Biochemia w pigułce                            

Wykład 2

W ramach drugiego wykładu z serii „Biochemia w pigułce”, chciałbym dzisiaj przybliżyć Państwu podstawowe drogi przemian węglowodanów w komórkach naszego organizmu. Innymi słowy, pragnę opowiedzieć, co się dzieje z cukrem po przedostaniu się do komórek? Zaczynamy od węglowodanów, gdyż ich spalanie stanowi swego rodzaju biochemiczny szkielet dla spalania zarówno białek jak i tłuszczy. Na szkielet ten składają się trzy podstawowe szlaki przemian: glikoliza, cykl pentozowy oraz cykl Krebsa. Zostaną one przedstawione w sposób jak najbardziej ogólny, by zminimalizować niepotrzebne na tym etapie nadmierne szczegóły. Wydaje się ważne, by mieć najpierw przed oczami ogólne spojrzenie na całość, a następnie dopiero wchodzić w szczegóły. Podręcznik Biochemii niestety jest zasypany szczegółami, a całościowe spojrzenie trzeba sobie w dużej mierze wyrobić samemu na podstawie dokładnej wielokrotnej lektury poszczególnych rozdziałów. Spalanie białek i tłuszczy, jak również synteza cholesterolu i kwasów tłuszczowych zostanie przedstawiona w podobny schematyczny sposób na wykładach następnych. Punktem wyjścia dla najbliższych rozważań jest moment, w którym poszczególne składniki odżywcze (B,T,W) dostały się już do komórki i muszą ulec spaleniu lub zostać użyte do syntez wewnątrzkomórkowych. Pominięty zostanie etap ich trawienia, wchłaniania do krwi i transportu z krwi do komórki. Pominięte też zostaną na razie wszelkie przemiany chemiczne prowadzące do powstania początkowych punktów metabolizmu wewnątrzkomórkowego, a mianowicie: glukozy, kwasów tłuszczowych i aminokwasów.

Jeśli chodzi o glukozę, to, jak już pisałem na pierwszym wykładzie, jest to cukier o sześciu atomach węgla, a więc należący do grupy heksoz [i]. Na glukozę zamienia się skrobia, czyli w praktyce chleb, zboża i ziemniaki, które są ilościowo najistotniejszym źródłem węglowodanów na żywieniu tradycyjnym. Na glukozę zamienia się też wewnątrzkomórkowo galaktoza [ii], która jest cukrem występującym w mleku. Ściślej - w mleku występuje dwucukier laktoza, która rozkładana jest do glukozy i galaktozy.

Nieco inaczej jest z fruktozą, czyli cukrem występującym w owocach, tudzież w cukrze z cukierniczki. Nie zamienia się ona na glukozę lecz włącza się ona w szlak jej spalania, omijając ważny etap regulacji szybkości tego procesu. Ze względu na ważność tego szczegółu wspominam o nim już dziś. Szczegółowo zostanie to omówione na jednym z kolejnych wykładów.

Tłuszcze, jakkolwiek we krwi transportowane są w różnej postaci, wewnątrz komórki występują w postaci rozłożonej, czyli jako kwasy tłuszczowe i glicerol. Jako triglicerydy [iii] funkcjonują wewnątrzkomórkowo jedynie w tkance tłuszczowej - jako zapas energetyczny.

Białka natomiast jeszcze w przewodzie pokarmowym zostają rozłożone do poszczególnych aminokwasów, następnie poprzez krew docierają do komórek, gdzie następuje ich dalsza przemiana.

Zanim omówione zostaną losy tych trzech głównych składników odżywczych, przybliżyć trzeba nieco krótko budowę wnętrza komórki. Z punktu widzenia procesów spalania wewnątrzkomórkowego konieczne jest wyróżnienie dwóch osobnych przestrzeni płynowych: cytoplazmy i mitochondriów. Cytoplazma to płyn, który wypełnia komórkę. W cytoplazmie zanurzone są inne organella komórkowe, czyli odgrodzone błonką przestrzenie, w których zachodzą jakieś specjalne zjawiska lub przemiany. Strukturą tego typu o specjalnym znaczeniu w procesach spalania są mitochondria.

