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
Krzys...
438 downloads
1106 Views
3MB Size
Report
This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
Report copyright / DMCA form
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
-<^0^>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:
<
t° R — C
> 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<\
H
3 ^
H
3 S
H
3 "
Val CV)
C
CH - C H
Leu (L) H
3
-
2
C
H_C - CH_ J
izoleucyna
Ł
\
Ile (I)
/ H
cysteina
Cys CC)
metionina
Met CM)
seryna
Ser (S)
treonina
Thr (T)
3
C
H
-
C
HS - C H H C - S - CH 3
2
- CH
2
-
2
H0H C 2
H_C - CH(OH) 1 3
kwas asparaginowy
Asp CD)
HOOC - C H
asparagina
Asn CN)
H N - CO - C H
kwas glutaminowy
Glu CE)
HOOC - C H
glutamina
Gin [OJ
H N - CO - C H
2
-
2
2
2
-
2
- CH
2
2
-
- CH
2
-
c d. tabeli 2.
H
arglnina
N
2 N
Arg CR)
C - NH - (CH V 2 3
^ IN lizyna
Lys (K)
^ N - CH
N histydyna
His (H)
fenyloalanina
Phe (F)
tyrozyna
Tyr (Y)
tryptofan
t
Trp (W)
^
2
- (CH ) 2
C - CH„ 2
II
HC
-
3
" NH - CH
O<
HO — < ^
>—
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
<
z
aktywność mleka
(%)
100 89. 50 100 96 66 ?n 10
Stężenie efektora lOmM Substancje te, zwane blokatorami, są przeważnie związkami sztucznymi używanymi do badań strukturalnych enzymów. Wpływ niektórych blokatorów na "aktywność enzymatyczna przedstawiono w tab. 15. Aktywatory enzymów Substancje podwyższające aktywność enzymów nazywamy aktywatorami lub efektorami dodatnimi. Tab. 16. przedstawia wpływ niektórych aminokwasów i peptydów na aktywność enzymatyczną. 3.2.
v
Specyficzność enzymów
Enzymy charakteryzuje znaczna specyficzność działania. W odróżnieniu od katalizatorów nieorganicznych, np. platyny, enzymy katalizują ściśle określony typ reakcji, nawet jedną, pojedynczą przemianę- Można zatem wyróżnić: — specyficzność grupową - kiedy substraty są podobne do siebie pod
względem budowy; alfa-amylaza hydrolizuje rozkład wielu oligo- i po1 i sacharydów, T a b e l a
Efektor
c
16-
Wpływ aminokwasów 1 peptydów na aktywność gamma-glutamylotrahsferazy z watrobiaka Morrisa u szczura (Szewczuk i in., 1978) Aktywność względna
(%)
100 95 396 108 117 270 185 104 219 142
Kontrola Gly GlyGly GlyGlyGly GlyLeu SerGly Met Ala Glu Gin Stężenie efektora (w formie L-) 50 mM
- specyficzność stereochemiczna - kiedy substratem jest substancja o określonej budowie przestrzennej; oksydaza L-aminokwasów lub oksydaza D-aminokwasów, - specyficzność absolutna - kiedy istnieje ściśle określony substrat rozkładany tylko przez jeden enzym. Dodatkowe uwagi na temat specyficzności enzymów zamieszczono przy omawianiu enzymów proteolitycznych. Ilość i aktywność enzymów Ilość enzymu można wyrażać w molach lub w miligramach, względnie w pochodnych tych miar. Jednak z uwagi na to, że niewiele enzymów zdołano oczyścić w takim stopniu, aby ich stężenie wyrażać w podanych jednostkach, przyjęto pojecie aktywności enzymu, której miara jest ilość substratu przekształconego w produkt w jednostce czasu. Należy podkreślić, że oznaczanie ilości enzymów w tkankach i płynach ustrojowych polega na pomiarze białka specyficznymi metodami immunologicznymi, wykorzystującymi reakcje antygen-przeciwciało. Aktywność, w odróżnieniu od ilości, jest funkcja szybkości reakcji katalizowanej przez enzym i wyrażana jest w jednostkach. Nazwy umownych jednostek enzymatycznych tworzono od nazwisk odkrywców, jak jednostka Ansona (dla pepsyny), jednostka Bodańskiego (dla fosfatazy), czy jednostka Somogy (dla amylazy). Dla uporządkowania nazewnictwa (często jeden enzym miał wiele jednostek) wprowadzono
pojecie tzw. jednostki enzymatycznej. Jest to taka ilość enzymu, która katalizuje
przemianę 1 mikromola
(10~
6
mola)
substratu
w
czasie 1 minuty w temperaturze 30 w optymalnych warunkach (pH, ro.dzaj i stężenie buforu, obecność wymaganych aktywatorów). Aktywność wyraża sie w przeliczeniu na 1 miligram białka (aktywność właściwa) lub na 1 litr płynu ustrojowego. Wprowadzając układ SI zaproponowano nową jednostkę - 1 katal (1 kat). Jest to taka ilość enzymu, która w optymalnych warunkach reakcji przekształca 1 mol substratu w ciągu 1 sekundy. Ze względu na praktyczne zastosowanie (katal jest jednostką bardzo dużą) używa -9 sie jako jednostek nanokatali (10 katala). Jedna jednostka (standardowa) odpowiada 16,7 nkat. Niekiedy enzym jest obecny w komórce, a nie przejawia działalności, czyli nie jest aktywny. Może to być spowodowane przez wiele czynników, od których zależy przebieg reakcji, zwłaszcza od inhibitorów danego enzymu. Dlatego poprawne jest sformułowanie "nie stwierdzono aktywności enzymatycznej", a błędne "nie stwierdzono enzymów". W miarę rozwoju enzymologii, szybko rozwijającej sie dziedziny biochemii, odkrywano nowe przemiany i enzymy je katalizujące. 3.3.
Proenzymy
Proenzymy są to nieaktywne formy enzymów, które w wyniku aktywacji (dzięki procesowi ograniczonej regulowanej proteolizy) zdolne są pełnić funkcje katalityczną. Przebieg aktywacji proenzymów, zwanych też zymogenami, przedstawiono w tab. 17. Pozostałe informacje dotyczące proenzymów, ich form aktywnych, miejsca działania oraz rodzaju katalizowanych wiązań zestawiono w tab. 18. T a b e l a
17.
Aktywacja zymogenów (proenzymów)
Proenzymy
chymo t rypsynogen
Enzymy
trypsyna pH ok. 8,0
chymotrypsyna + 2 dipeptydy (Ser-Arg, Thr-Asn)
trypsyna pH ok. 8,0 trypsynogen
> enteropeptydaza
trypsyna + heksapeptyd Val-(Asp) -Lys 4
Tabela
18.
Proenzymy żołądka i trzustki
Proenzym
Miejsce syntezy
Enzym
Miejsce działania
Wiązanie
pepsynogen
żołądek
pepsyna
żołądek
G l u ^ T y r , Glu^Phe T y r ^ C y s , C y s ^ Tyr
trypsynogen
trzustka
trypsyna
jelito cienkie
Arg^, Lys^
chymotrypsynogen
trzustka
chymotrypsyn*
jelito cienkie
Phe^Tyr^.Try^ Met -
jelito cienkie
^ aminokwas COOH
4
prokarboksypeptydaza
trzustka
karboksypeptydaza
1
c.d. tabeli 17. • *
pepsyna, H
pepsynogen
+
pepsyna + 9 peptydów
pH ok. 2 W ostatnich latach wyróżniono dwa rodzaje pepsynogenów: a) pepsynogeny grupy I - zlokalizowane w dnie żołądka (area fundi ventricull), b) pepsynogeny grupy II - zawarte w błonie śluzowej wpustu, części proksymalnej dwunastnicy, a także i w dnie żołądka. 3.4.
Koenzymy
'
'"
Niektóre enzymy, szczególnie z klas 1, 2, 5, 6 wymagają do przeprowadzenia reakcji obecności swoistej, niebiałkowej cząsteczki, zwanej koenzymem. Związki te biorą udział w przenoszeniu wodoru or.az innych grup. Przegląd koenzymów oraz grupy prostetyczne przedstawiono w tab. 19. Koenzymy traktuje sie także jako "pomocników substratów", czyli kosubstraty. Przykładem takiego działania jest ATP i NAD. T a b e l a
19.
Przegląd koenzymów i grupy prostetyczne (Filipowicz, 1986, zmodyfikowane)
Nazwa związku dinukleotyd nikotynamidoadeninowy fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego
* :
' v-
Skrót
Przenoszone grupy
NAD
atomy wodoru
NADP
atomy wodoru
.(,"t
dinukleotyd flawinoadeatomy wodoru ninowy
FAD
mononukleotyd flawlnowy
FMN
atomy wodoru elektrony cytochromy
-a
grupa acylowa
koenzym A
\
3
CoA
kwas liponowy f osf opirydoksal
-
t!
grupa acylowa i atomy wodoru r
_ _ . .
adenozynotrifosforan
.„^ ATP
różne grupy, dezaminacja grupy fosforanowe
c d. tabeli 19. urydynodifosforan
UDP
grupy glikozylowe
cytydynodlfosforan
CDP
fosfocholina
ATP
cukier (Gic)
ADP
fosforan cukru (Glc-6-P)
O
0
CH_ - C - C l OH OH kwas mlekowy J
CH. - C - C J U \ O OH
N
kwas pirogronowy
NAD
NADH + H
Do składników koenzymów należą witaminy grupy B. 3.4.1.
Koenzymy tiaminowe
Witamina B^tiamina, aneuryna) w
połączeniu z
pirofosforanem
uczestniczy jako koenzym w procesach nieoksydacyjnej i oksydacyjnej dekarboksylacjl kwasów pirogronowego 1 alfa-ketoglutarowego (2-oksoglutarowego) i transketolacji w cyklu pentozofosforanowym (patrz przemiana cukrowa). 3.4.2.
Koenzymy flawinowe
Witamina B (ryboflawina) jest częścią składowa tych koenzymów 2
i występuje takZe w postaci mononukleotydu flawinowego dinukleotydu flawino-adeninowego (FAD). 3.4.3.
(FMN) lub
Koenzymy nikotynoamidowe
Koenzymy te wchodzą w skład dehydrogenaz i zawierają w centrach aktywnych dinukleotyd nikotynoamido-adeninowy (NAD) lub jego fosforan (NADP). W ich składzie wyróżnia sie amid kwasu nikotynowego (witamina PP).
H
3
C X
CCÓ:
reszta ryboflawiny
/ H C 3
I CH_ I C I C I C I C -
5
H - C - O - P '
H
Ł
H H H H -
mononukleotyd flawiny FMN (ryboflawino-5'-fosforan)
OH OH OH OH
I
'i'
H
ryboflawina
reszta ryboflawiny to H
5
- C - O - P - P - 0 - CH„ 2
I
H
H
QH
OH
H
H
dinukleotyd flawino-adeninowy FAD, forma utleniona NH,
NH.
W
H
H - C - O - P - P - O - C - H
H
H
H
OH
OH O
H
H
OH
OH
H H
nikotynamid ryboza fosforan
adenozyna
dinukleotyd nikotynamidoadeninowy NAD
3.4.4.
Koenzymy biotynowe
Witamina H (blotyna) wchodzi w skład karboksylaz, które katalizują reakcje przyłączania dwutlenku węgla 1 tworzenia grup karboksylowych. 3.4.5.
Koenzymy pirydoksalowe
Pochodne witaminy B, - fosfopirydoksal i fosfopirydoksamina b wchodzą w skład enzymów katalizujących przemianę aminokwasów (transamlnacje, dezaminacje 1 dekarboksylacje)• 3.4.6.
Koenzymy pantotenowe
Grupa połączeń koenzymu A (CoA) z resztami kwasów organicznych (acylokoenzymy A ) . Należą do nich acetylo-CoA, malonylo-CoA 1 sukcynylo-CoA taktywna forma kwasu bursztynowego). 3.4.7.
Koenzymy tetrahydrofolianowe
Czynne biologicznie formy kwasu foliowego, zbudowanego z układu pterynowego, kwasu p-aminobenzoesowego i reszty kwasu glutaminowego są pochodnymi kwasu tetrahydrofoliowego (THFA, FH^) wchodzą w skład koenzymów transferaz. 3.4.8. Do
Koenzymy korynowe koenzymów
korynowych
należą
pochodr.
witaminy
B
J 2
Ckobalaminy). W budowie jej wyróżniamy układ podobny do porfirynowego (układ czterech pierścieni pirolowych), lecz zamiast 2elaza występuje w nim kobalt. 3.5.
Enzymy proteolityczne
Enzymy proteolityczne tworzą grupę stosunkowo dobrze poznanych enzymów, których wspólną cechą jest hydroliza wiązania peptydowego. Różnią sie miedzy sobą specyficznością wobec substratu (tab. 18).
- COOH
NH 2
Leu
-
Tyr
-
Phe - Arg
T T aminopeptydaza
chymotrypsyna
-
Gly... Glu
T trombina
- Tyr - Lys - Val - Ser
T pepsyna
TT trypsyna
karboksypeptydaza
Enzymy te atakują łańcuch polipeptydowy w ściśle określonych miejscach, prowadzać do degradacji białka na peptydy i aminokwasy. Pod względem różnic w strukturze miejsca katalitycznego wyróżnia sie proteinazy serynowe, aspartylowe, sulfhydrylowe i metaloproteazy. Do proteinaz serynowych należą m.in. chymotrypsyna, trypsyna i elastaza. Stwierdzono, że w katalizie uczestniczą następujące reszty chymotrypsyny: His w pozycji 57, Ser w pozycji 195 oraz prawdopodobnie Asp w pozycji 102.
Rys. 19. j j. '
Trójwymiarowy model alfa-chymotrypsyny na podstawie analizy rentgenowskiej. W cyklu katalitycznym funkcjonują reszty His 57 i Se 195; prawdopodobnie uczestniczy w nim także Asp 102
Tak wiec, znacznie oddalone od siebie reszty aminokwasowe, dzięki odpowiedniemu zwinięciu (sfałdowaniu) cząsteczki powodują, że białko to może spełniać specyficzną funkcje katalityczną. Spośród proteinaz aspartylowych najlepiej poznano pepsynę, renine oraz katepsyny E i D. Do proteinaz sulfhydrylowych zaliczamy m. in. papaine, bromelaine, ficyne oraz katepsyny B i C. Strukturę
centrum aktywnego papainy tworzą: grupa sulfhydryIowa Cys^,., kar boksylową Asp.,_ 1 imidazolowa H i s . Metaloproteazy zawierają w ibo io" swej strukturze niezbędny do aktywności kation metalu. W karboksypeptydazie A, pochodzącej z trzustki, kationem warunkującym aktywność jest cynk a jego Ugandami reszty aminokwasowe g' 72 l96" ° aloproteaz należą aminopeptydaza leucynowa i inne aminopeptydazy. 0
1 C Q
H i s
G l u
1
H i s
D
i
n
n
y
c
n
met
6
3.6.
Izoenzymy
Od 30 lat ogromne zainteresowanie biochemików wzbudzają Izoenzymy, formy molekularne jednego enzymu, uwarunkowane genetycznie, katalizują te sama reakcje. W tab. 20 (pozycje 1-3) przedstawiono izoenzymy, do których z a l i c 2 a sie białka niezależne genetycznie, formy różniące sie I-rzedowa budowa oraz struktury uwarunkowane genetycznie. Klasycznym enzymem występującym w T a b e l a
Grupa
6
20.
Wielopostaciowe enzymy (Karpiak, 1986)
Przyczyna heteromorfii
Przykład
białka niezależne genetycznie
dehydrogenaza jabłczanowa w mitrochondriach i cytoplazmie
heteropolimery (hybrydy) dwu lub więcej łańcuchów polipeptydowych związanych niekowalencyjnie
dehydrogenaza mleczanowa
warianty genetyczne (alleiiczne)
dehydrogenaza G-6-P ludzka
białka połączone z innymi grupami
fosforylaza a i b
białka pochodzące z jednego łańcucha polpeptydowego
rodzina chymotrypsyn powstałych z chymotrypsynogenu
polimery z jednakowych podjednostek
dehydrogenaza glutaminianowa o m.cz. 1000 kDa i 250 kDa
c d. tabeli 20 . 7
1
formy różniące sie kon formacja
• . - . » « . - - .
wszystkie allosteryczne modyfikacje enzy mów
postaci pięciu form izomervcznvch jest dehydrogenaza mleczanowa (LDH) o masie cząsteczkowej 130 kDa, składająca się z 4 podjednostek typu H (mięsień sercowy) i typu' M (mięsień szkieletowy). Enzym tetramer, zbudowany z jednostek monomerycznych, występuje w 5 różnych kombinacjach:
HHHM
H 4' H M,
HHMM
H M ,
HMMM
HM
MMMM
M„
HHHH
Chociaż każdy różnić się
z
izoenzymów od innych
-
3
2
2
3'
katalizuje tę wartościami
samą reakcje, może K , ruchliwością m elektroforetyczną, optimum pH, wpływem efektorów oraz właściwościami immunologicznymi. Stwierdzono, że względne proporcje między poszczególnymi izoenzymami LDH mogą zmieniać sie podczas rozwoju ontogenetycznego. Baczyk i in. (1981) stwierdzili, że powysiłkowy wzrost aktywności LDH i katalazy zależy od rodzaju wysiłku i od stanu wytrenowania. Jak wynika z rys. 20, w grupie kontrolnej obserwowano większe zmiany aktywności enzymów w porównaniu z grupą osób wytrenowanych. U/L
LDH
80 70 60 50 40 30 20 10
U/L
katalaza
4 3 2 1 1 2 - przed wysiłkiem gigg - po wysiłku
Rys. 20.
Aktywność LDH i katalazy w grupie kontrolnej osób wytrenowanych (2) (Baczyk i in., 1981)
(1)
i
Ilościowe oznaczanie form molekularnych enzymów ma szerokie znaczenie praktyczne w diagnostyce klinicznej (LDH, CK, aldolaza), a takZe w ocenie wysiłku fizycznego. W tab. 21 przedstawiono zachowanie sie lzoenzymów LDH w surowicy długodystansowców. Po biegu zarówno maratońskim (42 km), jak i na dystansie 160 km stwierdzono procentowy wzrost form z mięśni szkieletowych, szczególnie M. i H M z równoczesnym zmniejszeniem izoenzymu sercowego, zwłaszcza H^ i H M . Takie zachowanie sie izoenzymów LDH jest charakterystyczne dla wysiłku fizycznego, podobnie Jak w wypadku kinazy kreatyninowej (CK), której izoenzym MM (mięśniowy) wykazuje wzrost pod wpływem wysiłku fizycznego w porównaniu z izoenzymem B B (mózgowym) i hybrydem M B . T a b e l a
21.
Aktywność izoenzymów dehydrogenazy mleczanowej w surowicy długodystansowców "Aktywność względna Aktywność całkowita
(%)
4
3
2 2
3
4
132 j/l 194 j/l
31 23
33 27
23 21
9 13
4 16
335 j/l 1227 j/l
24 18
36 21
17 23
12 18
11 19
Dystans 42 km (Rose i in., 1970) przed biegiem po biegu
.
Dystans 160 km (Kielblock i in.,1979) przed biegiem po biegu
3.7.
Regulacja aktywności enzymów
Enzymy funkcjonują zazwyczaj w układach katalizując ciągi reakcji ( produkt P różni n = liczba reakcji lub identyczny z prod u ktem
wieloenzymatycznych, sie od produktu P ,
cykle reakcji, gdzie produkt P jest P , będącym substratem dla kolejnego
enzymu). Nie można zatem rozpatrywać pojedynczej reakcji w oderwaniu od warunków reakcji wieloenzymowej. Regulacje aktywności można widzieć jako sprawność poszczególnych enzymów, na która składają sie wszystkie czynniki wpływające na szybkość
katalizowanej reakcji ( substrat, produkt, pH, temperatura, efektory itd.) oraz jako wyraz aktywności reakcji wieloenzymowej. W tym przypadku występują ograniczenia szybkości reakcji spowodowane przez najwolniej biegnąca reakcje ciągu "wąskiego gardła" określonej przemiany. Do enzymów mających kluczowe znaczenie w regulacjach szlaków metabolicznych należą enzymy regulatorowe, podlegające wpłwom allosterycznym. Do takich enzymów należy fosforylaza glikogenową, rozpoczynająca rozkład glikogenu i proces zwany ciągiem
•ATP HORMONY
• cyklaza adenylowa
/ adrenalina ,gtukagon \ l ACTr^LH,wazopresynai
'
•
- ,
c A M P
\ i n a z a białkowa — kinaza białkowa
jTukoza A T P A D P J G L c - ^ = - — . G6P—-cykl \ pentozowy
^nieaktywna * kmaza /fosforylazy
fosfataza kinazy
syntetaza b
syntetaza a UPPG—G1P,
fosfataza syntetazy ! i i
i
ł
j i
v
glikogen
)
aktywna kinaza fosforylaza a
fosforylaza b
I
© X
«c-amylaza
X
6
1
fosfo'aza fosforylazy ©
maltoolekstryny
f-gjukoamylaza obojętna glukoza
Rys. 21.
