Biochemia w pigułce

Wykład 4

Spalanie aminokwasów

Witam ponownie wszystkich zainteresowanych wykładami „Biochemii w pigułce”. Na dzisiejszym wykładzie przeanalizujemy sobie losy zjadanego białka, czyli – po rozłożeniu na czynniki pierwsze – aminokwasów.

Jak już pisałem na pierwszym wykładzie, wszystkie białka w naszym organizmie składają się z elementarnych cegiełek, którymi są aminokwasy. Aminokwasów tych jest 20. Generalny schemat ich budowy można z drobnymi wyjątkami zapisać w postaci: R – CH(NH₂) – COOH. Taka struktura wszystkich aminokwasów umożliwia łączenie się ich w sznureczki zbudowane z dziesiątek, setek, a nawet tysięcy sztuk. Wzajemne łączenie następuje w ten sposób, że grupa karboksylowa –COOH jednego aminokwasu łączy się z grupą aminową –NH₂ następnego:

W wyniku takiej cyklicznej reakcji otrzymujemy więc łańcuch podstawowy o strukturze:

...– CO – CHR_i – NH  – CO – CHR_j – NH – CO – CHR_k – NH – ...

Każde białko ma ściśle określoną, genetycznie uwarunkowaną kolejność aminokwasów w łańcuchu. Łańcuch taki może się układać w przestrzeni na różne sposoby, jednak najczęściej zwija się on najpierw w spiralę w ten sposób, że reszty węglowe aminokwasów ustawiają się na zewnątrz tej spirali. Strukturę tę zwiemy: alfa-heliks. Posiada ją większość białek enzymatycznych. Spirala taka układa się następnie przestrzennie w ściśle określony sposób. Zmiana tego przestrzennego ułożenia łańcucha (np. pod wpływem ogrzewania) powoduje z reguły utratę specyficznych właściwości danego białka. Również, jeśli dojdzie do zamiany jakiegoś aminokwasu w łańcuchu na inny (np. w skutek mutacji genetycznej), białko może utracić swoje specjalne biologiczne właściwości.

Proces trawienia białek to rozbijanie łańcucha białkowego z powrotem na aminokwasy. Aminokwasy są wchłaniane w jelitach i transportowane do komórek, gdzie są zużywane albo jako budulec – do budowy własnych białek, albo jako paliwo. Na dzisiejszym wykładzie przyjrzymy się reakcjom ich spalania. W procesie rozkładu aminokwasów wyróżnić można 2 etapy. Pierwszy to usunięcie azotu, czyli grupy aminowej oraz dalsze losy tegoż azotu prowadzące ostatecznie do zsytetyzowania mocznika [i] i wydalenia go z moczem. Mechanizmów usuwania grupy aminowej jest kilka, jednak zawsze jako produkt tej reakcji powstaje odpowiedni ketokwas. Grupa aminowa –NH₂ jest więc zamieniana na tlen =O:

R – CH(NH₂) – COOH   =>   R – CO – COOH

Szczegóły tych przemian oraz synteza mocznika zostaną omówione na jednym z przyszłych wykładów. Dziś zajmiemy się jedynie losami pozostałych szkieletów węglowych, gdyż one stanowią o wartości energetycznej aminokwasów. Jednak zanim to zrobimy, obejrzyjmy sobie wzory poszczególnych aminokwasów.

Aminokwasy z łańcuchem węglowym bez grup dodatkowych:

Aminokwasy z grupą hydroksylową –OH:

Aminokwasy zawierające grupę karboksylową –COOH:

Aminokwasy zawierające azot:

Aminokwasy zawierające siarkę:

Aminokwasy zawierające pierścień:

Aminokwasy, jak widzimy, podzielić można według rodzaju grup dodatkowych przyłączających się do łańcucha węglowego. Innego podziału można dokonać wg ich wpływu na pH: kwaśne (–COOH), obojętne i zasadowe (–NH₂) oraz wg rozpuszczalności: dobrze rozpuszczalne w wodzie (-OH, -SH, -COOH, -NH₂) i dobrze rozpuszczalne w tłuszczach (bez grup dodatkowych).

Przyjrzyjmy się teraz ogólnemu schematowi włączania się aminokwasów do cyklu Krebsa. Wśród aminokwasów wyróżnić można zasadniczo trzy grupy.