Mitochondrium to taka dość wyjątkowa struktura wewnątrzkomórkowa. Jest ono o tyle ciekawe, że posiada własne DNA, czyli kod genetyczny do produkcji białek, z których jest zbudowane.

Jest więc jakby takim malutkim mikroorganizmem żyjącym w symbiozie z komórką. Rozmnaża się wewnątrz naszych komórek, dostarczając w zamian ATP, czyli energii do wszelkich procesów życiowych komórki. Ponieważ mitochondria z plemnika zostają po jego wniknięciu do komórki jajowej zniszczone jako ciała obce, całe DNA mitochondrialne dziedziczone jest zawsze tylko po matce.

Piszę o mitochondriach nieco szerzej, gdyż właśnie w nich odbywa się sporo reakcji spalania białek, tłuszczów i węglowodanów. Podwójna błona lipidowa, która oddziela wnętrze mitochondrium od cytoplazmy stanowi istotną barierę dla przenikania przez nią różnych związków chemicznych. Istnieją specjalne mechanizmy transportu dla niektórych związków, niektóre natomiast mogą przez nią przenikać swobodnie. Jest to bardzo ważne z punktu widzenia regulacji procesów spalania i procesów syntez wewnątrzkomórkowych. Mówiąc o każdej reakcji chemicznej trzeba zawsze wyraźnie zaznaczyć, czy zachodzi ona w cytoplazmie, czy też w mitochondrium. W „Harperze” nie zawsze jest to należycie podkreślane.

Prawie wszystkie reakcje, jakie zachodzą w mitochondriach, ukierunkowane są na syntezę ATP [iv] (kwas adenozynotrójfosforowy). Związek ten to najważniejszy w naszym organizmie przenośnik energii. Posiada on przyłączone aż 3 wysokoenergetyczne grupy fosforanowe. Po odłączeniu jednej grupy fosforanowej powstaje ADP (kwas adenozynodwufosforowy). Po odłączeniu drugiej grupy fosforanowej powstaje AMP (kwas adenozynomonofosforowy). Jeśli jakaś reakcja lub proces w organizmie wymaga dostarczenia energii, równolegle z nim zachodzi z reguły rozpad ATP na ADP i wolny fosforan. Jeśli rozpad taki dostarcza zbyt mało energii do zajścia odpowiedniej reakcji, ATP może rozpaść się na AMP i pirofosforan [v] dostarczając większej, podwójnej porcji energii. W skrócie grupa fosforanowa –H₂PO₄ będzie oznaczana w reakcjach przez P.

Po tym nieco przydługawym wstępie przejdźmy wreszcie do właściwego tematu tego wykładu, czyli spalania węglowodanów.

Glikoliza

Podstawowym szlakiem spalania węglowodanów jest tzw. szlak glikolizy, który zachodzi w cytoplazmie komórki. W szlaku tym 1 cząsteczka glukozy C₆H₁₂O₆ zostaje zamieniona na 2 cząsteczki kwasu pirogronowego CH₃-CO-COOH. Kwas pirogronowy (zwany też w skrócie pirogronianem) jest najważniejszym punktem węzłowym metabolizmu wewnątrzkomórkowego. Jest on tą cząsteczką, która swobodnie przenika do mitochondrium by tam ulec dalszym przemianom.