Przemiana glikogenu w mięśniach
glikolitycznym. Enzym ten przy udziale nieorganicznego ortofosforanu rozbija końcowe wiązanie alfa-l,4-glikozydowe w łańcuchu glikogenu, uwalniając glukozo-l-fosforan. Fosforylaza glikogenową występuje w dwóch formach jako aktywny tetramer (fosforylaza a) i nieaktywny dimer (fosforylaza b ) . Przejścia
Rys. 22.
J
Allosteryczna regulacja aktywności enzymu - hamowanie: S - substrat, E - enzym, CA - centrum aktywne, MA miejsce allosteryczne, I - inhibitor, zCA - zmienne centrum aktywne (Warchoł i Warchoł, 1985)
-zlA
...
(
- - . 3 E
Rys. 23.
|
Allosteryczna regulacja aktywności enzymu - aktywacja: S - substrat, E - enzym, MA - miejsce allosteryczne, CA - centrum aktywne, zCA - zmienne centrum aktywne, A - aktywator (Warchoł 1 Warchoł, 1985)
wzajemne obu form katalizują, jak wynika z rys. 21, aktywna kinaza fosforylazy oraz fosfataza fosforylazy. Kinaza aktywowana jest przez kinaze białkowa, zaś jej inaktywacje katalizuje fosfataza kinazy. Aktywność kinazy białkowej zależy od cyklicznego AMP, który powstaje z ATP pod wpływem cyklazy adenylowej. Enzym ten aktywuje takie hormony, jak adrenalina, glukagon, ACTH, LH i wazopresyna. Jak skomplikowane sa poszczególne przemiany pokazano na rys. 23. Przemiana polisacharydu, do których należy glikogen w mięśniach, jest regulowana także przez syntetaze glikogenową występująca w dwóch formach, zależnych od kinazy białkowej syntetazy i fosfatazy syntetazy. Spośród innych enzymów przemiany glikogenu należy wymienić alfa-amylaze, degradująca glikogen • do maltodekstryn oraz glukoamylazę obojętna, która rozkłada je z uwolnieniem glukozy. Uwolniona z kolei z glikogenu, w reakcji katalizowanej przez fosforylaze glikogenową, cząsteczka glukozo-l-^ osforanu zostaje przekształcona w urydynodifosfoglukoze (UDPG), a ta staje sie substratem dla syntetazy glikogenowej. Glukozo-l-fosforan może być przekształcony w glukozo-6-fosforan, a następnie wprowadzony na szlak glikoli tyczny lub w cykl pentozowy.
Rys. 24.
Stabilizacja formy aktywnej (1) enzymu w obecności substratu. Substrat przyłączając sie do jednego z cen trów aktywnych tetrameru, powoduje stabilizacje pozosta łych i uniemożliwia przejście w formę nieaktywną (2) (Warchoł i Warchoł, 1985)
Istnieje jeszcze tzw. al losteryczna hipoteza regulacji aktywności, według której formy enzymu moga być aktywne i nieaktywne. Do miejsca allosterycznego w postaci nieaktywnej (posiadającej zmienione' centrum aktywne) przyłącza sie Inhibitor (rys. 22) powodując stabilizacje enzymu i uniemożliwiając przejście w formę aktywną. Z kolei, gdy do formy aktywnej przyłącza sie aktywator, następuje przesuniecie równowagi w stronę form aktywnych enzymu (rys. 23). Stabilizacja formy aktywnej enzymu może zachodzić w obecności substratu (rys. 24), który przyłączając sie do jednego z centrów aktywnych tetrameru (1), powoduje stabilizacje pozostałych miejsc aktywnych. Uniemożliwia to przejście enzymu w formę nieaktywna. 3.8.
Klasyfikacja i nomenklatura enzymów
Wykrycie 1 opisanie ponad 2000 enzymów spowodowało potrzebę ich klasyfikacji oraz ustalenia właściwej terminologii. Założono, że nazwy enzymów używane bedą tylko w .odniesieniu do pojedynczych enzymów i zarezerwowano dla nich końcówkę "aza". Przyjęto, że nazwa enzymów składa się z dwóch części. Pierwsza cześć pochodzi od nazwy katalizowanej reakcji, druga zaś odnosi sie do nazwy substratu. Tworzy to układ "...-aza...-owa" np. fosforylaza glikogenową, dehydrogenaza mleczanowa (tab. 22). Dla niektórych enzymów pozostawiono nazwy zwyczajowe, które zdobyły miejsce w historii enzymologii dzięki swym odkrywcom, jak pepsyna, trypsyna, trombina, lizozym itp. Każdy enzym ma swój numer klasyfikacyjny (systematyczny) przydzielony przez Komisje Enzymową Międzynarodowej Unii Biochemicznej. Numer, tworzący system zwany kodem enzymatycznym, składa sie z czterech członów. Oznaczają one: 1 - klasę lub grupę główna, 2 - podklase, 3 - pod-podklase, 4 - kolejny numer w pod-podklasie. Wszystkie enzymy podzielono na 6 klas: 1 - osydoreduktazy, 2 - transferazy, 3 - hydrolazy, 4 - liazy, 5 - izomerazy, 6 - ligazy (syntetazy). Do klasy pierwszej należą enzymy katalizujące reakcje oksydoredukcji, związane z przeniesieniem protonów, elektronów i tlenu. Wymagają one udziału kofaktorów. W tej klasie enzymów, która dzieli sie na 14 podklas, wyróżnia sie: dehydrogenazy tlenowe i beztlenowe, oksydazy i oksygenazy.
Przykłady: EC 1.1.1.27 dehydrogenaza mleczanowa (patrz izoenzymy) EC 1.3.99.1 dehydrogenaza bursztynianowa (cykl Krebsa) EC 1.16.3.1.ferroksydaza (ceruloplazmina). Drugą klasę stanowa transferazy, które katalizują przeniesie nie grup chemicznych z jednego związku (zwanego donorem) na inny (zwany akceptorem). Przenoszone grupy wskazują na drugi człon w numerze kodowym. Można tu wymienić grupy: monoweglową, aldehydową, ketonową, glikozylową, fosforanową, acylową itd. Przykłady: EC 2.3.2.2 gamma-glutamylotransferaza (diagnostyka) EC 2.6.1.1 aminotransferaza asparaginianowa (diagnostyka) EC 2.6.1.2 aminotransferaza alaninowa (diagnostyka). Enzymy należące do trzeciej klasy to hydrolazy rozbijające wiązania chemiczne przy udziale wody. Należy tutaj wiele enzymów spełniających kluczową role w rozkładzie białek, polisacharydów i kwasów nukleinowych hydrolizujących wiązania peptydowe, glikozydowe i estrowe. Przykłady: EC 3.2.1.1 alfa-amylaza (hydroliza polisacharydów) EC 3.1.1.3 lipaza triacyloglicerolowa (rozkład lipidów) EC 3.4.21.4 trypsyna (rozkład białek). Liazy stanowią czwartą klasę enzymów katalizujących rozbicie wiązań chemicznych (C - C, C - 0, C - N) bez udziału wody. Należą tutaj enzymy dekarboksylazy, hydratazy oraz dezaminazy. Przykłady: EC 4.1.2.13 aldolaza fruktozobisfosforanowa (izoenzymy) EC 4.2.1.2 hydrataza fumaranowa (cykl Krebsa) EC 4.1.1.1 dekarboksylaza pirogronianowa. Piątą grupę enzymów stanowią izomerazy katalizujące zmiany wewnątrz cząsteczki substratu, reakcje oksydoredukcji, izomeryzacji cis, trans, epimeryzacji i racemizacji. Należą do tej grupy klasy epimerazy, cis, trans-izomerazy, mutazy itp. Przykłady: EC 5.1.3.1 3-epimeraza rybulozofosforanowa (cykl pentozowy) EC 5.3.1.9 izomeraza glukozofosforanowa (glikoliza) EC 5.1.1.10 racemaza aminokwasowa. Szóstą klasę enzymów określa sie nazwą ligazy lub syntetazy. Katalizują one reakcje łączenia cząsteczek substratów i tworzenia wiązań C - C , C - 0 , C - N lub C - S. Przykłady: EC 6.3.1.2 syntaza glutaminowa EC 6.2.1.3 syntetaza acylo-CoA EC 6.2.1.5 syntetaza sukcynylo-CoA (tworząca ADP). W nazewnictwie enzymów, obok nazw zalecanych potocznych i zwyczajowych (historycznych), wyróżnia sie jeszcze nazwy systematyczne. Zawierają one pełną informacje o charakterze reakcji oraz o budowie substratu, na który działa enzym. Nazw tych
1
Tabela
22. Przykłady niektórych enzymów i typy katalizowanych reakcji
Enzym
Reakcje (substrat-produkt)
Typ reakcji
dehydrogenaza mleczanowa
mleczan + NAD -»pirogronian + NADH + H
utlenienie
kinaza fosfokreatyninowa
fosfokreatyna + ADP—3-kreatyna + ATP
przeniesienie fosforanu
dekarboksylaza pirogronianowa
pirogronian + H -> 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
<
*
Hb [ 0 ) 2
4
+
DPG
H C — OH Z
Rys. 7. Przebieg glikolizy. Numery oznaczają poszczególne reakcje z tab. 2. Ostatnia reakcja w warunkach beztlenowych: (11) pirogronian > 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
-
>
?
>
<
'
ł 3. Glc-1-P + UTP 4.
PP
?
\ 5. UDP Gic . <
7. UDP + ATP Enzymy: 1) 2) 3) 4)
'
<
UDP Gic + FP
2P
> -
6. UDP Gal + Gic
Glc-1-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
<, Inne nit wywierane
{przez
kinazy białkowe
kalmodulina diacykloglicerol kinaza białkowa aktywowana cAMP
przez
kinaza białkowa aktywowana cGl
kinaza białkowa aktywowana Ca */kalmodu1ina
kinaza białkowa
3° - przekaźniki
BIAŁKOWE
SUBSTRATY KINAZY BIAŁKOWEJ
1 4° - następne przekaźniki
Rys.
4.
fosfatydyloseryna
2
Sygnały
ODPOWIEDŹ BIOLOGICZNA
zewnatrzkonórkowe i vevnatr zkonórkowe
C
Przedni płat przysadki
kora nadnerczy
tarczyca
hormony kory ptód kortykofropina
somafofropina
tyroksyna gruczoły sutkowe
prolaktyna
tyreotropina
estrogen
testosteron
jajniki
jądra
Rys. 5.
Nadrzędna rola przedniego płata przysadki mózgowej
wzgórze
iródmózgowie móżdżek
podwzgórze
rdzeń przedtużony
Rys. 6.
Występowanie hormonów w strukturach mózgu i przysadki 1 - somatostatyna, VIP, 2 - substancja P, 3 - angio tensyna, 4 - liberyny, 5 - tropiny, 6 - bradykinina
3.
Hormony przysadki mózgowej
Przysadka mózgowa, która stanowi niewielka cześć mózgu (Jej ciężar wynosi około 0,7g) jest producentem hormonów odgrywających bardzo ważna role w procesach fizjologicznych organizmu. Przysadka jest gruczołem dwupłatowym leżącym u podstawy mózgu. Każdy z płatów różni sie pochodzeniem i czynnością. Oba sa odrębnymi gruczołami, podobnie jak rdzeń i kora nadnerczy lub tarczyca i przytarczyce. Tylny płat przysadki [neurophysis) tworzy sie z tkanki mózgowej i wykazuje podobieństwo strukturalne do tkanki nerwowej. Przedni płat przysadki mózgowej nazywany Jest też nadrzędnym gruczołem układu hormonalnego ze względu na jego ważna role w regulacji czynności innych gruczołów dokrewnych (rys. 5 ) . Pod wpływem podwzgórza, które znajduje sie tuż nad przysadką, przedni płat przysadki wydziela hormony tropowe (rys. 6 ) . Hormony te regulują następnie funkcje wydzlelnicze gruczołów, takich jak tarczyca, kora nadnerczy, gruczoły płciowe oraz wpływają na wzrost organizmu. Powstające w tych gruczołach hormony, na zasadzie działania ujemnego sprzężenia zwrotnego, regulują wydzielanie hormonów tropowych przez przysadkę (rys. 7),
stres fizyczny, psychiczny
Rys. 7.
Sprzężenie zwrotne w regulacji hormonów na przykładzie wydzielania ACTH
3.1.
Hormony przedniego piata przysadki
Hormony przedniego płata przysadki sa białkami, z wyjątkiem adrenokortykotropiny (ACTH), która jest peptydem. 3.1.1.
Adrenokortykotropina, kortykotropina (ACTH)
. *cł.
Hormon ten jest peptydem składającym sie z 39 reszt aminokwasowych. Powstaje on po enzymatycznej hydrolizie glikoproteinowego prekursora, który znajduje sie w przysadce H N 2
Fragment "16 K"
COOH 91
0 - LPH
ACTH (1-39)
a MSH (1-13)
vi'•
( 1-91)
CLTP (18-39)
1
s
vi i.jif
yLPH (1-58)
0-endorfina (61-91)
0-MSH y-endorfina (41-58) (61-77)
a-endorfina (61-76)
Met-enkefalina (61-65) Rys. 8.
Enzymatyczny rozpad przysadki mózgowej
wspólnego
prekursora
hormonów
mózgowej. Obok hormonu adrenokortykotropowego powstają również inne aktywne biologicznie peptydy ( rys. 8 ) . ACTH reguluje rozwój i funkcje wydzielniczą kory nadnerczy. Pobudza on głównie wydzielanie glukokortykosteroidów, natomiast ma bardzo niewielki wpływ na tworzenie mineralokortykosteroidów. Obniżenie poziomu glukokortykosteroidów we krwi wpływa na pobudzenie przedniego płata przysadki do wydzielania kortykotropiny, która z kolei
pobudza wydzielanie kory nadnerczy. Jest to typowy przykład ujemnego sprzężenia zwrotnego. Wydzielanie kortykotropiny może też być pobudzone przez niektóre czynniki neurosekrecyjne z podwzgórza, Jak np. stresy emocjonalne, skrajne temperatury, leki, jady oraz inne substancje chemiczne. Wpływa na przemianę tłuszczowa, azotową i cukrową. 3.1.2.
Melanotropina (MSH)
Hormonem stymulującym działanie komórek barwnikowych jest melanotropina (MSH). Rozróżnia sie formy alfa- i beta-MSH, które powstają z tego samego białkowego prekursora co ACTH. Hormony te decydują o zabarwieniu skóry. 3*1.3.
Hormony gonadotropowe
Przedni płat przysadki mózgowej wydziela trzy hormony niezbędne zarówno do rozwoju, jak Ł* utrzymania prawidłowych funkcji płciowych. Hormony te nazywa sie hormonami gonadotropowymi, ponieważ wpływają na wzrost i rozwój gonad. Pod względem budowy chemicznej sa one glikoproteidami. Składają sie z dwu podjednostek alfa i beta. Podjednostki łańcuchowe alfa sa identyczne dla wszystkich hormonów gonadotropowych, różnią sie natomiast budową podjednostek beta. Wydzielanie tych hormonów sterowane jest przez poziom hormonów płciowych we krwi oraz przez peptydy wydzielane przez podwzgórze, zwane czynnikami uwalniającymi. 3.1.3.1.
Folitropina (FSH)
Folitroplna jest glikoproteidem o masie cząsteczkowej 30 kDa, w którym cukry stanowią około 16 %. Cześć cukrowa istotnie wpływa na funkcje biologiczną hormonu, który u kobiet, począwszy od okresu pokwitania aż do przekwitania umożliwia występowanie określonych zmian w cyklu menstruacyjnym (rys. 9 ) . Pobudza on rozwój i dojrzewanie pęcherzyka Graafa, który wytwarza komórkę Jajową i działa jak gruczoł wytwarzający estrogen. U mężczyzn folitropina stymuluje spermatogenezę w jądrach. 3.1.3.2.
Lutropina (LH)
Hormon ten jest glikoproteidem o masie 28 kDa, zawierającym 15,5 V. węglowodanów. U kobiet steruje dalszym rozwojem komórki jajowej oraz jej wyjściem z pęcherzyka jajnikowego. Pobudza też jajnik do wydzielania progesteronu. U mężczyzn pobudza tworzenie testosteronu w jądrach (rys. 10). Syntezę i uwalnianie obu hormonów reguluje folillberyna (FSH-RF) oraz luliberyna (LH-RF).
proliferacja
sekrecja
\
błono podstnwcwa
Rys. 10.
3.1.3.3.
Wpływ LH i FSH na komórki płciowe męskie
Gonadotropina komórkowa (hCG)
Hormon ten syntezowany jest przez komórki tropoblasty w macicy. Uważany jest za bardzo wczesny wskaźnik ciąży i pojawia sie w organizmie już w 8-10 dniu ciąży. Jest gl ikoproteidem o masie 38 kDa i składa sie z dwu podjednostek alfa i beta. Podjednostka alfa jest identyczna pod względem budowy chemicznej z podjednostkami alfa hormonów gonadotropowych wydzielanych przez przysadkę mózgowa. Podjednostka beta składa sie ze 145 reszt aminokwasowych. Oznaczani e podjednostki beta hCG wykorzystywane jest w testach ciażowych głównie metodami radioimmunologicznymi. Jednym z większych osiągnięć endokrynologii było wprowadzenie kontroli urodzin przez zastosowanie doustnych środków
antykoncepcyjnych. Głównym składnikiem tych pigułek - jest progestyna, syntetycznie otrzymywany związek, o budowie podobnej do żeńskiego hormonu płciowego - progesteronu. Większość pigułek antykoncepcyjnych zawiera również estrogen. Pigułki antykoncepcyjne potrzebne sa do zapobiegania owulacji (rys. 11).
Cykl
miesiączkowy (28 d n i )
progesteron owulacja okres płodności 3
5
7
9
11
13
15
17
19
21
23
25
27
29
eeoeeoeeeeeeeeeoeoee 20 t a b l e t e k
Rys. 11.
kombinowanych
Wpływ hormonalnych środków antykoncepcyjnych na stężenie estrogenu i progesteronu w cyklu menstruacyjnym
Hormony przysadkowe folitropina (FSH) i lutropina (LH) niezbędne sa do wytwarzania i uwalniania z jajnika dojrzałego jaja,natomiast estrogen i progesteron działają w sprzężeniu zwrotnym, hamując wydzielanie FSH i LH. Jeżeli kobieta przyjmie codziennie, począwszy od piątego dnia menstruacji, pigułkę antykoncepcyjną, to zostaje zahamowane wydzielanie FSH i LH przez przysadkę, a tym samym nie pojawi sie jajo przygotowane do zapłodnienia. To świadome hamowanie procesu wytwarzania jaja
bardzo przypomina naturalne hamowanie owulacji występującej u ciężarnej kobiety ( wskutek dużego naturalnego stężenia estrogenu i progesteronu az do zakończenia ciąży nie uwalnia sie żadne nowe jajo). 3.1.4.
Tyreotropina (TSH)
Hormon ten jest gllkoproteidem o masie cząsteczkowej 28 kDa. Składa sie, jak wszystkie hormony glikoproteidowe wydzielane przez komórki przysadki mózgowej, z dwu podjednostek: alfa, która Jest identyczna we wszystkich hormonach 1 beta, która decyduje o specyficzności działania tego hormonu. Tyreotropina wywiera wpływ na czynności tarczycy, łącznie z jej rozwojem i działaniem. Wpływa ona na następujące przemiany zachodzące w tarczycy: - przemieszczanie jodu z krwi do komórek tarczycy, - wbudowanie jodu do tyreoglobuliny, - powstawanie aktywnych hormonów T^, T^ i przenoszenie ich do krwi. _ T a b e l a
2.
Hormony podwzgórza (liberyny, statyny) przedniego płata przysadki (tropiny)
Liberyny PRF MRF SRF CRF TRF FSH LH
-
prolaktoliberyna melanoliberyna somatoliberyna kortykoliberyna tyreoliberyna RF - foliberyna RF -' luliberyna
Tropiny
i
Statyny
prolaktyna melanotropina somatotropina kortykotropina tyreotropina folitropina lutropina
prolaktostatyna - PIF melanostatyna - MTF somatostatyna - GH-IF
Ponadto tyreotropina oddziałuje na: - glikolizę, - cykl Krebsa, syntezę prostaglandyny, fosfoglicerydów i sfingolipldów. Wydzielanie TSH regulowane jest przez tyreoliberyne TRH, a hamowane przez somatostatyne (tab. 2 ) . TRH jest tripeptydem (pGlu-His-ProNH^ ), jedna z pierwszych liberyn, której sekwencje poznano w pracowni A. Shally'ego uczonego polskiego pochodzenia.
-
laureata
Nagrody
Nobla, i
3.1.5.
Prolaktyna (laktotropina, PRL)
Prolaktyna jest białkiem składającym sie ze 198 reszt aminokwasowych, o masie cząsteczkowej 23 kDa. Jest ona hormonem
występującym wyłącznie u kobiet. Razem z estrogenami pobudza rozwój gruczołów sutkowych. Wspólnie z lutropiną(LH) podtrzymuje wydzielanie progesteronu, co ma podstawowe znaczenie w utrzymaniu ciąży. Wydzielanie prolaktyny pobudzane jest przez estrogeny oraz przez odruch ssania. Uwalnianie prolaktyny stymuluje czynnik podwzgórza - prolaktoliberyna (PRF), a hamuje ten proces prolaktostatyna (tab. 2 ) . 3.1.6.
