SPIS TREŒCI Wstêp Podstawy bioenergetyki Uniwersalne zasady funkcjonowania szlaków metabolicznych Procesy metaboliczne dostarczaj¹ce energiê komórce

Transkrypt

1 5 SPIS TREŒCI Wstêp 9 Podstawy bioenergetyki 11 Termodynamika reakcji biochemicznych 11 Reakcje metaboliczne a przemiany chemiczne 13 Energia aktywacji i katalizatory 15 Rola katalizatorów w przemianach chemicznych 16 Enzymy 18 Enzymy a katalizatory nieorganiczne 18 Budowa enzymów 19 Izoenzymy 20 Kataliza enzymatyczna 20 Budowa i funkcja centrum aktywnego 20 Szybkoœæ reakcji enzymatycznej 23 Czynniki wp³ywaj¹ce na aktywnoœæ enzymów 23 Temperatura 23 Odczyn œrodowiska wartoœæ ph 24 Stê enie enzymu i substratu 25 Inhibicja enzymów 27 Klasyfikacja enzymów 28 Uniwersalne zasady funkcjonowania szlaków metabolicznych 35 Szlaki metaboliczne 35 Regu³y okreœlaj¹ce przebieg szlaków metabolicznych 36 Regulacja przebiegu szlaków metabolicznych 36 Przenoœniki energii, atomów wodoru i elektronów oraz grup acylowych 39 ATP jako uniwersalny przenoœnik energii 39 NAD +, NADP + najwa niejsze przenoœniki atomów wodoru i elektronów 41 Sk³ad i rola koenzymu A 42 Test 1. Bioenergetyka komórki. Enzymy. Uniwersalne zasady funkcjonowania szlaków metabolicznych 45 Procesy metaboliczne dostarczaj¹ce energiê komórce 53 Kierunki przemian metabolicznych 53 Rodzaje szlaków katabolicznych 53 Typy utleniania i rodzaje fosforylacji 55

2 6 Typy reakcji utleniania 55 Rodzaje fosforylacji 56 Glikoliza 59 Ogólna charakterystyka glikolizy 59 Etapy glikolizy 59 Drogi przekszta³cenia pirogronianu 61 Dekarboksylacja oksydacyjna pirogronianu 63 Cykl kwasu cytrynowego 63 Etapy cyklu kwasu cytrynowego 64 Znaczenie cyklu kwasu cytrynowego 66 Inne substraty utleniania biologicznego 66 Utlenianie kwasów t³uszczowych 66 Rozk³ad aminokwasów 69 añcuch oddechowy i fosforylacja oksydacyjna 71 Transport elektronów i tworzenie gradientu H + 71 Fosforylacja oksydacyjna 73 Bilans energetyczny oddychania tlenowego 75 Test 2. Procesy metaboliczne dostarczaj¹ce energiê komórce 81 Biosynteza substancji potrzebnych komórce 89 Synteza wêglowodanów 89 Glukoneogeneza 89 Cykl pentozofosforanowy 93 Biosynteza glikogenu 94 Synteza kwasów t³uszczowych 95 Etapy biosyntezy kwasów t³uszczowych 96 Synteza cholesterolu 97 Biosynteza aminokwasów 98 Aminokwasy egzogenne i endogenne 98 Transaminacja 99 Biosynteza nukleotydów 100 Test 3. Biosynteza substancji potrzebnych komórce 106 Usuwanie produktów odpadowych metabolizmu komórkowego 111 Usuwanie zbêdnych produktów przemian azotowych 111 Cykl mocznikowy 112 Kwas moczowy 113 Usuwanie substancji obcych o nietypowej strukturze 114 Usuwanie zbêdnych bia³ek 114

