i śliniankowego.

T a b e l a

25.

Aktywność wybranych enzymów w moczu maratończyków (Sobiech i in.,1987) 3

Enzym ( j/cm )

Przed biegiem

Natychmiast po biegu

24 godz. po biegu

aminotransferaza asparginianowa

1,04

2,47

1,17

aminotransferaza alaninowa

0,55

1,18

0,64

aminopeptydaza leucynowa

Z, 80

16,71

4,05

aminopeptydaza alaninowa

4,84

21,62

7,52

10,83

120,71

48,36

gamma-glutamylotrans feraza

T a b e l a

26.

Aktywność (j/l) aktywność całkowita

Aktywność alfa-amylazy i jej izoenzymów w moczu maratończyków (Bakońska i Sobiech, 1987) Przed biegiem

Natychmiast po biegu

11,3

158,1 ,

24 godz. po biegu 23,0

izoenzym - P (trzustkowy)

5,3

88,0

8,9

izoenzym- S (śliniankowy)

6,0

70,1

14,1

Obserwując ogólny, ponad dziesięciokrotny, wzrost aktywności po biegu,stwierdzono różnice w zachowaniu sie izoenzymów. Ze względu na zastosowana metodę (z użyciem swoistego inhibitora) wyniki te wydaja sie być interesujące (tab. 26). Tab. 27 przedstawia zachowanie sie inhibitorów trypsyny i chymotrypsyny w moczu maratończyków. Na szczególna uwagę zasługuje to, że wzrost poziomu badanych wskaźników stwierdzono nie tylko natychmiast po biegu, ale i w 24 godziny po jego zakończeniu. We wstępnych badaniach własnych zasygnalizowano zależność miedzy aktywnością badanych

enzymów a wynikiem sportowym i stopniem przygotowania do wysiłku fizycznego. T a b e l a

27.

Poziom inhibitora trypsyny i chymotrypsyny w moczu maratończyków (Borkowski i Sobiech, 1987) 3

.

Inhibitor (j/cm )

Enzym Przed biegiem

trypsyna chymotrypsyna

Natychmiast po biegu

24 godz. po biegu

12,0

26 4

39,4

5,9

12,9

19,9

f

jako substratu uZyto kazeiny

ZAGADNIENIA POMOCNICZE Z CHEMII ORGANICZNEJ 1. Alkany szereg homologiczny, otrzymywanie, zastosowanie. 2. Alkeny, szereg homologiczny, otrzymywanie, zastosowanie. 3. Alkiny, szereg homologiczny acetylenu, otrzymywanie, zastoso­ wanie. 4. Reakcja podstawiania i przyłączania, przykłady. 5. Polimeryzacja liniowa i pierścieniowa. 6. Zastosowanie acetylenu w syntezie organicznej. 7. Węglowodory aromatyczne, benzen, toluen, ksylen, izomeria orto-, meta-, para-. 8. Rodzaje izomerii, przykłady. 9 . Podział i rzedowość alkoholi. 1 0 . Aldehydy, otrzymywanie i zastosowanie. 1 1 . Ketony, przykłady tautomeria keto-enolowa. 12. Kwasy jednokarboksylowe - mrówkowy, octowy, propionowy, masłowy. 13. Kwasy dwukarboksylowe - szczawiowy, bursztynowy, glutarowy. 14. Kwasy nienasycone dwukarboksylowe - maleinowy i fumarowy. 15. Izomeria cis, trans. 16. Przykłady hydroksykwasów i ketokwasów - kwas mlekowy, jabłkowy, pirogronowy i winowy. 17. Mechanizm reakcji estryfikacji. Przykłady estrów. 18. Rzedowość amin, przykłady, etaloamina, cholina. 19. Reakcje utleniania i redukcji aldehydów i ketonów. 20. Reakcje dekarboksylacji i dezaminacji, przykłady. 21. Amidy, otrzymywanie, glutamina, aspargina. 22. Aminokwasy kwaśne - kwas asparaginowy i glutaminowy.

23. Aminokwasy obojętne - glicyna, alanina, seryna, treonina, leucyna, walina. . •v 24. Aminokwasy zasadowe - lizyna, arginina. 25. Aminokwasy zawierające siarkę - cysteina, cystyna, metionina. 26. Aminokwasy aromatyczne - fenyloalanina, tyrozyna. 27. Aminokwasy heterocykliczne - tryptofan, histydyna, prolina. 28. Hydroksyaminokwasy - seryna, treonina. 29. Pochodne aminokwasów w ważnej roli biologicznej - tyrozyna (adrenalina) i noradrenalina), histydyny (histamina), tryptofany (serotinina). 30. Peptydy, nazewnictwo, wiązania peptydowe, glutation. Uwaga: Przygotowując sie należy zwrócić szczególna uwagę na nazewnictwo, budowę chemiczna związków (wzory podane w tematyce ćwiczenia), grupy funkcyjne, izomerie w chemii organicznej, role biologiczna poszczególnych związków oraz ich miejsce w przemianach biochemicznych. .., •

ZAGADNIENIA POMOCNICZE DO TEMATU: BIAŁKA I ENZYMY

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22.

Typy struktur białkowych, definicja, wiązania. Pierwszo-, drugo- i trzeciorzędowa struktura białka. Czwartorzędowa struktura białka. Typy wiązań chemicznych występujących w białkach. Funkcje biologiczne białek. Ważniejsze białka i ich funkcje. Właściwości białek, elektroforeza, chromatografia, analiza sedymentacyjna, sączenie molekularne. Podział białek, przykłady. • Denaturacja i renaturacja. » ' • ' • * > • • • > •' ' f ! r Stała Michaelisa, jednostki aktywności. Typy inhibicji reakcji enzymatycznych. Centrum katalityczne i allosteryczne. >-::•-.u h ' . • ^ " • ' I \ Fazy reakcji katalitycznej. Statyczny i dynamiczny model katalizy. Szybkość reakcji enzymatycznych. Kod enzymatyczny, przykłady. Izoenzymy. Proenzymy. Regulacja aktywności enzymów. Koenzymy, podział i przykłady reakcji. Koenzymy jako kosubstraty, przykłady. Białka w moczu po wysiłku fizycznym. w

1

PIŚMIENNICTWO Bakońska-Pacoń E. , Sobiech alpha-amylase isoenzymes Polona, 30, 51-57.

K. A. (1989) Activi ty of urinary in marathon runners. Acta Medica

Baczyk S., Henneberg R., Tkaczyk R. (1981) Zachowanie sie dehydrogenazy mleczanowaj i katalazy po wysiłku fizycznym u 16-letnich chłopców. Monografie AWF w Poznaniu, 188, 133-143. Borkowski J., Sobiech K.A. (1989) Pojemność antytrypsynowa i antychymotrypsynowa w moczu maratończyków. Człowiek, Populacja, Środowisko, 34, 120-125. Decombaz J., Reinhardt P,, Anantharaman K., Glutz G. von., Poortmans J.R. (1979) Biochemical changes in a 100 km run. Free amino acids, urea and creatinine. European Journal of Applied Physiology, 41, 61-72. Filipowicz Lódź.

B. , Więckowski

W.

(1986) Biochemia.

PWN, Warszawa,

Hłtzig W.H. (1983) Białka osocza. PZWL, Warszawa. Karlson P. (1987) Zarys biochemii. PWN, Warszawa. Karpiak S.E. (1986) Biochemia zwierząt, PWRiL, Warszawa. Kielblock A.J., Manjoo M., Booyens J., Katzeff J.E. (1979) Creatlne phosphokinase and lactate dehydrogenase levels after ultra longdistance running. South African Medical Journal, 55, 1061-1066. Koshland D.E.Jr., properties of 359-410.

Neet K.E. (1968) The catalytic and regulatory enzymes.Annual Review of Biochemistry, 37,

Kotoński B., Sobiech K.A. (1984) Niefosforylacyjna transgllkozylacja w wyciągach z mięśni białych i czerwonych karpia (Cyprinus carplo L ) . Polskie Archiwum Weterynaryjne, 24, 79-87. Lehnlnger A.L. (1979) Biochemia. PWRiL, Warszawa. Poortmans J.R. (1984) Medicine, 1, 125-153.

Exercise

and

renal

functlon.

Sports

Rose L.I., Bousser J.E., Cooper K.H. (1970) Serum enzymes after marathon runnlng. Journal of Applied Physlology, 29, 355-361. Sanger F., Tuppy H. (1951) The amino acid seąuence in the phenylalanyl chain of insulin. Biochemical Journal, 49, 463-490. Siemion J.Z. (1985) Biostereochemia. PWN, Warszawa. Sobiech K.A., Ziomek E., Szewczuk A. (1974) Purification and some properties of gamma-glutamyl transpeptidase from cow's milk. Archiwum Immunologiae et Therapie Experimentalis, 22, 645-656. Sobiech K.A;, Rotter A., Kaczmarek L., Szot B. , Nowacka I. (1987) Aktywność wybranych enzymów i poziom elektrolitów w surowicy i w moczu maratończyków. Wychowanie Fizyczne i Sport, 31, 99-106. Sobiech K.A., Sobiech E., Nowacka I., Borkowski J. (1989) Biochemiczne wskaźniki w moczu maratończyków. Rozprawy Naukowe AWF we Wrocławiu, 22, 353-360. Szewczuk A., Milnerowicz H. , Sobiech K.A. (1978) Isolation and properties of gamma-glutamyl transpeptidase from Morris hepatoma 5123D. Neoplasma, 25, 297-308. Warchoł T., Warchoł J. (1985) Podstawowe pojęcia związane z energetyką komórki. W: Kawiak J. , Mirecka J. , Olszewska M. , Warchoł J. (red.), Podstawy cytofizjologii. PWN, Warszawa. Witwicki J., Ardelt W. (1984) Elementy enzymologii. PWN, Warszawa.

SPIS TREŚCI

OD AUTORA

3

CZEŚĆ I. BIAŁKA I ENZYMY

5

1. Krótki przegląd wybranych zagadnień z chemii organicznej. 7 1.1. Węglowodory 7 1.2. Izomeria 9 1.3. Alkohole 14 1.4. Aldehydy i ketony 16 1.5. Kwasy organiczne 16 1.6. Aminy, amidy . 21 1.7. Estry, etery 22 1.8. Aminokwasy 22 1.9. Peptydy . ^ 24 2. Białka 29 2.1. Struktura białek 30 2.2. Alfa-helisa 31 2.3. Struktura beta [harmonijka, pofałdowana kartka) 32 2.4. Podział białek 34 2.5. Eksperymentalne metody badania białek 34 2.5.1. Skład aminokwasowy . 34 2.5.2. Sekwencja aminokwasów 34 2.5.3. Specyficzne rozszczepianie białek na peptydy . 35 2.6. Fizykochemiczne właściwości białek ............. 37 2.6.1. Elektroforeza 37 2.6.2. Immunoelektroforeza 37 2.6.3. Chromatografia jonowymienna 37 2.6.4. Filtracja żelowa, sączenie molekularne 38 2.6.5. Chromatografia powinowactwa, swoista sorbcja . 39 2.6.6. Sedymentacja białek 41 2.7. Denaturacja białek 41 2.8. Białko w moczu po wysiłku fizycznym ............ 42 3. Enzymy (biokatalizatory, zaczyny, fermenty) 45 3.1. Szybkość reakcji enzymatycznej 50 3.1.1. Wpływ stężenia substratu 50 3.1.2. Wpływ ilości enzymu 51 3.1.3. Wpływ temperatury 51 3.1.4. Wpływ pH 52 3.1.5. Wpływ stężenia produktu 53 3.1.6. Wpływ stężenia modyfikatorów 53 3.2. Specyficzność enzymów 56 3.3. Proenzymy 58 3.4. Koenzymy 60

C Z E Ś Ć

II

PRZEMIANA CUKROWCÓW

C Z Ę Ś Ć

II

PRZEMIANA CUKROWCÓW

1.

Przegląd, podział i izomeria cukrowców

Cukrowce (węglowodany) tworzą duZą grupę związków od jednocukrowców (cukry proste - monosacharydy) do wielocukrów (cukry złożone"' - bi- i polisacharydy). Wśród cukrów prostych wyróżniamy aldozy, których pochodzenie można wyprowadzić od aldehydu glicerynowego zbudowanego z trzech atomów węgla, w tym jednego asymetrycznego. Są to związki optycznie czynne, tzn. związki, których roztwory wodne skręcają płaszczyznę światła spolaryzowanego. Na rys. 1 przedstawiono szereg aldoz od odmiany konformacyjnej D - aldehydu glicerynowego do 16 steroizomerów heksoz posiadających 4 węgle asymetryczne. Wszystkie heksozy, które należą do szeregu D, posiadają atom wodoru po lewej stronie przy przedostatnim atomie węgla, co jednak nie oznacza kierunku skrecalności. Kierunek skrecalności oznacza sie przy nazwie cukru znakiem (+) dla cukru skręcającego światło w prawo lub znakiem (-) dla cukru skręcającego światło w lewo. " Na rys. 2 przedstawiono grupę cukrowców prostych posiadających, w odróżnieniu od aldoz, grupę ketonowa. Wywodzi sie ona od optycznie nieczynnej triozy, którą jest dihydroksyacetori, zaś szereg D można wyprowadzić od D-eryt"rulozy, tetrozy posiadającej jeden węgiel asymetryczny. Wzory cukrowców mogą być przedstawione w postaci łańcuchowej (rys. 1 i 2 ) oraz w postaci pierścieniowej. Ta ostatnia postać powstaje w wyniku reakcj i miedzy grupą karbonylową ( w aldoheksozach reakcja zachodzi miedzy grupami przy węglach Cl i C5 - pierścień piranowy lub w ketoheksozach przy węglach C2 i C5 pierścień furanowy) a grupą alkoholową dalszego węgla. W strukturze pierścieniowej węgiel grupy karbonylowej staje sie węglem asymetrycznym, co prowadzi do powstania nowego rodzaju izomerii, zwanej anomerią. Na rys. 3 przedstawiono anomeryczne formy (anomery) glukozy i fruktozy różniące sie" wielkością kąta skręcenia płaszczyzny polaryzacji. Wzory pierścieniowe cukrów przedstawione na rys. 3 noszą nazwę wzorów Hawor.tha. Kolejną grupę cukrowców stanowią disacharydy zbudowane* z dwóch heksoz połączonych wiązaniem glikozydowym. Na rys. 4 zestawiono wzory ważniejszych dwucukrów: sacharozy zbudowanej z glukozy i fruktozy, maltozy z dwóch glukoz oraz laktozy z glukozy i galaktozy. Przemiany tych dwucukrów zostaną omówione w kolejnych rozdziałach. Polisacharydy - (wielocukrowce) zbudowane są przede wszystkim z heksoz i ich pochodnych. Należą do nich glikogen, skrobia, dekstryny 1 celuloza.

V I HCOH

I HCOH H

a l d e h y d D-

9 I 1 1

HCOH

I HCOH

I HCOH

I H

D-erytroza

V

V I

I HOCH*

HCOH

I

I

HCOH

HCOH

I

I

HCOH

HCOH

I

\

HCOH

HCOH 1

I H

D-ryboza

D-arabInoza

I

HCOH

HOCH

I

I

HCOH

HCOH

I

I

HCOH

HCOH

I

I

HCOH

I HCOH

HCOH

• .. •

•

I H

D-a 1 Ioza Rys. 1.

V

V

V i

'

• I I

HOCH

I HCOH

I HCOH

I

HCOH

HCOH

I

I

H

I HOCH

HCOH

I

D- a I t r oza Aldozy szeregu D

V

H

D-g lukoza

HOCH

I HCOH

..

I HCOH

I HCOH

I H

D-mannoza

cd. rys. 1

tl

1c e r y n

owy

HOCH

I HCOH

I HCOH

I H D-t r o oza

V

V

I

I HCOH I

HOCH

I

HOCH

HOCH

I HCOH I HCOH I

V

I HCOH t HCOH

I HOCH

I H C O H

HCOH I H D KM Iu-i

I HCOH I HCOH

I

H

H

D - k i y I o z t

U- I 1 k i o z i

v I HOCH I HCOH

I HCOH I HCOH

V I HCOH

V I HOCH

I HOCH

HOCH

HOCH

HOCH

I HCOH

I I HCOH

I

I

I

HCOH

HCOH I

HCOH

n

D- I d o z a

D - j a U H o z a

I H D-t a I

-za

H I HCOH

I C = O I HCOH H dlhydroksyaceton I v

H HCOH

I C = I

O

HCOH

I HCOH H D

-

e r y t r u 1oz a

H I HCOH • I C = HOCH

I

I

HCOH I

HCOH I

HCOH

D

-

HCOH

I H rybułoza

I H

H

H

I

I

HCOH I C = I

C =

I 0

HOCH I

HCOH

HCOH

I

I

HCOH

HCOH

I

I

HCOH

HCOH

D

I H - fruktoza

C

=

I HCOH

I HOCH

I HCOH

I

H HCOH s o r b o za

Cukry proste - szereg ketoz

H I

> HCOH

I

I

k s y 1 u 1o za

H I

I

O

HCOH

Rys. 2 .

"

HCOH

I H - psykoza

O

I

HCOH

HCOH I C = I

0

HOCH I HOCH

I HCOH I HCOH I H - fagatoza

i I

H

H

OH

H

OH

wzory Hawortha

H

H

OH

formy krzesełkowe a -D-glukoza

Rys. 3.

H

^ /3 -D-glukoza

Anomeryczne formy glukozy i fruktozy

Na rys. 5 zestawiono metody wykrywania cukrów. Po wykonaniu próby z jodem, która jest charakterystyczna dla wielu polisacharydów, dalsze badania pozwalają na wykrycie i odróżnienie od siebie cukrów prostych i disacharydów. Ze względu na reakcje z odczynnikiem Fehlinga i innymi metalami ciężkimi wyróżniamy podział na cukry redukujące i nieredukujace. Do cukrów redukujących, posiadających wolna grupę karbonylową (aldehydową lub ketonową), należą monosacharydy oraz niektóre dwucukry, jak maltoza i laktoza, które posiadają wiązania jednokarbonylowe (mające wewnętrzne wiązania półacetalowe). Dwucukry mające wiązania dwukarbonylowe (brak wolnej glikozydowej grupy OH), np, w sacharozie czy trehałozie, nazywamy cukrami nieredukcyjnymi.

Próba z jodem

niebieska (amyloza)

fiołkowa (amylopektyna)

bezbarwna (monocukry dwucukry)

czerwona brunatna (dekstryny) (glikogen)

próba Molischa I dodatnia (dwucukry monocukry) I

próba Trommera ujemna dwucukry nieredukcyjne

dodatnia dwucukry redukcyjne monocukry

hydroliza

próba Berfoeda

I

\

próba Trommera

I dodatnia (sacharoza trehaloza)

po 3 min (monocukry)

po 15 min (dwucukry)

próba Sełiwanowa

/\ dodatnia (fruktoza)

ujemna (aldozy) I próbka Taubera dodatnia (aldopentozy)

ujemna (aldoheksozy) próba Dlschego brunatna \maTtfiozV) Rys. 5.

/

I niebieska \ g Ytikoza j

\ fioletowa

\

Schemat wykrywania cukrów

^tauft*ltf2&b

2.

Glikoliza

'

'

Glikoliza, nazywana też jest ciągiem Embdena-Meyerhofa-Parnasa, została opisana w latach trzydziestych XX wieku przy dużym udziale biochemików polskich Parnasa i Baranowskiego. Glikoliza jest ciągiem reakcji przekształcającej glukozę do pirogronianu a w warunkach beztlenowych do mleczanu z jednoczesnym wytworzeniem ATP. T a b e l a

1.

Zawartość glukozy i cukrowców w pokarmach

W 100 gramach fasola groch soczewica jabłka, gruszki kakao > maka żytnia i pszenna maka owsiana ryż | chleb żytni ziemniaki

Glukoza 45 46 50 10 30 70 65 80 50 16 - 20

W 100 gramach

Cukrowce

mleko pełne sery chude chleb biały żytni cebula czosnek pomidory rodzynki duże śliwki orzechy włoskie marmolady

6-7 2,5 46 9 26 4 64 17 12 61

Wejście do glikolizy związane jest z fosforylacja heksoz lub może być zapoczątkowane w trakcie fosforolizy glikogenu. Rozpoczęcie glikolizy przedstawiono na rys. 6. Źródłem glukozy, oprócz reakcji enzymatycznych, może być pożywienie zawierające różne ilości tego cukru, jak i innych cukrowców. Szczególnie bogate w glukozę są ryż i mąki, zaś w cukrowce rodzynki i marmolady. Zawartość glukozy i cukrowców w pokarmach przedstawiono w tab. 1. Przebieg reakcji, ich typ oraz katalizujące je enzymy zestawiono w tab. 2. Powstały w reakcji izomeryzacji Fru-6-P jest przekształcany w nieodwracalnej reakcji we Fru-l,6-diP przez fosfofruktokinaze z rozpadem ATP do ADP. Gwiazdką oznaczono reakcje, w której kosubstratem jest ATP. W pierwszej fazie glukoza przez fosforylacje, izomeryzacje i drugą fosforylacje jest przekształcana we Fru-l,6diP. ^

\ ATP > ADP + P W drugiej fazie glikolizy aldolaza f ruktozodwuf osf oranowa (A) (patrz enzymy) rozbija fruktozo-1,6 dwufosforan (1) na dwie formy izomeryczne-fosfotriozy: aldehyd 3-P-glicerynowy (2) i fosfodihydroksyaceton (3). Stan równowagi pomiędzy izomerami

pożywienie

glikogen

0

sacharoza Q CH,0H

l

mattodekstryny S maltoza

*

laktoza

©

Gal'1-P

— i r — Gal

nifi-P

ffl-^

Gal Gic-6- P

. ©

glikogen

(10) Fru-6-P

Rys. 6.