Kolejne związki pośrednie na drodze od glukozy do pirogronianu w szlaku glikolizy to:

1. glukozo-6-fosforan. Jak już pisałem na pierwszym wykładzie, połączenie łańcucha węglowego z grupą fosforanową tworzy wiązanie wysokoenergetyczne. Przyłączenie grupy fosforanowej do 6-go węgla glukozy wymaga zużycia 1 cząsteczki ATP. Obecność grupy fosforanowej sprawia, że cząsteczka, mając w sobie więcej energii, łatwiej wchodzi w następne reakcje.
2. fruktozo-6-fosforan. Następuje przegrupowanie atomów wewnątrz cząsteczki. W tym miejscu, po fosforylacji, do szlaku wchodzi fruktoza.
3. fruktozo-1,6-dwufosforan. Następuje przyłączenie kolejnej grupy fosforanowej kosztem następnej cząsteczki ATP.
4. gliceraldehydo-3-fosforan (2x). Następuje rozpad łańcucha 6-węglowego na dwa łańcuchy 3-węglowe. Wszystkie dalsze przemiany występują podwójnie w stosunku do wyjściowej cząsteczki glukozy.
5. 1,3-dwufosfoglicerynian (2x). Następuje odłączenie dwóch atomów wodoru połączone z przyłączeniem kolejnej grupy fosforanowej. Atomy wodoru zostają przeniesione na złożoną cząsteczkę, której główną rolą jest przenoszenie wodoru. W skrócie nazywamy ją NAD [vi]. (Transport wodoru jest ważnym elementem przemian i zostanie omówiony osobno). Przyłączenie grupy fosforanowej tym razem nie wymaga ATP.
6. 3-fosfoglicerynian (2x). Odłączenie grupy fosforanowej sprzężone jest z odzyskiem ATP.
7. 2-fosfoglicerynian (2x). Następuje przeniesienie grupy fosforanowej z węgla trzeciego na drugi.
8. fosfoenolopirogronian (2x). Następuje odłączenie cząsteczki wody.
9. pirogronian (2x). Następuje odłączenie grupy fosforanowej sprzężone z syntezą cząsteczki ATP.

Aby nie wdawać się w nadmierne szczegóły, sumarycznie szlak ten można przedstawić następującym równaniem:

C₆H₁₂O₆ (glukoza) + 2 NAD + 2 ADP + 2 P  =>  2C₃H₄O₃ (pirogronian) + 2 NADH₂ + 2 ATP

W szlaku glikolizy na początku zostają zużyte 2 cząsteczki ATP do przyłączania grup fosforanowych, następnie jednak odzyskane są 4 cząsteczki. Łącznie powstają więc 2 cząsteczki ATP oraz 2 cząsteczki NADH₂. Wodór z NADH₂ może zostać przetransportowany do mitochondrium i tam ulec spaleniu z tlenem. Powstanie wtedy 6 cząsteczek ATP z 2 cząsteczek NADH₂.

2 NADH₂ + O₂    +     6 ADP + 6 P       = >      2 NAD + 2 H₂O      +     6 ATP

Łącznie więc na tym etapie spalania glukozy z 1 cząsteczki glukozy powstaje 8 cząsteczek ATP.

Cykl pentozowy

Jest to alternatywna droga spalania glukozy umożliwiająca ominięcie niektórych etapów glikolizy. Podobnie jak glikoliza, zachodzi on w całości w cytoplazmie komórki. Dla lepszego zrozumienia tego nieco złożonego szlaku rozpatrzmy los 3 cząsteczek glukozy:

1. glukozo-6-fosforan (3x). (W skrócie: glukozo-6P). Reakcja jak w glikolizie.
2. 6-fosfoglukonian (3x). Następuje odłączenie 2 atomów wodoru od każdej cząsteczki i przeniesienie ich na NADP [vii]. (Jest bardzo ważną kwestią odróżniać, czy wodór jest przenoszony na NAD czy na NADP, ale o tym później).
3. rybulozo-5P (3x). Po dwa kolejne wodory zostają przeniesione na NADP, odłączona zostaje też cząsteczka dwutlenku węgla CO₂. Rybuloza jest cukrem 5-węglowym, a więc należy do grupy pentoz. (Ponieważ w cyklu tym fosforan jest przyłączony zawsze do ostatniego węgla, cyferka w nazwach kolejnych cukrów pośrednich oznacza również ilość atomów węgla w cząsteczce).
4. ksylulozo-5P (2x), rybozo-5P (1x). Przegrupowania atomów wewnątrz cząsteczek.
5. ksylulozo-5P (1x), sedoheptulozo-7P (1x), gliceraldehydo-3P (1x). Przegrupowania atomów pomiędzy tymi cząsteczkami.
6. ksylulozo-5P (1x), fruktozo-6P (1x), erytrozo-4P (1x). Dalsze przegrupowania atomów pomiędzy cząsteczkami.
7. fruktozo-6P (2x), gliceraldehydo-3P (1x). Dalsze przegrupowania atomów między cząsteczkami. Oba powstałe związki są produktami pośrednimi glikolizy. Mogą więc ulec spaleniu włączając się do tego cyklu. Mogą też zajść reakcje odwrotne do glikolizy, czyli może nastąpić odbudowanie glukozo-6P, co powoduje zamknięcie cyklu pentozowego. glukozo-6P może wtedy ponownie wejść w reakcje tego cyklu.

Obraz tego cyklu jawi się pewnie jak na razie w sposób nie zbyt jasny. Dla naszych potrzeb zapamiętajmy więc jedynie sumaryczną reakcję spalania 1 cząsteczki glukozy po przejściu odpowiednią ilość razy tego cyklu, która jest już znacznie prostsza w odbiorze:

C₆H₁₂O₆  +  12 NADP  +  6 H₂O    = >     12 NADPH₂  +  6 CO₂

Widzimy tu, że 1 cząsteczka glukozy bez udziału tlenu, wykorzystując dodatkowo tlen i wodór zawarte w wodzie, rozpada się na dwutlenek węgla i wodór. Duża ilość wodoru powstałego w tym cyklu (przenoszonego przez NADP, a nie NAD) jest następnie używana do syntezy kwasów tłuszczowych i cholesterolu. Zauważmy też ciekawostkę, że powstający w tym cyklu wodór pochodzi w połowie z cukru, a w połowie z wody. Nie będzie więc merytorycznie błędem, jeśli nieco przewrotnie i żartobliwie napiszę, że tkanka tłuszczowa, do syntezy której jest on zużywany, powstaje z wody. Oczywiście niezbędny jest współudział nadmiaru węglowodanów ☺.  

Los pirogronianu

Jak już pisałem, pirogronian to węzłowy związek chemiczny w metabolizmie wewnątrzkomórkowym. Jest on końcowym etapem wstępnego spalania glukozy oraz (o czym się dowiemy na jednym z kolejnych wykładów) większości aminokwasów. Jest on tym związkiem, który swobodnie przenika z cytoplazmy do mitichondrium, by tam ulec dalszym przemianom. W mitochondrium ma on dwie możliwości przemian. Pierwsza z nich, prowadząca do jego spalenia, to zamiana na acetylo-koenzym A [viii]. W reakcjach chemicznych związek ten zapisywany jest w skrócie jako CH₃-CO–CoA lub po prostu acetylo-CoA. W czasie tej reakcji odłączony zostaje CO₂, a dwa wodory zostają przeniesione na NAD, by później w trakcie spalania z tlenem wytworzyć 3 cząsteczki ATP:

CH₃-CO-COOH + CoA + NAD  =.>  CH₃CO-CoA + CO₂ + NADH₂

Acetylo-CoA to drugi bardzo ważny, węzłowy związek w metabolizmie wewnątrzkomórkowym. Jest on cząsteczką, która może ulec albo spaleniu w mitochondrium, albo wyjść z mitochondrium i zostać zużytą do syntezy kwasów tłuszczowych lub cholesterolu w cytoplazmie komórki.