3 7 Profile metaboliczne wybranych tkanek i narz¹dów 119 Metabolizm komórek mózgu 119 Metabolizm komórek miêœniowych 120 Metabolizm komórek tkanki t³uszczowej 121 Metaboliczna aktywnoœæ w¹troby 122 Test 4. Usuwanie produktów odpadowych metabolizmu komórkowego. Profile metaboliczne wybranych tkanek i narz¹dów 128 Metabolizm komórek roœlinnych 133 Fotosynteza 133 Lokalizacja fotosyntezy w komórce 134 Barwniki uczestnicz¹ce w fotosyntezie 134 Widma absorpcyjne barwników 136 Fotosystem I i fotosystem II 138 Faza reakcji œwietlnych 140 Fosforylacja niecykliczna 140 Mechanizm syntezy ATP w chloroplastach 142 Fosforylacja cykliczna 143 Fotosynteza u bakterii 144 Reakcje wi¹zania dwutlenku wêgla 149 Etapy cyklu Calvina 150 Fotooddychanie 152 Roœliny korzystaj¹ce ze szlaku C Fotosynteza u roœlin pustynnych 155 Wi¹zanie i asymilacja azotu 159 Metabolity wtórne w komórkach roœlin 161 Test 5. Metabolizm komórek roœlinnych 165 Przekazywanie i odbiór sygna³ów w komórce 171 Rozpoznanie informacji 171 W³aœciwoœci cz¹steczek sygna³owych 171 Receptory komórkowe 172 Typy sygnalizacji komórkowej 172 Drogi przekazywania sygna³ów w komórce 173 Przekazywanie sygna³ów z pomoc¹ camp 174 Jony Ca 2+ jako wewn¹trzkomórkowe, drugorzêdowe przekaÿniki 176 Przekazywanie sygna³ów za poœrednictwem bia³ka Ras 177

4 8 Droga cz¹steczek sygna³owych rozpuszczalnych w warstwie lipidowej b³ony komórkowej 178 Sygnalizacja komórkowa w drodze zmiany potencja³ów b³onowych 179 Zjawisko ruchu w komórkach 187 Ruch wici (rzêski) bakteryjnej 187 Ruch wici i rzêsek komórek eukariotycznych 188 Molekularne pod³o e skurczu miêœnia 189 Budowa miêœnia 190 Miozyna i aktyna 191 Cykl skurcz relaksacja sarkomeru 192 Rola wapnia w skurczu miêœnia 195 Test 6. Przekazywanie i odbiór sygna³ów w komórce. Zjawisko ruchu w komórkach 199 Odpowiedzi z komentarzem 203 Podstawy bioenergetyki 203 Uniwersalne zasady funkcjonowania szlaków metabolicznych 209 Procesy metaboliczne dostarczaj¹ce energiê komórce 212 Biosynteza substancji potrzebnych komórce 221 Usuwanie produktów odpadowych metabolizmu komórkowego 226 Profile metaboliczne wybranych tkanek i narz¹dów 228 Metabolizm komórek roœlinnych 231 Przekazywanie i odbiór sygna³ów w komórce 245 Zjawisko ruchu w komórkach 250 Odowiedzi na pytania testowe 254 S³ownik wa niejszych terminów 257 Indeks 263

5 122 METABOLICZNA AKTYWNOŒÆ W TROBY W¹troba odgrywa kluczow¹ rolê w integracji metabolizmu. Wiêkszoœæ zwi¹zków absorbowanych przez przewód pokarmowy przechodzi przez w¹trobê, co umo liwia jej regulowanie stê enia wielu metabolitów we krwi. Regulacjastê eniaglukozywosoczukrwi stymulowane przez insulinê glukozoglikogen -6-fosforan glukoza zkrwi glukoza glikogen stymulowane przez glukagon glukozo- -6-fosforan glukoza uwalniana do krwi glukoza synteza kwasów t³uszczowych wykorzystanie jako materia³ energetyczny kwasy t³uszczowe do tkanki t³uszczowej (lipoproteiny) kwasy t³uszczowe wykorzystywane jako materia³ energetyczny kwasy t³uszczowe z tkanki t³uszczowej po posi³ku po ca³onocnym poœcie Rys. 59. Regulacja stê enia glukozy przez w¹trobê Stê enie glukozy we krwi utrzymuje siê na sta³ym poziomie (80 mg/100 ml 120 mg/100 ml) g³ównie dziêki trzem czynnikom: mobilizacji glikogenu i uwalniania glukozy przez w¹trobê; uwalnianiu kwasów t³uszczowych przez tkankê t³uszczow¹ (rys. 58.); wykorzystywaniu przez w¹trobê kwasów t³uszczowych jako substratu energetycznego zamiast glukozy. Regulacja metabolizmu t³uszczów Je eli w organizmie jest nadmiar substratów energetycznych, to kwasy t³uszczowe albo pochodz¹ce z pokarmu, albo syntetyzowane w w¹trobie ulegaj¹ estryfikacji i nastêpnie przechodz¹ do krwi w formie lipoprotein. Lipoproteiny osocza s¹ g³ównym Ÿród³em kwasów t³uszczowych wykorzystywanych przez tkankê t³uszczow¹ do syntezy t³uszczów obojêtnych (rys. 58.). W warunkach g³odu w¹troba przekszta³ca kwasy t³uszczowe w cia³a ketonowe (rys. 30. i rys. 31.).