©-Mon- 6 • P

®

Drogi wejścia do glikolizy. Oznaczenia enzymów: 1 amylaza, 2 - a-glukozydaza (glukoamylaza), 3 - sacharaza, 4 - a-glukozydaza (laktaza), 5 - galaktokinaza, 6 - glukokinaza, 7 - epimeraza UDP glukozowa, urydylotransfera­ za, fosfogalaktozowa, 8 - fosforylaza glikogenową, 9 fosfoglukomutaza, 10 - izomeraza glukozofosforanowa, 11mannozokinaza, 12 - izomeraza mannozofosforanowa

utrzymuje izomeraza triozofosforanowa (I), według reakcji: H I H — C — OP

I

c = H

—

C

—

C

HO -

H

C

(3)

C -

= o

H

I H

I —

O

I

OP

I HO

—

— c — I

H

(A)

(I)

OH

1

H — C — OH 1 1 H

Man

— c — 1 H

OP

(1)

I H

—

C

—

OH

I H —

C

I X

—

OP

T • b e 1 a

2.

Reakcje glikolizy

Reakcje

Enzym

«•

g l u k o z a + A T P • •> g l u k o z o - 6 - f o s f o r a n

+ ADP +H*

2.

glukozo-6-rosforu—»

3.

fruklozo-o-fo.fonui + A T P —»f uktozo-l,0-Jwufo»fotamiwa

4.

fruktozo-1,6-dwufosforan —> fosfodwufiydroksyaceton + aldehyd 3-fosfoglicerynowy

5.

f o s f o d w u h y d r o k s y a c e t o n - > a l d e h y d 3-fosfoglicerynowy

6.

aldehyd 3-fosfoglicerynowy NADH + H

T y p reakcji

heksokinaza ł•

fruktozo-6-fosforan

izomeraza

t

+ P[ + N A D *

• ADP ł

li

4

.

> 1,3-dwufttfotliceiynian

+

c

a

fosfofruktokinaza

aldolaza

t

glukozofosforanowa

•

fruktoz£xlwufoffaitaowa

e

izomeraza triozofosforanowa

c

dehydrogenaza aldehydu

f

fosfoglicerynowego

ł

»_

1,3-dwufosfoglicerynian + A D p

kinaza

fosfoglicerynianowa

ł

3-fosfoglicerynian + A T P |

8.

3-fosfoglicerynian-^2-fosfoglicerynian

9.

2-foifoglicerynian-^fosfoeoolopirogronian

10.

+ HjO

+

fosfoenolopirogroruan + A D P + H - ^ p i r o g r o n i a n + A T P

Typ reakcji: a - przeniesienie fosforanu d - dehydratacja

. rozszczepienie

b

hydrataza

d

fosfopirogrooianowa

kinaza pirogronianowa

b - zmiana położenia reszty e

fosfogliceromutaza

aldozowe

fosforanowej

c - izomeryzacja f - f o a f o r y z a c j a iprzożona z u t l e n i a n i e m

a

Dalsze reakcje doprowadzają do powstania kwasu plrogronowego, przy czym z jednej cząsteczki heksozy powstają dwie cząsteczki kwasu (rys.7). Reasumując bilans energetyczny glikolizy, należy ustalić, czy: - rozpoczyna sie ona od glikogenu, czy od wolnej heksozy, - odbywa sie w warunkach tlenowych, czy beztlenowych. W warunkach beztlenowych powstają 2-3 cząsteczki ATP. Od glikogenu poprzez G-l-P - 3 cząsteczki ATP; 2x2-1=3, przy czym pierwsza 2 liczba cząsteczek kwasu mlekowego, druga 2 - cząsteczki ATP powstałe w reakcjach ADP + P > ATP; 1 - cząsteczka ATP zużyta na fosforylacje Fru-6-P. Gdy proces rozpoczyna sie od wolnej heksozy, powstają tylko dwie cząsteczki ATP, gdy2 dodatkową cząsteczkę należy zużyć na fosforylacje heksozy katalizowaną przez heksokinaze. W warunkach tlenowych dodatkowo otrzymuje sie: utlenienie NADH 2 x 3 ATP dekarboksylacje pirogronianu 2 x 3 ATP spalanie acetylo-CoA w cyklu Krebsa 2,x 12 ATP

Łącznie glukozy.

6 + 6 + 24 = 36 ATP z etapem beztlenowym uzyskuje sie 38 - 39 ATP mol

Gic

C — OH I H - C - NH, I

•A)

C H

3 Ala

C - OH I C = 0 I CH„

acetylo-CoA

kwasy tłuszczowe cykl Krebsa

C - OH I H - C - OH NAD

Lac

szczawiooctan (cykl Krebsa)

Losy pirogronianu (Pyr) * .. Enzymy: . 1 - dehydrogenaza mleczanowa , ,^ 2 - karboksylaza pirogronianowa ^ • „J ..^ 3 - dehydrogenaza pirogronianowa 4 - transaminaza alaninowa Pyr - kwas pirogronowy Lac - kwas mlekowy Ala - alanina Glikoliza jest źródłem glicero-3-fosforanu, który powstaje w reakcji katalizowanej przez dehydrogenazę gllcerofosforanowa, zwana enzymem Baranowskiego: „, CH 0H 2 I I C = 0 + NADH + H < HO - C - H I I , , CH - 0 - P CH - 0 - P fosfodihydroksyaceton (DHAP) • glicero-3-f osf oran (G3P) s

t

r

C

H

0

H

o

2

+

2

2

G3P jest aktywną formą glicerolu. Wolny glicerol zostaje przeprowadzony w G3P w obecności kinazy glicerolowej i ATP. Jest materiałem wyjściowym do syntezy acylogliceroli (glicerydów) oraz kwasów fosfatydowych. Te ostatnie mogą też powstawać z DHAP. Reakcja powstawania G3P i jego utleniania do DHAP stanowi jeden z mechanizmów transportu wodoru do mitochondriów. Ponieważ powstający w mitochondriach DHAP może przechodzić do cytozolu, odwracalne przekształcenie DHAP w G3P umożliwia transport 2 atomów wodoru, które w łańcuchu oddechowym po utlenieniu powodują powstanie 2 cząsteczek ATP. W krwinkach czerwonych w glikolizie z kwasu 1,3 bisfosfoglicerynowego (1.3PG) pod wpływem bisfosfogliceromutazy powstaje kwas 2,3-bisfosfoglicerynowy (2«i3PG lub 2.3DPG). Substancja ta wiąże sie z hemoglobiną, wywierając duży wpływ na jej powinowactwo do tlenu. Wpływ ten ^ polega na związaniu cząsteczki 2.3DPG z ^ / nieutlenowaną hemoglobiną, podczas gdy C utlenowana hemoglobina nie wiąże 2.3DPG. I Łączenie sie z tlenem i wiązanie 2.3DPG H - C - 0 - P z hemoglobiną wzajemnie sie wykluczają. ' Utlenowanie Hb w obecności 2.3DPG można H - C H przedstawić równaniem: j I r

o

• • > •

I

2.3DPG (DPG)

Hb

-

DPG

-

4 0

2


mleczan

cd. rys. 7.

© I H — C — OH

I H C -

O -

P

2

I H -

C -

H C -

0

O — P OH

®

C/"

"i

c

H -

C -

łJW,,

OH

I

1

ADP

CH

ATP c = o I

,v

©

CH

NADH + H 2

NAD

. 5

I H -

C -

OH

I CH

W mitochrondriach zachodzą ważne reakcje w przemianie pirogronianu: - dekarboksylacja do acetylo-CoA, - karboksylacja do szczawiooctanu, .... - transaminacja do alaniny. ' W cytoplazmie m a miejsce reakcja przejścia pirogronianu do mleczanu jako produktu przemiany beztlenowej. Wszystkie wymienione reakcje są katalizowane w wątrobie, natomiast w mięśniach szkieletowych pirogronian może być źródłem mleczanu, alaniny lub acetylo-CoA. 3.

Glukoneogeneza

Glukoneogeneza jest procesem powstawania glukozy ze związków niecukrowych: mleczanu, metabolitów cyklu Krebsa, aminokwasów, kwasów tłuszczowych itp. Nie jest odwróceniem glikolizy, gdyż

różni sie od niej trzema reakcjami, które katalizują inne enzymy: - przejście pirogronianu w fosfoenolopirogronian (PEP) odbywa sie poprzez mitochondria "objazdem" do szczawiooctanu i jabłczanu, który przedostaje sie przez błonę mitochondrlalną do cytoplazmy, w której przekształcana jest w szczawiooctan (patrz: cykl Krebsa), a następnie w PEP, Gic I

PEP < —

i pirogronian

szczawiooctan jabłczan I I

pirogronian

cytoplazma

błona mltochondrialna

jabłczan mitochondria szczawiooctan

- fruktozo-1,6-dwufosforan przekształca sie we fruktozo-6-fosforan pod wpływem fruktozo-1,6-bisfosfatazy, - glukozo-6-fosforan przekształca sie w glukozę pod wpływem glukozo-ć-fosfatazy. Glukoneogeneza Jest procesem energochłonnym. Na syntezę 1 mola glukozy zu2ywa sie 6 moli substancji wysokoenergetycznych ATP 1 GTP. Gic mięsnie glikogerr-GIc-6-P

Lac

Rys. 8.

-

Pyr

Cykl Corlch. Lac - mleczan, Pyr - pirogronian

4.

Cykl Corich (cykl mięśniowo-wątrobowy mleczanu)

.'

(

W czasie intensywnego wysiłku fizycznego powstaje w mięśniach mleczan, który z krwią transportowany jest do wątroby, gdzie zostaje przekształcony w pirogronian. Drogą glukoneogenezy ulega dalej przemianie do glukozy i z krwią powraca do mięśni. Oprócz tego cześć Glc-6-P zostaje w wątrobie i mięśniach przekształcona w glikogen (patrz: synteza glikogenu). , 5.

Cykl pentozowy (pentozofosforanowy)

W latach pięćdziesiątych XX wieku została poznana inna droga rozkładu cukrów. Proces ten, zwany cyklem pentozofosforanowym, zachodzi podobnie jak glikoliza przy udziale estrów fosforanowych cukrów, przy czym występują także pochodne heksoz, pentoz, tetroz, a także kwasu glukonowego. Reakcje cyklu zebrano w tab. 3 oraz przedstawiono na rys. 9. Istnieją trzy wspólne związki występujące w glikolizie i cyklu pentozofosforanowym. Są to: Glc-6-P, Fru-6-P i aldehyd 3-Pglicerynowy. Mogą one powodować wzajemne przekształcanie sie obu szlaków; powstający Fru-6-P przechodzi ponownie pod wpływem fosfoglukomutazy w Glc-6-P i zostaje włączony w drugi "obieg" cyklu. Aldehyd 3-P-glicerynowy może ulec przemianie w glikolizie do kwasu pirogronowego lub zostać przekształcony przez reakcje aldolazową do Glc-6-P 1 ponownie znaleźć sie "na szlaku" pentozowym. Zadaniem cyklu pentozofosforanowego, który odgrywa w bilansie energetycznym znacznie mniejszą role niż glikoliza jest: - całkowita degradacja heksoz. bez udziału cyklu Krebsa, - pełnienie funkcji źródła pentozofosforanów do syntezy nukleotydów 1 ich degradacja w triozy i heksozy, - wzajemne przekształcenia cukrów od trój- do siedmioweglowych. 6.

Przemiany glikogenu

i

Glikogen jest polisacharydem o rozgałęzionej strukturze zbudowanym z cząsteczek glukozy, połączonych ze sobą wiązaniami alfa-l,4- i alfa-l,6-glikozydowymi . W przeciwieństwie do skrobi, wielocukru roślinnego, glikogen tworzy połączenia z różnymi związkami organicznymi zwłaszcza z białkami. Masa cząsteczkowa glikogenu w wątrobie dochodzi do 3 mld, zaś w mięśniach do 8 min. Do najbogatszych w ten materiał zapasowy tkanek należą, oprócz wątroby i mięśni szkieletowych, granulocyty, mięśnie gładkie, mięsień sercowy i mózg.

T a b e l a

3.

Cykl pentozofosforanowy

Reakcja 1.

Enzym +

glukozo-6-fosforan + NADP > 6-fosfoglukonolakton + NADPH + H 6-fosfoglukonolakton + H^O > 6-fosfoglukonian + H 6-fosfoglukonlan + NADP > rybulozo-5-fosforan + CO^ + NADPH rybulozo-5-fosforan > rybozo-5-fosforan rybulozo-5-fosforan > ksylulozo-5-fosforan ksylulozo-5-fosforan + rybozo-5fosforan > sedoheptulozo-7fosforan + aldehyd 3-fosfoglice­ rynowy > fruktozo-6-fosforan + erytro-4-fosforan ksylulozo-5-fosforan + erytrozo4-fosforan > fruktozo-6fosforan + aldehyd 3-fosfoglice­ rynowy +

2. 3. 4.

5. 6.

7.

6.1.

+

dehydrogenaza glukozo6-fosforanowa g1uko no1ak t onaza dehydrogenaza 6-fosfoglukonianowa izomeraza rybozofosforanowa 3-epimeraza rybulozofosforanowa transketolaza

transaldolaza transketolaza

Rozkład i synteza glikogenu

Rozkład glikogenu przebiega dwoma torami: fosforolitycznym i hydroli tycznym. Fosforolize glikogenu katalizuje fosforylaza glikogenową (EC 2.4.1.1), zaś hydrolizę amylaza (EC 3.2.1.1) i glukoamylaza (EC 3.2.1.3). Fosforylaza glikogenową ma kluczowe znaczenie dla przemiany cukrowców i dlatego regulacja jej aktywności wymaga szczególnego sprzężenia i zbudowana jest z podjednostek, przy czym forma nieaktywna b jest dimerem, zaś aktywna tetramerem. Przejście fosforylazy b w fosforylaze a jest procesem związanym z fosforylacja, zaś reakcja przeciwna z defosforylacja, według reakcji: fosforylaza b •

kinaza fosforylazy, ATP < fosfataza, H^O

fosforylaza a

Przemianę glikogenu w mięśniach ilustruje rys. 21 (cz.I) s.68 Jako przykład zależnej od siebie regulacji hormonów, enzymów 1 koenzymów. Warto jeszcze raz podkreślić role cyklazy adenylowej i cAMP w regulacji hormonalnej przemiany cukrów zarówno w ich

f

I

,0H

H-C-OH H-fi-OH

- NADPV ^ s •

HO-Ć-H H-C-OH i H-C

H

0

i HO-C-H

H-C-OH

H

©

H-C

H-C-OH '

CHjOP

glukozo-6 - f o s f o r a n

NADr*

m i } ? .

H-C-OH

HO-C-H

H-C-OH

CHjOP

CHjOH

' (

D

H-C-OH

co

H-C-OH CH,OP

2

CH,OP

6-fosfogtukonolokton

rybulozo-5- fosforan

6- f o s f o g l u k o n i o n

-

Hj C-OH t u

H-Ć-OH H-C-OH

C- O l

l

H-C-OH

H-C-OH I H C-OP

H-C-OH

2

H C-OP 2

_

_

r y b o z o S fosforan

rybulozo-5-fosforan

CHjOH i

CH,OH

oo

C =0

i

i

HO-C-HI H-C-OH

t H-C-OH

j5h op 2

H-Ć-OH CHjOP rybulozo-5-fosforan

k s y l u l o z o - S " fosforan

CHOH C-O HO-C-H H-Ć-OH H-C-OH H-Ć-OH ĆHOP 2

CHjOH Ć=0 HO-C-H H-C-OH ĆH OP

H-C-OH

V i

H-Ć-OH

H-C-OH

i

i

CHjOP

H-C-OH

2

aldehyd

CHjOH

2

_

ksylulozo"5 fosforan -

_

rybozo-5 fosforan

3 fosforo-ghcerynowy

Rys. 9. Cykl pentozofosforanowy (realizacje)

Q

sedołieptutozo 7-fosforan

*

cd. rys. 9

® CH OH 2

C=0 I HO-C-H

t '

l

i

H-C-OH

+

H - C-OH I

H-C-OH i CH 0P

H-C-OH l

2

CHjOPJ erytrozo 4-fosforan

f ruktozo6 - fosforan

I

H-C-OH CH OP 2

aldehyd 3-P-glicerynowy

®

CH,OH l c =o I HO-C-H H-C-OH l

CH OP

H-C-OH H-C-OH CH OP 2

2

CH 0H I c=o 2

I

HO-C-H I H-C-OH I H-C-OH i CH OP 2

fruktozo-6-fosforan

ksylutozo- 5-fosforan

ery frozo-4-fosforan

rozpadzie, jak i syntezie. Jak już wspomniano glikolizy, fosforylaza katalizuje reakcje: glikogen ^

>

przy

omawianiu

Glc-1-P + g l i k o g e n _ , (n

1}

której produkt może wejść przez Glc-6-P do glikolizy, cyklu pentozofosforanowego, a także zapoczątkować syntezę glikogenu. Drugim torem rozkładu glikogenu jest hydroliza, która katalizują alfa-amylaza i glukoamylaza. Alfa-amylaza prowadzi rozkład tego wielocukru, w czasie którego powstają wyższe i niższe dekstryny (patrz identyfikacja cukrów), maltodekstryny i maltoza. Te ostatnie produkty są substratami dla alfa-glukomylaz działających w różnych pH oraz alfa-glukozydaz. alfa-amylaza glikogen — >

dekstryny — >

maltodekstryny — >

maltoza —> glukoza

glukomylazy glukozydazy Aktywność obu torów jest różna w poszczególnych narządach. Fosforoliza przeważa w mięśniach szkieletowych, zaś hydroliza glikogenu w mięśniach gładkich. Zarówno w mięśniach, jak i w wątrobie rozkład zależy od stanu energetycznego tkanki i regulacji hormonalnej. Syntezę glikogenu katalizuje syntaza glikogenową (EC 2.4.1.11) zbudowana, podobnie jak fosforylaza, z podjednostek i regulowana także w zbliżony sposób. Forma aktywna a oznaczana też jako I (independent) powstaje w reakcji fosforylacji z formy b lub D (dependent). Zależność form enzymu przypisywana jest Glc-6-P, będącemu allosterycznym aktywatorem enzymu. Pełną zależność tego procesu od całości przemian glikogenu przedstawia rys. 21 (cz.I) Proces syntezy glikogenu rozpoczyna sie od reakcji przeniesienia reszty glukozylowej na UTP z utworzeniem UDPGlc: UDPGlc pirofosforylaza Glc-1-P + UTP

>

UDPGlc + PP

UDPGlc (urydynodifosfoglukoza) jest substratem dla syntezy glikogenowej, która przenosi z niego resztę glukozy na cząsteczkę glikogenu: UDPGlc + g l i k o g e n

(n)

> UDP + g l i k o g e n

Powstały UDP przechodzi w UTP pod wpływem kinazy: UDP + ATP

>

UTP + ADP

(n+1

^

i ponownie może uczestniczyć w syntezie glikogenu. 7.

Transglikozylacja

Synteza wyższych cukrowców w tkankach i płynach ustrojowych człowieka i zwierząt została opisana na drodze niefosforylacyjnej transglikozylacjl. Reakcja ta polega na przenoszeniu reszt glukozy z nieredukującego końca jednej cząsteczki na druga cząsteczkę, według reakcji: maltoza + maltoza

> maltotrioza + glukoza

maltotrloza + maltoza

> maltotetroza + glukoza.

Powyższą reakcje katalizują alfa-glukozydazy, glukoamylazy, a u bakterii amylomaltazy. W badaniach własnych (Kotoński i in., 1989; Sobiech 1 in., 1989) wykazano wzrost aktywności transglikozylacyjnej w moczu zawodników po treningach realizowanych w strefie przemian beztlenowych oraz w moczu maratonczyków-debiutantów. 8.

Przemiana dwucukrów

Rozkład maltozy powstałej z degradacji glikogenu prowadzi do powstania dwóch cząsteczek glukozy pod wpływem glukoamylazy lub alfa-glukozydazy (rys. 6 ) . Przemiana laktozy wymaga kilku enzymów, z których najważniejszą role spełnia syntaza laktozy, będąca kompleksem dwóch białek, nazwanych A i B. Białkiem B okazała sie alfa-laktoalbumina. Schemat biosyntezy tego dwucukru można zestawić następująco: 1. Gic + ATP 2. Glc-6-P

-

>

?

>




< >

Glc-6-P + ADP

UDP Gal >

laktoza + UDP

UTP + ADP

glukokinaza, fosfoglukomutaza, UDP Gic pirofosforylaza, pirofosfataza,

5) epimeraza UDP glukozowa, 6) syntaza laktozy, . 7) kinaza. Przemiana sacharozy, dwucukru stanowiącego ważny składnik pokarmowy, przedstawia sie następująco: - reakcje 1. - 4. przebiegają identycznie jak w biosyntezie laktozy i są katalizowane przez te same enzymy, - reakcja 5. UDP Gic + Fru-6-P > sacharozo-6-P + UDP - reakcja 6. sacharozo-6-P > sacharoza + P - reakcja 7. jest identyczna jak w przemianie laktozy - reakcje 5. i 6. katalizują odpowiednio: syntaza sacharozy (5), fosfataza sacharozy-6-P (6). 9.

Przemiana cukrów a wysiłek fizyczny

Źródłem węglowodanów występujących w organizmie są cukry zawarte w pożywieniu. Najważniejszymi składnikami są skrobia, sacharoza, laktoza, niewielkie ilości glikogenu oraz wolnych heksoz i pentoz. Skład diety, a zwłaszcza obecność w niej węglowodanów, odgrywa ważną role w czasie pracy mięśniowej o różnej intensywności. Jak wynika z rys. 10, w miarę wzrostu wysiłku fizycznego zwiększa sie procentowe wykorzystanie węglowodanów z równoczesnym spadkiem tłuszczów jako substratów energetycznych. węglowodany-%

20

40

60

80

100

80

60

40

20

0

tłuszcze-% Rys. 10.