Wracając jednak do pirogronianu: druga możliwość, jaka może mu się przydarzyć poza zamianą na acetylo-CoA, to zamiana na szczawiooctan. Podstawowy cel tej przemiany to dostarczenie związków pośrednich dla cyklu Krebsa, o którym za chwilę. Jakie są jednak odleglejsze tego konsekwencje, dowiemy się na jednym z następnych wykładów, gdyż sprawa pozornie bardzo złożona, w dokładniejszej analizie będzie bardzo ładnie się upraszczać. Wyjaśnione to jednak zostanie po omówieniu spalania aminokwasów.

Cykl Krebsa

Cykl Krebsa to ciąg reakcji zachodzących w mitochondrium, umożliwiający spalenie 1 cząsteczki acetylo-CoA. Cykl Krebsa to pierwsza część spalania acetylo-CoA, w trakcie którego następuje jego rozłożenie na wodór H₂ i dwutlenek węgla CO₂. Wodór jest wykorzystany następnie do syntezy ATP, co następuje w trakcie jego spalania z tlenem. CO₂ jest usuwany.

Kolejne reakcje tego cyklu są następujące:

1. szczawiooctan + acetylo-CoA + H₂O => cytrynian + CoA

    przeniesienie reszty acetylowej z CoA na szczawiooctan

2. cytrynian  =>  izocytrynian

    przekształcenia wewnątrz cząsteczki

3. izocytrynian + NAD   =>  szczawiobursztynian + NADH₂

    przeniesienie dwóch pierwszych wodorów na NAD

4. szczawiobursztynian   =>  a-ketoglutaran + CO₂

    (odłączenie 1 cząsteczki CO₂

5. a-ketoglutaran + CoA+ NAD  =>  sukcynylo-CoA + CO₂ + NADH₂

   odłączenie cząsteczki CO₂ oraz przeniesienie dwóch kolejnych wodorów na NAD, chwilowo uczestniczy w tym cząsteczka CoA

6. sukcynylo-CoA +H₂O+ ADP + P  =>   bursztynian + CoA + ATP

   odłączenie CoA sprzężone jest z syntezą 1 cząsteczki ATP

7. bursztynian + FAD  => fumaran + FADH₂

    odłączenie dwóch kolejnych wodorów, tym razem uczestniczy w tym inny przenośnik: FAD [ix]

8. fumaran + H₂O  =>   jabłczan

    przyłączenie cząsteczki wody

9. jabłczan + NAD => szczawiooctan + NADH₂

    przeniesienie kolejnych wodorów na NAD, powrót do wyjściowego szczawiooctanu

Powyższe reakcje można podsumować następująco:

CH₃CO-CoA + 3 H₂0  + 3 NAD  + FAD  + ADP+P      =>      CoA  +  2CO₂ + 3 NADH₂  + FADH₂  + ATP

Ponieważ z jednej cząsteczki NADH₂ można uzyskać 3 cząsteczki ATP, natomiast z FADH₂ można uzyskać jedynie 2 cząsteczki ATP, łącznie jeden pełny cykl spalania acetylo-CoA daje łącznie 12 cząsteczek ATP (3×3 z NADH₂ + 1×2 z FADH₂ + 1 bezpośrednio w cyklu Krebsa).

Jeśli teraz podliczymy wszystkie cząsteczki ATP, jakie mogą powstać przy spalaniu 1 cząsteczki glukozy, to uzyskamy: 8 ATP (glikoliza) + 2×3 ATP (pirogronian => acetylo-CoA) + 2×12 ATP (cykl Krebsa). Razem daje to 38 cząsteczek ATP.

Aby móc porównywać wartość energetyczną różnych związków sensowniej będzie jednak wyliczyć ilość ATP powstałą z pełnego spalania 100 gramów danej substancji. W przypadku glukozy ze 100g uzyskuje się 21.1 mola [x] ATP.

To by było na tyle, jeśli chodzi o dzisiejszy wykład. Zapraszam na kolejny, będący kontynuacją dzisiejszego, na którym omówię szlaki przemian wewnątrzkomórkowych dotyczące spalania i syntezy tłuszczów.