6 123 Regulacja metabolizmu bia³ek Kr¹ ¹ce we krwi aminokwasy s¹ pobierane przez komórki zgodnie z ich zapotrzebowaniem i zu ywane g³ównie do syntezy bia³ek. Aminokwasy, które nie s¹ potrzebne aktualnie do syntezy bia³ek, ulegaj¹ rozk³adowi w komórkach w¹troby (rys. 60.). Aminokwasy, których rozk³ad prowadzi do powstania acetylo-coa, okreœla siê jako aminokwasy ketogenne, gdy powstaj¹ z nich zwi¹zki ketonowe. Aminokwasy ulegaj¹ce rozk³adowi do pirogronianu lub szczawiooctanu nazywane s¹ aminokwasami glukogennymi, gdy jest mo liwa synteza glukozy z tych aminokwasów (glukoneogeneza). Spoœród 20 podstawowych aminokwasów bia³kowych wy³¹cznie ketogenne s¹ leucyna i lizyna. Niektóre aminokwasy s¹ zarówno ketojak i glukogenne. aminokwasy nadmiar aminokwasów katabolizm deaminacja anabolizm bia³ka osocza krwi bia³ka strukturalne bia³ka funkcjonalne enzymy hemoglobina miozyna i aktyna aminokwasy endogenne transaminacja ketokwasy + NH3 mocznik do nerek pirogronian acetylo-coa oddychanie komórkowe kwasy t³uszczowe cia³a ketonowe do tkanki t³uszczowej i miêœni Rys. 60. Metabolizm bia³ek w w¹trobie Przemiana aminokwasów wymaga wczeœniejszej deaminacji, tj. usuniêcia grupy aminowej (rys. 32.). Produktem deaminacji s¹: jony amonowe, z których syntetyzowany jest mocznik (rys. 51.);

7 124 ketokwasy, które po przekszta³ceniu w acetylo-coa mog¹ byæ utlenione w cyklu kwasu cytrynowego lub w procesie transaminacji (rys. 48.), stanowi¹ substraty syntezy aminokwasów endogennych. Du a zawartoœæ glikogenu w w¹trobie hamuje deaminacjê aminokwasów. Aminokwasy wch³oniête z przewodu pokarmowego i niepodlegaj¹ce deaminacji, s¹ zu ywane do syntezy bia³ek w komórkach w¹troby. W¹troba odgrywa bardzo wa n¹ rolê w syntezie bia³ek osocza (rys. 60.). Jedynie -globuliny (immunoglobuliny) stanowi¹ce bia³ka odpornoœciowe nie s¹ syntetyzowane w w¹trobie, tylko w wêz³ach ch³onnych. Metabolizm cholesterolu Cholesterol znajduj¹cy siê w komórkach w¹troby mo e byæ pochodzenia: endogennego; komórki w¹troby wykorzystuj¹ acetylo-coa jako wyjœciowy substrat do syntezy cholesterolu (patrz: Synteza cholesterolu, s.89); egzogennego; komórki w¹troby wychwytuj¹ cz¹steczki cholesterolu, który dosta³ siê z po ywienia. glukoza acetylo-coa kwasy t³uszczowe cholesterol obce substancje niepolarne kwasy ó³ciowe substancje polarne Rys. 61. W¹troba jest miejscem metabolizmu cholesterolu i detoksyfikacji substancji Nadmiar cholesterolu jest w komórkach w¹troby przekszta³cany w kwasy ó³ciowe. W¹troba jest jedynym narz¹dem zdolnym do usuniêcia znacznych iloœci cholesterolu w postaci soli ó³ciowych.