Somatotropina (hormon wzrostu, STH, GH)
Hormon ten jest białkiem o strukturze dimerycznej. Budową chemiczną przypomina prolaktynę. Somatotropine nazywa sie również hormonem wzrostu, ponieważ wpływa na zwiększenie masy ciała i wzrost organizmu. Zmniejszenie wydzielania somatotropiny może spowodować karłowatość, natomiast nadmiar prowadzi do gigantyzmu oraz akromegalil. Wpływ na zwiększone wydzielanie STH mają: sen, stres, głód, glukagon, ważopresyna, serotonina oraz zmniejszone stężenie glukozy i insuliny we krwi. Wpływa ona również na wydzielanie specyficznych związków biologicznie aktywnych, zwanych somatomedynami, które oddziaływują na szereg przemian zachodzących w organizmie. Somatomedyny są peptydami o masie cząsteczkowej 7-10 kDa, działającymi stymulująco na wzrost chrząstek oraz, podobnie do insuliny, na transport aminokwasów i cukrów, odkładanie glikogenu i tłuszczów oraz syntezę białek. Wydzielanie STH regulują czynniki podwzgórza: aktywująco somatoliberyna i hamująco somatostatyna. Ta ostatnia wydzielana jest w różnych miejscach i działa hamująco na: -
podwzgórze - STH, TSH, PRL, trzustkę (komórki D) - insulina, glukagon, żołądek - gastryna, jelita - sekretyna. .... .
•
-•"•^ L. i.
\>-'. i v
3.2.
Hormony tylnego płata przysadki
-- -
Tylny płat przysadki gromadzi dwa hormony: wazopresyne (ADH) i oksytocyne. Hormony te nie są wytwarzane w miejscu ich wydzielania do organizmu, ale w podwzgórzu. Oba związki są następnie przenoszone wzdłuż włókien nerwowych do tylnego płata przysadki mózgowej, w której są magazynowane. Budową, synteza i fizjologią tych hormonów zajmował sie Vincent du Vigneaud, a prace jego zostały wyróżnione Nagrodą Nobla. Pod względem budowy chemicznej hormony te są peptydami złożonymi z dziewięciu aminokwasów, licząc dwie reszty cysteiny. Po siedem aminokwasów mają identycznych, a różnią sie tylko dwoma, co jednak powoduje, że wykazują zupełnie odmienne właściwości biologiczne w organizmie. Otrzymano syntetycznie wiele analogów tych hormonów, które obecnie mają zastosowanie jako leki. Syntezowane są pierwotnie jako peptydy o większej liczbie aminokwasów i dopiero po enzymatycznych
przekształceniach tych prekursorów powstają w organizmie właściwe hormony. Oba prekursory hormonów izolowane z przedniego płata przysadki maja ok. 10 kDa. 3.2.1.
Uazopresyna
Wazopresyna nazywana Jest tez hormonem antydiuretycznym ze względu na Jej działanie zmniejszające straty wody. Zmiany ciśnienia osmotycznego krwi i płynów tkankowych pobudzają neurony w podwzgórzu, co powoduje silne wydzielanie wazopresyny. Obok regulacji wydalania wody z organizmu, powoduje ona też kurczenie sie mięśni tętniczek i naczyń włosowatych, a tym samym wzrost ciśnienia krwi. Wydzielanie wazopresyny zależne jest od: - niskiego ciśnienia, - efektywnej objętości krwi w organizmie, - niektórych leków, - osmotycznego ciśnienia krwi. , 3.2.2.
Oksytocyna (ocytocyna)
Oksytocyna wpływa na skurcz mięśni gładkich, głównie macicy, pęcherza moczowego i jelit. Hormon ten, podawany w czasie porodu, powodując skurcz mięśni, ułatwia poród i zmniejsza upływ krwi. Oksytocyna, podobnie jak prolaktyna, pobudza powstawanie mleka. W tab. 3 przedstawiono głównie efekty działania oksytocyny w organizmie. T a b e l a
3.
Biologiczny oksytocyny
efekt
działania
Zmiany dotyczą
Wazopresyna
ciśnienia krwi wydalania wody naczyń krwionośnych jelit skurczów macicy wydzielania mleka
podnosi hamuje zweźa pobudza pobudza słabo pobudza
4.
wazopresyny
i
Oksytocyna nieznacznie obniża nieznacznie hamuje nieznacznie rozszerza pobudza pobudza pobudza
Hormony taczycy
Tarczyca, czyli gruczoł tarczycowy, składa sie z dwóch płatów bocznych i łączącego je przesmyku. Średnia wąsa tarczycy u dorosłego człowieka wynosi 25--30 g. Ten n5eparzysty gruczoł zbudowany jest z komórek wydzielnirzych, w których syntezowane sa
substancje wykazujące właściwości hormonalne. Pod względem budowy chemicznej sa one pochodnymi aminokwasu tyrozyny. Badania z zastosowaniem radioaktywnego jodu wykazały, Ze organizm gromadzi jod głównie w tarczycy. Stężenie jodu w tym gruczole jest 2-3 tysiące razy wyższe niż we krwi. Co najmniej 25 % jodu występują cego w organizmie zmagazynowane jest w tarczycy. W komórkach wydzielniczych tarczycy 75 % białek stanowi specyficzne białko będące glikoproteidem, nazwane tyreoglobuliną. Białko to nie wykazuje właściwości hormonalnych, ale jest miejscem syntezy i magazynem właściwych hormonów tyroksyny (T^) i trijodotyroniny (rys. 12). Niektórzy autorzy sądzą, źe
Jest prohormonem, z
którego powstaje T^- Tyreoglobuliną o masie cząsteczkowej 600
kDa
składa sie w 10 '/. z cukrów, a cześć białkowa zbudowana jest m.in. ze 140 reszt tyrozyny (najczęściej w 25 % zjodowanej) i 240 reszt cysteiny.
*•
Podwzgórze TRH
somatostatyno.
Przysadka
TSH
Tarczyca
Tyreoglobuliną synteza Tyreoglobuliną proteoliza
> i .
Krew Tyroksyna
r
inhibicja
Trijodotyror ina stymulacja
Rys. 12.
Regulacja syntezy hormonów tarczycy
Powstawanie wolnych hormonów zależy od następujących procesów: - przedostanie sie jodu przez błony do komórek tarczycy, - wbudowanie jodu do reszty tyrozyny w tyreoglobulinie, - enzymatycznej hydrol izy tyreoglobuliny i wydzielania wolnych hormonów do krwi.
Jod przedostaje sie do komjrki na drodze transportu aktywnego przy współudziale enzymu Na /K ATP-azy, która jest zlokalizowana w błonie komórkowej. Wbudowanie Jodu do tyreoglobuliny odbywa sie przy współudziale peroksydazy tarczycowej. Dzienne zapotrzebowanie na jod u człowieka wynosi około 300 ug. Jod ulega wielu przemianom i ostatecznie zostaje wydalony z moczem, głównie w postaci wolnych jonów J , a tylko w około 1 *A w postaci związków organicznych. Po enzymatycznej hydrolizie tyreoglobuliny powstaje kilka pochodnych Jodowanych tyrozyny, ale tylko nieliczne z nich wykazują właściwości hormonalne (tab. 4 ) . Za podstawowy hormon produkowany przez tarczyce uważa sie tyroksyne. Po przedostaniu sie do krwi tyroksyna łączy sie ze specyficznymi białkami, które odgrywają w organizmie role transporterów do miejsc docelowych. Znane są trzy rodzaje białek, które pełnią role transporterów tyroksyny: - TBG globulina wiążąca tyroksyne [thyroxlne binding globulin); jest to główny transporter tyroksyny o masie 55 kDa: przenosi 60 '/. T , 4
- prealbumina przenosząca około 30 */. hormonu, - albumina przenosząca 10 V. hormonu w sposób nieswoisty. Jedna z metod pomiaru hormonów tarczycy oparta jest na oznaczeniu ilości transporterów tych hormonów we krwi. Trijodotyronina przenoszona jest we krwi razem z TBG. Receptory hormonów tarczycy znajdują sie w chromatynie jąder komórkowych i w mltochondriach wielu tkanek i narządów. Ilość białkowych transporterów hormonów tarczycy we krwi regulowana jest głównie przez hormony sterydowe, takie jak estrogeny, androgeny, glukokortykoidy i Ich metabolity. Hormony tarczycy przyspieszają reakcje wewnątrzkomórkowe w większości narządów i tkanek. Wpływają na wzrost i rozwój młodych organizmów. Zwiększają przemianę węglowodanów i tłuszczów. Tyroksyna hamuje powstawanie ATP, co powoduje, Ze energia przemienia sie w ciepło i powoduje podniesienie temperatury organizmu. Zaburzenia w działaniu tarczycy określa sie jako nadczynność i niedoczynność tarczycy. Powstawanie 1 wydzielanie hormonów w tarczycy regulowane jest przez hormon przedniego płata przysadki mózgowej tyreotropine, która stymuluje wychwytywanie jodu przez tarczyce i wbudowanie go do tyreoglobuliny. Pomiędzy ilością tyreotropiny a i 1ością tyroksyny występuje ujemne sprzężenie zwrotne, w którym produkt końcowy reguluje czynność układu wytwórczego. W zdrowym organizmie powstaje dziennie 70-90 ug tyroksyny (T^) i około 35 ug trijodotyroniny (T^). Okres półtrwania T^ wynosi S dni, a T^ tylko 19 godzin. 5.
Hormony przytarczyc
T a b e l a
4.
Związki Jodoorganlczne występujące w tarczycy
., , . Nazwa związku
3,5,3',5-tetraJodotyronlna . (tyroksyna. T j*
. . . . . . Wzór strukturalny
J. \ HO-^ \
/" '
0
J. V ~X >
/ 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 -
—
I \ - CH -CH-COOH
5 -
8
300 - 500
2
/ J 3,3*-
J
\~ H0-<^
J
3-aonoJodc: tyrozyna
S
\^ > -0 - < ^
N H
S
HO - <
NH
~.
I CH -CH-CX)0H
2
I
>- CH -CH-C00H 2
l
2
17 -,~$t
5-10
U człowieka występują dwie pary małych, owalnych gruczołów połączonych z tarczyca, określanych mianem przytarczyc. Hormon wytwarzany w przytarczycach nie Jest chemicznie podobny do hormonów powstających w tarczycy. Hormon przytarczyc - parathormon - jest pollpeptydem zbudowanym z 84 reszt aminokwasowych o masie 8,5 kDa, który reguluje poziom wapnia i fosforu we krwi. Biologiczne działanie tego hormonu przedstawiono w tab.5. Niektóre wyspecjalizowane komórki tarczycy wytwarzają tez hormon kalcytonine, łańcuch peptydowy o masie 3,5 kDa, która podobnie jak parathormon, lecz antagonistycznie reguluje przemiany fosforanów i wapnia w organizmie. T a b e l a
5.
Biologiczne działanie hormonów regulujących przemiany fosforu i wapnia w organizmie
Miejsce działania
Kalcytonina
Parathormon
1
++
surowica ( C a )
V
l
surowica ( p )
1 V
++
kości
uwalnianie Ca
przewód pokarmowy
przyspieszone wchłanianie Ca
nerka
1
synteza wit D
3
+ +
+ +
bez efektu
t
Ca
+ +
1
t
1* - wzrost ilości 6.
ca
uwalnianie Ca*
l
- spadek ilości
Melatonina
Głównym produktem gruczołu szyszynki jest melatonina. Biosyntezę melatoniny w organizmie przedstawiono na rys. 13. Melatonina wydzielana jest w około 70 X podczas snu. Powoduje ona zabarwienie skóry. Serotonina, waZna pochodna tryptofanu bedaca bezpośrednim substratem melatoniny, wpływa na zwężenie naczyń krwionośnych oraz stymuluje skurcze mięśni gładkich. Nadmiar serotoniny pobudza aktywność mózgu, natomiast niedomiar wywołuje hamowanie.
i - i
I - CH_CH_- C - NH I C = O I OH
, '
H I
HO C
Z
" V
>
C "
N H
2
C = O I
OH
tryptofan
5-hydroksytryptofan
H
O * II - CH CH - N - C -CH I
CH CH - NH 2
2
2
serotonina (5-hydroksytryptamina)
H
3
C
" °S
H 0 ' " "" I II - CH CH - N - C - CH
melatonina (5-metoksy-N-acatylotryptamina) Rys. 13. 7.
Biosynteza melatoniny
Hormon trzustki
Trzustka pełni w organizmie funkcje zarówno gruczołu trawiennego, jak i gruczołu wydzielania wewnętrznego. Składa sie głównie z komórek gruczołowych wydzielających mieszaninę enzymów trawiennych, które wydzielane sa przez przewód dochodzący do jelita cienkiego. Trzustka zawiera również liczne, rozsiane, okrągłe, dostrzegalne pod mikroskopem skupienia, zwane wysepkami Langerhansa, które stanowią 1-2 % jej masy. Nie mają one przewodów, a mimo to pełnią ważne funkcje dokrewne. Trzustka składa sie z kilku rodzajów komórek, które produkują i wydzielają hormony. W tab. 6 przedstawiono hormony wydzielane przez trzustkę
T a b e l a
6.
Hormon
Hormony wydzielane przez funkcje w organizmie
trzustkę
i
ich
Miejsce działania
Procesy, na które wpływa
insulina
wątroba
glukagon
mięśnie tkanka tłuszczowa wątroba
hamowanie rozkładu gli kogenu, glukoneogenezy i ketogenezy lipogeneza fosforoliza glIkogenu uwalnianie wolnych kwa sów tłuszczowych hamowanie wydzielania glukagonu i insuliny
tkanka tłuszczowa somatostatyna trzustka
oraz wyszczególniono ich ważniejsze funkcje, Jakie pełnią w organizmie. Komórki wydzielające insulinę stanowią około 60 5S wszystkich komórek wysepek Langerhansa, komórki wydzielające glukagon 30 "A, a somatostatyne ok. 10 V*. Stwierdzono też obecność pojedynczych komórek wydzielających peptyd o działaniu hormonalnym, tzw. peptyd trzustkowy. 7.1.
Insulina
W komórkach typu (i wysepek Langerhansa produkowany Jest białkowy prekursor insuliny. Zbudowany jest ze 109 reszt aminokwasowych i określany preprolnsuliną. Po enzymatycznej hydrolizie tego białka i odszczepieniu peptydu składającego sie z 23 aminokwasów powstaje proinsulina, która jest wydzielana przez komórki fi do krwi. Z proinsuliny po enzymatycznym odszczepieniu kolejnego peptydu powstaje aktywny hormon insulina (rys. 14). preproinsulina 107-109 AA
i peptyd sygnałowy
Rys. 14.
proinsulina 84 AA
i
>
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
<*: o a
TKANKA TŁUSZCZOWA
Rys. 2.
Transport lipidów w ustroju: TG - trójgliceryd, PL fosfolipidy, Ch - cholesterol, FFA - wolne kwasy tłuszczowe (Kwiatkowska-Korczak, 1982)
HDL pochodzą z różnych źródeł, a do ich powstania przyczynia sie wątroba i jelito cienkie. Transportują one cholesterol z tkanek obwodowych do wątroby, gdzie ulegają dalszej przemianie. Za przemiany cząsteczek llpoprotelnowych chylomikronów, VLDL i HDL odpowiedzialne są dwa enzymy: lipaza lipoprotelnowa (LPL) i acylotransferaza lecytyna: cholesterol (LCAT). Lipaza (LPL) katalizuje reakcje zwaną lipollzą, w której powstają wolne kwasy tłuszczowe i glicerol, a także cząsteczki lipoprotein o zmniejszonej ilości triglicerydów. LCAT katalizuje reakcje: . i . T cholesterol
. +
i . lecytyna
>
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<
Cholekalcyferol J <
(skóra)
w
(wątroba) 25-hydroksylaza
25(OH) hydroksykacyferol 24-hydroksylaza
1-hydroksylaza (nerka)
24,25-dihydroksykalcyferol P, Ca
1,25-dlhydroksykalcyferol © Parathormon Gfca.
11.
Lipidy a wysiłek fizyczny
Pod wpływem wysiłków fizycznych stężenie wolnych kwasów tłuszczowych (WKT) zmienia sie dwufazowo. W pierwszej fazie trwającej 10-15 min stężenie kwasów palimitynowego, oleinowego i linolowego zmniejsza sie. Następnie w drugiej fazie obserwuje sie wzrost ich poziomu powyżej stężenia spoczynkowego. Zwiększenie stężenia WKT we krwi bardziej zależy od czasu trwania niż od intensywności wysiłku. Należy pamiętać, że u niektórych ludzi nie występuje początkowo obniżenie WKT, a zależy to od intensywności wysiłku, wydolności fizycznej osobnika i stosowanej przez niego diety. Wykonując oznaczenia tego wskaźnika należy pamiętać, aby przeprowadzić je bezpośrednio po wysiłku, gdyż powrót stężenia WKT do stanu spoczynkowego jest stosunkowo szybki. Podczas wysiłków fizycznych trwających ponad 60 min przyczyna wzrostu stężenia WKT we krwi jest zwiększone ich uwalnianie z tkanki tłuszczowej w wyniku nasilonej lipolizy. Za takim tłumaczeniem przemawia też stwierdzany wzrost stężenia glicerolu. Dane dotyczące zmian stężenia triglicerydów (TG) w wysiłku fizycznym nie sa jednoznaczne. Podczas krótkotrwałych wysiłków stężenie TG nie zmienia sie lub nieznacznie wzrasta. Po wielogodzinnych wytrzymałościowych wysiłkach sportowych stężenie TG obniża sie znacznie nawet około 60 54. Ten efekt utrzymywał sie parę dni po wysiłku. Zmniejszenie sie stężenia TG pod wpływem długotrwałych wysiłków fizycznych łączy sie z jednej strony ze spadkiem ich zawartości we frakcji VLDL a z drugiej ze zmniejszeniem sie ich syntezy w wątrobie lub zwiększeniem tkankowego wychwytywania ich substancji.
ZAGADNIENIA POMOCNICZE DO TEMATU: PRZEMIANA LIPIDÓW 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.
Lipidy (tłuszczowce) i ich podział. Nasycone i nienasycone kwasy tłuszczowe. Lipoproteiny, podział, metabolizm. Lipoproteiny a wysiłek fizyczny. Tłuszczowce w Żywieniu sportowców. Lipoliza i jej regulacja. Wpływ hormonów na przemianę tłuszczowa. Beta-oksydacja, rozkład kwasów tłuszczowych. Acetylo-CoA i jego kluczowa rola w powiązaniu przemian. Synteza kwasów tłuszczowych. Fosfoglicerydy i Ich przemiany. Sflngomiellny, glikolipidy. Biosynteza cerebrozydów. Biosynteza cholesterolu. ACP i SCP. Biosynteza kwasów żółciowych. Aktywne formy witaminy D. Regulacja gospodarki wapniowej i fosforanowej. PIŚMIENNICTWO
Angielski S. , Rogulski J. (1982) Zarys analityki. PZWL, Warszawa.
biochemii
klinicznej i
Baczyk S. (1986) Podstawy biochemii sportu. PWN, Poznań. Kozłowski S. Warszawa.
(1986) Granice
przystosowania.
Kozłowski S. , Nazar K. (1985) klinicznej. PZWL, Warszawa.
Wiedza
Wprowadzenie
Kwlatkowska-Korczak J. (1982) Podstawy lipidów. Akademia Medyczna, Wrocław.
Powszechna,
do
biochemii.
6,
fizjologii
Przemiana
Michalik A., Sznajderman M. (1986) Lipidy i lipoproteiny osocza. PZWL, Warszawa. Ziemiański S. (1987) Zarys fizjologii człowieka. AWF, Warszawa.
SPIS TREŚCI CZEŚĆ IV. PRZEMIANA LIPIDÓW
181
1. Budowa 1 właściwości chemiczne lipidów 1.1. Kwasy tłuszczowe 1.2. Lipoproteiny 1.2.1. Chylomikrony (CHM) 1.2.2. Lipoproteiny o bardzo małej gęstości (VLDL) ... 1.2.3. Lipoproteiny o małej gęstości (LDL) 1.2.4. Lipoproteiny o dużej gęstości (HDL) 1.2.5. Metabolizm lipoprotein 1.2.6. Lipoproteiny a wysiłek fizyczny 1.3. Tłuszczowce w 2ywieniu sportowców 2. Lipoliza 3. Aktywacja kwasów tłuszczowych i ich rozkład 4. Synteza kwasów tłuszczowych 5. Acetylo-CoA i jego kluczowa rola w powiązaniu przemian . 6. Synteza triglicerydów 7. Przemiana lipidów złożonych 7.1. Fosfoglicerydy < 7.2. Fosfatydyloinozytole 7.3. Sfinogomieliny 7.4. Glikolipidy 7.4.1. Galaktolipidy 7.4.2. Gangliozydy 7.4.3. Galikolipidy siarczanowe 8. Biosynteza cholesterolu 9. Kwasy żółciowe 10. Metabolizm witamin grupy D (kalcyferoli) 11. Lipidy a wysiłek fizyczny
183 183 183 184 184 184 184 187 188 189 190 190 194 195 195 196 196 197 198 198 198 199 199 200 201 202 203
ZAGADNIENIA POMOCNICZE DO TEMATU: PRZEMIANA LIPIDÓW
204
PIŚMIENNICTWO
204
C Z E Ś Ć
V
GOSPODARKA WODNA I MINERALNA
G O S P O D A R K A
1.