Proporcje substratów energetycznych wykorzystywanych podczas pracy mięśniowej o różnej intensywności

9.1.

Glikogen

Głównym źródłem cukrów w organizmie jest glikogen. W wątrobie stanowiącej główny magazyn tego polisacharydu, może znajdować sie około 100-150 g glikogenu. Zawartość glikogenu w poszczególnych mięśniach człowieka zależy od ich budowy histologicznej (różnice od 0, 5g do 2g na lOOg tkanki). Włokna wolnokurcz 1 iwe (ST czerwone) zawierają większa ilość tego wielocukru 1 dlatego dostosowane sa do wykonywania pracy wytrzymałościowej długotrwałej w odróżnieniu od włókien szybkościowych (FT białych). W trakcie pracy najpierw ulega wyczerpaniu glikogen włókien ST, a później zostaje użyty glikogen zawarty we włóknach FT, przy czym zawsze pozostają pewne Jego rezerwy. W mięśniach szkieletowych ilość glikogenu ogranicza zdolność zawodnika do wysiłku fizycznego. Wzrost intensywności wyslłku fizycznego wiąże sie z obniżeniem zapasu glikogenu w mięśniu. Na rys, 11 1 12 przedstawiono ubytek glikogenu mięśniowego w trakcie Intensywnego wysiłku. Wykazano, że zdolność fizyczna organizmu do wysiłku obniża sie szybko, gdy ilość glikogenu w mięśniu spada do poziomu około 5g/kg. W mięśniach dobrze wytrenowanego zawodnika znajduje sie więcej glikogenu niż w organizmie nie poddawanym treningowi. W okresie odnowy po podaniu diety bogatej w węglowodany następuje w ciągu 24-48 godz. wzrost poziomu glikogenu do poziomu wyjściowego. Należy dążyć do tego, aby resynteza glikogenu następowała szybko, biorąc pod uwagę sposób rozgrywania zawodów lub li czbe (2-3) t ren i ngów dz i enni e. W tym celu, oprócz posiłku bogatego w węglowodany, zaleca sie podawanie pewnej ilości oligosacharydów w formie napoju. W tab. 4 podano dzienne zapotrzebowanie na węglowodany w zależności od rodzaju zajęcia, płci, a także dyscypliny sportu. Zwraca uwagę duże zapotrzebowanie na cukry osób wykonujących bardzo ciężka prace oraz zawodników takich dyscyplin sportowych jak maraton, biegi długie, narciarstwo i podnoszenie ciężarów. W tab. 5 zestawiono średnie dobowe zapotrzebowanie na węglowodany i energie w różnych dyscyplinach sportowych. Wartości podano w g/kg masy ciała lub w kcal/kg i kJ/kg masy ciała. Na podstawie przedstawionych danych można stwierdzić, że w większości konkurencji zaleca sie średnio lOg cukrów/kg masy ciała 1 70 kcal/kg masy ciała, co odpowiada około 5 tys. kcal lub 20 tys. kJ/ zawodnika o masie ciała około 70 kg. Ogólnie przyjmuje sie, że udział węglowodanów w diecie sportowców powinien wynosić 50-60X całego zapotrzebowania energetycznego. Przed, jak i po każdym treningu wytrzymałościowym zawodnika powinien przyjąć łatwostrawny wysokoweglowodanowy posiłek zawierający 200-250 g węglowodanów. Podając tak zestawioną dietę, możemy doprowadzić do szybkiej odbudowy glikogenu przekraczającej w mięśniach l-2g/100g tkanki, a w całym ustroju wynoszącej około 500-700 g.

20 Rys. 11. i •

Ubytek glikogenu wysiłku -

40

60

mięśniowego

80 w

trakcie

(min) intensywnego

Analizując wpływ diety na procesy metaboliczne węglowodanów warto opisać zjawisko tzw. superkompensacji glikogenu, zbadane szczegółowo przez Bergstroma i Hultmana (1967) dzięki zastosowaniu badań bioptycznych mięśni. Postanowili oni obciążyć wysiłkiem na ergometrze rowerowym jedną kończynę. Intensywność ćwiczenia wynosiła 75% VQ, max, a wykonywano ją do wyczerpania. Następnie przez trzy dni badani otrzymywali dietę wysokoweglowodanową, wypoczywając. Próbki bioptatów mięśnia vastus lateralis pobierano co 24 godz. Jak wynika z rys. 13, po wykonaniu ćwiczenia nastąpiło wyczerpanie zawartości glikogenu w kończynie pracującej, zaś skutkiem diety jego synteza dwukrotnie przewyższyła pierwotne zasoby. Na podstawie badań fizjologicznych, biomechanicznych, czy obserwacji biochemicznych trudno jest wyjaśnić to zjawisko. Sądzi sie, że dotyczy ono subtelnych zmian enzymatyczno-metabolicznych

0

Rys. 12.

30

60 90 P r a c a (miru)

Zu2ycie glikogenu w mięśniu wysiłku na cykloergometrze (Ronikier, 1987)

120

czworogłowym uda podczas o różnej intensywności

zachodzących w tkance mięśniowej. Równoczesne nasilenie procesów glukoneogenezy i odpowiednia dieta węglowodanowa oraz poprzedzają­ cy ja wyczerpujący wysiłek fizyczny prowadza do wysokiego przyrostu glikogenu. Stwierdzono, źe wzrost zasobów glikogenu pozostaje w proporcji do wielkości 1 rodzaju spożywanych cukrów. Ilość węglowodanów w diecie w celu przyspieszenia superkompensacjl wynosi 550-600g dziennie. Istotny jest także rodzaj węglowodanów użytych w diecie. I tak skrobia, w porównaniu z glukozą, bardziej wpływa na syntezę glikogenu. Zaleca sie zawodnikom intensywnie trenującym dzień po dniu, aby ich dzienna dieta zawierała około 70% węglowodanów. Zjawisko superkompensacjl glikogenu ze względu na możliwość wykorzystania w praktyce sportowej stało sie tematem dalszych badań w wielu wariantach. Na wyróżnienie i omówienie zasługuje wzorzec Shermana i Costilla, którzy zastosowali wysiłek na bieżni ruchomej sięgający 73 V. \łQ max oraz dietę, w której 70 % energii było pochodzenia cukrowego. Zapis tego eksperymentu ilustruje rys. 14. Wprowadzono w nim dwa rodzaje wysiłków wyczerpujących w odstępie trzydniowym oraz zróżnicowanie dietetyczne. Uzyskano podobne wyniki jak we wzorcu klasycznym badaczy skandynawskich oraz zmodyfikowanym. Osiągnięto zatem cel praktyczny w postaci zwiększenia glikogenu w mięśniach ponad wartość wyjściowa. Wszystko to służyło do potwierdzenia wstępnych obserwacji, że wraz ze wzrostem poziomu glikogenu wzrośnie zdolność wysiłkowa ustroju.

T a b e l a

4.

Dzienne zapotrzebowanie na węglowodany (Hasik i in., 1980, zmodyfikowane) Węglowodany (g/70 kg masy ciała)

Rodzaj zajęcia

Mężczyźni zajęcia siedzące praca umiarkowana praca ciężka praca bardzo ciężka

350 435 550 655 V

-

410 510 660 745

Kobiety /

300 - 360 395 - 440 435 - 510

Węglowodany (g/70 kg masy ciała)

Dyscyplina sportu

Sportowcy lekkoatletyka: biegi krótkie pchniecie kulą biegi długie maraton narciarstwo - biegi gimnastyka piłka nożna hokej koszykówka, siatkówka podnoszenie ciężarów łyżwiarstwo boks, zapasy

. . "

» ,

.

. i

!

j

665 630 735 770 700 630 630 630 630 700 630 630

-

700 665 805 910 840 665 700 700 700 770 665 700

tlL

_

c

x

y

.... Ł

Udało sie jednocześnie wykazać, że powiększenie zasobów glikogenu umożliwia kontynuowanie przez dłuższy czas wysiłku o optymalnym tempie. Należy także pamiętać o wpływie hormonów na zawartość glikoge­ nu w tkankach. Jak wcześniej wspomniano, adrenalina i glukagon przyspieszają rozkład tego wielocukru poprzez aktywacje procesów z udziałem fosforylazy glikogenowej, zaś glikokortykoidy oraz insulina stymulują syntezę glikogenu. Dzięki badaniom Kochana i in. (1979) osiągnięto ostatnio istotny postęp w poznaniu mechanizmu syntezy glikogenu. Opisano bowiem występowanie trzeciej, pośredniej formy syntazy glikogeno-

T a b e l a

5,

Średnie dobowe zapotrzebowanie na węglowodany oraz energie w różnych dyscyplinach sportowych. Wartości składników pokarmowych podano w g/kg masy ciała (Jakovlev 1974) t

Energła/kg masy ciała Rodzaj sportu

gimnastyka szermierka lekkoatletyka: - biegi krótkie i średnie, skoki, rzuty - biegi długie, chód sportowy - maraton i inne biegi długie pływanie podnoszenie ciężarów zapasy i boks wioślarstwo piłka nożna koszykówka, siatkówka kolarstwo: - torowe - szosowe jeździectwo łyżwiarstwo szybkie narciarstwo: - krótkie dystanse, slalom, skoki - długie dystanse

Węglowodany (g)

kcal netto

kJ netto

9,5 - 9,6 9,0 - 10,0

60 - 65 60 - 85

251 272 251 - 356

9,5 - 10,0

65 - 70

272 - 293

10,5 - 11,5

< 70

--

76

-

293 - 318

- 13,0 - 9,0. - 11,0 - 10,0 - 11.0 - 10,0 - 10,0

80 75 60 65 70 75 65 70 68 - 74 65 - 70 62 64

314 251 293 272 285 272 259

10,0 11,0 11,8 - 13,0 8,0 - 9,0 9,0 - 9,6

-

67 - 73 80 - 87 61 - 67 64 - 67

280 - 305 335 364 255 - 280 280 268

9,5 - 10,5 11,0 10,5

65 - 70 70 75

272 - 293 293 — 314

11,0 8,0 10,0 9,0 10,0 9,0 9.0

—

-

-

- 335 - 372 - 314 - 293 - 310 - 293 - 268

-

wej, której aktywność zależy od insuliny. Ta postać enzymu Jest zależna od wysiłku fizycznego i traci swa aktywność po trzech dniach jego stosowania. Również brak ćwiczeń powoduje obniżenie aktywności enzymu. Na podstawie wspomnianych badań można łatwiej zrozumieć, dlaczego u biegaczy odznaczających sie wyższym poziomem glikogenu po dwóch dniach przerwy w treningach 1 spożywaniu diety węglowodanowej następuje ponad dwukrotny wzrost zasobów glikogenu. Zatem warunkiem superkompensacji glikogenu nie musi być jego wyczerpanie w mięśniach, lecz wysiłek wystarczający dla podtrzy­ mania aktywności pośredniej formy syntetazy glikogenowej oraz

- , . Rys. 13. .....

j, - wyczerpujący wysiłek ergometryczny, o - kończyna pracująca o - kończyna nie pracująca Przebieg resyntezy glikogenu mięśniowego w kończynie, w której skutkiem obciążenia nastąpiło jego wyczerpanie

odpowiednia, bogata w węglowodany dieta. Na uwagę zasługują wyniki kompleksowych badań uczonych kanadyjskich (Cousineau, 1981), którzy przeprowadzili pomiary stężenia glikogenu, glukozy i katecholamin w zależności od diety nisko-, średnio- lub wysokoweglowodanowej. Rys. 15 przedstawia charakterystyczne zmiany poziomu glikogenu w zależności od diety. Zwraca uwagę wielokrotny wzrost stężenia badanego polisacharydu w tym wariancie doświadczenia. Na rys. 16 pokazano zmiany stężenia glukozy w czasie wysiłku fizycznego oraz w zależności od diety węglowodanowej. Największy spadek wykazano u zawodników stosujących dietę niskoweglowodanową; z kolei na rys. 17 stwierdzono najwyższy wzrost Katecholamin, także u zawodników na diecie niskoweglowodanowej.

* dieta niskowęglowodanowa. o • dieta wysokowęglowodanowa j wysiłek wyczerpujący

dni Rys. 14.

9.2.

Porównanie wyników węglowodanowego

zmodyfikowanego

wzorca

obciążenia

Glukoza

Drugim cukrem spełniającym kluczową role w przemianie węglowodanowej, oprócz glikogenu, jest glukoza, której ogólna zawartość w organizmie wynosi około 20 g. SteZenie glukozy we krwi (około 5.0 mmol/1) w zależności od intensywności i czasu trwania wysiłku oraz stosowanej diety nie zmienia sie, zmniejsza sie lub zwiększa. Podczas wysiłków o małej i umiarkowanej intensywności stężenie glukozy utrzymuje sie na stałym poziomie z tendencją do obniżenia. Wysiłki dłużej trwające (około 90 min) o intensywności ponad 50 % V 0 max mogą powodować wyraźne obniżenie stężenia 2

glukozy. Jedynie po biegu maratońskim u zawodników-debiutantów obserwowano spadek o 30-50 'A poziomu glukozy we krwi. Zmniejszenie sie stężenia glukozy podczas długotrwałych wysiłków fizycznych jest spowodowane małą zawartością glikogenu w wątrobie, dieta niskowęglowodanowa oraz wynikiem wychwytywania tej heksozy przez

węglowodanowa

Rys. 15.

Poziom glikogenu w mięśniach w zależności od wysiłku diety węglowodanowej; W - wysiłek fizyczny

i

mięśnie. Obniżenie to jesjt zależne od stężenia insuliny we krwi (hamowania glikogenolizy i glukoneogenezy). Na rys. 18 przedstawiono zmiany stężenia glukozy, glukagonu i insuliny w czasie wysiłku fizycznego. Wraz z wolnym obniżeniem sie stężenia glukozy i insuliny następował powolny wzrost poziomu glukagonu. Po zakończeniu wysiłku badane wskaźniki szybko powracały do normy, przy czym stężenie insuliny osiągnęło w ciągu krótkiego czasu wartości wyższe niż przed wysiłkiem.

D i e t a węglowodanowa

t

110

,

|

średnia

p-*—I

niska

f-~*-H

wysska

90

+ -

70

50

15

60

3C c:as pracy (min}

Rys. 16

Stężenie glukozy w surowicy czasu pracy

w

zależności

i

diety i

średnia

f

Dieto węglowodanowa

od

__ o

ł

n | 5 V n

wysoka

Ii ^5

Rys. 17.

30 Czas pracylmin)

60

Stężenie katecholamin w surowicy w zależności od diety i czasu pracy

_

5

Glukoza

l

a

o

i

3 • • 2400

Ol o ID

•T

300

^

200

Ol -

Glukagon

100 -15

a 1/1

10

Insulina

5 Z3

Glukoza heksokinaza

Insulina Rys. 18.

9.3.

Glukagon

- Glukoza-6-fosforan / • •

0

aktywacja

Q

hamowanie

•* Wysitek fizyczny '' ' '

n

'

Zmiany stężenia glukozy, glukagonu i insuliny w czasie wysiłku fizycznego

Kwas mlekowy

Możliwości przemian tego produktu glikolizy beztlenowej nie sa duże. Mleczan może ulegać utlenianiu do pirogronianu i zostać wykorzystany do glukoneogenezy lub do cyklu Krebsa. W czasie krótkotrwałych wysiłków fizycznych stężenie mleczanu we krwi zwiększa sie proporcjonalnie do intensywności wyniku. I tak u osób o małej wydolności proporcjonalność zachodzi po przekroczeniu 30-40 %, zaś u osób o wysokiej wydolności - 60-70 % V02max. Podczas maksymalnych wysiłków fizycznych stężenie mleczanu we krwi wynosi ponad 10 mmoli/1, przy czym wartość ta zależy od stopnia wytrenowania zawodnika. Podczas długotrwałych wysiłków fizycznych może zmieniać sie w zależności od czasu trwania wysiłku i jego intensywności. W pierwszym okresie, np. w czasie biegu maratońskiego, następuje wzrost stężenia mleczanu do określonego poziomu i stopniowo zmniejsza sie, utrzymując się na poziomie

wyższym od wyjściowego. Subtelne zmiany tego wskaźnika moga oczywiście następować w zależności od zmian intensywności wysiłku [biegu), szczególnie w fazie końcowej. Wykazano, Ze powysiłkowy wzrost stężenia mleczanu jest tym większy, im bogatsza w węglowodany była dieta zawodnika. T a b e l a

„ . . Zawodnicy

kolarze zapaśnicy sprinterzy

6.

Poziom kwasu mlekowego w wysiłkach fizycznych o różnej intensywności u kolarzy, zapaśników i sprinterów ( w mg%) ... Miary

x x x

Obciążenia % V 0 max 2 o

"

50%

80'/.

19,0 26,4 35,8

36,3 57,9 87,4

100'/. 86,5 108,4 124,0

ponad 100% 103,7 97,9 115,0

Bardzo interesujących danych dotyczących powysiłkowych zmian stężenia kwasu mlekowego dostarczają badania Wojcieszaka (1975) wykonane na zawodnikach kadry narodowej. Z tab. 6 wynika, że najwyższe stężenie kwasu mlekowego odnotowano u przedstawicieli dyscypliny szybkościowej oraz, że wraz z wydłużaniem czasu pracy fizycznej o różnym nasileniu obciążeń ( od 50% max do wysiłku supramaksymalnego) zmniejsza sie zakwaszenie tkanek. Wyniki te zostały potwierdzone badaniami morfologicznymi w obrębie mięśni, które wykonują określony rodzaj ćwiczeń. Po wysiłku fizycznym, według Ronikiera (1987), 10% kwasu mlekowego dyfunduje do krwi, 15% ulega utlenieniu do dwutlenku węgla i wody, zaś około 75% tego związku ulega glukoneogenezie i jest w końcu przetwarzana w glikogen. Interesująco przedstawia sie także dynamika metabolizowania kwasu mlekowego po wysiłku w zależności od rodzaju wypoczynku.Z rys. 18 wynika, że kwas mlekowy znikał szybciej, gdy badani w trakcie wypoczynku wykonywali wysiłek (praca wszystkich kończyn),niż gdy wysiłek ograniczał sie do kończyn górnych lub dolnych. W trakcie wypoczynku biernego tempo likwidacji zakwaszenia tkanek było najwolniejsze. W skrypcie pominięto rozważania natury fizjologicznej dotyczące kwasu mlekowego, pozostawiając to zagadnienie fizjologii wysi iku fi zycznego. Na zakończenie rozdziału zasygnalizowano jedynie przydatność pomiaru tego wskaźnika w różnicowaniu treningów realizowanych w różnych strefach energetycznych. W tab. 7 pokazano aktywność i stężenie niektórych parametrów w surowicy i moczu potreningowym w sferach przemian.

Rys. 19.

T a b e l a

Dynamika metabolizowania kwasu mlekowego po wysiłku zależności od rodzaju wypoczynku

7.

w

Charakterystyka mikrocyklu treningowego

Dane fizjologiczne Przebieg i cel treningu

T-l

T-2

c

cross terenowy, 8km prędkość - 5min/km wytrzymałość długie­ go czasu

2x300 m (37-38s) 2x200m (24-25s) odpoczynki 6-10min wytrzymałość średniego czasu

Puls pH uderz./min krwi

Mleczan mmol/1

s

ił k e

130-140

7,35

5,0

tlenowy

190-220

7,05

16,0

beztlenowbkwasonlekowy

c d. tabeli 7. Dane fizjologiczne Przebieg i cel treningu

T-3

T-4

12-15xl00m (14s) odpoczynki 1 min wytrzymałość krótkiego czasu starty 4x20m 4x30m prędkość maksymalna odpoczynki optymalne, szybkość

Puls pH uderz./min krwi

Mleczan . mmo1/1

180-200

7,15

9,0

150-160

7,25

4,0

,. ... Wysiłek

tlenowobeztlenowy

beztlenowoniekwasomlekowy

ZAGADNIENIA POMOCNICZE DO TEMATU: PRZEMIANA CUKROWCÓW 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19.

Podział cukrowców. Izomeria cukrowców. Wykrywanie i identyfikacja cukrów. Glikoliza. Wejście heksoz do glikolizy. Losy pirogronianu. Glikoneogeneza. Cykl mieśniowo-wątrobowy mleczanu. Cykl pentozofosforanowy. Hydroliza i fosforoliza glikogenu. Synteza glikogenu. Regulacja aktywności fosforylazy glikogenowej. Transglikozylacja. Przemiana disacharydów. Dieta węglowodanowa a wysiłek fizyczny. Doświadczenie Bergstrbma i Hultmana, wnioski. Zjawisko superkompcnsacji glikogenu. Glukoza i glikogen w wysiłku fizycznym. Zmiany stężenia kwasu mlekowego w wysiłkach fizycznych.

PIŚMIENNICTWO Bergstrom J., Hultman E. (1966) Muscle glycogen synthesis after exercise: an anhancing factor localized to the muscle cells in man. Naturę, 210, 309-315. Couslneau D. (1981) Biochemistry of Exercise IVB. University Park Press, Baltimore. Hasik J. , Hryniewiecki L. , Rościszewska-Stovanov lekarz zaleci dietę- Warta, Warszawa. Jakovlev N.N. Moskva.

(1974)

Biochlmija

sporta.

A.

(1980) Gdy

Fizkul'tura

1

Sport,

Karpiak S.E. (1986) Biochemia zwierząt. PWRiL, Warszawa. Kochan R.G. , Lomb D.R., Lutz C V . , Perril E.M. , Reinmann E.M., Schlender K.K. (1979) Glycogen syntase activation in human skeletal muscle: effects of diet and exercise. American Journal of Physiology, 236 (6), E, 660-666. Kotoński B., Kosendiak J. , Sobiech K.A. (1989) Niefosforylacyjna transglikozylacja w moczu zawodników realizujących różne zadania treningowe. Rozprawy Naukowe AWF we Wrocławiu, 22, 347-354. Kozłowski S. , Nazar K. (1987) klinicznej. PZWL, Warszawa. Kwiatkowska-Korczak J. J1987) węglowodanów. 5, AM, Wrocław.