8 125 Detoksyfikacja System detoksyfikacji w komórkach w¹troby polega na szeregu przemian przygotowuj¹cych substancjê toksyczn¹ do usuniêcia przez nerki (rys. 53.). Termin system detoksyfikacji jest nieco myl¹cy. Wiele substancji traci swoje toksyczne w³aœciwoœci, ale niektóre staj¹ siê bardziej truj¹ce. Powstaj¹cy z metanolu aldehyd mrówkowy jest wielokrotnie bardziej toksyczn¹ substancj¹ ni metanol. Powsta³y w wyniku utleniania aldehydu mrówkowego kwas mrówkowy czêœciowo zostaje wydalony z moczem, czêœæ zostaje spalona i wydalona jako CO 2. O tym, czy dana substancja mo e staæ siê substratem w przemianach detoksyfikacji, decyduje wy³¹cznie jej charakter chemiczny, który u³atwia jej ³¹czenie z enzymami katalizuj¹cymi przemiany detoksyfikacji. Zadanie 143. Dlaczego komórki mózgu nie mog¹ wykorzystywaæ kwasów t³uszczowych jako substratu energetycznego? Zadanie 144. Który z procesów, glikoliza czy cykl kwasu cytrynowego, zachodzi bardziej intensywnie w pracuj¹cym miêœniu? Podaj uzasadnienie. Zadanie 145. Wyjaœnij, dlaczego spadek poziomu glukozy jest g³ównym czynnikiem decyduj¹cym o uwalnianiu do krwi wolnych kwasów t³uszczowych. Zadanie 146. Dlaczego miêœnie podczas wzmo onego wysi³ku zu ywaj¹ g³ównie glukozê, chocia jej utlenianie dostarcza mniej energii ni spalanie kwasów t³uszczowych? Zadanie 147. Dlaczego miêsieñ sercowy, który jest miêœniem poprzecznie pr¹ kowanym, zu ywa jako substrat energetyczny g³ównie kwasy t³uszczowe, a nie glukozê jak miêœnie szkieletowe?

9 126 Zadanie 148. Wska substraty energetyczne wykorzystywane przez miêœnie szkieletowe podczas: biegu sprinterskiego, biegu maratoñskiego, Podaj uzasadnienie. Zadanie 149. Jakie zwi¹zki energetyczne s¹ wykorzystywane przez: miêœnie szkieletowe, miêsieñ serca, w warunkach d³ugotrwa³ego g³odzenia przy obni onym poziomie glukozy? Zadanie 150. Podaj dwa argumenty uzasadniaj¹ce stwierdzenie: Magazynowanie du ych iloœci t³uszczów jest korzystniejsze ni magazynowanie glikogenu. Zadanie 151. W jaki sposób w¹troba zaspokaja swoje w³asne potrzeby energetyczne? Zadanie 152. Dlaczego w¹troba jest czêsto nazywana organem altruistycznym? Zadanie 153. W jakiej postaci s¹ transportowane cholesterol i t³uszcze obojêtne przez osocze krwi? Mo esz skorzystaæ z rozdz. Synteza cholesterolu, s. 94. Zadanie 154. Podaj rodzaje lipoprotein wystêpuj¹cych w osoczu krwi. Jaki czynnik decyduje o ich gêstoœci? Zadanie 155. Dlaczego w³aœciwa proporcja ró nych rodzajów lipoprotein decyduje o zdrowiu cz³owieka?

10 127 Zadanie 156. Dlaczego nadmierna zawartoœæ cholesterolu sprzyja powstawaniu tzw. kamieni ó³ciowych? Zadanie 157. Dlaczego wprowadzanie do lecznictwa coraz wiêkszej liczby nowych preparatów o ró nej wartoœci, czêsto niedok³adnie jeszcze zbadanych pod k¹tem odleg³ych skutków ich stosowania mo e staæ siê przyczyn¹ chorób w¹troby?