1. Te, które w procesie spalania dochodzą do acetylo-CoA,
2. te, które w procesie spalania dochodzą do pirogronianu
3. te, które przekształcają się do któregoś ze związków pośrednich cyklu Krebsa [ii]. Taki podział aminokwasów wynika z odmiennych losów, jakie mogą te aminokwasy spotkać. Aminokwasy metabolizujące się bezpośrednio do acetylo-CoA mogą (podobnie jak tłuszcz) ulec tylko i wyłącznie spaleniu. Aminokwasy metabolizujące się do związków cyklu Krebsa są dobrym dawcą NADPH₂ do syntezy kwasów tłuszczowych, łatwo też mogą zamieniać się na glukozę. Los aminokwasów przekształcających się do pirogronianu zależy natomiast od tego, czy pirogronian zostanie w mitochondrium przekształcony do acetylo-CoA, czy też do szczawiooctanu. Ponieważ w warunkach dostatku energii i pożywienia pierwsza z tych reakcji jest silnie hamowana a druga pobudzana, można powiedzieć, że prawie w całości zamieniają się one wtedy na szczawiooctan – metabolit cyklu Krebsa. W warunkach braku energii – zamieniają się one na acetylo-CoA i ulegają spaleniu.

Na rycinie przedstawiono miejsca, w których poszczególne aminokwasy włączają się do metabolizmu komórki. Kolorem czerwonym zaznaczone są te aminokwasy, które metabolizują się do acetylo-CoA, kolorem zielonym te, które zamieniają się w pirogronian. Kolorem niebieskim natomiast te, które przekształcają się do któregoś związku cyklu Krebsa. Brązowym kolorem zaznaczone są miejsca pobierania lub wytwarzania związków wysokoenergetycznych (ATP, NADH₂, NADPH₂, FADH₂)

Zakładając warunki dobrego odżywienia, grupa „zielona” i „niebieska” tworzą grupę aminokwasów glukogennych. Grupa „czerwona” natomiast to aminokwasy ketogenne.

Wartość energetyczna aminokwasów

Ponieważ w procesie spalania wszystkie aminokwasy grupy „niebieskiej” tak, czy owak muszą przejść przez pirogronian, a spalanie pirogronianu i acetylo-CoA zostało już omówione na wykładzie 2, przedstawiony zostanie jedynie zysk energetyczny do tego momentu ich metabolizmu. Dla przypomnienia jedynie podam, że spalanie 1 cząsteczki acetylo-CoA daje nam 12 cząsteczek ATP, natomiast spalanie pirogronianu daje 15 cząsteczek ATP.

W trakcie przekształcania poszczególnych aminokwasów do tych dwóch głównych metabolitów powstają takie związki wysokoenergetyczne jak NADH₂, NADPH₂, FADH₂ często też jest zużywany ATP do biochemicznej aktywacji jakiejś reakcji. Podsumowanie wszystkich reakcji przedstawia załączona tabela [iii].

W dwóch przypadkach (lizyna i tryptofan) dokładny metabolizm nie jest do końca znany (a przynajmniej nie był znany w wersji Harpera z 2003 r.), stąd podsumowanie przedstawione w tabeli może nie być w tych przypadkach dokładne. Przyjąłem założenie, że glutarylo-CoA (ostatni znany metabolit ich spalania) rozpada się na acetylo-CoA i pirogronian. Nie można jednak wykluczyć, że są to dwie cząsteczki jednego lub drugiego. W przypadku glicyny możliwe są dwa alternatywne szlaki metabolizmu. Ponieważ w jednym z nich powstaje metyleno-H₄-folian, a w drugim jest on pobierany, w obliczeniach przyjąłem połowiczny podział pomiędzy oba szlaki. Treonina w pierwszej reakcji rozpada się na aldehyd octowy i glicynę. Ponieważ aldehyd octowy jest metabolitem alkoholu etylowego odpowiedzialnym za „kaca”, jest to więc teoretycznie aminokwas „kacogenny”. Zakładając spożycie białka 50g/dobę, zjadamy dziennie ok. 3g treoniny. Z tego powstaje 1.3g aldehydu, co odpowiada spożyciu ok. 1.4g alkoholu etylowego, czyli np. wypiciu ok. łyżeczki od herbaty wódki. Czy to jest dużo? Na szczęście nie. Ułamkowe wartości dla tryptofanu związane są z tym, że nie jest sprecyzowane, który ze związków NAD czy NADP uczestniczy w jednej z reakcji. Można domniemać, że mogą oba, w zależności od potrzeb komórki.