Wprowadzenie

Podstawy

do

biochemii.

fizjologii

Przemiana

Markowski L. , Romanowicz G. , Mickiewicz G. , Sikorski W. , Rzepikiewicz M. , Pawelec W. (1985) Zmiany adaptacyjne w w układzie współczulnonadnerczowym pod wpływem treningu. W: A. Wit (red.), Intensyfikacja i optymalizaja procesu treningowego w sporcie. Prace i Materiały Instytutu Sportu, Warszawa, 118-133. Ronikier A. (1987) Kwas Sportu, Warszawa.

mlekowy

a

wysiłek

fizyczny.

Instytut

Sobiech K.A., Kotoński B., Słowińska M., Bakońska-Pacoń E. (1989) Niefosforylacyjna transglikozylacja i hydroliza glikogenu w moczu maratończyków. Człowiek,Populacja,Środowisko, 34, 91-103.

Stryer L. (1986) Biochemia. PWN, Warszawa. Wiśniewska A. , Lerczak K. , Markowska L. , Pośnlak J. , Pawelec W. , Rybakowska S, , Furdal S. (1985) Biochemiczne wskaźniki restytucji powysiłkowej kajakarzy. W: I. Łukaszewska (red.), Wybrane zagadnienia restytucji powysiłkowej w sporcie. Prace 1 Materiały Instytutu Sportu, 3, Warszawa, 9-23. Wojcieszak I. (1975) Badania nad czynnikami fizjologicznymi determinującymi wysoką wydolność fizyczna. Studia i Monografie AWF w Warszawie, 7.

SPIS TREŚCI

t,

'

,r>or.:

1

'eta*-.'

i

w

n

CZEŚĆ II. PRZEMIANA CUKROWCÓW

83

1. Przegląd, podział i izomeria cukrowców

85

2. Glikoliza

92

3. Glukoneogeneza

98

4. Cykl Corich

100

5. Cykl pentozowy (pentozofosforanowy)

100

6. Przemiany glikogenu

100

6.1. Rozkład i synteza glikogenu

101

i

1

'

7. Transglikozylacja

105

8. Przemiana dwucukrów

105

9. Przemiana cukrów a wysiłek fizyczny

106

9.1. Glikogen

107

9.2. Glukoza

113

9.3. Kwas mlekowy

..

.

116

.

t-

ZAGADNIENIA POMOCNICZE DO TEMATU: PRZEMIANA CUKROWCÓW

119

PIŚMIENNICTWO

120

!

C Z Ę Ś Ć

HORMONY

III

H O R M O N Y

1.

Charakterystyka ogólna

Układ dokrewny regulujący czynność wielu narządów, tkanek i komórek stanowi integralną cześć złożonego układu sterowania, jakim jest organizm ludzki. Wejściami do tego układu są receptory, zaś kanałami informacyjnymi człowieka drogi nerwowe oraz układ dokrewny (hormonalny). Wyjściem organizmu jest narząd ruchu z efektorami w postaci mięśni szkieletowych.

•«—

Rys. 1. Schematyczne ujecie sterowania głównych układów człowieka

Układ dokrewny umożliwia utrzymanie ustroju żywego w stanie dynamicznej równowagi, zwanej homeostaza, którą określa sie jako zdolność do utrzymania stałości środowiska wewnętrznego, pomimo oddziaływań ze strony środowiska zewnętrznego działającego, aby zaburzyć ten stan równowagi. Stałość środowiska wewnętrznego ma, co należy podkreślić, charakter równowagi dynamicznej a nie statycznej. Nieustannie zachodzącym procesom zmian towarzyszą jednocześnie procesy wyrównawcze przywracające zakłóconą równowagę. Układ dokrewny tworzą hormony, substancje wywołujące wielorakie efekty metaboliczne. Związki te: - są cząsteczkami syntetyzowanymi przez wyspecjalizowane tkanki, zwane gruczołami,

- są wydzielane bezpośrednio do krwi, która rozprowadza je w organizmie, - specyficznie zmieniają aktywność narządów docelowych lub komórek docelowych. Wśród hormonów wyróżniamy: - pochodne powstające z aminokwasów, np. tyrozyny, hlstydyny, - peptydy, np. oksytocyna, kortykoliberyna, ACTH, - białka, np. tyreotropina, somatotropina, insulina, 4L' - sterydy pochodne cholesterolu: estrogeny, testosteron. Według Stryera, hormony mogą osiągnąć swój specyficzny efekt fizjologiczny trzema sposobami: - przez oddziaływanie na tempo syntezy enzymów i białek, - przez wywieranie wpływu na szybkość katalizy enzymatycznej, - przez zmianę przepuszczalności błon komórkowych. 2.

Mechanizm działania hormonów

Zasadniczym warunkiem działania hormonów Jest łączenie sie Ich ze specyficznymi receptorami. Receptor hormonalny jest przestrzennie ukształtowanym białkiem, swoistym dla danego hormonu lub innej biologicznie czynnej substancji. Receptory mogą być zlokalizowane w zewnętrznej błonie komórkowej, cytoplazmie lub jądrze komórkowym. ....

AMP

Rys. 2.

desforyliacja (fosfatazc)

Schemat działania hormonów i reakcji fosforylacji białek: H - hormony, R - receptor, N - białko wiążące GTP, CA - cyklaza adenylowa, PDE - fosfodiesteraza, P - białka - białka w postaci ufosforylowanej

2.1.

Hormony działające na błonowe receptory komórkowe

Za pośrednictwem powierzchniowym receptorów komórkowych działają hormony niesterydowe, np. białkowe, aminy biogenne, które po dotarciu do receptora (znajdującego sie na powierzchni komórki docelowej) łącza sie z nim 1 tworzą kompleks hormon-receptor (rys.2). Kompleks H-R pobudza cyklaze adenylowa, która przekształca ATP do cykl1cznego AMP (cAMP). Cyklaza adeny1owa, której aktywność uległa zwiększeniu, jest takZe związana z błona plazmatyczną. W ten sposób w latach sześćdziesiątych przedstawiono działanie hormonu określanego jako informator pierwszy oraz cAMP określanego jako informator drugi. Dalsze badania wykazały, ze hormon łączy sie z podjednostką regulatorową, częścią regulatorową receptora, co powoduje aktywacje cyklazy adenylowej lub innej podjednostki efektorowej. W procesie tym bierze udział także białko N - wiążące GTP. Powstały cAMP aktywuje kinazy białkowe, enzymy katalizujące fosforylacje różnych białek. J a k pamiętamy, proces ten stanowi podstawę regulacji aktywności takich enzymów, jak fosforylaza glikogenową lub syntetaza glikogenową. Procesem odwrotnym jest defosforylacja katalizowana przez fosfatazę. Należy dodać, że cAMP Jest rozkładany przez fosfodiesteraze do AMP (rys.2). W aktywacji kinaz bierze udział także inny cykliczny nukleotyd, jakim jest cCMP, który powstaje w reakcji katalizowanej przez cyklaze guanylowa z GTP. Mechanizmy tych reakcji nie są do końca poznane, jednak najnowsze wyniki badań uzupełniają stan wiedzy w tej dziedzinie. Wspomnieć należy zwłaszcza o roi i jonów T a b e l a

1.

Wpływ cAMP na niektóre procesy metaboliczne

Proces metaboliczny fosforoliza glikogenu glukoneogeneza ketogeneza 1 ipoliza skurcz mięśnia sercowego wydzielanie HC1 w żołądku

Poziom zmian t

t t t

t t

wapnia, które aktywują układy enzymatyczne i o białku wiążącym te jony - kalmodulinie. To ostatnie białko, o szczególnych właściwościach biologicznych, Jest aktywatorem fosfodiesterazy i posiada cztery miejsca wiążące Ca Na rys. 3 przedstawiono reakcje katalizowaną przez cyklaze adenylowa wraz z hormonami, które ją przyspieszają lub hamują; w tab. 1 wpływ cAMP na niektóre procesy metaboliczne. Na rys. 4 zestawiono według aktualnego stanu

ACTH kalcytonina glukagon histamina PTH serotonina wazopresyna LH FSH HCG beta-adrenerglczne aminy Jcatecholowe

1

©

ATP

c y k 1 a z a

-> cAMP + PP

a d e n y l o w a

O insulina somatostatyna alfa-adrenergiczne aminy katecholowe Rys. 3.

Reakcja katalizowana przez cyklaze adenylowa

wiedzy na temat przekaźników wewnątrzkomórkowe. 2.2.

-

sygnały

zewnątrzkomórkowe

Hormony działające na receptory cytoplazmatyczne

i

—

Obok receptorów błonowych występujących na powierzchni plazmolemy, wykazano istnienie receptorów wewnątrzkomórkowych. Stwierdzono, że przez plazmolemę do cytoplazmy wnikają hormony sterydowe i dopiero tam łączą sie ze swoistymi receptorami. Reakcja ta poprzedzona jest wiązaniem się sterydów z białkami, które odgrywają znaczną rolę w transporcie tych hormonów. Wśród białek wiążących sterydy należy wymienić albuminę surowiczą oraz globuliny wiążące progesteron, testosteron, kortykoidy, czy estradiol. Hormony sterydowe w kompleksie z receptorami zmieniają właściwości receptorów, czyniąc je aktywnymi. W tej formie aktywny kompleks H-R wnika na teren jądra komórkowego, gdzie oddziałując na chromatynę jądrową powoduje określoną odpowiedź komórki.

SYGNAŁY

1° - przekaźniki

(neuroprzekaźniki, hormony, impulsy nerwowe) SYGNAŁY

2° - przekaźniki

ZEWNĄTRZKOMÓRKOWE

cykliczne

WEWNĄTRZKOMÓRKOWE [ efekty fizjologiczne

cykliczne

/ 3.5,3'-'.rljodotyronina CT ) 3

^ / '

Ilość związku H

. C M

NH I' - C H

?

•..

t a r c z y c y

u

)

35 - 40

Aktywność biologiczna względem tyroksyny

100

C 0 0 H

/

\ — ^ \ HO-/' ^>- 0 -

insulina monomer 51 AA

peptyd łączący

Przejście preprolnsullny w insulinę

W proinsulinie występują dwa wiązania dwusiarczkowe, które po odszczepieniu enzymatycznym peptydu C łączą dwa niezależne łańcuchy peptydowe: łańcuch A zawierający 30 reszt aminokwasowych oraz łaricui-h B zawierający 21 reszt aminokwasowych. Te dwa łańcuchy pcąc/.one dwoma mostkami dwusiarc^.kowymi tworzą aktywną

T a b e l a

7.

Niektóre czynniki kontrolujące insuliny i glukagonu

Czynniki

Insulina

glukoza aminokwasy kwasy tłuszczowe niedobór wapnia nadmiar wapnia prostaglandyna hormony Insulina glukagon somatostatyna gastryna serektyna neurotransmitery acetylocholina aminy katecholowe

T a b e l a

8.

Procesy metaboliczne

wydzielanie

Glukagon

I

I I

i i v a

I

. I

7 V

A

I

I

I V

A

I A

I

A

I

I

Wpływ insuliny metaboliczne

I

V

V

na

niektóre

Nadmiar insuliny

procesy

Niedomiar insuliny

1ipogeneza lipo11za synteza białek synteza glukagonu związki ketonowe glikogenoliza

insuline (rys. 15). Po przekształceniu proinsuliny w aktywny hormon występuje on w organizmie bardzo krótko, po czym ulega enzymatycznej degradacji. Okres półtrwania insuliny we krwi wynosi 5-10 min. Wydzielanie insuliny z trzustki regulowane jest przez stężenie glukozy we krwi. Im więcej jest glukozy we krwi, tym więcej uwalnia sie insuliny. Insulina wpływa na gromadzenie sie glukozy w wątrobie, a także aktywuje syntezę i hamuje rozkład glikogenu na drodze iosforolitycznej. Insulina aktywuje też spalanie glukozy w mięśniach oraz syntezę kwasów tłuszczowych.

Stymuluje transport glukozy i aminokwasów do mięśni i tkanki tłuszczowej. Działania biologiczne insuliny rozpoczyna sie od związania aktywnego hormonu ze specyficznym receptorem. Receptorami insuliny są glikoproteidy o masach cząsteczkowych 90 kDa i 140 kDa, które występują w błonach cytoplazmatycznych. 3 5 W jednej komórce występuje ich 10 -10 , czyli 15-60 receptorów na 2 1 firn . U tab. 7 przedstawiono czynniki wpływające na wydzielanie insuliny i glukagonu z trzustki. Wpływ insuliny na procesy zachodzące w organizmie przedstawiono w tab. 8. 7.2.

Glukagon

W komórkach typu a wysepek Langerhansa produkowane jest białko o masie cząsteczkowej 18 kDa, biologicznie nieczynne, które jest prekursorem glukagonu. Po enzymatycznej hydrolizie tego białka powstaje aktywny hormon. Glukagon jest peptydem o masie cząsteczkowej 3 485 składającym sie z 29 aminokwasów. Hormon ten wykazuje przeciwstawne działanie do insuliny. Mechanizm działania glukagonu polega na aktywacji układu: cyklaza edenylowa - cAMP. Pobudza on glikogenolize przez aktywacje fosforylazy glikogenowej, glukoneogeneze oraz lipolize przez aktywacje lipazy trójglicerydowej. Wydzielanie tego hormonu hamowane jest przez insulinę i somatostatyne. 7.3.

Somatostaiyna

,

;

;:i: t

• • , i v>

v

?

-

Somatostatyna jest peptydem wydzielanym w trzustce przez komórki typu D. Obecność somatostatyny stwierdzono tez w śluzówce Żołądka i jelit. Hormon ten występuje również w komórkach nerwowych podwzgórza, w których działa jako czynnik hamujący uwalnianie hormonu wzrosUi - somatotropiny. W układzie trawiennym reguluje dopływ składników odżywczych. Wytwarzany jest pierwotnie w formie prohormonu o masie cząsteczkowej 12 kDa, który nie wykazuje właściwości hormonu. Prosomatostatyna po hydrolizie enzymatycznej zostaje przekształcona w peptyd zawierający 14 aminokwasów, wykazujący właściwości hormonu. Hamuje on także wydzielanie tyreotropiny, prolaktyny, insuliny, glukagonu, gastryny oraz innych hormonów przewodu pokarmowego. Czas półtrwania somatostatyny wynosi 5 min. Uważa sie, że spełnia ona także role neurotransmitera w różnych częściach mózgu oraz hormonu tkankowego w przewodzie pokarmowym. 7.4.

Polipeptyd trzustkowy

;.

vt j l

- ,

r

.«

W trzustco występują również komórki, które określono jako komórki F. Nie stwierdzono ich obecności w wysepkach Langerhansa. Są to komórki rozmieszczone pojedynczo. W komórkach tych

produkowany 1 wydzielany jest polipeptyd składający sie z 36 aminokwasów, który wykazuje właściwości hormonalne. Jego działanie zbliżone Jest do działania glukagonu. 8.

Hormony gruczołów nadnerczowych ( nadnerczy)

Każde nadnercze ma 2,5-5 cm długości i leży nad górnym biegunem nerki. Poszczególne gruczoły składają sie z dwu części, które różnią sie miedzy sobą pod względem embrionalnym, histologicznym i czynnościowym. Nadnercza składają sie z trzech warstw tworzących kore, która otacza cześć wewnętrzną, tzw. rdzeń. Obie części pełnią różne funkcje hormonalne. 8.1.

Hormony rdzenia nadnerczy

Tkanka rdzenia nadnerczy jest wielorako powiązana z układem nerwowym. Komórki rdzenia rozwijają sie w okresie zarodkowym z komórek układu nerwowego. Biosyntezę Kbrmonów rdzenia, tzw. amin 16. Substratem do katecholowych, przedstawiono na rys. NH

NH I

1

2

CH CH - COOH

dopa

tyrozyna

OH I

1

OH H

,/ 3 CH-CH 2< H

OH

CHCH NH 2

2

/

CH CH - NH 2

2

2

OH

epinefryna Rys. 16.

2

CH CH - COOH

norepinefryna

dopamina

Biosynteza amin katecholowych

enzymatycznej syntezy epinefryny (adrenaliny) (noradrenaliny) jest aminokwas tyrozyna. Około

i nerepinefryny 70-90 % komórek

Tabela

9.

Alfa i beta receptory amin katecholowych Receptory alfa

alfa - 1

|

aktywacja glikogenolizy

skurcz mięśni gładkich, naczyń krwionośnych, przewodu ! moczowo-płciowego

Receptory beta f

alfa-2

rozluźnienie mięśni, gładkich jelit hamowanie lipolizy hamowanie uwalniania norepinefryny z zakończeń nerwowych hamowanie uwalniania insuliny z trzustki

.1

u

beta - 1 aktywacja lipolizy aktywacja wydzielania amylazy przez gruczoły ślinowe aktywacja pracy serca

| beta - 2

rozluźnienie mięśni gładkich naczyń krwionośnych, układu moczowo-płciowego, jebt zwiększanie wydzielania insuliny i glukagonu z trzustki zwiększenie rozkładu glikogenu w mięśniach

|

wydzielniczych rdzenia nadnerczy wytwarza epinefryne, natomiast reszta komórek wydziela norepinefryne. Wydzielanie tych hormonów regulowane jest przez ośrodki regulacyjne w podwzgórzu. Oba hormony powodują te same efekty co podrażnienie nerwowego układu sympatycznego. W organizmie człowieka stężenie epinefryny wynosi około 60 pg/1, a norypinefryny około 300 pg/1. Po spełnieniu swojej roli biologicznej związki te ulegają enzymatycznej degradacji 1 wydalane sa z moczem. Aminy katecholowe posiadają swoje receptory w błonach komórkowych. Ich działanie przedstawiono w rozdziale: "Mechanizm działania hormonów". Znane sa cztery rodzaje receptorów katecholowych, które po związaniu sie z hormonami wykazują różne działanie biologiczne. Różnice te przedstawiono w tab. 9. Znane sa związki chemiczne wskazujące powinowactwo do receptorów amin katecholowych, które mają zastosowanie Jako leki.^Epinefryna wykazuje aktywność biologicznadopiero przy stężeniu 10 mola/l. W normalnych warunkach wydzielanie hormonów rdzenia nadnerczy jest bardzo niewielkie i nie wywołuje skutków fizjologicznych. W sytuacjach stresowych następuje gwałtowne wydzielanie sie amin katecholowych, które powodują określone efekty fizjologiczne. Regulacje neurohumoralną przez aminy katecholowe traktuje sie jako swoisty system pogotowia energetycznego uruchamianego w wyjątkowo stresowych sytuacjach. Jest to ściśle związane z efektem "walki i ucieczki", co wymaga szybkiego zaopatrzenia wszystkich narządów w materiał energetyczny. Jednym z głównych działań epinefryny jest zwiększenie przepływu krwi tam, gdzie jest ona niezbędna podczas wysiłku lub

T a b e l a

10.

Wpływ epinefryny i norepinefryny na procesy fizjologiczne w organizmie

Procesy i wskaźniki fizjologiczne częstość uderzeń serca glukoza we krwi laktoza we krwi wolne kwasy tłuszczowe zużycie tlenu skurcze serca rozkurcz serca +++ ++ + 0

-

bardzo silny efekt silny efekt słaby efekt brak efektu

Epinefryna

+ +++

Norepinefryna

+

++

0 0

+++ ++

0

+++

+++

0

++

+++

zwiększonej aktywności określonych tkanek. Bezpośrednim wynikiem działania tego hormonu jest wzrost stężenia glukozy we krwi, kwasów tłuszczowych i kwasu mlekowego. Epinefryna rozszerza naczynia krwionośne, zwiększa przepływ krwi w mięśniach szkieletowych oraz w sercu. Warunkuje też rozluźnienie mięśni gładkich w przewodzie pokarmowym. W przeciwieństwie do epinefryny norepinefryna nie wpływa wyraźnie na metabolizm węglowodanów i na zużycie tlenu. Wywiera łagodne działanie na mięśnie gładkie. W odróżnieniu od epinefryny kurczy naczynia krwionośne i podnosi ciśnienie krwi. 8.2.

Hormony kory nadnerczy

..

Kora nadnerczy zbudowana jest z różnych stref, które wydzielają hormony o budowie sterydowej. Wszystkie te hormony sa strukturalnie podobne i pochodzą z tego samego prekursora, którym jest cholesterol. Komórki nadnerczy wytwarzają wiele związków sterydowych, ale tylko niektóre z nich wykazują aktywność biologiczną.

CH C0 - 0 - C H C H 2

2

- N(CH )

2

3

acetylocholina

3

HÓ^

,3

—

HO —cf.

V - CH CH NH„ '2 2 2 0

0

CH CH NH 2

CH CH NH

•C7 N

N

2

2

2

, ,

l

dopamina

serotonina

2

histamina

2

NH

e

HOOC - CH CH CH(NH )C00H ; NH CH,C00H 2 2

f

H N - CH CH CH C00H

kwas gamma-aminomasłowy

g

H N-CH CH S0 H

tauryna

Rys. 17.