W O D N A
I
M I N E R A L N A
Gospodarka wodna
Właściwości wody, substancji występującej w 70-80 % w organi zmie, można zestawić następująco: - dobry rozpuszczalnik, udział w większości reakcji chemicznych, - regulator temperatury ciała, ochrona przed przegrzaniem. Rozmieszczenie wody w organizmie można podzielić na: - wode wewnątrzkomórkowa (intracelularna) - 40-50 5i, - w o d e pozakomórkową (ekstracelularna) 20 *A, w tym: 15 *A przypada na wode płynu śródkomórkowego, limfy płynu mózgowo-rdzeniowego, 5 *A - na krew, a na wode w przewodzie pokarmowym - 30 "A. 1.1.
Bilans wody
Woda dostaje sie do organizmu w postaci płynów w pokarmach stałych, natomiast opuszcza go z moczem, kałem, powietrzem wydechowym i potem. Ilość zarówno dostarczanej, jak 1 wydalanej wody zależy od wielu czynników, np. od temperatury i wilgotności powietrza, pory roku oraz wysiłku fizycznego. pokarmy s t a t e - (okAOl)
płyny 11-51) -
(0.3-0,611 kat (0,1-0,21) Rys. 1.
Schemat bilansu wodnego
powietrze wydechowe I0.2-0.4U
Gospodarka wodna jest regulowana hormonalnie, bezpośrednio przez wazopresyne, a pośrednio przez hormony, które regulują gospodarkę mineralna. Oprócz wody przyjmowanej w postaci płynów i produktów stałych w organizmie tworzą sie znaczne ilości wody metabolicznej. Obliczono, że z 1 g tłuszczu powstaje 1 g wody, z 1 g węglowodanów -0,6 g wody i z 1 g białka - 0,4 g wody. Można przyjąć, że Ilość powstałej wody metabolicznej może wynosić około 300 g. Przykład obliczania 280 g węglowodanów 100 g tłuszczów 70 g białka
wody metabolicznej: x 0,60 = 168 g wody metabolicznej x 1,07 = 107 g wody metabolicznej x 0.41 = 28,7 g wody metabolicznej
303,7 wody metabolicznej Przykład obliczania bilansu wodnego: w o d a d o s t a r c z a n a płyny 1,5 1 pokarm stały 0,8 1 woda metaboliczna 0,3 1
w o d a w y d a l a n a mocz 1,5 1 kał 0,2 1 pot 0,6 1 powietrze wydechowe 0,3 1
2,6 1 2,6 1 Gdy wydalanie wody przewyższa jej spożycie, następuje odwodnienie ustroju. Może to wystąpić w przypadku biegunek, wymiotów, nadmiernego pocenia czy długotrwałego i wyczerpującego wysiłku fizycznego. Z obserwacji własnych wynika, że w czasie biegu maratońskiego debiutanci tracili około 3 1 wody (około 5 1 w ciągu doby). Wyrównanie bilansu wodnego następowało u maratończyków po 72 godz. znajomość indywidualnego zapotrzebowania sportowca na wode jest bardzo ważna, aby w pore zapobiec niepożą danym skutkom. Trzeba też pamiętać, że wraz z wodą dochodzi do wydalania soli mineralnych i gdy to zjawisko jest nasilone, łączy sie ze znaczną utratą soli, zwłaszcza chlorku sodu. Ma to miejsce szczególnie w upalne dni, na "gorących" stanowiskach pracy w przemyśle, gdy odbywa sie obfite wydzielanie potu i znaczna utrata tą drogą chlorku sodu. 2.
Gospodarka mineralna Składniki mineralne pełnia w organizmie wiele ważnych funkcji: +
+
- regulują ciśnienie osmotyczne ( N a , K , Cl , HC0 , fosforany), 3
biorą udział w wymianie składników miedzy komórka a płynem ś r ód t k ank owyym, - regulują pH organizmu - bufory fosforanowe, wodoroweglanowe.
-
regulują transport wody (stosunek stężeń Jonów Na komórkach i płynach ustrojowych, - wchodzą w skład enzymów (metaloenzymy Fe, Zn, Co], - sa efektorami, modyfikatorami enzymów, - sa składnikami aminokwasów (S), witaminy (Co).
1 K ) w
Omawiając gospodarkę mineralna organizmu, trzeba przedstawić poszczególne przemiany biopierwiastków oraz mechanizmy regulacji ich stężenia. Składniki nieorganiczne, występujące w organizmie, można podzielić na: pierwiastki główne (makroelementy) Ca,Mg,Na,K.P,S,Cl (60-80 '/. substancji nieorganicznych organizmu) istotne śladowe składniki odżywcze Fe,J,Cu,Zn,Mn, Co,Mo,Se,Cr,F
pierwiastki śladowe (mikroelementy)
przypuszczalnie istotne Ni,Sn,V,Si
nieistotne Al,B,Pb,As, Cd.Hg
Na podkreślenie zasługuje, oprócz zawartości poszczególnych biopierwiastków, ich wzajemny stosunek. I tak proces kostnienia wymaga odpowiedniego stosunku wapnia i fosforu, aktywność mięśni zapewnia właściwy stosunek w płynie pozakomórkowym potasu do wapnia, zaś nadmiar molibdenu w diecie może wywoływać niedobór miedzi. Wszystkie biopierwiastki tworzą w organizmie swoista równowagę miedzy soba. Trzeba też być świadomym, że wszystkie istotne pierwiastki śladowe sa toksyczne, gdy występują lub sa pobierane w ilościach znacznie przekraczających dzienne normy. 2.1
Pierwiastki główne (makroelementy)
2.1.1.
Wapń
Pierwiastek ten należy zaliczyć do najważniejszych makroelementów. W organizmie dorosłego człowieka ilość wapnia wynosi 1-2 kg, z czego 99% znajduje sie w układzie kostnym. Najważniejsze funkcje wapnia można zestawić następująco: - składnik tkanki kostnej, zębów, - czynnik krzepnięcia, - udział w czynności serca, przepuszczalność błon komórkowych, - udział w skurczu mięśniowym, przewodzenie bodźców, - aktywacja niektórych enzymów. Wapń Jest wchłaniany w procesie aktywnego transportu w jelicie cienkim. Regulacja tego procesu odbywa sie pod kontrola
O K R E S Y suwa
1
I
2
11
II
1
100797
III
VI
VII
VIII
H E L 4 . 0 0 2 6 i K
B 3 BOR 4
E R Y L > B
10,811 i
9
»O
N
F
Ne
L U O R lE U ' F A Z O T T T 74 l b . i « l 4 1 57 9 9 M 0 O E . T?
W E W L LJ
1
!1
? 9.012?
r
• C
9
4
Be
12.01111
Mg*
S O O i
, T
1 3
,
V
2 9
«
VI 5 VII
Cu i
R
b
Sr
- *. Z r
"
•
Ś " C d
, S R E B R O , K A D M Z M
17 9
%A
:
i
,
S e
Kr
" Br
.1
SE LEN R O M 78,96 , S 7 79.904 -
92906
7 95.94
S
S n 3 ' S b ;:
2
83.80
t
7
D
j 1*1 12 __
7 •02.905
: 101.07 53
7
«
K S E N O N O I . 3 0 2 a
76
2
1*
7 7 7
I u
"
3 rtłć 200.59 , a
1
»
1
i P b Tl 5 '\ otom 5 T A L 2
ii
7 B i
»9 2 1 204.37
At
[222)
7
C O
C t H 1'HAJIOL.YM „ M0JO7 z 144.24 ) 4 0 . t 2
C 3
6 2
7
i Pm M l O O Y M ,
6 5
Gd
Eu
Sm
LUŁTOC
TROMTR ;1 1 4 7 )
150^5
91
W •1
II
232.053
1231J
7
93
20
i 71
• T 238.03 7
1 1 1 1237)
7 1 77
94
7
I Ł H B
74
[244]
6£
Dy
157,23 162.50 L I Ł T . 9 2 4 A K T Y NÓWCE 90-103 9 5 7 S C $7 9 8 1
3 2 1 1 12 XP PuLUTONI•SAAMmEttTKnC mKUR Np Pa 32 U Th U f l A N N E P T U N I O H P 3} flÓlAHTYN X •1 : f 2 I 90
Tb
7 (2431
37 I Z 4 7 J
?
O N M
L K
O
P N M L . K
R A O , K U U C J A T O W 'j A K T Y N " i 12271 ; * I2J61 i |2GOL
Nd
Pr
Ce
K P O N M L
O
£
FHANS ,
[ 2 2 3 ]
L
P
»
R A D O N j
[2K>]
K O N M
K
Rn
,A S T A T
207,19 O t O N 1 BI 2 M t/T , P 7 7 |2 »L 104 7 1 0 4 TO
Ś A c * * * Ku
R a
Bi
PO 3
M L K O N M L
j
e
O " , A N T Y M O N '? teliwi 1 J 7 1269044 118.69 7 7 4127,60 7 5 7 7 2 7 3I l « l , 7 5 i i «
2
N
t
" C Y N A
N D 112.40 , I i 5 7
K
K R Y P T O N
2
T
L
3 6
. 4S o _ *0» N*b " i M o * » Tc Ru » Rh « Pd A I L A O , E C H N E T ,R O D , P C Y R K O N ,N I O B i M O t l B O E N ;T u T E N 1 R 1 0 6 . 4 l Ł 7 J * Xe 91,22
|n 86.906
3
M
(
" /taro z 196367 i
Fr
, T R
N
8
M f l ? Hf S O s * Re Ir » Pt £ 3 :2 t *w » Ta E N™ W O L F R A M " R O S M t 2 I R Y D 'J P L A T Y N A " B A R ,L a . T A N T A L , H A F N 1 8 3 , 8 5 z 186.; ; t 9 0 , 2 7 71 193.2 7 rM^9 i 178.49 1 180.948 ! L A NT A N , 3 7 , 3 4 7 2 * 1 4 • 3 13431 I 4 1 " -I-I B O 83
- Ba
132,905
As i
1 • G E R M A N | A R S E N 7 2 . 5 97 74 9 2 * 7
Y
R U S K ) ,S T R O N T * B S . 4 7 l 87.62 , 2
13
Ga J" G e
• S A L
69.72 Z
vm C s
X
1
6 5 . 3 7 2
t
7
31
C1W6 7
S 5 '
6
Zn
| C Y N K
• M I C DI 7
. M A R G O N |1_ K 2
39.948
* mmii 2 ą
9
5 0
N E O N •L. 2 K
Ar «
6
24 . 3 I S
v
-1
10
20,179
„ s , Cl « S >i « P A l, ,j •F O S f O R ,S L I N l A H f l i | K R Z E M M A G N E Z • 1G z 309730 2ŁS3I3 Z iz 28,08* ! 32.004 i C M L O M 2 2 2 2 0 ,j M i i Ni 7- n " 35.453 Fe " * C o " :S c 2 1 ;r . t lC r " K ; C a A N G A N uŻ E L A Z O |K A P Ń| P O T A S • W lK O M |M S K A N O 1T Y T A N| W O B A L T | A N A D » O 9 3 8 0 2 SS.B47 J £8.9332 7 44.936 I 4 39.102 I •WAS 51.996 I M 7 58.71 7 . 9 0 2 50.W2 z
Na" 1
IV
2
He
i
n r
tl[N1*D
0
(H)
3
Li
i M k
P I E R W I A S T K Ó W
^W O O Ó R
6,939 3
G R U P Y V
IV
III
Bk £ Cf
1B i « K i i "K A L I F O R N 124/1 7 [ 2 5 2 1
£9
Ho
Er
H O L M t 6 4 3 3 0
167.26
E R B
Tm
Yb
Lu
TUL 68,934
'IERB 1 7 3 . 0 4
174.97
1 0 1
Es E I N S T E I N L^4|
L U T E T
7
Fm £ M d
Ł
| 7 5 7 |
}
(No)
FERM " O B E L M I N K L E W "N 12571 7 1 2 5 5 1
(Lw) l O R I N S 1 2 5 6 ]
2+ 1,25(OHJ^D^, laktozy i białka. Małe stężenie Ca w osoczu jest sygnałem dla aktywnej formy witaminy aby zwiększyć wchłanianie 2+ tego pierwiastka. Dodatni wpływ na przyswojenie Ca ma także białko, aminokwasy i cytryniany. Z kolei hamujący wpływ na ten proces mają czynniki sprzyjające powstawaniu nierozpuszczalnych soli wapnia w przewodzie pokarmowym. Naleza do nich szczawiany, fosforany, sole kwasu fitynowego.
© Rys. 2.
•aktywacja
_ 0
•
-hamowanie
Gospodarka wapniowa i jej zmodyfikowana)
* (±)
regulacja
sprzężenie zwrotne
(Karpiak,
1986,
Jak wynika z rys.2 wchłonięte jony wapnia dostają sie do osocza, gdzie znajdują sie w ilości 1% w stosunku do całkowitej zawartości tego pierwiastka. Stężenie wapnia w surowicy jest wypadkową podaży wapnia, stopnia wchłaniania w jelitach, wydalania przez nerki oraz metabolizmu kości. Spośród "wapnia osoczowego" 54'/» znajduje sie w formie zjonizowanej, a reszta w formie niezjonizowanej, związanej z białkami. Istnieje stan dynamicznej równowagi pomiędzy kationami wapnia w osoczu, tkankach a przede wszystkim w miejscach ich odkładania, tzn, kościach, gdzie wapń trudno wymienialny stanowi 97-995£, a łatwo wymienialny 1-3%.
kalcytonina
spadek mobilizacji w kościach
parathormon
spadek wchłaniania w jelitach
nerka 1,25(0H)D,
wzrost fosfaturi i
Rys. 3.
nerka 1.25C0H) D
wzrost mobilizacji w kościach wzrost wydalania z moczem
wzrost wchłaniania w jelitach
Regulacja hormonalna gospodarki fosforanowej
Gospodarka wapniowa* jest regulowana hormonalnie przez parathormon, kalcytonine oraz aktywne formy witaminy (rys. 3 ) . Istnieje również ścisłe powiązanie z gospodarka fosforanową. Wapń wydalany jest z moczem i kałem. Zwiększenie stężenia wapnia w surowicy występuje w: - nadczynności przytarczyc, tarczyc, nadmiarze witaminy D, - nowotworach układu krwiotwórczego, - osteoporozie. Należy pamiętać, że obniżenie stężenia wapnia moga powodować takie leki, jak: furosemid, środki moczopędne, środki wiążące wapń, kortykosteroidy, sulfonamidy, nadmierne dawki środków przeczyszczających, gentamecyna i wiele innych. Szczególnie o liście tych związków trzeba pamiętać przy rozważaniach o wpływie wapnia na organizm poddany wysiłkowi fizycznemu.
2.1.2.
Wapń a wysiłek fizyczny
Niedobór wapnia, jak wcześniej wskazano, wywołuje zaburzenia w pobudzaniu włókna mięśniowego do skurczu. Podawanie soli wapnia przed dużymi wysiłkami wpływa na zwiększenie wytrzymałości, przedłużenie czasu pracy oraz skraca czas odnowy po wysiłku. Biorąc to pod uwagę, należy ludziom ciężko pracującym fizycznie podawać większe ilości wapnia zwłaszcza, że stwierdzono u nich zwiększone wydalanie wapnia z moczem. Poza tym obserwowano zwiększone wydalanie wapnia z potem i kałem. Znana jest również zależność pomiędzy gospodarką wapniową i białkową. Białka, które z jednej strony stymulują wchłanianie wapnia, w diecie bogatej w te substancje moga wywoływać zwiększone wydalanie wapnia z moczem. Szczególnie u dzieci i młodzieży przy zbyt ubogiej diecie wapniowej i dużym spożyciu białka może łatwo dojść do niedoborów wapnia. W tab. 2 podano zalecane dobowe normy spożycia wapnia, fosforu i magnezu u dzieci, młodzieży i osób dorosłych. Można zauważyć, że 800 mg wapnia stanowi najniższe dzienne zapotrzebowanie na ten biopierwiastek. Ponadto stosunek wapnia do fosforu wynosi 1:1,a u niemowląt zaleca sie nawet 1,5 : 1,0. Wszystkie te uwagi mają szczególne znaczenie dla młodzieży, która znajduje sie w okresie wzrostu i przy intensywnym treningu sportowym. Jak wynika z rys. 2 wszelkie niedobory wapnia zwiększają jego mobi1izacje z tkanki kostnej i umożliwiają "ucieczkę" tego pierwiastka z moczem. Spośród produktów spożywczych centralnym źródłem wapnia jest mleko i produkty mleczne, zwłaszcza sery twarde. Z produktów roślinnych na uwagę zasługują i godne są do wprowadzenia do jadłospisu - ciemne pieczywo oraz warzywa, takie jak kapusta, pory, jarmuż, marchew, sałata i buraki. Z innych źródeł wymienić można lody, oraz bardziej egzotyczne ostrygi, krewetki i mięczaki. Należy wreszcie podkreślić, że wapń pochodzący z produktów mlecznych jest najlepiej przyswajany, w odróżnieniu od produktów roślinnych, w których niekorzystnie oddziaływują związki fitynowe i szczawiany (tab. 3 ) . 2.1.3.
Fosfor
Z gospodarką wapniową ściśle łączy sie gospodarka fosforanowa. Organizm dorosłego człowieka zawiera 500-600 g fosforu, z czego około 80 *A znajduje sie w kościach i zębach. Fosfor spełnia wiele ważnych funkcji: bierze udział w połączeniach z białkiem, węglowodanami i lipidami, które warunkują kluczowe przemiany w organizmie, tworzy związki energetyczne (fosfokreatyna, ATP, GTP i pochodne), - bierze udział w skurczu i rozkurczu mięśni,
\
-
stanowi główny, obok wapnia, składnik mineralny kości.
T a b e l a
2.
Zalecane dobowe normy spożycia wapnia, fosforu i magnezu
Wiek (lata)
Masa (kg)
1 - 3 4 - 6 7 - 10
13 20 30
Mężczyźni
15 - 18 19 - 22 23 - 50 > 51
Kobiety
11 15 19 23 > 51
Dzieci
T a b e l a
3.
-
14 18 22 50
Wapń (mg)
Fosfor (mg)
Magnez (mg)
800 800 800
800 800 800
150 200 250
61 67 70 70
1200 800 800 800
1200 800 800 800
400 350 350 350
44 54 58 58 58
1200 1200 800 800 800
1200 1200 800 800 800
300 300 300 300 300
Wartości odżywcze 100 g niektórych produktów żywnościowych
Nazwa produktu
kcal
Wapń (mg)
Fosf or (mg)
Magnez (mg)
mleko krowie 3,2 */. tł. ser twarogowy jaja (masa jajowa) wieprzowina - schab szynka kura chuda kasza gryczana makaron 4-Jajeczny bułki chleb chrupki chleb mazowiecki boćwina jarmuż marchew pomidory ziemniaki jabłka
58 168 158 174 149 121 348 375 250 372 250 35 52 41 29 87 57 70
118 91 54 15 6 14 23 32 17 36 19 118 246 61 25 12 4 48
8$ 213 210 208 282 200 263 210 84 250 101 45 60 12 21 29 9 20
12 8 12 24 23 38 130 65 25 73 28 18 24 10 8 20 3 8
•O
(,.1,1
Fosfor występuje w wielu pokarmach (tab. 3) i dlatego u ludzi nie obserwuje się jego niedoboru. Pobierając właściwą ilość wapnia pokrywamy równocześnie zapotrzebowanie na fosfor. Jak wspomniano przy omawianiu przemiany wapniowej optymalny stosunek w diecie Ca:P wynosi 1:1. Przewaga jednego pierwiastka w diecie powoduje zwiększone wydalanie drugiego. Do produktów bogatych w fosfor zaliczamy: mięso, ryby, wątrobę, jaja, produkty zbożowe oraz mleko i Jego przetwory. Pomiar stężenia fosforu w surowicy ma znaczenie diagnostyczne. Zwiększenie stężenia fosforanów w surowicy może wystąpić w: - niedożywieniu, a także przy biegunkach i po wymiotach, - niedoborze witaminy B, - nadczynności przytarczyc i tarczycy, - zaburzeniach równowagi kwasowo-zasadowej, a także w wyniku stosowania sterydów anabolicznych, insuliny, diuretyków tiazydowych. Gospodarka fosforowa jest regulowana hormonalnie przez parathormon (PTH) i kalcytonine (CT), a także l 25(0H) D (rys. 3 ) . f
2.1.4.
2
3
Magnez
Jest składnikiem kości, zębów {7Q'A) i wielu Innych tkanek. 50'A całkowitego ustrojowego magnezu (21g) znajduje sie jako nierozpuszczalne związki w kościach, 45M w płynie wewnątrzkomórkowym, a 5% w płynie pozakomórkowym. We krwi jego stężenie wynosi 20-40 mg/l (około 3 mmol/1), przy czym w 2+ odróżnieniu od wapnia w krwinkach stężenie Mg jest dwukrotnie wyższe niż w surowicy. Biopierwiastek ten spełnia ważne funkcje, takie jak: - aktywacja wielu enzymów transportujących grupy fosforanowe (glikoliza) (tab. 4 ) , - rola w transporcie czynnym, aktywacja Na , K , ATP-azy, - pobudliwość nerwowo-mieśniowa. Zapotrzebowanie (tab. 2 i 3) jest pokrywane przez produkty otrzymywane z ziarna kakaowego, różnych orzechów, nasion soi, a także chleba razowego, kasz gruboziarnistych i warzyw. Niedobór magnezu prowadzi do zaburzeń czynności mięśni oraz do znacznego zmniejszenia wydolności fizycznej człowieka. Stwierdzono, że istnieje antagonizm pomiędzy magnezem a wapniem. Przy niedoborze magnezu zwiększa sie ilość przyswajanego wapnia i odwrotnie 2+ nadmiar Mg w diecie może powodować "ucieczkę" wapnia z kości. Na zawartość magnezu ma wpływ także f osfor; jego nadmiar może wywoływać niedobory magnezu. Obserwowano także, że niedoborowi magnezu towarzyszy niedokrwistość podobna do niedokrwistości wywołanej niedoborem żelaza. Zwiększenie stężenia magnezu w surowicy może występować w:
- niewydolności nerek, - niedoczynności tarczycy, - przedawkowaniu soli magnezu (przeczyszczające, zobojętniające). T a b e l a
4.
