Biochemia w pigułce

Wykład 1 - wprowadzający

Chciałbym Państwu zaproponować cykl artykułów, które przybliżałyby podstawy biochemiczne prawidłowego odżywiania. Chciałbym to zrobić w takiej formie, by skorzystali z nich zarówno ludzie, którzy nie mają zbyt dużej wiedzy na temat chemii, jak również lekarze, którzy być może chętnie odświeżą sobie niektóre szczegóły z tej materii.

Na bazie Biochemii Harpera, najważniejszej książki opisującej dokładnie wszystkie reakcje chemiczne zachodzące w ludzkim organizmie, spróbuję przybliżyć wszystkim, jak to się dzieje, że to, co zjadamy się spala, bądź zamienia na tkankę tłuszczową, czy cholesterol. Postaram się wypośrodkować pomiędzy przejrzystością treści i jej precyzją.

W dzisiejszym artykule przybliżę Państwu elementarne informacje z zakresu budowy związków organicznych. Myślę, że będą one bardzo przydatne w kolejnych rozdziałach „Biochemii w pigułce”.

Związki organiczne

Podstawą większości związków organicznych jest łańcuch węglowy, czyli atomy węgla układające się w cząsteczce kolejno jeden za drugim – jak koraliki na sznurku. Do takiego łańcuszka mogą się przyczepiać różne inne atomy lub grupy atomów. Każdy atom węgla jest czterowartościowy, co oznacza, że ma 4 łapki, poprzez które może się łączyć i innymi atomami. Dwie łapki są z reguły zajęte przez sąsiednie atomy węgla, mają więc po dwie wolne łapki by przyłączyć coś innego. Jedynie skrajne atomy węgla w łańcuchu mają trzy wolne łapki.

   |   |   |   |   |

 -C- C-C- C-C-

   |   |   |   |   |

Co może się przyłączać do tych wolnych łapek? Podstawowym atomem, który się tam przyłącza jest wodór –H. Jeśli cały łańcuch węglowy będzie otoczony tylko atomami wodoru, to będziemy mieć podstawowy związek organiczny należący do grupy węglowodorów. W skrócie zapiszemy to w następujący sposób: CH₃ – CH₂ – CH₂ – CH₂ – CH₃. Takie szkielety węglowe o różnych długościach są podstawą do budowy różnych innych związków organicznych. Zamiana któregoś z atomów wodoru na coś innego będzie nam tworzyć nową grupę związków. Jedną z podstawowych możliwości jest zamiana wodoru –H na grupę –O–H. W wyniku takiej zamiany powstają związki należące do grupy alkoholi. Inną możliwością jest przyłączenie zamiast dwóch atomów wodoru jednego dwuwartościowego atomu tlenu =O. Jeśli takie podstawienie znajduje się wewnątrz cząsteczki, mamy do czynienia z ketonami [I], jeśli natomiast podstawienie takie ma miejsce na jej końcu powstaje aldehyd [II].Jeśli przy skrajnym atomie węgla na jednej łapce ulokuje się grupa -OH a na dwu pozostałych tlen =O, to powstaje bardzo ważna w biochemii grupa karboksylowa –COOH. Obecność takiej grupy sprawia, że cząsteczka staje się kwasem. Zawierają ją prawie wszystkie kwasy organiczne, w tym również kwasy tłuszczowe.

Do łańcucha węglowego mogą się zasadniczo przyłączać najróżniejsze atomy i grupy chemiczne, tworząc różnorodne związki. Wiele z nich odgrywa ważną rolę w organizmie człowieka. Jednak wymienię tutaj na razie jeszcze tylko dwie grupy: grupę fosforanową –H₂PO₄ i aminową –NH₂.

Jeśli chodzi o grupę fosforanową, to połączenie jej z łańcuchem węglowym tworzy tzw. wiązanie wysokoenergetyczne. Odłączenie się grupy fosforanowej połączone jest z wydzieleniem zgromadzonej w tym wiązaniu energii. Związki posiadające taką grupę to akumulatorki gromadzące porcję energii do wykorzystania w przyszłości. Jednym z najważniejszych takich związków-akumulatorków w naszym organizmie jest kwas adenozynotrójfosforowy zwany w skrócie ATP – podstawowy przenośnik energii. Jest on syntetyzowany w trakcie spalania białek, tłuszczów i węglowodanów, a następnie wykorzystywany w komórce do najróżniejszych celów: np. skurczu mięśnia czy syntezy innych związków chemicznych. Grupa aminowa –NH₂ natomiast jest ważna, ponieważ występuje w każdym aminokwasie i odgrywa istotną rolę przy łączeniu się aminokwasów w cząsteczki białek.