Wzory strukturalne neurotransmiterów

2

2

2

2

2

2

2

?

o

2

3

o

Glu, Gly

Ze względu na funkcje jakie pełnia te hormony w organizmie podzielono je na: - glukokortykosteroidy (kortyzon, kortyzol, kortykosteron), które regulują metabolizm białek i węglowodanów, - mineralokortykosteroidy (aldosteron, dezoksyaldosteron), które regulują gospodarkę mineralną i wodną. Rozwój i czynności kory nadnercza uzależnione są od działania hormonu przedniego płata przysadki mózgowej - kortykotropiny (ACTH). Zależność ta jest przykładem sprzężenia zwrotnego (rys. 7). Wytwarzanie ACTH zależy od poziomu hormonów sterydowych we krwi kory nadnercza kortykosterydów. Wzrost ich ilości powoduje zahamowanie wydzielania ACTH w przysadce mózgowej, natomiast spadek - zwiększenie wydzielania ACTH. Zdolność do pobudzania wydzielania hormonów kortykotropowych wykazuje również kwas glutaminowy, glutatlon oraz aminy biogenne, adrenalina, serotonina i histamina, zaliczane do neurotransmlte­ rów. Nazwy i wzory niektórych neurotransmiterów podano na rys. 17. Nadczynność kory nadnerczy spowodowana jest nadmiernym wydzielaniem ACTH przez przysadkę mózgowa i wywołuje takie objawy Jak: - wysokie ciśnienie krwi, - zbyt wysokie stężenie elektrolitów we krwi, - demineralizacje kości, - zanik funkcji płciowych i wpływ na drugorzędne cechy płciowe. Nadmiernie wydzielany kortyzol powoduje niedomagania mięśni i nadmierną otyłość. Hormony kortykostereoidowe po dostaniu sie do krwi łącza sie ze specyficznymi białkami osocza i razem z nimi przenoszone są do miejsc swego przeznaczenia. Receptory tych hormonów znajdują sie w cytolazmie. Glukokortykoidy wykazują szczególnie duże powinowactwo do receptorów znajdujących sie w komórkach wątroby, nerki, kości, skóry, płuc i mózgu. Mineralokortykoidy wykazują powinowactwo do receptorów w komórkach nerek i ślinianek. Glikokortykoidy wpływają na metabolizm węglowodanów, białek, kwasów nukleinowych oraz tłuszczów, a także na zjawiska związane z odczynami alergicznymi; +2 zmniejszają poziom Ca Hormony te oddziałują głównie na przewód pokarmowy, gruczoły śliniankowe i gruczoły potowe. Zwiększają liczbę jonów Na . Nadczynność lub niedoczynność nadnerczy powoduje zmiany stężeń jonów w surowicy. W zdrowym organizmie syntezowane jest w ciągu doby od 10 do 30 mg kortyzolu i 2 do 4 mg kortykosteronu. Organizm produkuje około 150ug aldosteronu w ciagu doby, a jego stężenie we krwi waha sie od 5 do 15 ng/dl. Hormony te ulegają następnie przekształceniu w wątrobie w związki nieaktywne biologicznie j zostają wydalone z moczem. Mineralokortykosteroidy są to hormony wydzielane przez komórki

kory nadnercza, które regulują poziom elektrolitów, tj. jonów nieorganicznych (głównie sodu i potasu) w płynach ustrojowych. Wpływają też na zawartość wody w tkankach. Do hormonów wykazujących najsilniejsze działanie w tej grupie związków zalicza sie aldosteron i dezoksykortykosteron (rys. 17). Spośród czynników i mechanizmów wywierających wpływ na biosyntezę aldosteronu wymienić można: ACTH, układ reninowo-angiotensynowy oraz jony sodu i potasu. Mechanizm działania ACTH na wydzielanie aldosteronu jest inny niż wydzielania glikokortykosteroidów. 9.

Układ renina-angiotensyna-aldosteron

Komórki przykłebkowe nerki syntetyzują enzym renine, który działając na białkowy substrat osocza angiotensynogen, odszczepia od niego mało aktywny dekapeptyd - angiotensyne I. Kolejne odszczepienie dwu aminokwasów przez enzym konwertyne prowadzi do powstania oktapeptydu angiotensyny II, która posiada działanie naczyniokurczące (rys. 18). Drugą istotną właściwością angiotensyny II jest pobudzanie syntezy aldosteronu w korze nadnerczy. Zmiany aktywności układu renina-angiotensyna-aldosteron odpowiednio do stanu bilansu sodu, objętości płynu pozakomórkowego i krwi, a także ciśnienia tętniczego krwi, inicjowane są przez zmiany syntezy i wydzielania reniny. . . • -•o renina angiotensyna I fragment nieaktywny

Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro Phe-His-Leu

substrat reniny angiotensynogen konwertyna angiotensyna II nieaktywne produkty degradacji

Asp-Arg-Val-Tyr-Ile-His-Pro-Phe

angiotensynazy Rys.

10.

18.

Schemat powstawania angiotensyny II

Hormony płciowe

Gruczoły płciowe - jądra i Jajniki oprócz tego, że wytwarzają plemniki i komórki jajowe, są też żródiem hormonów płciowych

o

Rys. 19.

Wzory hormonów sterydowych

lbo sterujących dojrzewaniem i czynnościami układu rozrodczego oraz niektórych innych tkanek ustroju. Hormony płciowe maja silne działanie anaboliczne na przemianę białkowa. 10.1.

Żeńskie hormony płciowe

Główna funkcją żeńskich hormonów płciowych Jest utrzymanie czynności dróg reprodukcyjnych - normalnego przemieszczania sie komórki jajowej z Jajnika do macicy 1 jej zapłodnienia oraz późniejszego rozwoju zapłodnionego jaja, czyli rozwoju zarodka. Jajniki wydzielają dwa rodzaje żeńskich hormonów sterydowych: - estrogeny (wydzielane przez pęcherzyk Graafa), - gestageny lub hormony lutealne. Hormony estrogenne powstają głównie w jajnikach, a w niewielkich ilościach synteza ich zachodzi również w korze nadnerczy. Wpływają na rozwój drugorzędnych cech płciowych żeńskich, działając antagonistycznie do testosteronu. Wydzielanie estragonów kontrolowane jest przez hormon FSH (schemat sprzężenia zwrotnego przedstawiono na rys. 19). Nazwa estrogeny przypisana jest kilku, ściśle ze soba związanym, hormonom sterydowym (rys. 19). W organizmie estrogeny oddziałują na: - system reprodukcji (rozwój narządów płciowych, kontrole cyklu menstruacyjnego), - metabolizm tłuszczów i 1ipoproteidów, - pośrednio na syntezę białka. Głównym hormonem estrogennym jest estradiol, który znajduje sie w równowadze metabolicznej z estronem. Dzienne wydzielanie estradiolu wynosi 0,1 do 0,2 mg, w okresie owulacji wzrasta do około 0,5 mg. Estrogeny we krwi łączą sie z tymi samymi białkami transporterami co i testosteron. Progesteron jest hormonem ciałka żółtego, nazywanym hormonem ciaźowym. Gruczoły wydzrelania wewnętrznego, które produkują hormony sterydowe, są również zdolne do syntezy progesteronu. Jednak dla niektórych gruczołów jest on ostatecznym produktem biosyntezy, a dla innych stanowi tylko jeden z etapów otrzymywania konkretnych hormonów. Do pierwszej grupy można zaliczyć ciałko żół te i łożysko, natomiast do drugiej nadnercza i jądra. Progesteron jako hormon pojawia sie po jajeczkowaniu, przygotowując macice na przyjęcie zapłodnionego jaja i odżywianie go przez organizm matki. Działa antagonistycznie do estrogenów. Jeżeli nie dochodzi do ciąży, to ilość progesteronu i estrogenów maleje około 26 dnia cyklu miesiączkowego. Miesięczny cykl wydzielania progesteronu oraz jego wpływ na temperaturę ciała kobiety przedstawiono na rys. 9. Wydzielanie progesteronu przez ciałko żółte kontrolowane jest przez hormony ACTH i Ul. Podczas wi zer.nej fazy c'.aży działanie progesteronu Jest podtrzymywane przez gonadotropowy hormon hCG. Wiele testów wykrywania ciąży opir-ra sie na oznaczeniu tego

właśnie hormonu, głównie w moczu. Progesteron ulega w organizmie metabolizmowi głównie do pregnandiolu, który jest następnie wydalany z moczem. Pregnandiol ma również zastosowanie jako lek stosowany przy zagrożeniu poronieniem. Ciałko żółte może wytwarzać inny hormon pollpeptydowy, który nazwano relaksyna. 10.2.

Męskie hormony płciowe. Androgeny

Hormony płciowe męskie, podobnie jak żeńskie 1 hormony kory nadnercza, zaliczne sa do grupy hormonów sterydowych. Substancje androgenne (od greckiego słowa andros - mężczyzna) sa to związki posiadające czynność biologiczną męskiego hormonu płciowego testosteronu. Głównym miejscem ich powstawania są jadra. W mniejszych ilościach androgeny produkowane są przez jajniki oraz korę nadnerczy. Głównymi funkcjami androgenów w organizmie sa: - zróżnicowanie płciowe embrionu, - rozwój drugorzędnych cech płciowych w "okresie dojrzewania, - utrzymanie spermatogenezy, - wpływanie na popęd płciowy i dojrzewanie plemników, - dojrzewanie w okresie pokwitania' i prawidłowe funkcjonowanie męskiego układu rozrodczego, - przyspieszenie syntezy białka i retencja azotu, - regulacja wydzielania hormonów gonadotropowych. Działanie anaboliczne testosteronu jest najsilniejsze spośród neutralnych steroidów. Objawia sie wzrostem mięśni i kośćca. W organizmie mężczyzny powstaje dziennie 4-12 mg testosteronu, a stężenie tego hormonu we krwi wynosi 6 ug/1 i jest 20 razy wyższe niż u kobiety. Prekursorem tych związków jest acetylo-CoA, który ulega enzymatycznej przemianie w cholesterol, ulegający z kolei przemianom prowadzącym do powstania związków o działaniu hormonalnym. Biologiczny pólokres trwania testosteronu wynosi 8-10 dni. Po spełnieniu swego zadania w organizmie testosteron ulega metabolizmowi, głównie w wątrobie i prostacie. Usuwanie testosteronu z organizmu odbywa sie głównie przez nerki. Hormon ten występuje w moczu głównie jako glukozydouronian. Jego średnia zawartość w moczu wynosi u mężczyzn 50-150 ug/dobe. Większość metabolitów testosteronu wykazuje pewną aktywność androgenną, jednak zawsze słabszą od testosteronu. Androstendion powstaje u mężczyzn w korze nadnerczy i komórkach jader. Działanie tych hormonów przedstawiono w rozdziale "Mechanizm działania hormonów". Testosteron i dihydrotestosteron wiążą sie z tymi samymi receptorami białkowymi w cytoplazmie komórkowej. W jednej komórce występuje ponad 5 tys. receptorów. Znane są dwa rodzaje białek-transporterów testosteronu we krwi: - TEBG {testosteron-estradiol-binding globuline) globulina wiążąca testosterol i estradiol,

- SHBG (sex horntone-binding globulinę) - globulina wiążąca hormony płciowe. 0 syntezie testosteronu decyduje hormon luteinizujacy (LH). Schemat sprzężenia zwrotnego przedstawiono na rys. 10. 11.

Hormony tkankowe

Większość hormonów wytwarzanych w organizmie produkują wyspecjalizowane komórki zgrupowane w tzw. gruczoły wydzielania wewnętrznego. Znane są też hormony wydzielane przez pojedyncze komórki występujące w różnych tkankach, które można podzielić na: - wydzielane przez przewód pokarmowy, - wydzielane przez układ krążenia. Hormony te spełniają podobną role jak hormony wydzielania wewnętrznego i regulują funkcje biologiczne odpowiednich narządów. 11.1.

Hormony przewodu pokarmowego

Hormony te powstają w błonie śluzowej jelit 1 regulują wydzielanie soków trawiennych. Trzy podstawowe hormony peptydowe, składające sie z L-aminokwasów, wydzielane przez komórki przewodu pokarmowego przedstawiono w tab. 11. Hormony te posiadają swoje receptory w błonach komórkowych. 11.2.

Hormony układu krążenia

Hormony tego układu razem z układem nerwowym regulują działanie układu krążenia: - histamina rozszerza naczynia krwionośne, co prowadzi do spadku ciśnienia krwi, - acetylocholina wykazuje podobne działanie jak histamina, - adenozyna, adenozyno-5-monofosforan (kwas adenylowy) rozszerza naczynia krwionośne, co powoduje spadek ciśnienia krwi, - renina, hormon o budowie białkowej produkowany przez nerki, powoduje wzrost ciśnienia krwi (patrz układ renina-angiotensynaaldosteron) . 12.

Prostaglandyny

Są to substancje wywodzące sie z dwudziestowegłowego, czteronienasyconego kwasu tłuszczowego, kwasu arachidonowego będącego materiałem budulcowym fosfolipidów błon komórkowych. Uwalnianie kwasu arachidonowego z fosfolipidów odbywa sie przy udziale fosfolipazy A^zależnej od jonów wapnia lub fosfolipazy C. Dalsza przemiana tego kwasu polega na utlenianiu różnych węgli w łańcuchu przy udziale kompleksu enzymów cyklooksygenazy lub pod wpływem llpooksygenazy. W procesie cyklooksygenacji prowadzącej do

T i b c ] i

11.

H o r m o n y oddziałujące na soki trawienne

t Hormon

gastryna

sekreiyna

Miejsce powstania

Działanie

fizjologiczne

okolica od i w i e mika

regulowanie wydzielania HC1 i

Żołądka

insuliny

dwunastnica

P r o c e s y , na k t ó r e wpływa wydzielanie soku

żołądkowego

regulowanie zawartości węglanów i

utrzymywanie odczynu kwaśnego w

o b j ę t o ś c i solcu t r z u s t k o w e g o

dwunastnicy, wydzielanie soku trzustkowego b e z enzymów trawiennych

pankreozymina (identyczna z c h o lecy s t o k i n i n a )

dwunastnica

wydzielanie toku trzustkowego bogatego w enzymy trawienne

powstania nadtlenków prostaglandynowych powstają następnie pierwotne prostaglandyny, prostacykliny 1 tromboksany (rys. 20).

Fosfolipidy fosfolipaza

\ /\ /\s*sS =

Nadtlenki

=s

prostaglandyn

K

w

a

s

arachidonowy

Pochodne h y d r o k s y l o w e

Leukotrieny Prostaglandyny

Rys. 20.

Uproszczony schemat przemian kwasu arachldonowego

W procesie lipooksygenacjl powstają hydroksylowe pochodne, zwane leukotrienami. Prostaglandyny są biologicznie aktywnywmi metabolitami syntetyzowanymi przez niemal wszystkie tkanki ustroju. Wywierają działanie biologiczne zwykle w pobliżu miejsca ich syntezy, dlatego określa sie je mianem hormonów miejscowych lub tkankowych. W r. 1*982 za badania nad prostaglandynaml Samuelsson, Bergstrbm i Vane otrzymali Hagrode Nobla w dziedzinie medycyny. Obecnie wiadomo, że prostaglandyny wpływają na poziom cAMP oraz regulacje aktywności cyklazy adenylowej. Wpływ ten jest różny, zależny od narządu: stymulacji cyklazy adenylowej w tarczycy, trzustce, mięśniu sercowym i inhibicji w procesie lipolizy i wydzielania HC1 w żołądku. W płytkach krwi powstają tromboksany, które są silnym stymulatorem agregacji płytek krwi oraz skurczu tętnic. Biologiczna rola tromboksanów polega na zlepianiu płytek i zaciskaniu uszkodzonych naczyń krwionośnych, co może być przyczyną miażdżycy i patologii naczyń wieńcowych serca. Związkami o działaniu przeciwnym do tromboksanów są prostacykliny, które hamują zlepianie płytek krwi i rozszerzają naczynia krwionośne. Działanie ich po]ega przypuszczalnie na aktywności c/klazy adenylowej oraz zwiększaniu stężenia cAMP. W krwinkach

białych powstają leukotrleny, które zwiększają naplecie mleśniówkl gładkiej naczyń krwionośnych, oskrzeli, jelit, a także biorą udział w procesach sekrecjl śluzu oraz sprzyjają wnikaniu leukocytów do tkanek w stanach zapalnych. W tab. 12 zebrano dane dotyczące budowy, występowania i funkcji omówionych wcześniej hormonów. T a b e l a Nazwa hormonu (skrót) 1

12.

Zestawienie danych o hormonach

Budowa 2

Występowanie 3

Funkcja 4

wazopresyna

peptyd 8AA

tylny płat przysadki

powoduje skurcz mięśni gładkich, wzrost ciśnienia krwi, zmniejszenie wydalania wody z organizmu

oksytocynaj zwana tez ocytocyną

peptyd 8AA

tylny płat przysadki

powoduje skurcz mięśni gładkich macicy w czasie porodu, gruczołów mlecznych po porodzie

melanotropina (MSH)

peptyd 13 1 18 AA

pośredni płat przysadki

rozszerza melanofory u płazów i pobudza proces ciemnienia skóry

adrenokortykotropina (ACTH)

peptyd 39AA

przedni płat przysadki

pobudza biosyntezę hormonów sterydowych kory nadnerczy

h. stymulujący rozwój pęche­ rzyków Graafa folitropina (FSH)

białko glikoproteld

przedni płat przysadki

pobudza rozwój pęcherzy­ ków, Jajeczkowanie, wydzielanie estrogenów, spermatogenezę

h. luteinizuJacy lutropina (LH, ICSH)

białko glikoproteld

przedni płat przysadki

umożliwia i wpływa na syntezę progesteronu i testosteronu, powstawanie ciałka żółtego

prolaktynalaktotropina (PRL, LTH)

białko

przedni płat przysadki

pobudza wydzielanie mleka i progesteronu

c d. tabeli 12 1 tyreotropina (TSH)

białko glikoproteld

przedni płat przysadki

wzmaga czynność tarczycy i wydzielania hormonów tarczycowych

somatotropina (STH, GH)

białko

przedni płat przysadki

powoduje wzrost kości, tkanek, tłuszczów w wątrobie poziomu kwasów tłuszczowych 1 cukru we krwi

testosteron (androgeny)

sterydy

jadra

wpływa na rozwój drugorzę­ dnych cech płciowych, dojrzewanie plemników, anabolizm białek

estradiol (estrogeny)

sterydy

Jajniki

wpływa na rozwój drugorzę­ dnych cech płciowych, reguluje czynności Jaj­ ników

progesteron (gestagen)

sterydy

ciałko 2ółte, łożysko, kora

implantuje zapłodnione Jajo, wpływa na donoszenie ciąży

relaksyna

polłpeptyd

nadnerczy ułatwia poród Jajniki

gonadotroplna łożyskowa (HCG)

białko (glikoproteid)

łożysko

podobna do FSH i LH

trijodotyronina

pochodne amino­ kwasów

tarczyca

zwiększa przemianę podstawowa, regułuJe gospodarkę Jodem

pochodne amino­ kwasów

tarczyca

1

V

tetrajodotyroninatyroksyna (

V

kalcytonina (CT)

polipeptyd 32AA

tarczyca (komórki C)

obniża stężenie jonów wapnia we krwi

c d. tabeli 12

parathormon (PTH)

pollpeptyd 84AA

gruczoły przytarczyczne

podwyższa stężenie Jonów wapnia, obniża stężenie fosforanów we krwi

mineralokortykosterydy aldosteron 1 pochodne

pochodne sterydowe

kora nadnerczy

reguluje gospodarkę mineralna, wodnoelektrolitowa, kwasowozasadowa

glikokortykoldy - kortykosteron, korty­ zol 1 inne

pochodne sterydowe

kora nadnerczy

wpływa na przemianę białkową i tłuszczową, cukrowa, przeciwdziała stanom zapalnym i alergicznym

adrenalina epinefryna

pochodne aminokwasów

rdzeń nadnerczy

podwyższa ciśnienie i stężenie cukru we krwi

noradrenalina norepinefryna

pochodne amino­ kwasów

rdzeń nadnerczy i komórki układu nerwowego

podwyższa ciśnienie krwi, mediator neurochemiczny

insulina

białko dimer, monomer 51AA

trzustka, komórki beta

obniża stężenie glukozy we krwi, wpływa na bio­ syntezę białek, syntezę kwasów tłuszczowych, przepuszczalność błon komórkowych

glukagon

peptyd 29AA

trzustka, komórki alfa

podwyższa stężenie cukru we krwi, stymuluje rozkład glikogenu

sekretyna

peptyd 27AA

śluzówka dwunastnicy

pobudza wydzielanie soku trzustkowego, węglowodanów i żółci

gastryna

peptyd 17AA

ściana przedniej części żołądka

wydziela w żołądku kwas solny i sok żołądkowy

c d. tabeli 12. 1

2

3

4

cholecystokinlnopankreozymlna (COC)

peptyd 33AA

śluzówka jelita czczego

pobudza skurcz pęcherzyka żółciowego 1 wydalanie soku trzustkowego

wazoaktywny hormon jelitowy (VIP)

peptyd 28AA

śluzówka przewodu pokarmowego

hamuje wydzielanie żo­ łądkowe, wzmaga trzu­ stkowe, pobudza gliko­ lizę 1 lipollze

angiotensyna

peptyd 8AA

tkanki

podwyższa ciśnienie krwi

bradykinina

peptyd 9AA

tkanki

obniża ciśnienie krwi

serotonina

pochodna tryptof anu

tkanki

podnosi ciśnienie krwi, neurotransmiter

histamina

pochodna histydyny

tkanki

neuro transmlter, roz­ szerza naczynia włosowate

tkanki

neurotransmiter

acetylocholina prostaglan­ dyny

13,

pochodne tkanki kwasu arachidpnowego

pobudzają skurcze mięśni gładk i ch, wpływa na poziom cAMP i aktywność cyklazy adenylowej

Metody oznaczania hormonów .

Pomiar stężenia poszczególnych hormonów występujących w organizmie jest bardzo ważny dla określenia stanu zdrowotnego. Hormony najczęściej oznacza sie bezpośrednio w surowicy, ale można też oznaczać je w moczu oraz w innych płynach ustrojowych lub też bezpośrednio w homogenatach tkankowych po biopsji. Znane sa trzy rodzaje metod stosowanych do oznaczania ilości hormonów: - metody biologiczne, - metody chemiczne, - metody oparte na reakcjach Immunologicznych.