Udział niektórych jonów nieorganicznych reakcjach metabolicznych (Jethon, 1987)
Reakcja glIkogen-glukoza glukoza-glukozo-6-fosforan glicerol-glukozo-6-fosforan tłuszcze-kwasy tłuszczowe kwasy tłuszczowe-acetylokoenzym A glukozo-6-fosforan-pirogronian pirogronian-mleczan pirogronian-acetylokoenzym A białko-aminokwasy amlnokwasy-pirogronian aminokwasy - cykl mocznikowy cykl mocznikowy - cykl kwasów trójkarboksylowych cykl kwasów trójkarboksylowych układ cytochromów
w
Niezbędny składnik jonowy chrom magnez, mangan magnez magnez, mangan, selen mangan magnez, Żelazo, cynk, chrom żelazo, selen, miedź magnez, mangan cynk, kobalt, magnez, mangan, kadm, selen, stosunek K/Mg magnez. mangan cynk nikiel, żelazo, kobalt, żelazo,
kobalt mangan, magnez, kadm, miedź selen, miedź
Obniżenie stężenia magnezu .jest obserwowane w: - alkoholizmie, - nadmiernym pobieraniu magnezu przez nerki, - chorobach trzustki, wątroby, nerek, - wyniku stosowania leków, takich jak furosemid, środki rtęciowe, aldosteron, insulina, neomecyna. Dlatego też należy podawać więcej magnezu osobom przyjmującym środki moczopędne przy tzw. zbijaniu wagi. Długotrwały wysiłek fizyczny powoduje znaczne straty magnezu z moczem. Bączyk (1986} zaobserwował u narciarzy, że wydalanie tego pierwiastka z moczem po wysiłku fizycznym może wzrastać nawet do 100%. Tendencja ta zachowuje sie do 2 godz. po przerwaniu wysiłku. Po tym czasie następuje szybka mobilizacja magnezu z tkanek, co potwierdza normalizacja stężenia w surowicy. 2.1.5.
Sód
Kationy sodowe sa głównymi jonami płynu pozakomórkowego, w tym także osocza krwi i pełnia główną role w utrzymywaniu ciśnienia osmotycznego. Oprócz regulacji ciśnienia osmotycznego
sód spełnia inne ważne funkcje w organizmie, mając wpływ na: - prawidłowa pobudliwość mięśni, - przepuszczalność błon komórkowych, - aktywny transport cukrów, aminokwasów i witamin, - równowagę kwasowo-zasadowa, - pośrednio na gospodarkę cieplna. Zapotrzebowanie na sód pokrywane jest przez chlorek sodowy podawany średnio, zdaniem różnych autorów, w ilości 5-15 g dziennie, co odpowiada około 2,5 - 7,5 g czystego sodu. Dzienna porcja przyswajanego przez organizm sodu zależy od rodzaju wykonywanej pracy fizycznej oraz od temperatury 1 wilgotności powietrza. T a b e l a
5.
Stężenie elektrolitów osocza (mrnol/1)
Aniony
Kationy sód potas wapń magnez
142 4 2,5 1
chlor wodorowęglan siarczan fosforany
102 26 0,5 37 mg/l
Stężenia molowe obu grup sa zbliżone 1 wynoszą około 150 nmol/1. +
Stężenie N a w surowicy (136-145 mmol/1) zależy od czynności nerek, podaży soli sodowych oraz hormonów (aldosteronu 1 kortyzolu). Wzrost stężenia sodu w surowicy występuje: - w stanach przebiegających z utrata wody (nadmierne poty, przyspieszony oddech, zwiększona diureza), - w wyniku nieprawidłowego uzupełniania płynów z nadmiarem soli sodowych, - po podaniu kortykosteroidów, wodorowęglanów 1 tetracyklin. Obniżenie stężenia sodu w surowicy stwierdza sie w: - niewydolności nadnerczy, nerek i chorobach przewodu pokarmowego (wymioty, biegunki), - trakcie leczenia furosemidem, mannltolem, chlorkiem amonowym i tlazydami. Jak wynika z powyższych danych, gospodarka sodowa wlaże sie ściśle z gospodarka wodna- Przyjmuje sie, że z powodu wypocenia powyżej 4 1 płynu naleZy zawartość sodu uzupełniać podając od 2-7 g na każdy litr wody wydalonej z potem. Dla zapewnienia prawidłowej czynności organizmu należy dostarczyć co najmniej (przy umiarkowanej aktywności fizycznej) około 2 g NaCl/1000 kcal diety. W żywieniu sportowców zaleca sie podawanie soli przed zawodami, np. soląc odpowiednio potrawy mięsne. Wykazano, że wpływa to korzystnie na sprawność fizyczna. Oprócz pokarmów przyrządzanych z dodatkiem soli polecić trzeba Inne źródła sodu, takie jak: ser, chleb,
zzo kiełki pszenicy, całe nasiona, ostrygi 1 małże. Ponadto dużo sodu występuje w marchwi, selerze, szpinaku, rzodkiewkach i śliwkach. Podczas wysiłków fizycznych i po ich zakończeniu obserwowano zmniejszenie nerkowego wydalania sodu. Dodać trzeba, że tą droga około 90'/. sodu wydala sie z organizmu. 2.1.6.
Potas
Stanowi on, w odróżnieniu od sodu, główny kation płynu wewnątrzkomórkowego, w którym jego stężenie jest 15 razy większe od stężenia w płynie pozakomórkowym. Chociaż stężenie potasu w osoczu wynosi tylko 4-5 mmol/1, to spełnia ważną role wpływając na aktywność mięśni, zwłaszcza mięśnia sercowego. Potas w organizmie spełnia wiele ważnych funkcji: - reguluje równowagę kwasowo-zasadową współdziałając z sodem, - wpływa na utrzymanie ciśnienia osmotycznego i czynność błony komórkowej, - Jest efektorem enzymów, np. kinazy pirogronlanowej, - odgrywa role w przemianach energetycznych, biosyntezie białka, - bierze udział w przekazywaniu pobudzenia w układzie nerwowym i ne rwowo-m i e śn i owym. Człowiek dziennie pobiera około 4 g potasu w różnych produktach i dlatego niedobór tego biopierwiastka jest mało prawdopodobny. Niemniej prawidłowe jego stężenie zależy nie tylko od podaży potasu, ale także sprawnej czynności przewodu pokarmowe go i nerek, a także hormonów kory nadnerczy i insuliny. Spożycie potasu przez człowieka zapewnia wielość produktów pochodzenia roślinnego, czyli owoców i jarzyn, a także mleko. Dużą zawartość potasu stwierdzono w cielęcinie, wątrobie wołowej, wołowinie, wieprzowinie, suszonych morelach i gruszkach, sokach: ananasowym i mandarynkowym, dżemach i przecierach owocowych. Dzienne spożycie potasu wynosi 2-3 g, ^ u sportowców około 10 g, natomiast zapotrzebowanie dobowe człowieka o umiarkowanej aktywności fizycznej wynosi 0,5 g. Zwiększone stężenie potasu w surowicy występuje w: stanach przebiegających z uwolnieniem potasu z komórek, hemolizie erytrocytów, - odwodnieniu 1 kwasicy, następstwie stosowania leków takich jak: spironolakton, tetracykliny. Obniżenie stężenia potasu w surowicy spotyka sie w: - schorzeniach przewodu pokarmowego z utratą potasu, - stanach przebiegających z nadmierna utratą potasu przez nerki (środki moczopędne). Wśród objawów związanych z małym stężeniem potasu wymienić można osłabienie mięśni, nadpobudliwość i porażenie oraz częstoskurcz serca z galopującym rytmem. Dochodzi też do /mian w ekg. Zmiany te mogą występować po wyczerpujących wysiłkach
fizycznych związanych z utrata wody, zwłaszcza w wysokiej temperaturze. Dlatego po większych wysiłkach fizycznych stwierdza sie przejściową (15-29 min) hipokalcemle- W moczu, w odróżnieniu od sodu, obserwuje sie wzrost stężenia potasu tym większy, im wysiłek był bardziej intensywny i długotrwały. Wyniki badań własnych wykazały te zależności u maratończyków. Dodać należy, że nie stwierdzono zmian w surowicy tych zawodników zarówno w stężeniu potasu, jak i sodu (Sobiech i in., 1986). W celu zapewnienia właściwej gospodarki sodowo-potasowej stosuje sie wiele specjalnych mieszanek mineralnych przeznaczonych dla sportowców, które omówione zostaną oddzielnie. Dla uzyskania efektu tzw. uderzenia potasowego można oprócz świeżych i suszonych owoców i czekolady stosować glukonian potasu, głównie przed zawodami oraz w przerwach. Dawka tej substancji uznana za właściwą wynosi 0,5 - 1 g. Podkreśla sie określenie "właściwa", aby nie spowodować efektów niekorzystnych przez przedawkowanie tego związku. 2.1.7.
Chlor
Spełnia wiele ważnych funkcji, takich jak: - regulacja bilansu wodnego, - regulacja ciśnienia osmotycznego, - regulacja równowagi kwasowo-zasadowej, - powstawanie kwasu solnego, składnika soku żołądkowego. Jest podstawowym anionem nieorganicznym płynu pozakomórkowego (tab. 4 ) . Podwyższenie stężenia chlorków w surowicy występuje w następujących stanach: - odwodnieniu, - chorobach nerek (zapalenie, zespół nerczycowy), - nadmiernej podaży chlorków zwłaszcza soli sodowej, - w wyniku stosowania niektórych leków, takich jak: chlorotiazyd, fenylobutazon, ąuanetydyna i innych. Obniżenie chlorków w surowicy można spotkać w: - chorobach przewodu pokarmowego (wymioty, biegunki), - w stanach gorączkowych, oparzeniach, obfitym poceniu, - wyniku podawania leków alkalizujących, takich jak wodorowęglany, aldosteron, kortykosteroidy, diuretyki a także leków przeczyszczających . W diecie chlor występuje najczęściej w połączeniu z sodem (NaCl). Stąd zaburzeniom w przemianie sodu towarzyszą zwykle zaburzenia w gospodarce chlorem. Oprócz soli kuchennej ważnymi źródłami chloru są mięso, mleko oraz jaja, orzechy, warzywa i sery. 2.1.8.
Siarka
Blopierwiastek ten jest obecny we wszystkich komórkach dzięki obecności w białkach aminokwasów zawierających slarkę-cysteinę, metionine i cystynę• Wspomnieć trzeba o ważnych biologicznie związkach, takich jak tiamina (witamina ), glutation (tripeptyd) i koenzym A, a także heparyna, biotyna (koenzym reakcji karboksylacji), kwas taurocholowy (przemiana tłuszczowa), kwas liponowy (łańcuch oddechowy - układy pośrednie) oraz siarczan sodowy, potasowy i chondroityny w chrząstkach i ścięgnach, keratynle włosów i insulinę. Grupy - SH uczestniczą w wielu reakcjach oksydoredukcyjnych, odgrywają role w budowie białka, a także w aktywności wielu enzymów. Funkcja biologiczna danego białka lub enzymu może ulec zahamowaniu w wyniku.połączenia grup sulfhydrylowych ze związkami alkilującymi, metalami ciężkimi lub związkami utleniającymi. Głównym źródłem siarki w organizmie są jej aminokwasy, natomiast jony siarczanowe są trudno wchłaniane z przewodu pokarmowego. Wydalanie siarki jest zmienne i zależy od diety. Można wyróżnić trzy frakcje, w których obecna jest siarka wydalana z moczem. Są to tzw. siarka nieorganiczna, czyli siarczany, które laboratoryjnie wykrywa sie po dodaniu chlorku baru, siarka eterowa stanowiąca 10% siarki całkowitej w postaci połączeń kwasu siarkowego z fenolem, indoksylem i skatolem oraz siarka obojętna zawarta w rodankach, siarczkach i taurynie. Ważną role odgrywają reszty siarczanowe wchodzące w skład sulfatydów, które tworzą sie z cerebrozydów w wyniku reakcji z 3-fosfoadenozyno-5-fosfosiarczanem, czyli tzw. aktywnym siarczanem. 2.2. 2.2.1.
Pierwiastki śladowe (mikroelementy) Żelazo i jego przemiana w ustroju
W organizmie człowieka dorosłego zawartość żelaza wynosi 50-90 mmoli (3-5 g ) . Występuje w różnych połączeniach z białkami. Ten pierwiastek odgrywa zasadniczą role dla życia organizmu uczestnicząc w transporcie tlenu, dwutlenku węgla i w procesach oddychania komórkowego. Żelazo występuje w hemoglobinie, mioglobinie, cytochromach, wielu enzymach (katalaza, peroksydaza), co stanowi około 80% całości żelaza ustrojowego, zwanego też funkcjonalnym. Resztę, około 20-30%, stanowi rezerwa zmagazynowana w wątrobie, szpiku i śledzionie w postaci ferrytyny i hemosyderyny. Dodać jednak trzeba, źe najwięcej żelaza znajduje sie w erytrocytach, następnie w wątrobie szpiku i śledzionie, a także w znacznych ilościach w mięśniach. Zawartość żelaza w organizmie człowieka zależy od ilości tego pierwiastka w diecie i wchłaniania go w przewodzie pokarmowym. Na wydajność wchłaniania żelaza, która wynosi w granicach 20-70%,mają
u j e m n y związki żelazowe, fosforany, węglany, szczawiany, mangan, salicylany, kobalt, nadmiar żelaza.
d o d a t n i związki żelazawe, fruktoza, histydyna, cysteina, metionina, amidy, kwas askorbinowy, żółć, kwas solny, proteazy, niedobór żelaza. T a b e l a
6.
Rozmieszczenie 1983)
Związek
w
Przyb1iżona zawartość żelaza %
hemoglobina
70,0
mioglobina ferrytyna hemosyderyna transf eryna cytochromy, peroksydaza, oksydaza cytochromowa, katalaza nieznane związki żelaza
3,3 16,4 3,6 0,2
2.2.2.
że1aza
0,1 6,4
zw i a zkach
(S znajd,
Czynność
przenoszenie i dostarczanie tlenu magazynowanie żelaza transport żelaza w osoczu transport elektronów, utlenianie
Żelazo a wydolność fizyczna człowieka
W warunkach zwiększonej aktywności ruchowej (trening sportowy, długotrwała ciężka praca mięśniowa) może dochodzić do zaburzeń w gospodarce żelaza, W 1970 r. pojawiło sie w piśmiennictwie określenie "anemia sportowa" dla opisania stanu niedokrwistości towarzyszącej intensywnemu treningowi fizycznemu. Przez niedokrwistość rozumiemy stan chorobowy, w którym liczba erytrocytów i stężenie hemoglobiny spada poniżej wartości wyznaczonych za optymalne. Zgodnie z definicją ustalona przez Światową Organizacje Zdrowia (WH0) o niedokrwistości mówimy, gdy zawartość hemoglobiny spada: - u mężczyzn poniżej 130 g/l, - u kobiet poniżej 120 g/l, - dzieci 6-14 lat poniżej 120 g/l. Jedną z przyczyn anemii sportowej jest niedobór żelaza, a także kwasu foliowego i witaminy B ^ . W mniejszym stopniu może to dotyczyć składników pożywienia, takich jak białko, witaminy C, B 1 E, związki miedzi i kobaltu.
&
Niedobór żelaza w ustroju człowieka powstaje w wyniku: - niedostatecznego wytwarzania erytrocytów lub hemoglobiny przez szpik kostny, - szybkiego niszczenia erytrocytów w wyniku intensywnych ćwiczeń fizycznych, - zmniejszonego przyswajania tego biopierwiastka w przewodzie pokarmowym, - krwawień z przewodu pokarmowego (mikrokrwawienia Jelitowe) u sportowców, biegaczy, - dużej straty żelaza z wydzielanym potem. U intensywnie trenujących, zwłaszcza długodystansowców, metabolizm żelaza znacznie różni sie od przemian u osób nie trenujących. Posługując sie znakowanym, radioaktywnym żelazem wykazano, że organizm sportowca przyswajał 16,4% pierwiastka w przeciwieństwie do 30% u nie trenujących. Podobne wyniki dostarczyły badania wykonane w grupie kobiet uprawiających biegi długodystansowe. I tak, wchłanianie żelaza u sportsmenek wynosiło 29%, zaś 70% u nie trenujących. Trzeba podkreś 1 ić, że wraz z rozpoczęciem treningu sportowego zwiększa sie zapotrzebowanie na żelazo z około 10 mg/dobe do 40-48 mg. Przyjmuje sie, że należy zapewniać sportowcom minimum 8 mg żelaza na każde 1000 kcal pożywienia dziennie, co przy spożyciu 5000 kcal (21MJ) odpowiada 48 mg żelaza w ciągu dnia. U osób trenujących, a także w grupie chorych przyjmujących leki przeciwbólowe i przeciwzapalne, stwierdza sie ubytki krwinek i białek surowicy drogą mikrokrwawień jelitowych. Szczególnie narażone na wystąpienie żelazo-niedoborowej niedokrwistości sa kobiety-sportowcy, które tracą w wyniku krwawienia miesiączkowego około 15 mg. Wyniki badań ostatnich lat uświadomiły wielu trenerom i lekarzom, Ze również u mężczyzn, zwłaszcza u hokeistów, straty żelaza, szczególnie z potem są porównywalne z ubytkiem tego pierwiastka u kobiet. WpŁyw niedoboru żelaza, który wyraża sie spadkiem parametrów hematologicznych na wielkość wydolności fizycznej jest stosunkowo dobrze poznany. Wykazano, że obniżenie stężenia hemoglobiny może niekorzystnie wpływać na wydolność fizyczna przez ograniczenie transportu tlenu do tkanek. Obserwowano także wzrost produkcji mleczanu oraz wiele objawów, takich jak: bóle głowy, zgaga, szybkie meczenie sie, zmiany apetytu, dolegliwości naczynioruchowe, zaburzenia miesiączkowania. Należy zatem ponownie "odkryć" wartość badań hematologicznych przy ocenie wydolności fizycznej oraz zaproponować pomiar stężenia żelaza w surowicy, zdolności wiązania żelaza lub poziomu ferrytyny jako niezbędne testy w pracowni biochemicznej wysiłku fizycznego. 2.2.3.
Żelazo w żywieniu sportowców
Zawartość żelaza w produktach spożywczych jest zróżnicowana. Najmniej tego biopierwiastka stwierdza sie w mleku i produktach
żelazo pokarmowe
synteza hemoglobiny
rozpad erytrocytów
<
wydalanie kał, pot mocz, żółć
kał
Rys. 4.
> miogloblna enzymy
ferrytyna
Schemat przemiany żelaza
mlecznych, pośrednie ilości zawarte sa w produktach zbożowych, a najbogatsze w żelazo sa szpinak, wątroba i mleso różnego pochodzenia. O wartości wymienionych składników diety decyduje stopień przyswajania żelaza, tzw. dostępność biologiczna żelaza. Wchłanianie żelaza w przewodzie pokarmowym jest duże z cielęciny, drobiu, wieprzowiny (22°/.), wątroby (19%), zaś niewielkie ze szpinaku (2%), sałaty i fasoli (4-6%). Warto dodać, ze obecność fosforanów zmniejsza wchłanianie żelaza natomiast obecność kwasu foliowego i jego pochodnych korzystnie wpływa na czynności krwiotwórcze współdziałając pozytywnie z żelazem. Żelazo obecne w pokarmach ulega w przewodzie pokarmowym, głównie w żołądku i dwunastnicy, procesowi wchłaniania. Występując 3+ w formie Fe w środowisku kwaśnym biopierwiastek ten redukuje sie do jonów żelazawych Fe^ . W procesie redukcji i wchłaniania uczestniczą substancje redukujące, np. cysteina i kwas askorbinowy, oraz specyficzne nośniki, np. aminokwasy czy peptydy, które tworzą połączenia z żelazem. W ten sposób 2elazo^ zostaje przekazane do "puli" osocza, gdzie po utlenieniu jako Fe , łączy sie z transferyną. Pobranie żelaza z formy transportowej osocza transferyny odbywa sie przez związanie jej z receptorem znajdującym sie na powierzchni erytroblasta. Po odłączeniu następuje uwolnienie żelaza, które ulega stałej wymianie i pozostaje w stanie dynamicznej równowagi. Cześć żelaza zostaje wbudowana do mioglobiny i enzymów lub łączy sie z apoferrytyną i w formie ferrytyny ulega zmagazynowaniu w wątrobie, szpiku kostnym i śledzionie. Schemat przemiany żelaza przedstawia rys. 4. +
+
2.2.4.