Co to są białka, tłuszcze i węglowodany?

Są to trzy podstawowe rodzaje związków chemicznych, z których zbudowany jest nasz organizm i które tworzą nasz pokarm. Jak są one zbudowane? Co wynika z tej budowy? Na pierwszy ogień weźmy, te których budowa jest stosunkowo najprostsza czyli:

WĘGLOWODANY

Węglowodany to związki, których ogólny, sumaryczny schemat budowy można by ująć wzorem C_n(H₂O)_n. Jak widać są to związki, w których na jeden atom węgla przypada jedna cząsteczka wody. Ponieważ atom węgla ma masę 12j.m.a. [III] a cząsteczka wody 18j.m.a. można z pewnym przybliżeniem powiedzieć, że węglowodany to mieszanina węgla i wody w proporcji 2:3. Dokładniej mówiąc węglowodany to związki, w których przy jednym atomie węgla dwa atomy wodoru zostają zastąpione jednym atomem tlenu =O, przy pozostałych atomach węgla natomiast jeden wodór –H zamieniony jest na grupę –OH. Najbardziej elementarnym cukrem w organizmie jest glukoza, która składa się z 6 atomów węgla. Jej wzór można więc zapisać jako: CH₂OH – CHOH – CHOH – CHOH – CHOH – CHO.[IV] Jej wzór sumaryczny natomiast to C₆H₁₂O₆. Prawie wszystkie węglowodany, jakie zjadamy zostają rozłożone lub przemienione do tej właśnie cząsteczki.

Innym ważnym dla nas cukrem prostym jest fruktoza. Występuje ona w dużych ilościach w owocach. Połączenie 1 cząsteczki glukozy i fruktozy daje sacharozę, czyli cukier z cukierniczki. Połączenie to można zapisać następująco: C₆H₁₂O₆ (glukoza) + C₆H₁₂O₆ (fruktoza) -> C₁₂H₂₂O₁₁ (sacharoza) + H₂O. Z reakcją tą wiąże się pewna komiczna (przynajmniej dla mnie) obserwacja. Cukier spożywczy to czysta chemicznie sacharoza, która po rozpuszczeniu w wodzie rozpada się z powrotem na glukozę i fruktozę przyłączając cząsteczkę wody. Masa cukru w skutek rozpuszczania zwiększa się więc nieco i ze 100g cukru spożywczego robi się 52.5g glukozy oraz 52.5g fruktozy. Można więc śmiało powiedzieć i będzie to naukową prawdą, że zawartość cukru w cukrze wynosi 105%.

Powiedzmy jeszcze parę słów o cukrach złożonych, takich jak np. skrobia z ziemniaków lub glikogen w wątrobie i mięśniach. Powstają one przez łączenie się cząsteczek cukrów prostych w łańcuch. Połączeniu się każdych dwóch kolejnych cząsteczek cukru towarzyszy odłączenie jednej cząsteczki wody. Reakcję tę można w skrócie zapisać następująco:

n C₆H₁₂O₆  ->  (C₆H₁₀O₅)_n + n H₂O.

Dzięki takiemu skondensowaniu cukier może być w tkankach dużo łatwiej przechowywany.

TŁUSZCZE

Do tłuszczów należy szereg związków chemicznych, wśród których można wyróżnić różne grupy. Dwie dla nas najważniejsze to:

1. tłuszcze właściwe czyli triglicerydy;
2. steroidy;

Należałoby jednak wymienić choćby z nazwy w tym miejscu również inne grupy tłuszczów, takie jak sfingolipidy, cerebrozydy, fosfolipidy, glikolipidy, sulfolipidy, aminolipidy czy lipoproteiny. Odgrywają one swoje istotne role w organizmie, jednak ilościowo nie ma ich w naszym ciele zbyt dużo.

Przyjrzyjmy się grupie pierwszej, czyli triglicerydom. Cząsteczka triglicerydu powstaje z połączenia 1 cząsteczki glicerolu i 3 cząsteczek kwasów tłuszczowych. Glicerol [V] to jedna z pośrednich cząsteczek podstawowego szlaku spalania glukozy. Zbudowana jest z łańcucha 3 atomów węgla, przy każdym z nich znajduje się jedna grupa –OH. Do każdej z 3 grup –OH przyłączony jest poprzez swoją grupę –COOH jeden kwas tłuszczowy. To właśnie kwasy tłuszczowe są głównym ilościowo składnikiem triglicerydów. Musimy się przy nich zatrzymać nieco dłużej, gdyż mogą one być bardzo różne.