W metodach biologicznych określa sie biologiczny efekt działania określonych hormonów. Metody te najczęściej używane są do oznaczenia hormonów płciowych 1 clażowych. Za pomocą chemicznych metod oznacza sie głównie hormony z grupy sterydów oraz pośrednio hormony tarczycy przez ilościowy pomiar wolnego lub związanego jodu. Do oznaczenia steroidów stosuje sie najczęściej różnego typu chromatografie 1 ich modyfikacje, za pomocą których dokładnie i wybiórczo można określić Ilość i jakość badanych związków. Metody oznaczania oparte na reakcjach immunologicznych to metody radioimmunologiczne oparte na reakcji antygen-przeciwciało i metody enzymoimmunologiczne. Używając określonych przeciwciał 135 znakowanych radioaktywnym pierwiastkiem (np. I ) można oznaczać ilość hormonu w badanej próbie. Metodę te określa sie w skrócie RIA (radlolmmunoassay - oznaczenie radioimmunologiczne). Po raz pierwszy zastosował Ją R.Etkins w r. 1960 do oznaczenia hormonu taczycy T^. Obecnie tą metodą oznacza sie bardzo wiele związków, w tym prawie wszystkie znane hormony. Stężenie niektórych hormonów podano w tab. 13. Do podstawowych cech metody RIA należą: - wykorzystanie wysokiej specyficzności reakcji antygen-przeclwciało; określony hormon można oznaczać, gdy w badanej próbie występują inne hormony lub związki o budowie chemicznej zbliżonej do badanego hormonu, - wysoka dokładność metody; można oznaczać nawet bardzo niewielkie 1

Ilości hormonu w próbce (od 10 ^g)» - możliwość wprowadzenia automatyzacji; można oznaczać wiele prób w bardzo krótkim okresie, - małe objętości badanych prób ( 10-100 ul). W roku 1971 po raz pierwszy zastosowano do oznaczeń metodę określaną Jako metodę enzymoimmunologiczną przy użyciu stałego nośnika i nazwano ją ELISA {enzyme-1inked immunosorbent assay). Od tego czasu pojawiło sie wiele zastosowań tej metody użytecznych w diagnostyce medycznej, weterynaryjnej oraz w rolnictwie. Do zalet metod enzymolmmunologicznych należą: - stosowanie bezpiecznych i stabilnych w użyciu odczynników, - użycie taniej i prostej aparatury, - wysoka czułość metody, - możliwość jej automatyzacji. Różnica miedzy ta metodą (ELISA) a RIA polega na zastąpieniu radioaktywnego pierwiastka, którym znakowane jest przeciwciało, enzymem związanym z tym przeciwciałem wiązaniem najczęściej kowalencyjnym (rys. 21). Do znakowania używa sie najczęściej peroksydazy z chrzany beta-galaktozydazy lub fosfatazy alkalicznej.

T a b e l a

13.

Stężenie niektórych hormonów w surowicy krwi

Hormon

Stężenie

aldosteron estrogeny

27,7 - 581,7 praol/1 0,15 0,54 runpl/1 M 0.15 2,31 nmol/1 K 0 - 5 pg/l M 0 - 1 0 ug/1 K 0 - 25 mU/1 30 ng/1 0 0,55 nmol/1 0,41 4,43 nmol/1 120 pmol/1 0 0,9 nmol/1 150 uU/1 10,4 - 41,6 nmol/1 M 0,7 2,6 nmol/1 K 1,4 3,5 nmol/1

HGH Insulina kalcytonina adrenalina noradrenalina ACTH prolaktyna TSH testosteron

64 1,8

wazopresyna

płukanie

- 174 -

nmol/1

7,4 pmol/1

zabarwienie

płukanie

K°0 baranic cntjrfSH FSHlubtH lub anty- LH ^ n

o

* «

p r o ™ ^

s t t r t e j

substrat chromogenny (TMB)

przeciwciało

(surówka! osocze

inkubacja

inkubacja

inkubacja

zahamowanie

2godz.

2 godz

30 min

i o d c z y t U 5 0 nro

w 20-25*C

w 20-25* C

w 20-25°C

Rys. 21.

14.

znakowane enzymem

Zasada testu ELISA i sposób wykonania dla pomiarów FSH 1 LH

Hormony a wysiłek fizyczny Podczas

wysiłków

fizycznych

następują

różnorakie

zmiany

aktywności składu hormonalnego. Stężenie większości hormonów we krwi wzrasta (glukagonu, ACTH, epinefryny, aktywności reninowej osocza); poziom niektórych nie ulega zmianie lub nawet maleje (insuliny) (tab. 14). Wzrasta aktywność układu adrenergicznego, co znajduje wyraz we wzroście stężenia epinefryny (A) i norepinefryny (NA) we krwi oraz zwiększonym wydalaniu tych związków i ich metabolitów z moczem. Stopień aktywności tego układu zależy od rodzaju wysiłku, jego Intensywności, czasu trwania oraz wydolności fizycznej człowieka. Aminy katecholowe jako czynniki regulacji metabolizmu wysiłkowego wywierają swój wpływ przez działanie: - stymulujące lipolize w tkance tłuszczowej, - stymulujące glukoneogeneze i głikogenolize w wątrobie, - hamujące wydzielanie Insuliny, - stymulujące wzrost stężenia glukagonu, - na glikogen mięśniowy jako źródło energii. T a b e l a

Hormon glukagon GH sekretyna VIP testosteron estradiol progesteron ARO ADH

X X

14.

Zmiany poziomu hormonów w wysiłku fizycznym

Poziom zmian

T

f t

.Hormon

Poziom zmian

ACTH adrenalina noradrenalina insulina

1* ^ x I N

t

N N

t

FSH

N

N - brak zmian I - spadek I - wzrost x - zależność od intensywności i czasu trwania wysiłku xx - ARO - aktywność reninowa osocza, oznaczana też skrótem PRA Wykazano korelacje miedzy wyczerpywaniem sie rezerw węglowodanowych ustroju podczas długiego wysiłku a progresywnym wzrostem norepinefryny we krwi. Wyrazem wpływu aktywności katecholamin na regulacje metabolizmu wysiłkowego jest zmniejszenie współczynnika l/G ( molarnego stosunku insulina-glukagon) w wyniku hamującego oddziaływanie na wydzielanie insullny oraz pobudzającego na wydzielanie glukagonu podczas pracy mięśniowej. Interesujące wyniki przedstawili Kozłowski i i n . (1985), którzy wykazali znacznie silniejsza aktywacje układu adrenergicznego w cznsie wysiłków statycznych (rys. 22). Przedstawia on wartości r.teżenia norepinef ryny we krwi podczas

wysiltk statyczny

900 kgm/min 750łigm/mn

600 kom/min 450kgm/mn

0

Rys. 22,

3

tzaslminl

Stężenie norepinefryny dynamicznych

w

1

5

wysiłkach

statycznych

i

NE (łig/h) i

[ okres przygotowania ogólnego okres startowy

E (ug/h)

W,

spoczynek Rys. 23.

30 min po wysiłku

spoczynek

30 min po wysiłku

Wydalanie norepinefryny i epinefryny u kajakarzy w odpowiedzi na 4 min test wysiłkowy (Markowska i in.,

wysiłku statycznego polegającego na zaciśnięciu dłoni w ciągu 2-3 min z siłą 30 V, siły maksymalnej i podczas wysiłków dynamicznych na cykloergometrze do całkowitego zmęczenia podczas 5-7 min. Trening sportowy zmniejsza wysiłkową aktywacje układu współczulno-nadnerczowego, o czym świadczy zmniejszenie wysiłkowego wzrostu stężenia amin katecholowych podczas krótko- i długotrwałych wysiłków. Fakt ten nie powoduje "upośledzenia do wysiłku" lecz "zniesienie" nadmiernej gotowości współczulnego układu nerwowego, charakterystycznej dla osób nie wytrenowanych (rys. 23). glukagon

T

;oo 300 200 -

100 -

1 ^

2 wysiłek

3 ^.

fizyczny Rys. 24.

Stężenie glukagonu i insuliny w wysiłku fizycznym

Jak wynika z poprzednio zestawionych danych oraz rys. 24, stężenie insuliny w czasie wysiłku fizycznego spada, zaś glukagonu, szczególnie po 60 min pracy wzrasta. Wpływ szeregu

czynników na działanie obu hormonów podano w tab. 7. Trening fizyczny powoduje zmniejszenie wysiłkowego obniżenia stężenia insuliny. Fakt ten można wiązać ze zmniejszeniem sie wysiłkowych reakcji układu współczulno-nadnerczowego. Obserwowane jest również zmniejszenie stężenia glukagonu pod wpływem treningu fizycznego. Istnieją rozbieżności co do wpływu gllkokortykosteroidów na wysiłek fizyczny. Opisywany wzrost stężenia kortyzolu, jak i jego spadek, może być związany z różnym charakterem wysiłku m.in. Jego intensywnością, czy czasem trwania. Zdaniem Kozłowskiego i in. (1973), wzrost steZenia kortyzolu występuje podczas intensywnego wysiłku prowadzącego szybko do zmęczenia lub w warunkach szczególnego pobudzenia emocjonalnego w walce, współzawodnictwie itp. Wykazano, że wzrost stężenia kortyzolu u psów, w czasie długotrwałej pracy mięśniowej można hamować, stosując glukozę. Zatem istnieje związek miedzy wyczerpywaniem sie zasobów węglowodanowych organizmu w czasie wysiłku a reakcją układu podwzgórza-przysadka-nadnercza. Wpływ treningu na wysiłkowy wzrost stężenia glikokortykosteroidów we krwi nie jest w pełni poznany. Innym hormonem, którego wydzielanie wzrasta po wysiłku fizycznym jest hormon wzrostu (GH). W czasie długotrwałej pracy stężenie GH rośnie wielokrotnie w miarę upływu czasu jej wykonywania. Trening fizyczny zmniejsza wzrost stężenia GH podczas wysiłków maksymalnych. Zwraca uwagę fakt, że hormon ten odgrywa ważną role w diagnostyce zaburzeń wzrostu u dzieci ze względu na powtarzalność tego testu w wysiłku fizycznym (rys. 25). Do hormonów, których stężenie w wysiłku fizycznym nie zmienia sie istotnie należą hormony tarczycy, aczkolwiek opisano zwiększone usuwanie T^ z krwi po długotrwałej i ciężkiej pracy. W przeciwieństwie do nich, hormony płciowe należą do tych, których stężenie zmienia sie bardzo wyraźnie w czasie wysiłku czy pracy mięśniowej. U mężczyzn stężenie testosteronu we krwi podczas wysiłków o dużej intensywności wzrasta, zaś podczas długotrwałych maleje. Nie stwierdzono istotnego wpływu treningu sportowego na zmiany wysiłkowe stężenia we krwi androgenów, ani na ich poziom spoczynkowy. U kobiet w czasie wysiłku wzrasta istotnie stężenie we krwi estradiolu i progesteronu. Najwyższy wzrost stężenia obu tych hormonów obserwuje sie w fazie lutealnej cyklu miesiączkowego. Natomiast stężenie LH i FSH we krwi w czasie wysiłku nie zmienia sie w sposób istotny. Znacząco wzrasta w wysiłku fizycznym aktywność reninowa osocza (ARO, PRA), której wartość może aż pięciokrotnie przewyższać dane spoczynkowe. Reakcja ta wykazuje zależność wzrostu proporcjonalną do intensywności wysiłku. Uważa sie, że zwiększenie wydzielania reniny jest następstwem pobudzenia komórek wydzielnlczych przez norepinefryne uwalnianą z zakończeń włókien współczulnych. Wzrost wydzielania reniny w czasie wysiłku wlaźe sie także ze wzrostem stężenia we krwi angiotensyny i aldosteronu.

P okres przygotowawczy S okres startowy

Rys. 25.

Stężenie hormonów w surowicy krwi u kajakarzy (Wiśniewska i in., 1985)

Zarówno w czasie krótko- i długotrwałych wysiłków fizycznych zwiększa sie ste2enie wazopresyny (ADH). MoZe to być następstwem utraty zwiększonej ilości potu oraz odwodnienia organizmu. Wspomnieć te2 warto, Ze ste2enle wazopresyny zaleZy od pozycji, w Jakiej odbywa sie praca, co Jest związane ze zmianami rozmieszczenia krwi w organizmie. W badaniach własnych oznaczono stężenie niektórych hormonów w surowicy studentów-debiutantów oraz osób niepełnosprawnych przed i po biegu maratońskim (Monkiewicz 1 in. , 1989). Jak wynika z tab. 15, obserwowano, za wyjątkiem LH, wzrost innych badanych hormonów, a szczególnie kortyzolu, ACTH, ARO i aldosteronu. Zwraca uwagę fakt, że u przygotowujących sie do biegu studentów wykazano istotnie wyższe stężenie spoczynkowe kortyzolu oraz ARO w porównaniu z grupą zawodników, mistrzów w sporcie inwalidów. 15. Sterydy należące do grupy substancji dopingujących Do sterydów pobudzających należą: bolasteron, boldenon, klostebol, dehydrochlormetyltestosteron, fluoksymesteron, mesterolon, metandienon, metyltestosterone, nandrolon, noretandrolon, oksandrolon, oksymetolon, stanozolol, testosteron (dla testosteronu próbka będzie uważana za pozytywną, jeśli podanie albo inne użycie go da wskaźnik testosteronu epltestosteronu w moczu większy niż 6) i preparaty zbliżone (Rogoziński i Rusin, 1987). Ta grupa substancj i składa sie ze związków T a b e l a

16.

Substancje bolasteron boldenon klostebol dehydrochlormetylte­ stosteron

fluoxymesteron mesterolon

Przykłady sterydów i ich nazwy handlowe należących do substancji dopingujących

Nazwy handlowe

Oral-turinabol, Trofodermin Mesteron, Agovirln, Android 5,10,25, Androral, Arcosterone, Glosso-Sterandryl, Metandren, Neo-Hombreol M, Orton-Methyl, Testosteron 1ingvalete, Testovis,Testred Andrlod-F, Fluotestin, Halotestin, Oralsterone, Ora-testryl, Halodrin, Mesteron UM, Proviron, Yistimon

chemicznych, które są zb'iżone przez swoja strukturę lub działanie do hormonu męskiego te. tosteronu, któi y również wchodzi w ich

T8be 1 a

1

Stężenie kortyzolu, ACTH, LH, A R O i aldosteronu w surowicy krwi studentów niewytrenowdnych (I) i osób niepełnosprawnych (II) przed i po biegu maratoriskim (Monkiewicz i in., 1989)

15.

:

Hormon

Kortyzol ng/ml

ACTH pg/ml

LH E/L

ARO ng/ml/h

Aldosteron pg/ml

Norma

45 - 180

20 - 90

4 - 18

0.2 - 2.8

70 - 295

Grupa

przed biegiem

po biegu

I X

SD

XX

282,7 67,9

488,3 87,6

186,3 70,6

408,3 129,0

II X

SD I-II Xp

< 0,05

przed biegiem

XX

xx < 0.01 p

przed biegiem

po biegu

przed biegiem

XX

22,1 17,5

200,2 70,5

35,8 32,7

422,1 203,9

X

XX

po biegu

po biegu

przed biegiem

XX

8,1 2,6

7,0 ' 1,8

10,2 4,3

5,4 2.0

XX

0,45 0,1

6,62 2,08

0,25 0,14

3,83 1,32

XX

XX

128,2 34,5

398,0 165,5

168.2 66,4

287,8 50,2

XX

X

po biegu

XX

skład. Były one stosowane w sporcie nie tylko po to, aby spróbować zwiększyć mase siłę i moc mięśni wraz ze zwiększonym odżywianiem, ale także, w mniejszych dawkach i przy normalnej diecie, aby zwiększyć możliwość uzyskania lepszego wyniku. Użycie tego środka przez młodzież, która jeszcze nie przestała rosnąć, może zatrzymać proces wzrostu, wpływa ujemnie na strefy wzrostu na końcach kości długich. Może spowodować także zmiany fizjologiczne, np. uszkodzenie wątroby i wpłynąć ujemnie na system krwionośny i serce. U mężczyzn użycie sterydów powoduje czasem zmniejszenie ilości wytwarzanych plemników oraz ograniczenie wielkości jąder; u kobiet obserwuje sie powstawanie cech męskich, np. owłosienie typu męskiego oraz trądzika, obniżenie lub ustanie funkcji jajników i menstruacji. t

Lista anabolitów steroldowych (zabronionych środków dopingujących) ustalona przez Komisje Medyczna MKOL na XXIII Igrzyska Olimpijskie w Los Angeles (1984) i XII Zimowe Igrzyska Olimpijskie Sarajewo (1984) (Donike i Kaiser, 1984)

Androisoxazol Androstendiol Bolasteron Bolenol Chloroxydienon Cloxotestosteron Drostanolon Fluoxymesteron Hexoxymestrol Mesabolon Metandlenon Metylandrostandlol Metribolon Norboleton Oxandrolon Penmesterol Quinbolon Stenbolon Tiomesteron

Androstandiol Androsteron Bolazin Bolmantalat Chloroxymesteron Dihydrochlorometylotestosteron Enestebol Formebolon Hydoxystenozol Mestanbłon Metenolon i pocho­ dne Metylnortestosteron Mlboleron Norclostebol Oxymesteron Prasteron i pochodne Silandron Testosteron i po­ chodne Trenbolon i pochodne

Androstanolon i pochodne Bolandiol Boldenon Chlordrolone Clostebol i pochodne Dimetyloandrostanolon Etylestrenol Furazabol Mebolazin Mesterolon Metandrlol i pochodne Metyl testosteron Nandrolon i pochodne Noretandrolon Oxymethołon Propetandrol Stanozolol Tibolon Trestolone

Lista leków zawierających anaboliki Akt iv i r.

Adroyd

Aftuteston

Anabiol 4-19 Anabolicus Anabo1-Tab11nen Anadrol Anamidol Anasteronal Anavar Androgenol Androstalone Anertan Astenile Boldane 17-Chetovis Curablon Deca-Durabolln Dianabol Docabolln Durabolin-0 Embadol Esiclene Frazalon Genutropal Gynodian Depot Hepa-Obaton Hubernol Lebolan Lynandron Masterid Mastisol Magagrrlsevit Mestoran Metandiol Methalutin Methylboi-Depot Metilbisexovis Metormon Nandrolin Neodrol Neo-pondus Nerobolettae Nibal Norandrol Nor-Durandron Nortesto Ophtovitol Orabolin Ora-Testryl Orchisteron

Anaboleen Anabolin Anador Anadroyd Anapolon Anasterone Andoron Androlone Androsterolo Anticatabolin Bisexovis Caprosem Clinibolin Danabo1 Deca-Hybolin Diandrin Dro1ban Duraboral Encephan Fluotestln Geabol Ginandrin Gyno-Hormetten Hormobin Kerato Biciron Lipogeron Malestrone Masteri1 Matenon Menidrabol Metabolina Metandren Methandrol Methyltestediol Metildiolo Miotolon Naposim Neo-Hombreol M Neosterone Nerobolil Nilevar Norandros Noromon Notandron Oralsterone Oranabol Oraviron Ot esteron

Anabolocum Anabolin Deport Andriol Anadur Anaprotin Anatrofin Andrifar Andrometh Androteston Antitrlol Bisexovister Cheąue Crein Deandros Depo-Nortestonate Diandrone Durabolin Dynabolon Ermalone Fortabolin Genabol Glosso-Sterandryl Halotestin Hormovitastan Lanabolin Lonavar Malogen Masterone Max1bo1 i n Mentalormon Metanabo1 Metastenol Methostan Metidiolo Metocyst Myagen Nastenon Neo-ponden Nerobol Nh Norabol Nordecon Norstenol Notestonate Ora1-Tur inabol Oratt stin Or-Bollc Oreton Methyl

Orgabolln Pandroclne Pasuma Ampullen Perbolin Plenastril Primobolans S Probollk Proteina Psicosterone Retabolil Solevar Stenediol Steranabol-Depot Stromba Superbolin Synasteron Testlcomb Testomet Testosid compr. Testosteron Proplonat "Elfelfango Testoviron-Depot100 Testovis Tonol Turlnaboi U Gono Vasorme Yistimon

Orgasteron Parenabol Pardroyd Perraastril Plurlvlron Prlmoboland Depot Protabol Protona Quinbolon "Vlsmara" Roxilon Stanaprol Stenobolone Sterocrlnolo Srombaject Synandrets Test-Anabol Testin Testopen Testostelets Testosteron Supposltorien Ferring

Oxitosona Pasuma Dragees Perandren Llnguettes Pesomax Prlmobolan Prlmodlan Depot Protandren Provlron Regino1 Seksfort Stenandlol Steranabol Strabolene Superanabolon Synandrotabs Testifortan Testlpron Testoral Testosteron Depot Thi Testoviron

Testoviron-Depot-250

Testosteron Llngvalet

Testred Troformone Tur1nabo1-Depo t Ultandren Vebonol Wlnstrol

Therenabol Tub 11 Tur1naboi Vanabol Vlracton-Plus Zenalosyn

ZAGADNIENIA POMOCNICZE DO TEMATU: HORMONY 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15.

Definicja, podział hormonów. Mechanizm działania hormonów. Cyklaza adenylowa i cAMP w działaniu hormonów. Hormony przysadki, podział. Hormony przedniego płata przysadki. Hormony tylnego płata przysadki. Sprzężenie zwrotne w działaniu hormonów. Liberynu i statyny. Oksytocyna, wazopresyna. ACTH, FSH, LH, PRL, TSH, GH. Hormony trzustki. Hormony płciowe. Hormony tarczycy. Hormony kory nadnerczy. Hormony tkankowe.