Miedź
Ilość tego pierwiastka w organizmie ocenia sie na 100-150 mg, co odpowiada 1,5 - 2,4 mmola, a dzienne zapotrzebowanie na 2 mg. Najwięcej miedzi znajduje sie w wątrobie, mięśniach, kościach, a także w erytrocytach i surowicy (tab. 7 ) . Ten biopierwiastek jest składnikiem białek, enzymów, barwników niezbędnych w syntezie hemoglobiny. T a b e l a Symbol
Fe
7.
Zawartość w ustroju
3-5g
Niektóre pierwiastki śladowe w ustroju Stężenie w suro wicy
Enzymy
Inne związki
13-31 jimol/1 (lmg/1)
katalaza ferrytyna peroksydaza transferyna hemoglobina
ceruloplaz- hepatokupre- 2,0mg mina ina, cerebrokupreina, erytrokupreina
Cu
100-lSOmg
16-20 jimol/l (lmg/1)
Zn
Ig
15-21 /imol/1
anhydraza węglanowa,
albuminy, alfa^-makro-
(lmg/1)
karboksypeptydaza, fosfataza zasadowa
globulina, metalotionelna
lumol/1
dwupepty-
alfaj-globu-
(50/lg/l)
dazy, arginaza
liny
kobalamina
Mn
20 mg
Co
10 mg
0,l^mol/1 (5ug/l)
acylaza kobaltowa dwupeptydaza, Gly-Gly
Mo
20 mg
nie znane
oksydazy
20-50mg
lumol/1 (100ug/l)
tyroksyna trójjodotyronina
10umol/l (400jig/l)
cyklaza adenylowa
J
Zapotrze bowanie dzienne 10-40mg
5-10mg
2-5 mg
5
200^g 50-100 ug
fluoroapatyt
0,5-lmg
Z przeprowadzonych doświadczeń z użyciem radioaktywnej miedzi wynika, ze po spożyciu większość tego pierwiastka występowała we frakcji albuminowej. Następnie obserwowano obniżenie Jej poziomu związane z przekazaniem miedzi do tkanek, a potem ponowny wzrost w surowicy po wbudowaniu jej do ceruloplazminy. Trzeba dodać, że miedź w surowicy występuje w dwóch formach: silnie i luźno związanej z białkami. Silnie związana miedź w ceruloplazmle stanowi 80-95% ogólnej ilości miedzi w surowicy. Najważniejszym białkiem osocza zawierającym miedź jest ceruloplazmina, w której 6 atomów Cu połączonych jest z cząsteczka białka. Stężenie ceruloplazminy w surowicy wynosi 200-400 mg/l. W ostatnich latach stwierdzono, że białko to odpowiada nie tylko za transport miedzi, ale także spełnia funkcje enzymatyczna w procesie utleniania 2+ 3+ żelaza ( Fe do Fe ) aktywność ferrooksydazowa, powodująca łączenie sie żelaza z transferyna. Podwyższone stężenie tego białka obserwowano w chorobach serca, tarczycy oraz nowotworach. Ceruloplazmina została zaliczona do tzw. białek ostrej fazy, których poziom charakterystycznie wzrasta w stanach zapalnych organizmu. Opisano niedawno, że stężenie tego białka w surowicy wzrasta po wysiłku fizycznym, a także pojawia sie w moczu maratończyków. Linkowski (1987) badając zmiany aktywności ceruloplazminy pod wpływem wysiłku fizycznego stwierdził, że wskaźnik ten, a także stężenie miedzi i cynku wzrasta po wysiłku, a obniża swój poziom po restytucji. Autor ten wykazał także, 2e aktywność ceruloplazminy w spoczynku jest wyższe u osób systematycznie wykonujących wysiłek fizyczny. Wraz ze wzrostem wydolności fizycznej zmniejsza sie przyrost aktywności ceruloplazminy po wysiłku standardowym. Uważa sie. że ceruloplazmina spełnia kilka ważnych funkcji Jak: - transport miedzi w osoczu krwi, - współudział w gospodarce żelazem, - hamowanie procesów utleniania lipidów surowicy krwi, - regulacja stężenia amin biogennych. Na rys. 5 przedstawiono schemat przenoszenia miedzi z ceruloplazminy do enzymów wewnątrzkomórkowych. Mechanizm ten 2+ polega na redukcji jonów miedzi Cu przez substraty biogenne do miedzi Cu , gdyż w tej formie tworzy mniej stabilny kompleks z ceruloplazmina. Uwolniona miedź jest przenoszona do komórki w połączeniu z ligandem o nieznanym charakterze (ligand-X). W komórce miedź jest ponownie utleniana do dwuwartościowej i w tej formie przyłączana do apoenzymu. Wysunięto koncepcje, że ceruloplazmina jest molekularnym łącznikiem pomiędzy metabolizmem żelaza i miedzi. Dzięki swej aktywności enzymatycznej ceruloplazmina utlenia w surowicy krwi
KOMORKA
OSOCZE
2
C u * - Cp
-
-
Cu* - Cp
Ugand
Ali,
Rys. 5.
2
C u * - Enzym
Cu* - X - X
Y
apoenzym
Schemat przenoszenia miedzi z ceruloplazminy do enzymów wewnatrzkomórkowych, Cp -ceru1op1azmina
2+ 3+ Fe do Fe ; stwierdzono, ze utlenianie żelaza katalizowane przez ceruloplazmine jest konieczne dla zaspokojenia potrzeb organizmu na żelazo trójwartościowe. Utlenione żelazo wbudowane jest do apotransferyny i w formie transferyny przenoszone do szpiku kostnego, gdzie bierze udział w syntezie hemoglobiny (rys. 6 ) . Miedź występuje w wielu pokarmach. Najbogatszym źródłem miedzi sa orzechy, wątroba, nerki, rodzynki i suszone warzywa. Natomiast ubogie w miedź są mleko i wyroby mleczarskie.
OSOCZE
H
2°V
SZPIK
/
u
+
2
C
" P,
K *
Hb
2
białko 0„ /
Cu*- C p '
Fe*
3
- apoTf
Fe
4-2
gromadzące Fe Tf
Rys.
6.
Fe*
3
Ceruloplazmina jako ferooksydaza w gospodarce żelazem w ustroju
2.2.5.
Cynk
Ten biopierwiastek występuje w wielu komórkach i tkankach całego organizmu. Największa jego zawartość stwierdzono*w gruczole krokowym, mięśniach, nerce, plemnikach oraz w skórze. Cynk jest składnikiem wielu enzymów (tab. 4 ) , a także pośrednio uczestniczy w syntezie DNA, utrzymaniu prawidłowego stężenia witaminy A oraz tworzy kompleksy z insulina, co przedłuża jej działanie. W tkankach cynk występuje w połączeniu z metalotioneina, która spełnia dla tego pierwiastka funkcje związku magazynującego. Cynk z pokarmów (mięso, wątroba, jaja, ostrygi) wchłaniany jest w jelicie cienkim po utworzeniu kompleksu z substancja pochodzenia trzustkowego. Obniżenie stężenia cynku w surowicy opisano w przypadkach: - niedoborów pokarmowych, - zespole złego wchłaniania, - białaczkach i niektórych nowotworach, - akromegalii, mongollzmie, alkoholizmie, niedorozwoju gonad i karłowatości. Oznaczając cynk w surowicy należy pamiętać, że ślad hemolizy uniemożliwia właściwe oznaczenia, gdyż w erytrocytach jest 14 razy więcej Zn niż w osoczu. Trzeba pamiętać, że przyczyna niedoboru cynku mo2e być nadmierna podaż wapnia w diecie oraz obecność kwasu fitynowego w produktach pochodzenia roślinnego. 2.2.6.
Mangan
Największe stężenie tego pierwiastka spotyka sie w wątrobie, mięśniach i kościach. Jest aktywatorem wielu enzymów, w tym dwupeptydazy i arginazy. Karboksylaza pirogronianowa, biorąca udział w glukoneogenezie posiada związany jon manganu. Pierwiastek ten odpowiada za prawidłowe funkcjonowanie układu nerwowego i bierze udział w reprodukcji. Bogatym źródłem manganu są orzechy, ziarna zbóż, warzywa i owoce, natomiast w odróżnieniu od żelaza i miedzi ubogie w mangan sa mięso, drób i ryby. Nadmiar manganu w diecie hamuje wchłanianie żelaza. Większość tego pierwiastka jest wydalana do przewodu pokarmowego z żółcią. Zawartość manganu w moczu jest niewielka. 2.2.7.
Kobalt
i
Ten pierwiastek ze względu na udział w strukturze witaminy B
J 2
jest zwykle z nią kojarzony oraz z syntezą erytrocytów. Występuje w całym organizmie, a szczególnie dużo jest go w wątrobie, nerkach i kościach. Znany jest jako aktywator niektórych enzymów oddechowych, a także specyficznej acylazy, znanego wskaźnika wirusowego zapalenia wątroby u ludzi (tab. 4 ) . Podawanie
preparatów kobaltowych wywołuje wzrost populacji erytrocytów oraz wpływa na syntezę erytropoetyny. 2.2.8.
Molibden
Zawartość tego pierwiastka w organizmie Jest bardzo mała. Najwyższe stężenie molibdenu stwierdzono w wątrobie, nerkach i kościach. Molibden wchłania sie w przewodzie pokarmowym, a wydala z moczem i kałem. Jest niezbędnym składnikiem molibdeno-flawoprotein (oksydazy ksantynowej i oksydazy aldehydowej). Nie zostały dotąd opisane stany niedoboru lub nadmiaru tego pierwiastka u człowieka. Wiadomo tylko, że nadmiar molibdenu w diecie może wywoływać objawy niedoboru miedzi. 2.2.9.
Jod
Jest potrzebny organizmowi wyłącznie do syntezy hormonów tarczycy. Jod Jest wchłaniany z przewodu pokarmowego w postaci jodków. Zapotrzebowanie dzienne wynosi około 100 fig, co pokrywane Jest przez używanie soli jodowanej. Nieco więcej tego pierwiastka potrzebuje młodzież i kobiety w ciąży. Tarczyca (patrz Hormony) posiada zdolność wychwytywania jodków, które po utlenieniu zostają włączone do tyreoglobuliny, Z niej też powstają tyroksyna 1 trójjodotyronina, które przenoszone są w krwioobiegu przez alfa^-globuliny. Uwalniany w tkankach z hormonów Jod powraca do tarczycy, tworząc cykl zamknięty. 2.2.10.
Fluor
Źródłem tego pierwiastka Jest woda, która może być poddana procesowi fluorowania. Posiada to korzystny wpływ na tworzenie szkliwa zębowego oraz przeciwdziała próchnicy zębów u młodzieży. Należy jednak podkreślić, że nadmiar fluoru powoduje objawy toksyczne, co może prowadzić do fluorozy. Ponadto fluor jest silnym inhibitorem wielu enzymów glikolizy i cyklu Krebsa. 2.2.11.
Selen
Znaczenie tego biopierwiastka w ostatnich latach znacznie wzrosło. Prof. J. Aleksandrowicz, wybitny lekarz 1 humanista, był autorem hipotezy, że nasilenie chorób układu sercowo-naczyniowego i nowotworów pozostaje w związku z ekologicznym uwarunkowaniem. Z badań zespołu prof. J.Aleksandrowicza wynika,że niedobory selenu,kobaltu i żelaza można zaliczyć do czynników sprzyjających rozwojowi nowotworów, a szczególnie białaczek u ludzi. 1 odwrotnie, samoobroną w walce z chorobami cywilizacji może być wzbogacenie pożywienia w związki selenu zawarte w solach
mineralnych, w niektórych gatunkach roślin, szczególnie w kukurydzy, pomidorach i drożdżach. Produkty żywnościowe pochodzenia zwierzęcego zawierają więcej selenu. Należą do nich wieprzowe nerki i wątroba, a także produkty pochodzące z drobiu 1 ryb. Dobowy bilans selenu u ludzi wyraża sie następująco: pobierany (/ig) wydalany (/ig) pożywienie 6-150 mocz 20-30 woda 1 kał 8-30 powietrze 1 pot, powietrze 32-80 Podkreślić należy, że ponad 50% wydalanego selenu opuszcza organizm z potem, co u osób uprawiających sport może być przyczyną niedoboru tego pierwiastka. W 1988 r. ukazały sie informacje o korzystnym wpływie diety zawierającej selen na organizm poddany wysiłkowi fizycznemu [Dragan, 1988). Na podstawie badań nad erytrocytami wysunięto przypuszczenie, że selen stanowi integralna cześć peroksydazy glutationu. Wykazano, że cząsteczka tego enzymu zawiera 4 atomy selenu. Aktywność peroksydazy jest funkcją zawartości selenu w diecie. Enzym ten katalizuje reakcje: H 0 lub
H 0 lub
2
2
2 GSH glutation zredukowany
nadtlenek organiczny
>
GSSG + glutation utleniony
alkohol
Peroksydaza glutationowa jest jednym z najważniejszych enzymów tzw. ochronnych. Z jednej strony chroni ona komórk i przed szkodliwym działaniem nadtlenku wodoru, z drugiej zaś przed wpływem nadtlenków organicznych, w tym pochodnych kwasów tłuszczowych i fosfolipidów, sterydów i kwasów nukleinowych. W ostatnich latach zainteresowano sie rolą i znaczeniem selenu jako pierwiastka powiązanego czynnościowo z tokoferolem (witamina E ) . Obie te substancje są ważnymi antyutleniaczami w organizmie (synonimy antyoksydanty, "zmiatacze" wolnych rodników). Antyutleniacze są to związki, które hamują procesy utleniania. Ponieważ znaczna cześć procesów utleniania komórkowego przebiega przez stadia wołnorodnikowe, większość biologicznych antyutleniaczy to związki reagujące, "zmiatające" wolne rodniki. Grupę antyoksydantów, oprócz selenu i tokoferolu, tworzą aminokwasy siarkowe, glutation, witamina C oraz ubichinon (koenzym Q ) . Terminem - wolne rodniki - określa sie struktury cząsteczkowe zawierające niesparowany elektron, powstające w żywych komórkach. W wielu normalnych reakcjach biochemicznych są to niebezpieczne "elementy", które ze względu na wysoką i
niespecyficzną komórek. 2.2.12.
reaktywność
mogą
uszkadzać , istotne
składniki
Chrom
Niedobór chromu u zwierząt doświadczalnych oraz u ludzi powoduje upośledzenie przemian glukozy. Potwierdza to fakt, że 3+ doustne podawanie związków Cr poprawiło tolerancje glukozy u pacjentów z cukrzycą. U zwierząt stwierdzono upośledzenie wzrostu 1 przeżywalności w wyniku stosowania diety ubogiej w chrom. Wzbogacanie diety w ten biopierwiastek znosi niekorzystne skutki wywołane niedoborem chromu. 2.3.
Metalotioneina
W organizmach żywych wiele funkcji fizjologicznych spełnianych Jest przez białka, w cząsteczce których wbudowany jest metal. Białka wiążące metale można podzielić na: - metaloenzymy, - metalotionelny, - inne metaloproteiny. Metaloenzymy zawierają przeważnie metale dwuwartościowe takie jak Zn, Fe, Mn, Mg związane koordynacyjnie z białkiem. Stanowią one grupę prostetyczna enzymu, niezbędna do pełnienia funkcji katalitycznej. Metal bierze udział w działaniu enzymu wyznaczając typ reakcji. Do metaloenzymów należą niektóre oksydazy zawierające miedź, np. oksydaza cytochromowa, ceruloplazmina. Odgrywają one istotna role w utlenianiu biologicznym, gdzie miedź jest grupą czynną umożliwiająca przenoszenie elektronów na cząsteczkę tlenu. Ceruloplazmina jest główna oksydaza osocza krwi. Przypisuje sie jej również własność ferrpksydazy. Nadmiar miedzi nie związany z ceruloplazmina wiąże metalotioneina. Metalotioneina jest białkiem występującym u ludzi, w świecie zwierzęcym i roślinnym. Charakterystyczną cechą tego białka jest brak aminokwasów aromatycznych, duża termostabilność i duża ilość grup - SH pochodzących od cysteiny. Białko to pełni w organizmie dwie podstawowe funkcje: - białka indukcyjnego, służącego do ochrony żywego organizmu przed szkodliwym wpływem metali ciężkich, - białka wiążącego metale, funkcjonującego jako przenośnik i regulator fizjologicznego poziomu cynku i miedzi. Na rys. 7 przedstawiono model strukturalny tego białka. Wyróżnia sie dwa centra alfa i beta, w N-końcowym fragmencie łańcucha znajduje sie N-acetylometionina zaś C-końcu alanina. Centrum beta ma 9 cystein i wiąże 3 atomy cynku lub kadmu albo 6 atomów miedzi. Centrum alfa natomiast ma 11 cystein i wiąże 4 atomy cynku lub kadmu, albo 5-6 atomów miedzi. Białko to ma zatem
zdolność do wiązania 7-12 atomów metalu w 1 molu białka.
centrum alfa
Rys. 7.
centrum beta
Model metalotioneiny (Dunn i in., 1987)
Stwierdzono, in vitro, metalotioneiny jest następujące: Zn
3 Zn lub
Cd
Cu
Hg
ze
powinowactwo
metali
do
Ag >
maleje,
przy czym Zn i Cd preferencyjnie wypełniają najpierw centrum alfa potem beta, zaś Cu najpierw wypełnia centrum beta. Uwolnienie metalu następuje w odwrotnej kolejności. Przy spełnianiu fizjologicznych funkcji metalotioneina występuje w powiązaniu z cynkiem lub cynkiem i miedzią; dopiero po ekspozycji ustroju na metale ciężkie następuje wymiana metalu, np. rośnie ilość Cd i Hg, a spada stężenie Zn. W normalnych warunkach stężenie metalotioneiny w tkankach jest niskie i wzrasta w wątrobie, nerkach i jelitach w odpowiedzi na: - metale: Zn, Cu, Hg, Ag, Au, NI, Co, Bi, Se, - hormony: glukagon, glukokortykoidy, epinefryna, - inne czynniki: cAMP, interferon i interleukina-1. Wydaje sie bardzo prawdopodobne, że białko to indukuje sie przy wysiłku fizycznym, zwłaszcza, ze idzie to w parze ze wzrostem stężenia glukagonu i interleukiny-1. Na podkreślenie zasługuje funkcja tego białka jako odtruwacza tkanek. Mając duże podobieństwo do kadmu sprawia, że stabilność białka z Cd jest wysoka. Uwolnienie metalu związane z degradacją białka powoduje ponowna asocjacje metalu z nową cząsteczka metalotioneiny. Ten cykl może utrzymywać kadm (i inne metale) w formie stosunkowo nietoksycznej. Metalotioneina bierze także udział w magazynowaniu metali, zwłaszcza w wątrobie.
2.4.
Zastosowanie preparatów zawierających żelazo jako odżywki wspomagające, przydatne w treningu sportowym
Pozytywne wyniki badań zespołów lekarskich, stosujących preparat o nazwie livex Jako odżywkę wpływającą korzystnie na stan fizyczny organizmu, wzrost poziomu niektórych biopierwiastków oraz białek w surowicy, skłoniły do przebadania wpływu tego preparatu jako środka wspomagającego żywienie sportowców. Nazwa livex określa sie wiele odmian i rodzajów utwardzonych produktów z krwi zwierzęcej lub jej frakcji. W zależności od użytego surowca wyjściowego wyróżnia sie livex brązowy sporządzony z krwi pełnej, livex biały z plazmy krwi i livex czarny z gęstwy krwinek. Produkcje livexu prowadzi sie sposobem biotechnologicznym. Polega on na wykorzystaniu aktywności enzymów zawartych we krwi, które są odpowiedzialne za proces krzepnięcia, jednocześnie dezaktywuje sie te enzymy, które powodują wyciskanie fazy płynnej skrzepu. W produkcji preparatu nie wprowadza sie żadnych dodatkowych enzymów czy substancji klejących. Wytworzona skrzep, nazwany livexem surowym, następnie parzy sie (temp. 80 C) celem dokładnego skoagulowania i spasteryzowania białek. Suchy livex otrzymuje sie w urządzeniu suszarniczym, jego stan mikrobiologiczny jest bardzo dobry i zachowuje on trwałość około dwóch lat. Odżywka ta zawiera wiele aminokwasów egzo- i endogennych, których niedobory w organizmie moga wywołać stany patologiczne. Podjecie badań nad zastosowaniem livexu w żywieniu ludzi uprawiających intensywny wysiłek fizyczny zbiegło sie z coraz większym zainteresowaniem zjawiskami anemii sportowej. Charakteryzuje sie ona, jak wcześniej opisano, niskimi wartościami hematokrytu i stężenia hemoglobiny oraz żelaza. Do grupy wskaźników biochemicznych, oznaczonych w naszych badaniach, należą tzw. czynniki ostrej fazy, a wśród nich: alfa - a ntytrypsyna (inhibitor trypsyny), ceruloplazmina, kwasy sjalowe oraz inhibitor papainy. Alfa -antytrypsyna jest glikoproteidem zawierającym około 12% węglowodanów. Wzrost aktywności antytrypsynowej w moczu ludzkim obserwujemy w takich stanach, jak: gorączka, procesy zapalne, ciąża, żółtaczka mechaniczna, nowotwory oraz stres. Ceruloplazmina jest również glikoproteidem zawierającym około 8*/* cukrów. Bierze ona udział w transporcie miedzi oraz utlenianiu 2+ 3+ Fe do Fe , co umożliwia wbudowywanie żelaza w transferyne (rys. 6 ) . Kwasy sjalowe stanowią grupę związków wywodzących sie z kwasu neuraminowego i będących Jego N-acetylo lub N,0-dwuacetylo pochodnymi. W wielu jednostkach chorobowych stwierdza sie znaczny
wzrost ilości kwasów sjałowych, szczególnie w przypadkach nowotworów złośliwych. Aktywność antypapainowa spowodowana Jest występowaniem kilku inhibitorów papainy, które również sa glikoprotelnami. Do badań użyty został preparat o nazwie livex brązowy, produkowany w postaci granulatu. Skład chemiczny oraz aminokwasy preparatu przedstawiono w tab. 8. T a b e l a
8.