To, co rzuca się w oczy w trakcie studiowania szczegółów spalania poszczególnych aminokwasów to w większości przypadków bardzo duża liczba reakcji, które muszą zajść, by dany aminokwas został spalony. Sprawia to, że białko, jako paliwo, jest generalnie kiepskim surowcem. Zważywszy, że średnia kaloryczność białka jest zbliżona do węglowodanów, korzystniej jest dla organizmu zjadać na potrzeby syntez węglowodany, a nie białka. Pewna minimalna ilość białka jest jednak niezbędna i nic go nie zastąpi.

Na jakie szczegóły dotyczące spalania aminokwasów chciałbym zwrócić uwagę?

Zauważmy, że jeśli dostarczalibyśmy komórce tylko tłuszcz, czyli acetylo-CoA, to, jakakolwiek reakcja cyklu Krebsa by nie zaszła, sumaryczna liczba cząsteczek tego cyklu w mitochondrium nie uległaby zmianie. Gdy jedna cząsteczka przybywa, to inna ubywa. Gdy jednak cząsteczka aminokwasu zamienia się np. na fumaran, to całkowita liczba cząsteczek cyklu Krebsa w danym mitochondrium zwiększa się o 1. Oznacza to, że jakaś cząsteczka tego cyklu musi opuścić mitochondrium, by utrzymała się równowaga ilościowa. Żadna z cząsteczek cyklu Krebsa nie ma możliwości ulec spaleniu wewnątrz mitochondrium. Przechodzić przez błonę mitochondrium może wiele cząsteczek cyklu, jednak zawsze jest to wymiana jeden za jeden [iv] (np. cytrynian za a-ketoglutaran). Jedyna możliwość zmniejszenia się liczby cząsteczek cyklu Krebsa wewnątrz mitochondrium to wymiana przez błonę jabłczanu na fosforan nieorganiczny. Dlatego też można powiedzieć, że w przypadku aminokwasów, które przekształcają się do któregoś ze związków cyklu Krebsa, po dojściu do jabłczanu opuszczają one mitochondrium i dalej metabolizują się do fosfoenolopirogronianu lub pirogronianu. Ścieżka ich spalania wygląda więc następująco:

A. aminokwas =>

B. specyficzne metabolity pośrednie danego aminokwasu =>

C. cząsteczka cyklu Krebsa =>

D. kolejne reakcje cyklu Krebsa aż do jabłczanu =>

E. wyjście jabłczanu na zewnątrz mitochondrium =>

F1 - przekształcenie jabłczanu w pirogronian z wytworzeniem NADPH₂ =>

G1 - wniknięcie pirogronianu do mitochondium =>

            a) zamiana pirogronianu na szczawiooctan i powrót do punktu D.

            b) zamiana pirogronianu na acetylo-CoA i spalenie.

lub

F2 - przekształcenie jabłczanu poprzez szczawiooctan do fosfoenolopirogronianu =>

G2 - reakcje „odwróconej glikolizy” czyli tzw. glikoneogenezy prowadzące do syntezy glukozy.

Zauważmy, że celem reakcji (G1a), czyli zamiany pirogronianu na szczawiooctan, jest zwiększenie łącznej liczby cząsteczek cyklu Krebsa w mitochondrium. Każdej takiej reakcji musi odpowiadać jedno wyjście jabłczanu na zewnątrz. Są to dwa punkty metabolizmu, które regulują łączną liczbę cząsteczek cyklu Krebsa wewnątrz mitochondrium. Zauważmy, że jeśli nie będziemy zjadać białek ani węglowodanów, to nie będzie możliwości zwiększania liczby tych cząsteczek. Jabłczan będzie powolutku uciekać, w mitochondrium zacznie brakować związków cyklu Krebsa i proces spalania tłuszczów (acetylo-CoA) będzie przebiegać coraz mniej sprawnie. Czysto teoretycznie, gdyby jabłczan nie uciekał z mitochondrium, spalanie acetylo-CoA mogłoby trwać wiecznie. W praktyce, potrzeba chociaż trochę białka lub węglowodanów, by spalanie tłuszczów mogło przebiegać sprawnie. W tym sensie białko i węglowodany można traktować jako „smar” na spalanie tłuszczów.