16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25.

Hormonalna regulacja ciśnienia krwi. Prostaglandyna, prostacykliny, tromboksany, leukotrieny. Hormony przewodu pokarmowego. Hormony w wysiłku fizycznym. Katecholaminy w różnych rodzajach wysiłku fizycznego. Insulina i glukagon w wysiłku fizycznym. Zmiany stężenia hormonów w wysiłku fizycznym. Metody oznaczania hormonów. Testy ELISA i RIA. Wpływ hormonów na przemianę cukrową 1 tłuszczową.

PIŚMIENNICTWO Angielski S. , Rogulski J. (1982) Zarys biochemii analityki. PZWL, Warszawa.

klinicznej i

Donike M. , Kai ser Ch.M. (1984) Dopingkontrollen. fur Sportwissenschaft, Koln.

Bundesinstitut

Kozłowski S. Warszawa.

(1986) Granice

przystosowania.

Kwiatkowska-Korczak J. (1984) Podstawy regulacji w ustroju. AM, Wrocław.

Wiedza

biochemii,

Powszechna,

9,

Mechanizm

Markowska L. , Romanowicz G. , Mickiewicz G. , Sikorski W. , Rzepikiewicz M., Pawelec W. (1985) Zmiany adaptacyjne w układzie wspólczulno-nadnerczowym pod wpływem treningu. W: A. Wit (red.), Intensyfikacja i optymalizacja procesu treningowego w sporcie. Prace i Materiały Instytutu Sportu, 2, Warszawa, 118-133. Monkiewicz M., Halawa B . , Sobiech K.A. (1989) Wpływ biegu maratońskiego na stężenie wybranych hormonów w surowicy krwi u osób zdrowych i niepełnosprawnych. Polski Tygodnik Lekarski, 44. 957-959. Nason A., Dehaan R.L. (1981) Świat biologii. PWRiL, Warszawa. Orłowski T. (1983) Choroby nerek. PZWL, Warszawa. Rogoziński A., Rusin Z. Medycyna Sportu, 5-6.

(1987) Doping sportowy bez niedomówień.

Stryer L. (1986) Biochemia. PWN, Warszawa,

Szukalski B. (1971) Zarys metabolizmu hormonów sterydowych. PWN, Warszawa. Tljssen P.P. (1985) Practice and Theory of Enzyme Elsevier, Amsterdam.

Immunossays.

Wiśniewska A., Lerczak K., Markowska L. , Pośniak J. , Pawelec W., Rybakowska S. , Furdal S. (1985) Biochemiczne wskaźniki restytucji powysiłkowej kajakarzy. W: I. Łukaszewska (red.), Wybrane zagadnienia. Wood W.G., Sokołowski G. (1981) Radioimmunoassay Practice. Schometztor-Verlag, Konstanz.

in Theory and

SPIS TREŚCI CZEŚĆ III. HORMONY

123

1. Charakterystyka ogólna , 2. Mechanizm działania hormonów 2.1. Hormony działające na błonowe receptory komórkowe 2.2. Hormony działające na receptory cytoplazmatyczne 3. Hormony przysadki mózgowej 3.1. Hormony przedniego płata przysadki 3.1.1. Adrenokortykotropina, kortykotropina (ACTH) .. 3.1.2. Melanotropina (MSH) 3.1.3. Hormony gonadotropowe 3.1.3.1. Folitropina (FSH) 3.1.3.2. Lutropina (LH) 3.1.3.3. Gonadotropina komórkowa (hCG) 3.1.4. Tyreotropina (TSH) 3.1.5. Prolaktyna (laktotropina, PRL) 3.1.6. Somatotropina (hormon wzrostu, STH, GH) 3.2. Hormony tylnego płata przysadki 3.2.1. Wazopresyna 3.2.2. Oksytocyna (ocytocyna) 4. Hormony tarczycy 5. Hormony przytarczyc 6. Melatonina 7. Hormony trzustki 7.1. Insulina 7.2. Glukagon 7.3. Somatostatyna 7.4. Polipeptyd trzustkowy 8. Hormony gruczołów nadnerczowych • 8.1. Hormony rdzenia nadnerczy 8.2. Hormony kory nadnerczy 9. Układ renina-angiotensyna-aldosteron 10. Hormony płciowe 10.1. Żeńskie hormony płciowe 10.2. Męskie hormony płciowe. Androgeny 11. Hormony tkankowe 11.1. Hormony przewodu pokarmowego 11.2. Hormony układu krążenia . 12. Prostaglandyny 13. Metody oznaczania hormonów 14. Hormony a wysiłek fizyczny 15. Sterydy należące do grupy substancji dopingujących ....

125 126 127 128 131 132 132 133 133 133 133 135 137 137 138 138 139 139 139 141 143 144 145 148 148 148 149 149 152 154 154 156 157 158 158 158 158 164 166 172

TEMATU:

176

ZAGADNIENIA POMOCNICZE DO PIŚMIENNICTWO

HORMONY

177

C Z E Ś Ć

IV

PRZEMIANA LIPIDÓW

P R Z E M I A N A

1.

L I P I D Ó W

Budowa i właściwości chemiczne lipidów

Lipidy, nazywane też tłuszczowcami, tworzą bardzo zróżnicowana chemicznie grupę związków - w większości nierozpuszczalna w wodzie, rozpuszczalna zaś w rozpuszczalnikach organicznych. Występują różne podziały tej grupy związków. Ze względu na budowę chemiczna wyróżnia sie tłuszczowce (lipidy) proste i złożone. Tłuszczowce proste dzieli sie na tłuszczowce właściwe i woski. W tłuszczowcach właściwych estrowo związanych z kwasami tłuszczowymi znajduje sie glicerol, w woskach zaś jednowodorotlenowe alkohole o długich łańcuchach węglowych. Główną grupę tłuszczów właściwych stanowią triglicerydy (trójglicerydy) TG, czyli estry kwasów tłuszczowych i glicerolu, w którym wszystkie trzy grupy hydroksylowe są zestryfikowane. Oprócz trójglicerydów mogą występować diglicerydy (DG) i monoglicerydy (MG). Do tłuszczów złożonych zalicza sie fosfolipidy, glikolipidy i sulfatydy. Tłuszcze proste stanowią materiał zapasowy organizmu zlokalizowany w tkance tłuszczowej, natomiast tłuszcze złożone są składnikami błon komórkowych, które warunkują ich sprawne działanie. Wzory najważniejszych lipidów przedstawiono na rys. 1. 1.1.

Kwasy tłuszczowe

Produktami rozkładu glicerydów są alifatyczne kwasy organiczne, jednokarboksylowe, mające ponad 6 atomów węgla w łańcuchu. Wyróżniamy kwasy nasycone oraz nienasycone, a liczba wiązań podwójnych może wynosić od jednego do czterech. Najważniejsze kwasy tłuszczowe zostały przedstawione w tab. 1. Kwasy tłuszczowe występują w formie wolnej (wolne kwasy tłuszczowe - WKT) oraz w większości w formie związanej chemicznie. 1.2.

Lipoproteiny

Połączenia białek z lipidami noszą nazwę lipoprotein. Ze względu na różnice w rodzaju białek, zawartości i składu lipidów oraz właściwości fizykochemicznych, takich jak masa cząsteczkowa, gęstość i ruchliwość elektroforetyczna, dzieli sie je na klasy (tab. 2 ) .

T a b e l a

1.

Niektóre naturalne kwasy tłuszczowe

Kwasy nasycone laurynowy mirystynowy palmitynowy stearynowy arachidowy

Kwasy nienasycone 12 :0 14::0 16;:0 18::0 20;:0

olejowy 1inolowy linolenowy arachidonowy

18: 1 18:2 18:3 20:4

W tabeli podano potoczne nazwy kwasów; pierwsza liczba odnosi sie do liczby atomów węgla, druga do liczby wiązań podwójnych. 1.2.1.

Chylomikrony

(CHM)

Do tej klasy należą lipoproteiny transportujące lipidy egzogenne pochodzące z pokarmu. Głównym ich składnikiem są triglicerydy (90 %] i tylko 2 % białka. Ze względu na dużą mase cząsteczkową nie wędrują podczas elektroforezy. W przypadku ich dużej zawartości osocze ma wygląd mleczny. 1.2.2.

Lipoproteiny o bardzo małej gęstości density 1ipoproteins)

(VLDL - very Iow

Białka te transportują pochodzące z wątroby lipidy endogenne. Stężenie ich w surowicy zależy od diety. Zawierają 10 V* białka, 50-60 */. triglicerydów i 15-20 % fosfolipidów. 1.2.3.

Lipoproteiny o 1ipoprote ines)

małej

gęstości

(LDL

-

iow

density

Jest to główna frakcja transportująca cholesterol, zawierająca mało triglicerydów i dużo fosfolipidów (60 '/.) i 20 % białek. Powstają w wyniku przemian VLDL. Uważana jest powszechnie za frakcje zwiększającą zagrożenie miażdżycą. 1.2.4.

Lipoproteiny o 1ipoproteins)

dużej

gęstości

(HTJL

high

density

Frakcja ta zawiera największą procentowa zawartość białek (50 *A) oraz posiada najniższą mase cząsteczkową. W jej skład wchodzi zaledwie 3-8 M triglicerydów. W strukturze 1ipoprotein wyróżnia sie całą game białek zwanych apolipoproteinaml.

Tabela

2.

Klasyfikacja lipoprotein osocza

VLDL

LDL

HDL

1.019 - 1,063

1.063 - 1.210

3 0 - 100

20 • 25

10

glicerydy 6 0 *

cholesterol 6 0 %

fosfolipidy 4 0 %

fosfolipidy 1 5 %

fosfolipidy 3 0 %

cholesterol 4 0 %

10

25

50

50x10*

2,1-2.6

0,2

jelito

jelito, wątrób*

wątroba

jelito, wątroba

Ruchliwość w

w miejscu nałożenia

prebeta

beta

alfa

elektroforezie

( n i e włjdniją)

Lipoproieina J

Gęstość ( j / c m ) Średnica (om) Główny, składnik (% l i p i d ó w )

Chyl omikrony 0,45

0,95 -

100 - 5 0 0 glicerydy 9 0 %

1.006

cholesterol 2 0 % Białko (%) Masa cząsteczkowa

2

lOMo

4

x 10* D a Miejsce powstania

H —

i i

c- o- c i H - c - OH —

H

C-OH i

-

H

C-OH

-

l

H -

H

H 1

0 u II

H

H |

H

-

c-

- o -

i i

i l

H -

H

- o -

C 11

1

C -OH

tI C

H -

C-Ri

H

OH

- c

-

OH

J

H

H glicerol

H I

H — C -

(monoocylogliceryd)

(dmcyloglicerydl

O II O—C 5

C - O - f/ -

H -

monogliceryd

digliceryd

Ri

H -

C

- 0-C

-

CH2 -

Rj

H -

C

- 0-C

-

CHi

CHj CH, -

H — C — O

C - O - C -

H

-

Ri

i

1 H -

Ri

CH* -

—

P-OH

I

Ri

OH

H

* kwas

fosfatydowy

ł n gliceryd (tnacylogliceryd)

kwas

fosfatydowy

—

H

H

I

I

0-C

C

3

© /

-C-N

A

H

-CH

fosfatydyloetonoloamina ( k e f a l m a )

fosfatydylochalma (lecytyna]

H *l

kwas

fosfatydowy

kwas fosfatydowy 3

\ m

H

H H I I -O-C-C-NHi I I H H

V

H i

I t H NHi

°.

C-0-

1— o - c - c - c

(

T

OH

H

C - C H a

?

V

R H

C H j

®/

C - O — P-O-C - C - N I I I H OH H H 1

fosfatydyloseryna

CH

3

V , i

Hn

i

lizclecytyna kwas

fosfatydowy

fosfatydyloinozytol

wzór glicerolu umieszczono ze względu na prekursorowy c h a r a k t e r dla lipidów Rys.

1.

Wzory najważniejszych

lipidów

Poniżej zestawiono rodzaje tych białek występujących w poszczególnych lipoproteinach: CHM: apo B, C I, C II, C III VLDL: apo B, C I, C II, C III, E LDL: apo B HDL: apo A I, A II, C I. C II, C III. Jak wynika z zestawienia, tylko w LDL występuje białko homogenne, w innych stwierdzamy obecność wielu dodatkowych pollpeptydów. Białka A,B,C,D i E sa syntezowane w hepatocytach. Ponadto w śluzówce jelit, gdzie powstają chylomikrony i częściowo VLDL, syntezowane Jest białko B i polipeptydy C i E. Białko A, czyli apo-alfa występujące tylko w HDL jest heterogenne, dlatego wyróżniamy w osoczu podklasy HDL^ i H T ^ . 1.2.5.

Metabolizm lipoprotein

Powstające w Jelicie bogate w triglicerydy chylomikrony dostają sie do chłonki, a z niej do "krwi. Pod wpływem lipazy lipoprotelnowej triglicerydy tej frakcji są przekazywane do tkanki tłuszczowej, zaś tzw. chylomikrony resztkowe, zawierające fosfolipidy i cholesterol, do wątroby. VLDL ulegają przekształceniu w LDL, przy czym triglicerydy tej frakcji odkładają sie w tkance tłuszczowej, cholesterol i fosfolipidy zaś odprowadzane są do wątroby oraz do tkanek obwodowych (rys. 2 ) .

LDL

TG

cholesterol . . + lizolecytyna, zestryfikowany

która Jest źródłem estrów cholesterolu we krwi. Produktem tej reakcji przedstawionej w bardzo uproszczonym zapisie ( w rzeczywistości przebiegającej w kilku etapach), zachodzącej w obrębie cząsteczek HDL, są lipoproteiny wzbogacone o estry cholesterolu i uboższe o cząsteczkę lecytyny i wolnego cholesterolu. 1.2.6.

Lipoproteiny a wysiłek fizyczny

Zdaniem wielu autorów wysoki poziom we krwi cholesterolu i llpoproteldów o bardzo niskiej gęstości (VLDL, LDL) traktowany Jest Jako czynnik zagrożenia choroba wieńcową. Wysiłek fizyczny ma istotny wpływ na gospodarkę tłuszczowa organizmu. Wysiłek o sporej intensywności i dłużej trwający powoduje obniżenie stężenia we krwi frakcji tych llpoproteldów. Można przypuszczać, że z triglicerydów stanowiących skład tych białek uwalniane są w kurczących sie mięśniach i zużywane jako materiał energetyczny wolne kwasy tłuszczowe (WKT). Ostatnio pojawiają sie doniesienia wskazujące na to, że nasilonej aktywności ruchowej towarzyszy wzrost stężenia we krwi frakcji HDL. W tej frakcji białek transportowany jest cholesterol z. różnych miejsc syntezy, zwłaszcza ze ścian naczyń krwionośnych do wątroby (rys. 1.), w której ulega ostatecznej degradacji. Badając 200 wysoko wytrenowanych narciarzy skandynawskich i ludzi prowadzących siedzący tryb życia wykazano, że wytrenowani narciarze mieli znacznie wyższy poziom lipoproteidów o dużej gęstości (HDL) niż ich nieaktywni ruchowo rówieśnicy. Interesujący Jest fakt stwierdzenia wśród "wytrenowanych'.' najwyższych wartości stężenia HDL u sportowców, którzy osiągneli najlepsze wyniki. Osobnicy ci charakteryzowali sie najwyższą wydolnością fizyczną. Także u innej grupy badanych stwierdzono wzrost stężenia HDL pod wpływem kilkumiesiecznych zajęć ruchowych, prowadzonych 2-3 razy tygodniowo (Kozłowski, 1986). W tab. 3 przedstawiono dane dotyczące wydolności fizycznej i stężenia cholesterolu we krwi. U osób o bardzo wysokiej wydolności

stwierdzono niższy poziom poziom cholesterolu niż w grupie o niskiej i bardzo niskiej wydolności fizycznej. Poglądy na temat wpływu wysiłku fizycznego lub treningu na poziom cholesterolu we krwi, sa jednak kontrowersyjne. Należy sadzić, że skojarzony z odpowiednia dieta długotrwały intensywny trening może powodować obniżenie cholesterolu we krwi, zwiększenie zawartości tego związku we frakcji HDL 1 zmniejszenie we frakcji L D L . 1.3.

Tłuszczowce w żywieniu sportowców

Obok weg1owodanów d rug i m źródłem energ ii dla organ i zmu, choć mniej ekonomicznym, sa tłuszcze. Pożywienie sportowców nie może zawierać zbyt dużo tłuszczów, zwłaszcza że znany jest fakt obniżenia ogólnej wydolności fizycznej organizmu na skutek spożywania posiłków bogatych w tłuszcze. Polskie i europejskie normy dla sportowców przewidują dzienne racje tłuszczów w ilości 1,5 - 2,4 g/kg masy ciała, lecz amerykański żywieniowiec Haas zaleca jedynie 0,5 -1,5 g/kg m.c. T a b e l a

3.

Wydolność fizyczna a stężenie cholesterolu krwi (Kozłowski, .1986)

Wydolność fizyczna (n-liczba przypadków)

we

Stężenie cholesterolu we krwi w spoczynku na czczo (wartości średnie -odchylenie standardowe) (mg/lOOml) (mmol/1) +

bardzo niska

237,1*

6,13

n = 294

-44,9

±1,16

niska

238,5*

6,16

n = 530

-44,4

±1,15

średnia

228,8

5,91

n = 767

±41.5

±1,07

wysoka

220,9

5.76

n = 670

±39,2

±1,01

bardzo wysoka

217,3

5.61

n = 253

±34,2

±0,88

wartości Istotnie wyższe niż u ludzi o bardzo wysokiej wydolności

Według wskazań FAO i WHO 1/3 spożytych tłuszczów powinny stanowić niezbędne nienasycone kwasy tłuszczowe (NNKT) pochodzenia roślinnego. Największe zapotrzebowanie na te kwasy występuje w tych dyscyplinach, które wymagają długotrwałego wysiłku. NNKT, a szczególnie kwas linolenowy, odgrywają waZna role w utrzymaniu właściwej struktury błon komórkowych, w metabolizmie i transporcie cholesterolu obniżając jego stężenie we krwi. Stosunek kwasów tłuszczowych wielonienasyconych, jednonienasyconych i nasyconych w pożywieniu powinien wynosić jak 1 : 1 : 1 . Należy podkreślić, że sportowcy spożywają za dużo tłuszczów i białek, a za mało węglowodanów, co wpływa na obniżenie efektywności pracy. Prowadzić to może do wzrostu stężenia ciał ketonowych we krwi pogłębiając kwasice powysiłkowa. 2.

Lipoliza

Proces enzymatycznej hydrolizy tłuszczów nosi nazwę lipolizy. Katalizuje ja lipaza wewnątrzkomórkowa, zależna od hormonów, która przechodzi w formę aktywna pod wpływem cyklicznego AMP (cAMP). Proces aktywacji lipazy przypomina aktywacje fosforylazy glikogenowej, która katalizuje fosforołize glikogenu. cAMP jest aktywatorem kinazy białkowej, która katalizuje fosforylacje lipazy i jej przejście w formę aktywna. Proces lipolizy regulują hormony; stymulują ja adrenalina (epinefryna), glukagon, ACTH zaś hamuje insulina i prawdopodobnie prostaglandyny. 3.

Aktywacja kwasów tłuszczowych i ich rozkład

Rozkład kwasów tłuszczowych jest procesem tlenowym i przebiega w mitochondriach. Poprzedza je aktywacja, pierwszy etap przemiany kwasów tłuszczowych, która zachodzi w cytoplazmie. Polega ona na połączeniu reszty acylowej*kwasu tłuszczowego z koenzymem A. H H I ! /° R-C-C-C I I H H

H H I I /. > R-C-C-C^ + AMP + PP II H H SCoA 0

+ ATP + HS - CoA

Reakcja ta zachodząca w dwóch etapach, jest katalizowana przez enzymy z grupy tiokinaz syntetaza acylo-CoA, zlokalizowane na zewnętrznej stronie błony mitochondrialnej. Wewnętrzna błona mitochondrialna jest nieprzepuszczalna dla reszt acylowych wolnych, jak i połączonych z koenzymem A. Aby pokonać te przeszkodę, istnieje specyficzny układ enzymatyczny (acylotransferaza karnitynowa), który za pomocą karnityny transportuje reszty acylowe do wnętrza mitochondriów. Poniżej

kortyzol

glukagon ^ ACTH,LH,TSH

^-"^

STH

tyroksyna

©

cyklaza adenylowa ! nieaktywna!

cyklaza adenylowa Iaktywna

ATP

c AMP

PP

kinaza białkowa ATP

ADP

lipaza aktywnr

lipaza nieaktywna

tosfataza ©.

©

insulina aktywacja indukcja

TG

kwasy Huszcz y^WKT)

\ glicerol

Rys. 3.

Hormonalna regulacja aktywności lipazy triglicerydów w procesie lipolizy tłuszczowców

acylowych błonę przedstawiono transport reszt przez mitochondrialna. W tab. 4 przedstawiono wpływ wysiłku fizycznego i karnityny na stężenie wolnej karnityny i acetylokarnityny w surowrfcy maratończyków. W grupie kontrolnej, która nie spożywała karnityny, obserwowano po wysiłku spadek stężenia w surowicy karnityny, natomiast u maratończyków, którzy otrzymali w diecie karnityne, nie stwierdzono zmi an tego związku. Porównując stężenie acetylokarnityny w obu badanych grupach wykazano, że obecność w diecie karnityny powoduje wzrost acetylokarnityny w surowicy dwukrotnie większy niż u osób, które były pozbawione tego

cytoplazma

matrix mltochondrlum

błona

R - C -CoA

r l 0

© CH.