Skład chemiczny i aminokwasowy preparatu livex brązowy
Skład chemiczny
woda białko popiół cynk magnez selen ołów kadm miedź żelazo wapń potas sód
Skład aminokwasowy (g/lOOg białka)
6,8 % 71,4 •/. 5,8 % 7,25 mg/kg 14,3 mg/kg 0,11 mg/kg 0,007 mg/kg 0,0024 mg/kg 5,01 mg/kg 0,3 % 0,39 % 0,66 % i 67 •/. t
kwas asparginowy treonina seryna alanina* kwas glutaminowy prolIna gllcyna cystyna walina metionina izoleucyna leucyna tyrozyna fenyloalanina lizyna histydyna arginina
11,82 5,02 5,25 8,07 10,23 3,46 3.9 1,4 5,49 0,54 1,03 12,57 2,73 7,36 6,25 5,06 3,12
Livex podawano 6 zawodnikom w trakcie 12-dniowego zgrupowania. Preparat podawano codziennie w ilości 15 gramów (dawkę dzielono na dwie części). Treningi na zgrupowaniu mającym na celu przygotowanie do startu w ogólnopolskiej spartakiadzie młodzieży, odbywały sie według programów indywidualnych. W trakcie zgrupowania nie obserwowano u zawodników żadnych dolegliwości zdrowotnych. Reakcje na obciążenia treningowe można uznać za prawidłowe, o czym świadczą dane zarejestrowane w arkuszach samokontroli. Zgrupowanie spełniło zatem swoje cele i Jego uczestnicy zostali odpowiednio przygotowani do startu w zawodach, w których uzyskali bardzo dobre wyniki. Trudno ocenić czy dobre rezultaty były skutkiem przyjmowania preparatu, można jednak stwierdzić, że preparat ten: - nie zaburzył zdrowia zawodników, - nie wpłynął ujemnie na reakcje zawodników na obciążenia
treningowe, - nie wpłynął ujemnie na wyniki sportowe zawodników. Zmiany wybranych parametrów biochemicznych w surowicy oraz w moczu zawodników stosujących preparat livex przedstawiono w tab. 9 i 10. T a b e l a
9.
Wskaźnik
Stężenie niektórych wskaźników w moczu zawodników - średniotystanowców stosujących preparat livex (Słowińska i in., 1990) Badania przed obozem po obozie (jedn/1) (jedn/mmol (jedn/1) (jedn/mmol kreatyniny) kreatyniny) -
-
kreatynina (mmol)
11.5 - 2,0
białko (mg)
63.5 -:18,7
6,00-1,55
19,7 -7,6
5.5 ± 3,1
0,46-0,23
5,3 -2,4
inhibitor trypsyny (kJ) inhibitor papalny (kJ)
38,2 - 6,2
9,7 -3,4
+
3,44-1,03 .29,1 -2,9
2,06-0,45*
*
0.57-0,30
3,21-1,26
żelazo (jjmol)
2,06- 0,30
0,18-0,22
1,12-0,31* 0,12-0,05
miedź (umol)
2,47^ 0,40
0,20-0,05
1,30-0,18* 0,13-0,04
cynk (urno1)
19,9 - 3,5
1,79-0,55
10,3 -3,2
1,07-0,15
- istotność statystyczna p s 0,05 W surowicy obserwowano statystycznie istotny wzrost stężenia białka i żelaza oraz spadek poziomu cynku. Interesująco przedstawiają sie również wyniki oznaczeń stężenia kwasów sjalowych, ceruloplazminy, aktywności antytrypsynowej i antypapainowej. W surowicy zawodników przyjmujących livex obserwowano bowiem spadek poziomu tych parametrów ( statystycznie istotny aktywności antypapainowej 1 stężenia kwasów sjalowych oraz statystycznie nieistotny aktywności antytrypsynowej i stężenia ceruloplazminy). Stężenie wskaźników w moczu zawodników stosujących livex przedstawiono w jednostkach oraz w jednostkach/mmol kreatyniny (tab. 9 ) . W moczu wykazano statystycznie istotny spadek stężenia żelaza, miedzi i cynku oraz aktywności antypapainowej. Obserwowano również statystycznie istotne obniżenie proteinurii powysiłkowej, również w przeliczeniu na mmol kreatyniny= W badan iach
hematologicznych stwierdzono nieistotny statystycznie wzrost poziomu hemoglobiny, należy jednak podkreślić, że grupa zawodników miała wysoki jej poziom już przed zgrupowaniem. Wykazano natomiast statystycznie Istotne obniżenie ilości leukocytów, co znalazło swoje potwierdzenie w spadku poziomu białek ostrej fazy w surowicy. Zmiany wybranych parametrów biochemicznych w surowicy i w moczu zawodników przyjmujących livex były mniejsze niż można by sie tego spodziewać po obciążeniu treningowym. Znanym faktem jest np. wzrost stężenia białek ostrej fazy po wysiłku fizycznym, natomiast w naszych badaniach obserwowano spadek poziomu tych białek (tab. 10). T a b e l a
10.
Wybrane wskaźniki biochemiczne w surowicy zawodników stosujących preparat Jivex (Słowińska i in., 1990)
Wskaźnik
- Badania przed treningiem po treningu
białko (g/l)
66,5 .
+ +
aktywność antytrypsynowa (kJ/ml)
1.14
aktywność antypapainowa (kJ/ml)
0,32
ceruloplazmina (g/l)
0,20
kwasy sjalowe (g/l)
0,82
+ + +
2,5
71.3
0, 16
0,97
0,05
0,24
0,06
0, 15
0,06
0,66
+
+
+ + +
2,4* 0, 16
0,03 0,04 0,05
+
żelazo (jimol/1)
20,8
5,8
33,3
miedź (umol/1)
16,4
0,9
17,0
cynk (jimol/1)
13,5
1.4
11.7
+
+
5,2 +
•
1.7
•
+
1,2 - istotność statystyczna ^ 0,05 Interesującym faktem wydaje sie też wzrost poziomu białka 1 żelaza w surowicy przy równoczesnym spadku ich stężenia w moczu. Obniżenie proteinurii powysiłkowej oraz poziomu białek ostrej fazy w surowicy może świadczyć o zmniejszeniu zaburzenia homeostazy (równowagi wewnątrzustrojowej) w organizmie zawodników stosujących preparat livex i poddanych dużym obciążeniom treningowym. Potwierdzają to również badania hematologiczne. Po wysiłku fizycznym należało spodziewać sie bowiem wzrostu liczby leukocytów
(podobnie jak poziomu białek ostrej fazy), natomiast w naszych badaniach obserwowano obniżenie ilości leukocytów. Wzrost stężenia hemoglobiny, choć statystycznie nieistotny, przemawia za możliwością korzystnego wpływu preparatu na anemie sportowa. Badania hematologiczne i oznaczanie biopierwiastków w płynach ustrojowych sa ciągle w centrum zainteresowania badaczy i nic nie straciły ze swej aktualności. Trudno bez nich wnioskować o stanie zdrowia ludzi uprawiających różne dyscypliny sportowe. 2.5.
Leki i preparaty zawierające żelazo
na podstawie opracowania pt."Leki współczesnej terapii" (1987) 1. Węglan żelazawy - FERROUS CARBONATE - działa krwiotwórczo podobnie do siarczanu żelazawego, stosowany w niedokrwistości na tle niedoboru Fe w ustroju - dzieciom 2 x 125 mg - preparaty: INGOFERRON (Boehrlnger, RFN) 2. Fumaran żelazawy - FERROUS FUMARATE (zawiera 337. Fe) - środek krwiotwórczy, stosowany w niedokrwistości niedobarwliwej z niedoboru Fe 2+ - dorośli 400-600 mg dziennie co odpowiada 130-195 mg Fe - preparaty: FERR0NAT (Spofa, Czecho-Słowacja) FERRUM (Hausmann, Szwajcaria) FERSADAY (Glaxo, Wielka Brytania) FUMAS0RB (Marion, USA) HEM0CYTE (Medlcs, USA) IRC0N (Key. USA) T0LER0N (Wallace, USA) CO-FEROL (Cox-Cont.„Wielka Brytania) ponadto kwas foliowy FEOCYTE (Dunhall, USA) ponadto glukonian żelazawy, siarczan żelazawy, witamina C, B., B „ , siarczan miedziowy, wysuszona wątroba FERANCEE (Stuart, USA) ponadto witamina C FERR0CAP (Consolidate Chem., Wielka Brytania) ponadto witamina B^, kwas foliowy FERRUMFOL B witamina B
(Hausmann, Szwajcaria) ponadto
kwas
foliowy i
2
Poniżej wymienione zawierają kwas foliowy: F0LEX (Rybar, Wielka Brytania) HEM0CYTA-F (Medico, USA) IRC0N FA (Key, USA) PREGADAY (Glaxo, Wielka Brytania) 3. Wodorotlenek żelazowy, kompleks z wodorocytrynianem choliny FERROCHOLINATE
- środek krwiotwórczy, stosowany w niedokrwistości niedobarwliwej z niedoboru Fe - preparaty: CHEL-IRON (Kinney, USA) 4. Glukonian żelazawy - FERROUS GLUCONATE zawiera 11,6 Fe - odgrywa role katalizatora wchodząc w skład 2elazoporfiryn, enzymów oddychania tkankowego, a także bierze udział w syntezie hemoglobiny - stosowany w niedokrwistości niedobarwliwej z niedoboru Fe, łatwo wchłania sie z przewodu pokarmowego - preparaty: ENTRON (La Crosse. USA) FERGON (Winthrop, Wielka Brytania) FERGON PLUS ( ponadto witaminy B i C ) 1 2
FERRO-AGEPHA (Agepha, Australia) ASCOFER (Polon, RP) z witamina C 5 Bursztynian żelazawy - FERROUS SUCCINATE - działanie podobne do siarczanu żelazawego - preparaty: FERROMYN (Calmic, Wielka Brytania) FERROMYN B z witaminami B , B , PP 1
2
FERROMYN S (Hassie, Szwecja) z kwasem bursztynowym 6. Siarczan żelazawy - FERROUS SULFATE - działa krwiotwórczo, rozpuszcza sie w soku jelitowym wchłaniając głównie w dwunastnicy i jelicie czczym - stosowany w niedokrwistości na tle niedoboru Fe w ustroju u niemowląt, małych dzieci, w ciąży, w okresie pokwltania oraz w wieku podeszłym, a także u krwiodawców - zapobiegawczo 300 mg dziennie - podczas leczenia należy okresowo kontrolować obraz krwi: kał w okresie leczenia przybiera barwę czarna - preparaty: HEMOFER (Polfa, RP) HEMOFER F PROLONGATOM ( z kwasem foliowym) FE0S0L (Menley and James, USA) FE0S0L PLUS z dodatkiem witamin: B., B„, B.„, B,, PP, C 1 kwasu foliowego FEOSAN (Smith Kline and French, Wielka Brytania; Krka, Jugosławia) FERRO - GRADUMET (Abbott, Wielka Brytania; Galemka, Jugosławia) FER0LIX (Century, USA) FERRO 66 DL (Byk Gulden, RFN) FERROUS SULFATE (Parke-Davls. USA) MOL - IRON (Schering, USA) AKTIFERRIN (Merckle, RFN) zawiera DL-seryne
ERYFER (Cassella-med, RFN; JugoremadiJa, Jugosławia) z witamina C i wodorowęglanem sodowym FEFOL - VII (Smith Kline and French, Wielka Brytania; Krka, Jugosławia) zawiera kwas foliowy, witaminy Bj, B^* B , PP, C i pantotenian wapniowy FERO-FOLIC 500 (Abbott, USA) ponadto witamina C 1 kwas foliowy FERRAPLEX B (Bencard, Wielka Brytania) zawiera węglan miedziowy, witaminy B , B^> C, PP i wysuszone drożdże &
J
FERRITRINSIC ^12' y w
s
u
s
z
o
n
(Upjohn, USA) dodatkowo zawiera witaminę wątrobę, kwas foliowy, witaminy C, B^, B^, PP
a
FERRECIT (Nattermann, RFN) zawiera sodowo-żelazowy, witaminy B^, B^, PP, C
ponadto
cytrynian
FERROFER (Cedona, Szwajcaria) z dodatkiem krzemianu magnezowo-glinowego FERROPLEX (Biogal, Węgry) z witamina C FES0VIT (Smith Kline and French, Wielka Brytania) witaminy C B,, B„, B., PP, pantotenian wapniowy 1 2 6 FOLFER (UCB, Belgia) z kwasem foliowym HEPTUNA PLUS (Roeng, USA; Pfizer, Belgia) z dodatkiem witaminy B,, B^, PP, pantotenianu wapniowego , witaminy 1 Z b B , C, wysuszonej wątroby, siarczanu miedziowego, siarczanu J 2
molibdenowego, fosforanu dwuwapniowego, jodku potasowego, siarczanu manganowego siarczanu magnezowego, siarczanu potasowego B IBERET (Abbott, USA) dodatkowo zawiera witaminy C, B^, ^2' 6' PP, pantotenian wapnia IROSPAN (Fielding, USA) z witamina C KOBALT-FERRLECIT ("Nattermann, RFN ) zawiera dodatkowo cytry nian sodowo-żelazowy, octan kobaltowy, glikokol miedziowy, cytrynian manganawy witaminy B ^ , B^, B ^ , B ^ PP 2 >
RES0FER0N (Geigy, Szwajcaria) z kwasem bursztynowym VITAFERR0 (Germed, RFN) siarczan amonowo-zelazowy z witamina C FERRO-SANOL B (Sanol, RFN, Szwajcaria) z dodatkiem glikokolu, witaminy C, B,, B,, B.„ 1
o
IZ
LYSIFER (Lodeasls, Francja) z dodatkiem chlorowodorku L-lizyny, witaminy C, B , B BI0VITAL ( w postaci płynu, drażetki i galaretki) Dr Schieffer International, RFN, zawiera oprócz siarczanu żelazawego i cytrynianu sodowo-żelazowego: cytrynian manganawy, witaminy B^, B ^ , B^ , C &
1 2
2
7. Kompleksowa sól żelazowo-sodowa kwasu etylenodlamino-N,N,N,* N'-tetraoctowego - SODIUM FEREDETATE - trwały i rozpuszczalny chelat 2elazowy uwalniający jon żelaza dopiero w dwunastnicy. Nie powoduje zaparcia ani zabarwienia zębów stosowany w niedokrwistości niedobarwliwej, ciąży, u niemowląt i młodych dziewcząt w niedoborze lub braku kwasu solnego w żołądku - preparaty: FERROSTRANE (Parke-Davis, Francja) FERROSTRENE (Parke-Devls, Szwajcaria) IROSTRENE (Parke-Devis, Szwajcaria) 3+ 8. Żelazo trójwartościowe (Fe ) do stosowania pozajelitowego FERRUM PRO INIECTIONE - środek o działaniu krwiotwórczym, łączy sie łatwo z globulinami, cześć wprowadzonego do ustroju żelaza zostaje zmagazynowana w postaci ferrytyny w wątrobie, śledzionie i innych narządach, reszta zaś w ** postaci transferyny jest zużywana do budowy hemoglobiny, mioglobiny i enzymów żelazoparafinowych oddychania tkankowego. Podany domięśniowo szybko wchłania sie z tkanek do krwi, przenikając do szpiku. Podawany jest w niedokrwistościach z niedoboru żelaza np. wskutek krwawień z przewodu pokarmowego 8.A. Koloidalne związki kompleksowe soli sodowej cukrzanu żelazowego (od 20-100 mg dzienne) FERR0PH0R (TAD, RFN) FERRUM (Hausmann, Szwajcaria) VITAFERRI (Germed, RFN) 8.B. Koloidalny roztwór zawierający związek kompleksowy wodorotlenku żelazowego i dekstranu częściowo zhydrolizowanego (Iron-dextran complex) IMFERON (Merrel Dow, USA) IMFERON (Flsons, Wielka Brytania) 8.C. Stabi1izowany związek kompleksowy żelaza, sorbitolu i kwasu cytrynowego o małej masie cząsteczkowej - iron sorbitex JECTOFER (Astra, RFN; Bosnalijek, Jugosławia) 3+ 8.D. Inne związki kompleksowe żelaza (Fe ) FERRLECIT (Nattermann, RFN) KOBALT - FERRLECIT (Nattermann, RFN). 2.6. Stężenie elektrolitów w moczu w cyklu treningowym W badaniach własnych oznaczano stężenie elektrolitów w moczu u zawodników realizujących cykl treningowy w jednostkach treningowych T-l , T-2, T-3 i T-4 (tab. 11, 12) (Milian i in. , 1989).
T a b e l a
11.
Charakterystyka treści jednostek treningowych
analizowanych
Symbo1
Przw i dywana strefa przemian energetycznych
Ak cen t treningowy
T-l
I
wytrzymałość ogólna
T-2
III- beztlenowa wytrzymałość kwasomlekowa specjalna
powtó rzeń i owointerwałowa
2x300m + 2x200m odpoczynek 8-10 min prędkość biegu: M - 300m 37-39s 200m 24-25s K - 300m 45-47s 200m 30-31s
T - 3
II- mieszana
wytrzymałość szybkościowa
interwałowa
12-14x100 m odpoczynek, lOOm truchtu, prędkość biegu 100 m/13-14s
T - 4
IV- beztlenowa niekwasomlekowa
szybkość
powtórzeniowa
start niski + 20mx4 + 30x4, odpoczynki pełne, prędkość biegu możliwie największa
-
tlenowa
Me toda treningu
Treść treningu
ciągła
cross w terenie 8 km - 40 min, prędkość biegu lkm/8 min
W przedstawionych badaniach poziom wapnia w moczu powysiłkowym zmniejszył sie w T-l, a podwyższył podczas pozostałych treningów. Poziom magnezu w moczu zmniejszył sie tylko w T-2, a podwyższył w pozostałych treningach. Stężenie fosforanów w moczu znacznie sie podwyższyło w treningach T-l i T-4, a w T-2 i T-3 znacznie obniżyło. Podobnie do fosforanów zachowały sie poziomy chlorków. Zwiększyły sie one w T-l i T-4, a w T-2 i T-3 obniżyły. W diagnostyce klinicznej na ogół poziomy elektrolitów w moczu określa sie w tzw. dobowej zbiórce. W piśmiennictwie spotyka sie również wyrażenie stężenia elektrolitów w przeliczeniu na gram lub mmol kreatyniny. W prezentowanym opracowaniu w celu uniknięcia niezmiernie kłopot1iwej zbiórki moczu zawodników do porównania
wyników wykorzystano obliczone współczynniki treningowe K. dotyczące poszczególnych elektrolitów. Współczynnik K wyraża sie wzorem: C
2
K =
,
treningiem;
gdzie
C
- stężenie elektrolitów przed
C^- stężenie elektrolitów po treningu.
Wyznaczono zależność współczynników treningowych miedzy poszczególnymi elektrolitami w jednostkach treningowych. Zależność te» iloraz współczynników dotyczących dwóch elektrolitów, można wyrazić wzorem, np. dla Na i K: C (Na) 2
JC(Na)
C
K (K)
C
x
(Na)
C
(K)
C
2
(Na) x C
(K)
(Na) x
t K )
c —
Q
2
x
T a b e 1 a Pier wiastek Na K Ca Mg P
12.
2
(K)
Stężenie elektrolitów w moczu (mmol/1)
T-1 przed po 234,5 42,8 2,3 2,3 51,7
C
179,0 47,3 1,3 2,4 81,2
T- 2 przed po 200,2 39,3 5,0 5,3 68,0
187,0 27,3 5,7 4,0 50,1
T-3 przed po 176,0 37,2 1,9 2,9 123,6
225,3 52,0 2,7 4,1 99,8
T-4 przed 168,0 43,3 2,1 2,4 89,3
po
197,5 65,3 2,4 4,0 131,8
T - jednostka treningowa Wyznaczanie takich ilorazów pozwala porównywać poziomy elektrolitów w poszczególnych treningach z pominięciem zebranej dobowej objętości moczu, czyli tzw. zbiórki dobowej. Analiza porównawcza tych danych dostarcza interesujących informacji. Można je zastosować następująco: istnieje podobieństwo zmian stężenia określonych paf elektrolitów w jednostkach treningowych: K 1 Na; Mg I Ca ; Na i Cl; Ca i Cl; Na i P; Mg i P; K i P (tendencje te obrazuje rys. 8), - nie zmienia sie zależność miedzy K i Mg we wszystkich jednostkach treningowych.