Zauważmy też jeszcze jeden istotny szczegół. Reakcja jabłczan => pirogronian zachodząca w cytoplazmie generuje NADPH₂, który jest następnie wykorzystywany do syntezy kwasów tłuszczowych. Oznacza to, każda cząsteczka aminokwasu glukogennego daje jedną cząsteczkę NADPH₂ wykorzystywaną do syntez kwasów tłuszczowych lub cholesterolu. Reakcja jabłczan => pirogronian może, co prawda, zajść również ścieżką: jabłczan=>szczawiooctan=>fosfoenolopirogronian=>pirogronian, w trakcie której powstaje nie NADPH₂, ale NADH₂. Ta ścieżka nie jest jednak preferowana, gdyż komórka ma zasadniczo problem pozbycia się z cytoplazmy nadmiaru NADH₂ powstającego w trakcie glikolizy. Ścieżka ta zachodzi wtedy, gdy komórka chce produkować cukier, a nie spalać go, gdyż wtedy właśnie potrzebny jest NADH₂ a nie NADPH₂. Ponieważ celem zamiany aminokwasu na glukozę może być jej wejście w szlak pentozowy, tak czy owak z aminokwasów glukogennych produkowany wtedy jest NADPH₂ do syntez kwasów tłuszczowych, czy to w bezpośrednim spalaniu (reakcja jabłczan => pirogronian), czy to poprzez zamianę na cukier i cykl pentozowy. W przypadku cyklu pentozowego wydajność syntezy NADPH₂ jest rzecz jasna znacznie większa.

Warto zwrócić uwagę na jeszcze jeden ciekawy cykl reakcji. Chodzi o ciąg reakcji: „pirogronian => szczawiooctan => jabłczan => transport jabłczanu na zewnątrz => pirogronian”

Zauważmy, że w warunkach obecności w mitochondrium dużych ilości NADH₂ i ATP, czyli warunkach bardzo dobrego odżywienia, pojawienie się tego cyklu wypompowuje NADH₂ z mitochondrium i wytwarza na zewnątrz NADPH₂ do syntez kwasów tłuszczowych. Koszt jednego cyklu to 1 cząsteczka ATP konieczna na reakcję: pirogronian=>szczawiooctan. Ponieważ z jednej cząsteczki NADH₂ uzyskuje się średnio 3 cząsteczki ATP, łącznie z 4 cząsteczek ATP wewnątrz mitochondrium uzyskuje się równowartość 3 cząsteczek na zewnątrz wykorzystywanych do syntez. Sprawność wynosi więc 75%. Jaka jest intensywność tego cyklu? W Harperze nie ma ten temat niestety ani słowa. Powiem więcej, nie został on w ogóle dostrzeżony. Cykl ten jest częścią bardziej złożonych mechanizmów wyrównywania się ilości NADH₂ i NADPH₂ po obu stronach błony mitochondrialnej.

Na koniec dokonajmy jeszcze pewnych podsumowań. Ze 100g białka, zakładając, że proporcje pomiędzy poszczególnymi aminokwasami są takie, jak to przedstawiono w tabeli, można uzyskać łącznie 22.5 mola ATP, z tego co najmniej 1.2 mola zawarte jest w NADPH₂ wykorzystywanym do syntez. Jest to wartość porównywalna z węglowodanami, gdzie dla przypomnienia, ze 100g glukozy uzyskuje się 21.1 mola ATP.

Zakładając maksymalną sprawność zamiany białka na glukozę. Ze 100g białka uzyskać można 69g glukozy. Trzeba jednak pamiętać, że choć co najmniej 31g białka musi zostać spalone, to proces ten będzie hamować spalanie węglowodanów i zwiększać ilość węglowodanów wchodzących w cykl pentozowy. Na codzienne potrzeby można więc przyjąć równoważność energetyczną białek i węglowodanów. Z punktu widzenia minimalnego zapotrzebowania organizmu można też powiedzieć, że istotna jest tak na prawdę suma białek i węglowodanów, którą determinuje szybkość uciekania jabłczanu z mitochondrium oraz procentowy podział rozpadu pirogronianu pomiędzy acetylo-CoA i szczawiooctan. O tym, która z tych dwóch reakcji przeważa, decyduje szereg czynników, w tym również predyspozycje osobnicze. Stąd też minimalne zapotrzebowanie na białko i węglowodany jest indywidualnie dość zróżnicowane.