1

H

3

H - C - H

0 II H - C - O - C - R

+

- N - CH 3 l H - C - H 1 H -C-OH 1

CH,

C

3

I

0 3

> karnityna

H - C - H I O *

0 karnityna

N

OH

acylo-CoA ( R - C - CoA) II 0

acy lokami tyna

związku. Można zatem stwierdzić, że podawanie karnityny w diecie jest korzystne, gdyż powoduje stałe utrzymywanie sie stężenia tego związku oraz dodatni wpływ na transport grup acylowych przez błonę mitochondrialna. T a b e l a

Grupa

karnityną (nmol/1) acetylokarnityna (nmol/1)

4.

Wpływ wysiłku fizycznego i podawania karnityny na stężenie wolnej karnityny i acetylokarnityny w surowicy maratończyków

I - kontrolna przed po biegiem biegu 35,4 -

II - dieta z karnityną przed po biegiem biegu

2,9

22,5 ± 2 . 8

33,1 ± 7,9

2,4 - 1,6

9,3 ± 5,1

3,0 - 1.5

35,0 - 12,6 20,9 -

8.4

*

4g karnityny dziennie Rozkład kwasów tłuszczowych, beta-oksydacja, odbywa sie przez skracanie łańcucha węglowego o kolejne reszty dwuweglowe od strony grupy karboksylowej: - utlenienie - dehydrogenaza acylo-CoA, - uwodnienie - hydrataza enollo-CoA, - utlenienie - dehydrogenaza 3-hydroksyacylo-CoA, - tioliza - acylotransferaza acetylokoenzymu A. W pierwszej reakcji acylo-CoA zostaje utleniony przez

dehydrogenazę acylo-CoA zawierający FAD, a produktem jest enoilo-CoA występujący jedynie w konfiguracji trans. W kolejnej reakcji produkt ten jest przekształcony w 3-hydroksy-acylo-CoA przy udziale hydratazy enoilo-CoA. W następnym etapie tego procesu powstały produkt jest utleniany pod wpływem dehydrogenazy 3-hydroksy-acylo-CoA w 3-ketoacylo-CoA. W ostatniej reakcji katalizowanej przez tioketolaze (tiolaza 3-ketoacylo-CoA) następuje tioliza, w wyniku której odszczepieniu ulega acetylo-CoA oraz powstaje acylo-CoA, uboższy o resztę dwuweglowa. B i l a n s

e n e r g e t y c z n y

bet

a-o

k s y d a c j ł

W procesie odszczepienia acetylo-CoA zachodzą dwie reakcje utlenienia, w których biorą udział FAD i NAD (powstaje w sprzężeniu z tlenową fosforylacja odpowiednio 2 1 3 cząsteczki ATP). Acety lo-CoA spalając sie w cyklu- Krebsa dostarcza 12 cząsteczek, zaś straty na aktywacje kwasu tłuszczowego wynoszą 1 cząsteczkę. * (

H H 0 I I II R_C_C_C_CoA I I H H (3) (a> (i) 8 a

H 0 I II +

FAD R-C=C-C-S-CoA

enoilo-CoA HO H 0 I I II R-C-C-C-S-CoA II H H 3-hydroksyacylo-CoA

+ HO 2

HO H 0 I I II + R_C_C_C_S-CoA + NAD I I H H 3-hydroksyacy1o-CoA OHO II I II R-C-C-C-S-CoA + HS - CoA I H

OHO II I II R-C-C-C-S-CoA

+ NADH + H

i

H 3-ketoacylo-CoA

®

3-ketoacylo-CoA

Rys. 4.

FAD

H

acylo-CoA H 0 I II R-C=C-C-S~CoA I H enoilo-CoA

+

Przebieg beta-oksydacji

> R_C_S-CoA

acylo-CoA skrócony o 2 atomy węgla

+

FijC-C-S-CoA acetylo-CoA

Bilans spalania kwasu palmitynowego, jednej z najważniejszych biomolekuł przedstawia sie następująco: aktywacja przez HS-CoA

= - 1 ATP

palmltylo-CoA

> 8 acetylo-CoA (7CZ.FAD, 7cz.NAD) - 7x2 + 7x3

8 acetylo-CoA

> 16 C 0

2

+ 16 H 0 2

8x12

=

35 ATP

=

96 ATP 130 ATP

4.

Synteza kwasów tłuszczowych

Proces ten zachodzi w cytoplazmie i przebiega odmiennie niż rozkład kwasów tłuszczowych. Donorem reszt dwuweglowych w syntezie kwasów tłuszczowych jest malonylo-CoA, który powstaje w reakcji karboksylacji w obecności swoistej karboksylazy, której koenzymem jest biotyna. 0 II H C-C-S-CoA + C 0 3

H 0 I II

ATP Mn

2 +

Mg

2 +

HOOC-C-C-S-CoA I

2

malonylo-CoA acetylo-CoA Reakcje te poprzedza transport acetylo-CoA z mitochondrium do cytoplazmy. W procesie tym reszta acetylowa sprzęga sie ze szczawiooctanem pod wpływem syntetazy cytrynianowej, a produkt tej reakcji - cytrynian - jest przenoszony przez translokaze kwasów trójkarboksylowych. W cytoplazmie cytrynian ulega rozkładowi przez liaze cytrynianowa: COOH I H-C-H I HO-C-COOH + ATP + CoA I H-C-H I COOH kwas cytrynowy

COOH I

1iaza

0 c=o " t > H_C-C-S-CoA + H-C-H 3

I

COOH acetylo-CoA

kwas szczawiooctowy

Biosyntezę kwasów tłuszczowych katalizuje kompleks siedmiu enzymów - synteza kwasów tłuszczowych, w skład którego wchodzi specyficzne białko przenoszące reszty acylowe ACP {acyl carrier protein). W procesie tym możemy wyróżnić następujące etapy: - synteza malonylo-CoA, - kondensacja acetoacetylo-ACP w wyniku reakcji acetylo-CoA z malonylo-CoA z uwolnieniem C0^ odbywająca sie przy udziale ACP,

- redukcja acetoacetylo-ACP pod wpływem reduktazy ketoacylo-ACP z utworzeniem hydroksybutyrylo-ACP, - odwodnienie i powstanie nienasyconego kwasu krotonowego pod wpływem dehydrogenazy - hydroksyacylo-ACP, - druga reakcja redukcji krotonylo-ACP do butyrylo-ACP i przeniesienie reszty butyrylowej na -SH grupę enzymu kondensujacego. Powstająca nasycona reszta 4-weglowa jest dalej wydłużana aż reszta acylowa osiągnie długość 12-16 atomów węgla. Sumarycznie reakcje można przedstawić: acetylo-CoA + 7 malonylo-CoA + 7 ATP + 14 NADPH

> kwas

palmitynowy + 8 CoA + 7 CO^ + 14 NADP + 7 ADP. 5.

Acetylo-CoA i jego kluczowa rola w powiązaniu przemian

Acetylo-CoA potrzebny do syntezy kwasów tłuszczowych może pochodzić z różnych przemian: ^ - rozpadu kwasów tłuszczowych, - utleniania kwasu plrogronowego, produktu glikolizy, - przemian niektórych aminokwasów (leucyna, izoleucyna), - rozkładu cytrynianu w cytoplazmie, który poprzednio powstaje w mitochondriach w cyklu Krebsa. 6.

Synteza triglicerydów

W tkance tłuszczowej brak jest kinazy glicerolowej. Jedynym źródłem G-3-P jest w tkance tłuszczowej P-dihydroksyaceton, powstający w glikolizie. Dlatego synteza triglicerydów uzależniona jest od dopływu glukozy, co stymulowane jest przez insulinę. Proces ten odbywa sie w redikulum endoplazmatycznym w tkance tłuszczowej i w wątrobie. Materiałem wyjściowym jest glicero-3-fosforan, który powstaje w reakcji: glicerol + ATP > glicero-3-fosforan + ATP, którą katalizuje kinaza glicerolowa. Glicero-3-fosforan (G-3-P) ulega acylacji pod wpływem transferazy acylowej. H I

H-C-OH I

I

H-C-OH

+ 2 acylo-CoA ->

H-C-O-P I H G-3-P

H-C-O-C^- R

H-C-O-P ° H kwas fosfatydowy

+

2HS-CoA

Kwasy fosfatydowe sa prekursorem triglicerydów i fosfoglicerydów. W dalszych etapach syntezy następuje usuniecie reszty fosforanowej przez fosfatazę i przeniesienie kolejnej reszty acylowej na węgiel 3. W jelicie synteza triglicerydów przebiega głównie z monoglicerydów wchłanianych z pokarmem: monogliceryd + 2 acylo-CoA

> trigliceryd + 2 HS-CoA

Triglicerydy moga powstawać tez w wyniku dołączenia kwasów tłuszczowych do diglicerydów (diacylogliceroli). 7.

Przemiana lipidów złożonych

Lipidy złożone, jak wcześniej podano, dzieli fosfolipidy i glikolipidy. Do pierwszej grupy należą: - fosfoglicerydy, fosfoinozytydy, sfingomieliny, do drugiej: - galaktolipidy, gangliozydy, glikolipidy siarczanowe. 7.1.

reszt

sie

na

Fosfoglicerydy ( fosfolipidy glicerolowe)

Są one pochodnymi kwasów fosfatydowych, które powstają po estryfikacji glicero-3-fosf oranu kwasami tłuszczowymi. Glicerol może łączyć sie jedną lub dwiema resztami kwasu fosfatydowego tworząc fosfatydyloglicerol lub difosfatydyglicerol. Do fosfoglikwas fosfatydowy^

G-3-P + 2 acylo-CoA

dlgliceryd

ADP P-cholina CTP PP CDP-cholina

K

etanoloamina ATP ADP P-etanoloamina CTP PP CDP-etanoloamina

1C

^CTP PP CDP-digloceryd fosfatydylo'glicerol CMP

kardiolipina fosfatydylocholina (lecytyna) fosfatydyloetanoloamina seryna

fosfatydyloseryna etanoloamina

cerydów zalicza się też pochodne kwasów fosfatydowych, w których reszta ortofosforanowa jest połączona ze związkami azotowymi, takimi jak: - seryna wchodząca w skład fosfatydyloseryny, - etanolamina występująca w fosfatydyloetanolamlnie, - cholina obecna w fosfatydylochollnie. Wzory tych substancji zestawiono na rys. 1.

H

>

H-C -

0

1

H 1 " f o s f o l i p a z a At( 2-f osfolipaza

0

C-Rz

-

P -.0-C- C - N - C H

d° ' V''

zwana feżB)

A2 [ z w a n a też

Ri

fi

H-C-0

1

II C -

-

1

H-C-

0

ł

A)

H ń

3-fosfolipaza

C

4-fosfolipaza

D

CH

W o r g a n i z m a c h zwierzęcych występują tylko dwie p i e r w s z e fosfolipazy odszczepiające kwasy tłuszczowe Rys. 5 .

Miejsca hydrolitycznego cząsteczkę lecytyny

działania

fosfollpaz

na

Rozkład fosfolipidów odbywa się enzymatycznie za pomocą fosfollpaz. W organizmach zwierzęcych występują tylko dwie pierwsze fosfolipazy odszczepiające kwasy tłuszczowe. Jak wynika z ;rys> 5 fosfolipazy, zwane dawniej lecytynazami, hydrolizują swoiście określone wiązania. Fosfolipaza A^ (B) hydrolizuje resztę acylową w pozycji

, zaś

CA) w pozycji C^. Schemat syntezy

fosfoglicerydów przedstawiono na stronie 196. 7.2.

Fosfatydyloinozytole

Fosfatydyloinozytole frys. 1 ) powstają w reakcji -gliceroll z inozytolem zgodnie z odwracalną reakcją:

CDP-acylo-

CDP-digliceryd 7.3.

+ inozytol

> fosfatydyloinozytol + CMP.

Sfingomieliny

Prekursorem sflngomielin jest drugi obok glicerolu alkohol, dokładniej dlhydroksylowy aminoalkohol-sfingozyna ^^2^12 H - C = C - H l ri — LI -— H N - C 'JJ _ £ _ I H

^3

Sfingozyna powstaje w reakcji:

nu

u

palmltylo-CoA + seryna + NADPH •> sfingozyna + NADP

Uri

2

H QJJ

Następnie acylotransferaza przenosi resztę acylowa na grupę aminową sfingozyny i powstaje ceramid.

sfingozyna acylotransferaza sfingozyna

+

acylo-CoA

> ceramid 5 CoA.

Powstający ceramid jest substratem do dalszych syntez fosfatydów sfingomielin i glikolipidów. Sfingomieliny powstają w wyniku reakcji ceramidu z CDP-choliną. Są ważnymi składnikami błon zlokalizowanych na ich powierzchni. CCH ) 2

H - C = C • H - Ci - OH • c - N - Ci II I 1 1 0 H H - c - 0 1

1 H

7.4. 7.4.1.

1 2

- CH

3

H

H H OH 1 1 | P - 0 - C - C i i 11 i 1 0 H H

Glikolipidy Galaktolipidy (cerebrozydy)

Biosynteza tych lipidów rozpoczyna sie od przyłączenia do sfingozyny reszty galaktozy z ADP-Gal. Z kolei powstała psychozyna łączy sie z acylo-CoA dając galaktolipid. Galaktocerebrozydy są głównym składnikiem cerebrozydów w mózgu.

Glc-1-P Gal

UDPGal

Gal-l-P ATP

ADP

UDP Gic

>figozyna

UDP psychózyna ^

acylo-CoA

^ H S - CoA galaktolipid (cerebrozyd)

7.4.2.

Gangiiozydy

Stanowią grupę glikolipidów o bardzo złożonej budowie. W skład tych lipidów wchodzą oprócz sfingozyny i kwasów tłuszczowych kwasy sjalowe i cukry. Stwierdzono występowanie glukozy, galaktozy i N-acetylogalaktozoamlny. Ze względu na różnorodność składowych grupa tych związków jest bogata i stanowi interesujący materiał badawczy. Wśród enzymów uczestniczących w rozkładzie gangliozydów najważniejszym jest neuraminidaza, która odszczepia reszty kwasów sJałowych. 7,4.3.

Glikolipidy siarczanowe

Do tej grupy substancji zaliczamy estry siarczanowe mondi- i trigalaktoceramidów. Rola tych związków nie jest do końca poznana. Twierdzi sie, że mogą one pełnić funkcje ochronne, bakteriostatyczne i bakteriobójcze. Warto odnotować, że genetyczne defekty enzymów hydrolizujących lipidy złożone prowadzą do licznych schorzeń, z których ważniejsze to: - choroba (lipid gromadzony defekt enzymu (lipidoza) w komórkach) - leukodystrofia metochromatyczna - choroba Gauchera - gangliozydoza

(siarczan galaktocerebrozydu) (glukocelebrozyd)

(gangiiozyd)

arylosulfataza

beta-glukozydaza

beta-galaktozydaza

8.

Biosynteza cholesterolu

Cholesterol jest jedynym sterydem syntetyzowanym de novo ze związków niesterydowych, będącym prekursorem wszystkich sterydów ustrojowych: hormonów kory nadnerczy, płciowych, kalcyferoli i kwasów żółciowych. Zaburzenia jego metabolizmu lub transportu powoduje arterloskleroze, zaburzenia krążenia (zawały serca, wylewy) i powstawanie kamieni żółciowych. Cholesterol powstaje w komórkach wątroby, jelit, nadnerczy, jąder i jajników. Materiałem wyjściowym do syntezy jest acylo-CoA stąd też połączenie syntezy cholesterolu z przemianami kwasów tłuszczowych, pirogronianu i niektórych aminokwasów. W biosyntezie cholesterolu można wyróżnić kilka etapów. W pierwszym, w wyniku kondensacji trzech reszt acetylowych powstaje hydroksy-metyloglutarylo-CoA (HMG-CoA), który następnie ulega redukcji do kwasu mewalonowego. Kwas mewalonowy ulega aktywacji kosztem dwóch cząsteczek ATP i przechodzi w formę aktywną pirofosforan kwasu mewalonowego, który po odłączeniu CO^ i H^O przekształca sie w pirofosforan izopentylu. Ten ostatni związek pod wpływem izomerazy przechodzi w pirofosforan dimetyloałlilu. HS-CoA

2tKBty!o-CoA

•

t

l

Q

'

Q

Z

Q

»

cuetoacetylo-CoA

' , HMG-CoA acetylo-CoA 2NADPH y

HS CoA 2NADP

kwas mewalonowy

CH

OH

3

CH

CO,

3

H0-C-CHC-H MTP_H0-r-CH CH -O-P P r

H-t-H H COOH k w a s mewalonowy

r

2

H-t-H COOH p i r o f o s f o r a n kwasu mewalonowego

C

t,

H

- C-CH,-CH 0-PP CH f

2

pirofosforan izopenłynylu

W kolejnym etapie syntezy zachodzi kondensacja aktywnych fragmentów zbudowanych z 5 atomów węgla i powstaje pirofosforan geranylu liczący 10 atomów węgła. Po przyłączeniu cząsteczki izopentynylu-PP tworzy sie pirofosf oran farnezylu 1 lezący 15 atomów węgla. Z dwóch cząsteczek pirofosforanu farnezylu powstaje najpierw pirofosforan preskwalenu, a w-końcu skwalen. W końcowych etapach syntezy cholestef-oTu ważną role odgrywa specyficzne białko transportujące SCP "[sąua^ene carrier protein), które pełni podobną funkcje ' jak ACP w syntezie kwasów

CH. I C-CH.-CH -O-P-P II CH pirofosforan Izopentylu 3

CH.

izomeraza

I

3

C=CH-CH„-0-P-P I

Ł

2

2

pirofosforan diametyloallilu

CH, CH_ ,3 | 3 C=CH-CH -CH -C=CH-CH -0-P-P | 2 2 2

CHI 3 C-CH -CH_-0-P-P || Ł Ł

™3 \ pirofosforan gerantylu

C H

o

o

o

o

. ^ PP

2 pirofosforan izopentynylu

CH. CH_ CH_ | 3 ,3 |3 CiiCH-CH--CH -C=CH-CH -CH^-C==ra-CH„-0-P-P | 2 2 2 2 2 CH 3 pirofosforan farnezylu 2 cz. farnezylu PP o

o

i

pirofosforan preskwalenu PP skwalen

i lanosterol tłuszczowych,przy udziale tego białka pozostającego w kompleksie ze skwalenem, następnie lanosterolem i w końcu cholesterolem. Synteza cholesterolu hamowana jest przez cholesterol pochodzący z diety, jak również przez głód i kwasy żółciowe. Stymulujący wpływ wywiera dieta bogata w tłuszcze i glukozę. Ponadto wyraźny wpływ na ten proces wykazuje glukagon i hydrokortyzon zaś aktywujący insulina, dezoksykortyzon, noradrenalina i jodotyronina. 9.

Kwasy żółciowe

Produkty degradacji cholesterolu wydalane sa do jelita. Sa to kwasy żółciowe pochodzące z wątroby (pierwotne) oraz powstające w jelicie (wtórne). Wśród kwasów żółciowych wyróżniamy kwasy: cholowy, chenodezoksycholowy, dezoksycholowy i litocholowy. Wystę­ pują one w postaci związanej jako połączenia z glicyna lub tauryna.

Biosynteza kwasów żółciowych przebiega w następujących etapach: - hydroksylacja cholesterolu-SCP w pozycji 7, - wysycenie podwójnego wiązania pomiędzy węglami 5 i 6, - zmiana konfiguracji trans pierścieni A i B na cis, - zmiana izomerii węgla z 3-beta na 3-alfa, - hydroksylacja w pozycjach 12, 22 lub 24, - skrócenie łańcucha przez oderwanie cząsteczki propionylo-CoA i wytworzenie grupy karboksylowej, - przyłączenie wiązaniem amidowym glicyny lub tauryny, dzięki czemu powstają kwasy glikocholowy lub taurocholowy. Wydalanie kwasów żółciowych jest najważniejszym szlakiem usuwania cholesterolu z organizmu. Zapobiega tworzeniu sie kamieni żółciowych i przeciwdziała jego nadmiernemu odkładaniu sie w tkankach. 10.

Metabolizm witamin grupy D (kalcyferoli)

Głównym źródłem witamin grupy D jest powstający w tkance podskórnej z cholesterolu - 7 dehydrocholesterol. Pod wpływem promieni ultrafioletowych substancja ta przekształca sie w cholekalcyferol, zwany też witamina D^. Podobnie przekształcany jest

ergosterol

w

ergokalcyferol

Cwi t.D^).

Witaminy

grupy

D

ulegają w organizmach ludzi i zwierząt przekształceniom w biologicznie aktywne formy. W wątrobie i nerkach następuje hydroksylacja, w wyniku której powstają związki odpowiedzialne za gospodarkę wapniową i fosforanową. Głównym związkiem z tej grupy Jest 1,25-dihydroksycholekalcyferol,-1,25(0H) D . Substancja ta 2

3

zaliczana jest także do hormonów nerkowych. Aktywność działającej w nerkach 1-hydroksylazy wzrasta przy niskim stężeniu fosforanów i wapnia, a także pod wpływem parathormonu. Powstały 1,25(OHJ^D^ jest związkiem najbardziej aktywnym

spośród

hydroksylowych

odróżnieniu

od

witamina

po dostaniu

D

24,25-(OH^JD^, sie

pochodnych

który do

krwi

jest ulega

witaminy nieaktywny. prawie

w Aktywna

całkowitemu

związaniu przez specyficzne białko nośnikowe. Ten hormon nerkowy wykazujący mechanizm działania podobny do steroidów pobudza syntezę białka wiążącego wapń [CaBP-calcium binding protein) oraz ATP-aze zależną od jonów wapnia. Jest jednym z czynników utrzymujących homeostazę wapnia i fosforanową człowieka. Pobudza wchłanianie wapnia i fosforanów z przewodu pokarmowego oraz wpływa na mineralizacje kości. Biosynteza 1,25[0H )D została przedstawiona na schemacie:

7-dehydrokalacyferol

1