Kwasy tłuszczowe

Kwas tłuszczowy zbudowany jest z łańcucha węglowego otoczonego ze wszech stron wodorami. Jedynie pierwszy atom węgla tworzy grupę karboksylową –COOH. Kwasy tłuszczowe występujące w przyrodzie mają w większości parzystą liczbę atomów węgla, gdyż są syntetyzowane z jednostek dwuwęglowych. Dwa podstawowe kwasy tłuszczowe to kwas palmitynowy [VI] (16 atomów węgla) i stearynowy [VII] (18 atomów węgla. Są one podstawowym budulcem wszelkich błon komórkowych. Są to kwasy nasycone, gdyż liczba atomów wodoru wokół łańcucha węglowego jest największa jaka może być. Drugą grupą kwasów tłuszczowych są kwasy nienasycone. Nie mają one pełnego obsadzenia wodorami wszystkich możliwych miejsc. Najczęstszym kwasem nienasyconym jest 18-węglowy kwas oleinowy [VIII], w którym brakuje dwóch atomów wodoru przy węglach 9 i 10. Zamiast nich, między węglami tymi pojawia się tzw. wiązanie podwójne –C=C–. Im więcej jest wiązań podwójnych, tym mniej wodoru zawiera cząsteczka i tym bardziej nienasycony jest dany kwas tłuszczowy. Liczba wiązań podwójnych w cząsteczce dochodzi maksymalnie do 6-ciu. Kwasy tłuszczowe nienasycone są w temperaturze pokojowej zasadniczo cieczami, podczas gdy nasycone mają konsystencję stałą. Istotne jest w tym miejscu zwrócenie uwagi, że wiązanie podwójne pojawiające się w cząsteczce, usztywnia ją w tym miejscu – wokół wiązania podwójnego niemożliwa jest wzajemna rotacja końców cząsteczek. Możliwe są przez to dwa rodzaje ustawień łańcuchów węglowych: cis i trans. Ilustruje to rycina poniżej:

W przyrodzie występuje przede wszystkim forma cis. Zagięcie cząsteczki w formie cis powoduje, że leżące koło siebie cząsteczki różnych kwasów tłuszczowych trudniej dopasowują się do siebie, wzrasta przez to „płynność” całego tłuszczu. Forma trans powstaje przede wszystkim jako produkt uboczny podczas procesu nasycania wodorem kwasów tłuszczowych przy produkcji margaryny. Niewielka część kwasów trans pochodzi ze spożywanych tłuszczów przeżuwaczy, u których powstają one w przewodzie pokarmowym w wyniku działania mikroorganizmów.

Wróćmy teraz z powrotem do triglicerydów. Układ różnych kwasów tłuszczowych (dłuższych lub krótszych, bardziej lub mniej nasyconych) przyłączających się do poszczególnych 3 grup –OH glicerolu może być bardzo różnorodny. Nie zmienia to jednak w dużym stopniu faktu, że główna masa cząsteczki, jak również wartość energetyczna, zawarta jest w trzech kwasach tłuszczowych. Glicerol jest jedynie dla nich łącznikiem. Jednak w procesie syntezy i rozkładu triglicerydów w tkance tłuszczowej będzie on tam odgrywać istotną rolę. Ten temat będzie jednak omówiony dokładniej na jednym z przyszłych wykładów.

Druga grupa tłuszczów to steroidy. Najważniejszym, kluczowym przedstawicielem tej grupy związków jest cholesterol. Budowa cząsteczki cholesterolu jest dość złożona i omówię ją bliżej, gdy przyjdzie na to czas. Dziś przytoczę jedynie jego wzór sumaryczny: C₂₇H₄₆O. Cholesterol raz przyswojony lub zsyntetyzowany nie może zostać rozłożony ani spalony. Nie jest więc paliwem. Jedyna droga usuwania cholesterolu z organizmu to zamiana go na kwas żółciowy i wydalenie ze stolcem.

BIAŁKA

Podstawą budowy wszystkich białek są aminokwasy. Aminokwasów wchodzących w skład białek jest 20. Jest jeszcze poza tym kilka aminokwasów ważnych metabolicznie. Jak sama nazwa wskazuje, związki te, to kwasy organiczne zawierające grupę aminową. Muszą więc posiadać grupę karboksylową –COOH i aminową –NH₂. W aminokwasach tworzących białka obie te grupy umieszczone są przy pierwszym węglu, więc jeden koniec cząsteczki jest taki sam we wszystkich aminokwasach [IX]. Jak można się domyślić, to co odróżnia poszczególne aminokwasy, to drugi koniec cząsteczki. Niektóre aminokwasy jesteśmy w stanie sobie zsyntetyzować, niektóre jednak muszą być dostarczone w pożywieniu. Te niezbędne to: Histydyna, Leucyna, Izoleucyna, Lizyna, Metionina, Fenyloalanina, Treonina, Walina i Tryptofan.

Łatwo sobie wyobrazić, że im bardziej zbliżony ewolucyjnie będzie zjadany pokarm do tkanki ludzkiej, tym bardziej proporcja aminokwasów w tym pokarmie będzie bliższa proporcji 20 aminokwasów występujących w ludzkim organizmie. Niska wartość białek roślinnych wynika stąd, że niektórych niezbędnych dla nas aminokwasów nie zawierają one w ogóle. Najbardziej wartościowe będą z pewnością białka zawarte w naturalnych pokarmach dla rosnących młodych zwierząt: jajko i mleko. Do kompletu dorzucić by jeszcze można białko zwierząt hodowlanych, pod warunkiem wszelako, że zjadamy naraz całe zwierzę (łącznie z wątrobą, skórą, płucami itd.) a nie tylko jego mięśnie, w których proporcja aminokwasów jest już nieco inna.

Białka to bardzo złożone cząsteczki chemiczne powstałe przez połączenie się w długi łańcuch kilkuset do kilku tysięcy aminokwasów. Aminokwasy te występują w poszczególnych białkach w ściśle określonej genetycznie kolejności i ilości. Aby zsyntetyzować białko, konieczne jest więc występowanie w komórce WSZYSTKICH aminokwasów, które w danym białku występują i to najlepiej w takiej proporcji, w jakiej występują one w syntetyzowanym białku. Jeśli będzie brakować choćby jednego aminokwasu (szczególnie, jeśli jest to aminokwas niezbędny) synteza białka nie nastąpi, a wszystkie gotowe do syntezy aminokwasy zostaną spalone. Organizm będzie czekać na moment, aż wszystkie aminokwasy będą dostępne.

[I] Pojawia się wtedy związek o schemacie ogólnym R₁ – CO – R₂.

[II] Grupę aldehydową w chemii zapisuje się jako: R – CHO.

[III] j.m.a. to tzw. jednostka masy atomowej. 1 gram równa się 6.023 ×10²³ j.m.a. Tak jak tuzin oznacza 12 sztuk, tak mol w chemii oznacza 6.023×10²³ sztuk. Przykładowo: 1 mol atomów węgla C waży 12g, 1 mol atomów tlenu O waży 16g, 1 mol atomów wodoru H waży 1g, 1 mol cząsteczek wody H₂O waży 18g (16g+1g+1g), a 1 mol cząsteczek glukozy C₆H₁₂O₆ waży 180g (6×12g + 12×1g + 6×16g = 180g). Widzimy więc, że masa każdej cząsteczki to suma mas wszystkich jej atomów.

[IV] W rzeczywistości w cząsteczce glukozy dokonują się pewne wewnętrzne przekształcenia, które sprawiają, że cząsteczka ma kształt pierścienia. Istotne jest również to, z której strony w stosunku do łańcucha węglowego przyłącza się grupa OH. W cząsteczce glukozy układ ten jest ściśle określony. Fruktoza lub galaktoza mają ten sam wzór chemiczny, a jedynie różne rozmieszczenie grup –OH w cząsteczce.

[V] Wzór glicerolu to: CH₂OH – CHOH – CH₂OH. Masa molowa – 92g.

[VI] Wzór kwasu palmitynowego to: CH₃ – CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂-COOH. W skrócie: CH₃ – (CH₂)₁₄–COOH, lub sumarycznie: C₁₆ H₃₂O₂. Masa molowa – 256g.

[VII] Wzór kwasu stearynowego to: CH₃ – (CH₂)₁₆–COOH, lub sumarycznie: C₁₈ H₃₆O₂. Masa molowa – 284g.

[VIII] Wzór kwasu oleinowego to: CH₃ – CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH= CH– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂– CH₂-COOH. W skrócie: CH₃ – (CH₂)₇ – CH=CH – (CH₂)₇ – COOH, lub sumarycznie: C₁₈ H₃₄O₂.

[IX] Ogólny wzór aminokwasów to R – CH(NH₂) – COOH.  R – to łańcuch węglowy specyficzny dla danego aminokwasu. Przy łańcuchu tym może być dodatkowo grupa –OH (seryna, treonina), grupa karboksylowa (kwas asparaginowy, kwas glutaminowy), azot N w różnych konfiguracjach (arginina, lizyna, histydyna, asparagina, glutamina), siarka S (cysteina, metionina), tzw. pierścień aromatyczny (fenyloalanina, tyrozyna, tryptofan) lub pierścień niearomatyczny (prolina, hydroksyprolina). „Gołe” łańcuchy węglowe mają glicyna, alanina, walina, leucyna i izoleucyna.