Podsumowując wstępne dane dotyczące poziomu elektrolitów w moczu w Jednostkach treningowych ( T-l - T-2), można stwierdzić: - w T-l poziom Na i Ca obniża sie a poziomy K, Mg, P i Cl podwyższają sie, - w T-2 stężenie Na, K, Mg, P i Cl obniża sie , a poziom Ca nieznacznie wzrasta, - w T-3 wzrasta zawartość Na, K. Ca i Mg, a poziom P i Cl obniża sie, - w T-4 wzrasta stężenie wszystkich oznaczonych elektrolitów, 2.7.
Stężenie elektrolitów w moczu przed i po biegu maratońskim
W tab. 13 przedstawiono stężenie niektórych elektrolitów w moczu przed i po biegu maratońskim. Wykazano, 2e oprócz potasu, wszystkie pozostałe zmiany mają charakter istotny statystycznie. Stężenie sodu, wapnia i magnezu w moczu spada, zaś cynku i miedzi wzrasta. Obniżenie wartości trzech pierwszych biopierwiastków związane jest z utrata tych elektrolitów z potem. Wpływają na to hormony, np. aldosteron i aktywność reninowa osocza. Wzrost wydzielania cynku w moczu wiąże sie prawdopodobnie ze zwiększonym wydzielaniem kortyzolu i hormonu wzrostu, których stężenie w wysiłku fizycznym wzrasta. Zwiększenie stężenia miedzi w moczu powysiłkowym jest związane z proteinurią powysiłkową, w tym również z wydzielaniem ceruloplazminy z moczem. 2.8.
Uwagi końcowe o solach mineralnych
Grupa substancji nazywanych solami mineralnymi pełni w organizmie ważną, niestety czasem niedocenianą funkcje- Związki te są głównymi czynnikami regulującymi środowisko wewnętrzne. Sód i potas odpowiadają za zewnątrz- i wewnątrzkomórkowe ciśnienie osmotyczne. Obydwa te blopierwiastki wraz z wapniem i chlorem regulują pobudliwość błony komórkowej. Z kolei wapń i magnez są istotnymi składnikami uczestniczącymi w skurczu mięśniowym. Wiele mikroelementów, które występują w śladowych ilościach, bierze udział w reakcjach enzymatycznych, a jod wchodzi w skład hormonów tarczycy. • Pomimo wielu badań na temat roli poszczególnych składników nieorganicznych w wysiłku fizycznym zagadnienie to jest nadal słabo poznane i wymaga dalszych wszechstronnych dociekań. Stosunkowo dużo powiedziano na temat żelaza. Warto jeszcze raz podkreślić, ze zmniejszenie wskaźnika hematokrytowego o l/i obniża maksymalną zdolność do pracy o około 4%. Na uwagę i przestrogę zasługuje fakt, że u 12-15% ogólnej ilości sportowców stwierdza sie deficyt żelaza. Dlatego jeszcze jedna informacja: minimum żelaza w diecie sportowców powinno wynosić 8-10 mg na 1000 kcal pożywienia. Ważną, poznaną rolę w wysiłku fizycznym przypisuje się
magnezowi i wapniowi. W związku z obniżeniem stężenia tych pierwiastków po długotrwałych wysiłkach fizycznych zaleca sie stosowanie asparginianu potasowo-magnezowego i soli wapnia. Zwiększenie podaży wapnia, podobnie jak żelaza, Jest konieczne z powodu zmniejszenia wchłaniania tych pierwiastków w przewodzie pokarmowym, a także w związku z potreningowa obniżka kwasowości soku żołądkowego. Wśród sportowców stwierdza sie w 48-66% przypadków niedokwasowości w porównaniu do 15-22% u nie trenujących. Mg/Cl, P/Cl, K/Cl, Na/Cl, Ca/Cl
SZACUNKOWA WIELKOŚĆ OBCIĄŻENIA TRENINGOWEGO maksymalna submaksymalna -
duża c
&
umiarkowana-
N O
"
O o.
T l Ł
01
A
T 2
T *3
T 4
5
*
A
l
Na/P, Ca/P
A
T 2
T 3
T 4
INTENSYWNOŚĆ TRENINGU mała
ć N O
T l jednostka treningowa
-
umiarkowana-
a [A
submaksymalnamaksymalna-
T
T
4
1
T
2
A
T 3
T 4
jednostka treningowa Rys.
8.
Zależność współczynników treningowych treningowych (Naglak i in., 1990)
w
jednostkach
O udziale niektórych jonów nieorganicznych w reakcjach metabolicznych świadczy tab. 13. Obrazuje ona jak wiele kluczowych reakcji w organizmie jest warunkowanych przez niezbędne składniki jonowe. T a b e l a
13.
Stężenie niektórych elektrolitów i tów w moczu maratończyków przed i (Monkiewicz i in., 1989)
Sód Potas Wapń mmol/mmol kreatyniny
przed biegiem P° biegu
13,3
5,1
0,32
5,0
0,08
• 6.7
metaboli po biegu
Magnez Cynk M i edż umol/mmol kreatyniny
0,22 .
0 77 .
0,06
0,19
(
. 1,27
. 0,31
—
istotność statystyczna p s 0,05 Wyniki licznych doświadczeń wskazują, że stosowanie pełnowitaminowego 1 wysokokalorycznego pożywienia przez sportowców musi być połączone ze wspomaganiem, czyli dawkowaniem biochemicznych środków, preparatów stymulujących całość przemian organizmu. Lista tych środków, odżywek, preparatów jest długa- i stale uzupełniana. Szczególnie preferowane sa preparaty o szerokim zakresie działania. Należą. do nich: inozyn, orotat, panangina, politabs, cernikin, kazewit, kazilan, hydrolizaty białkowe, matabolosport a także karnityną, cytochrom C, glutamina, lecytyna, asparginian, glicerofosforan wapnia, kokarbok-sylaza i wiele innych (Jethon, 1987). Pamiętać należy zawsze, że stosowanie podanych preparatów powinno być zindywidualizowane, dostosowane do stanu wytrenowania i okresu treningowego oraz opierać sie na rzetelnej wiedzy lekarza, trenera, dietetyka oraz przede wszystkim zawodnika, podmiotu procesu treningowego. 2.9.
Biochemiczne aspekty żywienia sportowców
Trudno po omówieniu wpływu biopierwiastków nie poświecić uwagi biochemicznym aspektom żywienia sportowców oraz osobom wykonującym prace, którą można zakwalifikować jako ciężką lub bardzo ciężką. W tej części* skryptu przedstawiono wydatki energetyczne uwzględniające rodzaj aktywności fizycznej, płci, wieku wyrażone w różnych jednostkach lub równoważnikach energetycznych. Wydatkowanie energii dorosłego mężczyzny (przykład dotyczy
osobnika o wadze 70 kg) zależy od jego aktywności. Jak wynika z tab.14 najniższy minutowy wydatek energetyczny występuje w czasie snu I odpoczynku w pozycji leżącej i wynosi 1 kcal/min. T a b e l
a
14.
Przykłady dobowego dorosłego mężczyzny
Rodzaj aktywności
wydatkowania (70 kg)
energii
Minutowy wydatek energetyczny (kcal/min)
sen, odpoczynek leżąc bardzo lekki (prowadzenie samochodu, pisanie na maszynie, praca laboratoryjna)
1,0 - 1,2 powyżej 2,5
lekki (chód 2,5-3,0 km/godz, golf, żeglowanie? tenis stołowy, siatkówka)
2,5 - 4,9
średni , (chód 3,5-4 km/godz, jazda na motocyklu, narciarstwo, tenis, taniec)
5,0 - 7,4
ciężki (koszykówka, pływanie, wspinaczka, piłka nożna)
7,4 -12,0
Inne rodzaje aktywności określane umownie jako lekkie, średnie i ciężkie związane sa z odpowiednio większym, wynoszącym 2,5, 5 i 10 kcal/min, wydatkiem energetycznym. Zwraca uwagę zróżnicowanie dyscyplin sportowych zaliczanych do odpowiednich grup. Rozszerzeniem tych danych jest zestawienie w tab. 15, w której wydatek energii wyrażono w kcal/kg/godz, co w przypadku osoby ważącej 60 kg odpowiada jednostkom z poprzedniej tabeli tzn. kcal/min. Z bogatego zestawu porównywanych czynności na uwagę zasługuje spacer 3 km/godz (2,5), bieg (trucht) (ok. 10.0), bieg z przeszkodami (15,0) oraz biegi na 100 m (45,0) i 400 m (85,0). Odnotować należy 30-krotny wzrost wydatku energii pomiędzy biegiem na 400 m i wolnym spacerem. Kolejnym sposobem wyrażania wydatku energetycznego u sportowców reprezentujących różne dyscypliny sportowe - grupy sportów, jest dobowe zapotrzebowanie na energie oraz wydatek energii w przeliczeniu na 1 kg masy i dzień (tab. 16). W grupie sportów wytrzymałościowych A dobowe zapotrzebowanie na energie kształtuje sie w granicach 5300-5550 kcal, co odpowiada
T a b e l a
15,
Całkowite wydatki energii podczas wykonywania różnych czynności (Ziemiański, 1987)
Czynność
sen siedzenie spokojne leżenie wolny spacer 3 km/godz. jazda na rowerze 3,5 km/godz. pływanie 10 m/min ćwiczenia na drążku marsz po równinie 6 km/godz. taniec (walc) 20 m/min ćwiczenia na kółkach wolny bieg (trucht) boks, ćwiczenia ze skakanka wiosłowanie na kajaku 7,5 km/godz. bieg "cross" 8 km/godz. szermierka, szpada boks - walka na ringu Jazda na rowerze 30 km/godz. zapasy jazda na łyżwach bieg z przeszkodami bieg na nartach 9,5 km/godz. marsz pod górę 2 km/godz. pływanie 70 m/min bieg na 100 m bieg 400 m/min
Wydatek energii (kcal/kg/godz) 0,93 1,04 1.10 2,5 --2,86 2,54 3,0 4,1 4,45 5, 1 5,52 6,0 - 15,0 7,2 8,1 8,13 10,0 11,2 - 16,0 12,0 12,32 12,7 13,5 - 19,0 15,95 17,1 25,8 45,0 85,0
wydatkowi energii w ciągu dnia w przeliczeniu na kg masy ciała 70-80 kcal. Do tej grupy sportów zaliczono m.In. biegi długie, wyścigi kolarskie 1 biegi na nartach. W grupie sportów B - gry zespołowe - odpowiednie wartości z tabeli wynoszą 4900-5350 kcal oraz 68-72 kcal/kg m. c. Najwyższe zapotrzebowanie na energie w tej grupie wykazują piłkarze i hokeiści. W grupie sportów C, w większości indywidualnych, dobowe zapotrzebowanie na energie jest niższe i wynosi 4600 kcal. Nieznacznie niższe wartości dobowe wyliczono dla grup sportów D i E, które dotyczą wyłącznie konkurencji indywidualnych o krótkim czasie ich trwania. Wydatek energii w kcal/kg m.c. wynosi w tych grupach odpowiednio około 65. Z danymi przedstawionymi w omówionej tabel 1 korespondują informacje zebrane w kolejnej (tab. 17). Przedstawia ona dzienne
zapotrzebowanie kaloryczne u sportowców oraz na składniki pokarmowe wyrażone w gramach na kg m.c. Maksymalne zapotrzebowanie poszczególnych składników stwierdzono u sportowców uprawiających biegi długie, a szczególnie maraton. Jak wynika z tych danych, zużycie węglowodanów wynosi około 60"/., zaś białka nieznacznie przekracza 10'/.. Należy T a b e l a
16.
Średni dzienny zapotrzebowanie (Grafe, 1964)
Rodzaj sportu
wydatek energetyczny 1 na energie sportowców
Wydatek energii w kcal (1 kg masy) 1 dzień
Dobowe zapotrzebowanie na energie (kcal netto)
Gruga sportów A -
5550 5550 5450 5300 5450 5400
biegi długie na nartach wiosłowanie wiosłowanie na czółnie pływanie wyścigi kolarskie biegi długie
82,14 69,21 72,72 69,87 80,39 79,07
średnia po zaokrągleniu
75,57
5450 5500
piłka nożna piłka ręczna koszykówka hokej na trawie hokej na lodzie
72,28 68,06 67,93 69, 18 71,87
5350 5100 5100 5200 4900
średnia po zaokrągleniu
69,86
5130 5100
slalom kajakowy sportowe strzelanie tenis stołowy kręgle żeglarstwo
67,14 62,71 59,96 62,69 63,77
4550 4550 4450 4700 4700
średnia po zaokrągleniu
63,26
4590 4600
Grupa sportów B
Grupa sportów C
c d. tabeli 16. Rodzaj sportu
Wydatek energii w kcal (1 kg masy) 1 dzień
Dobowe zapotrzebowanie na energie (kcal netto)
Grupa sportów D sprint biegi krótkie i średnie skok o tyczce skok do wody boks (waga lekkopółśrednia)
61,77 65.62 57,83 69.24 67,25
4250 4250 4200 4200 4250
średnia po zaokrągleniu
64,34
4230 4200
judo (waga lekka) podnoszenie cie2arów (waga lekka) rzut oszczepem
72,92 69,15 56.95
4550 4560 4350
średnia po zaokrągleniu
66.34
4490 4500
Grupa sportów E
przypomnieć, ze utlenienie 1 g tłuszczu dostarcza przeciętnie 9 kcal (37,7 kJ), podczas gdy pełne utlenienie 1 g cukru lub białka - tylko 4 kal (16,7 kJ). Interesujące wydaje sie zestawienie równoważników energetycznych odpowiadających liczbie minut danej działalności, np. Jazda na rowerze, pływanie, bieg, która jest wymagana do zużycia energii powstałej po spożyciu odpowiednich pokarmów (tab. 18). Można w przybliżeniu przyjąć, że po spożyciu 100 kcal różnego rodzaju pokarmu od mięsa, przekąsek, owoców po warzywa można wypoczywać przez około 77 min, jechać na rowerze około 12 min, pływać 9-10 min, a biegać 5-6 min. Na podstawie tej tabel i, a zwłaszcza na podstawie tab. 19 można układać jadłospis z uwzględnieniem różnorodnych produktów, a także form aktywności fizycznej. Spośród składników pokarmowych można wyróżnić trzy grupy produktów: - bogate w białko: ser edamski, wątroba wieprzowa, kiełbasa szynkowa, - bogate w tłuszcze: olej, dwa gatunki masła, boczek wędzony,
-
bogate w węglowodany: cukier, chleb chrupki, makaron, gryczana, oraz czekolada pełna mleczna.
T a b e l a
17.
kasza
Dzienne zapotrzebowanie kaloryczne na skła dniki pokarmowe u sportowców ( w gramach na kg masy ciała)(Jethon, 1987)
Dyscyplina sportu
lekkoatletyka - biegi krótkie, średnie, płotki itp. - miotacze - biegi długie - maraton narciarstwo, biegi gimnastyka piłka nożna hokej koszykówka, siatkówka podnoszenie ciężarów łyżwiarstwo boks, zapasy
Białko
Tłuszcze
Węglowodany
Kalorie (kcal)
2.4--2,5 2,4--2,5 2,0--2,3 2,4--2.5 2,4--2,5 2,1-"2,4 2,3--2,4 2,3--2,4 2,1--2,3 2,4--2,5 2,0--2,1 2,4--2.5
1.7-•1.8 1,6--1.7 2,0-•2,1 2. 1--2,3 2,2--£.5 1.5--1.6 1.8--1,9 2,0--2,1 1,8--1,9 2,0--2,3 2,0--2, 1 2,0--2,1
9,5- 10,0 9,0- 9,5 10.5- 11,5 11,0- 13,0 10,0- 12,0 9.0- 9,5 9.0- 10,0 9.0- 10,0 9,0- 10,0 10,0- 11,0 9,0- 9,5 9,0- 10,0
65--70 62--67 70--76 75--85 75--80 60--65 63--67 65--70 62--65 70--75 64--67 65--70
Na wyróżnienie zasługują produkty o stosunkowo wysokiej kaloryczności, w których znajdują sie wszystkie trzy składowe. Należą do nich czekolada pełna mleczna, makaron 4-jajeczny oraz sery twarde. Podsumowaniem tych szczegółowych wskazań dla dietetyka 1 trenera jest tab. 20, w której podano zalecane normy na energie i składniki odżywcze. Jeszcze raz zwraca uwagę wysoka procentowa zawartość w diecie cukrowców (55-61%), a niska białka (10-12%). Trzeba Jednak uzupełnić, że tak niska zawartość białka nie dotyczy ludzi młodych, w okresie wzrostu. Dane zgromadzone w tab. 19 odnoszą sie do osób w wieku ponad 21 lat wykonujących ciężką (kobiety) lub bardzo ciężką (mężczyźni) prace. 2 danych innych autorów pewne składniki mineralne i witaminowe mogą być stosowane w większych ilościach, a dotyczy to zwłaszcza żelaza i witaminy C i E. Istnieje na ten temat bogate piśmiennictwo, m.in. prace profesorów Bączyka, Jethona i Ziemiańskiego. 2.10.
Uwagi końcowe
Większość badaczy podkreśla duże znaczenie, jakie we współczesnym żywieniu sportowców posiada grupa substancji mineralnych i witamin. Ich działanie, choć nierzadko w znikomym
Zawartość
Odpoczy—fc
kaloryczna
Jazda ca
Ptywwia
B»g
rowerze
w porcji pokarmu 1
2
3
314
242
96
74
167
4
5
6
38
28
16
12
9
5
128
20
15
9
235
181
29
21
12
hamburger
300
269
43
31
18
pizza z serem
180
138
22
16
9
frytki, 1 porcja
108
83
13
10
6
430
331
52
38
22
9
kotlet w i e p r z o w y b e l c o a , dwa
plasterki
s z y n k a , dwa
plasterki
stek
KanaDki.
pieczeń z
ę
nrzekaski
sosem
Napoie mleko: 0.25 1
166
128
20
15
woda sodowa: 0 . 2 5 1
106
82
13
9
5
koktail z mleka z czekoladą
421
324
51
38
22
piwo: 0,25 1
114
88
14
10
6
wino: 0 , 1 0 I
84
65
10
8
4
101
78
12
9
88
68
11
8
5 4
sok p o m a r a ń c z o w y : 0 , 2 5 1
120
92
15
sok p o m i d o r o w y : 0 , 2 5 1
48
37
6
11 4
Owoce, jaMko
soki
banan
6 2
Desery lody 0,16 1
193
148
24
17
ciasto tortowe
356
274
43
32
18
ciasto t r u s k a w k o m
400
308
49
36
21
377
290
46
34
19
s m a ż o n y k u r c z a k , pól pOftjł
232
178
28
21
12
indyk, 1 porcja
130
100
16
12
7
jajo gotowane
77
59
9
7
4
jajo smażone
110
85
13
10
6
10
Drób. uia
Warzywa ziemniak gotowany, I tzruka
100
77
12
9
5
marchew surowa, l sztuka
42
32
5
4
2
sałata , 3 liście
30
23
4
3
2
4
Różne chleb z masłem, 1 kawałek
78
60
10
7
ser wiejski, 1 łyżka stołowa
27
21
3
2
1
kawa z mlekiem i z cukrem
200
24
18
10
154 .
T a b e l a
19.
Wartości energetyczne oraz zawartość podsta wowych składników pokarmowych w 100 g produ ktu rynkowego (Ziemiański, 1987)
Nazwa produktu
Kaloryczność kcal
Białko g
Tłuszcze g
Wegowodany g 52,5 53,1 79,8 4.4 3,4 2,5 0.7
0,6
chleb mazowiecki chleb praski chleb chrupki mleko krowie 3,5'/. ser twarogowy tłusty kiełbasa szynkowa ser edamski masło masło roślinne
246 249 374 62 168 154 331 7S1 751
6,5 5,9 8,2 3,0 17,9 17,2 25,7 0,6
-
1,4 1.4 2,2 3,5 9,2 9,5 24,1 82,5 83,0
jaja całe świeże wieprzowina wołow i na wątroba wieprzowa kurcze ziemniaki kasza gryczana makaron 4-jajeczny marchew groszek zielony ogórki
142 288 125 125 74 67 350 377 31 43 11
11,4 13,6 15,6 19,1 14,2 1,3 12,5 14,2 0.7 3,0 0,5
10,2 26,1 7.0 4,7 2,0 0,1 2,5 4,0 0,2 0,2 0,1
13,0 12,7 7,7
22,9 47,3 2,0 100,0 3,3 0,5 36,7
kiełbasa zwyczajna boczek wędzony karp olej roślinny bułki cukier pomidory czekolada pełna mleczna
260 ^480 48 905 262 401 26 576
-
6,5
-
0,8 7.1
-1,6 14,9 69,2 70,8 6.4 7,5 2, 1 —
-51,1 99,8 4,8 53,7
stężeniu, wiąże sie z przemiana wielu składników ustroju. Doceniając wage tych bioelementów żywieniowych wiele firm na całym świecie przedstawia bogata ofertę środków i odżywek, które mają uzupełniać niedobory powstające w czasie wykonywania długotrwałej pracy fizycznej. Dla zademonstrowania tych szczegółowych danych podano propozycje firmy Wander, która ustala swoisty jadłospis w zależności od dyscyplin sportowych, okresów treningowych, startowych i odnowy z uwzględnieniem dawkowania ( tab. 21).
T a b e l a
20.
Zalecane normy na energie i składniki odżywcze (Ziem1ański, 1987, zmodyf ikowany)
Normy
Kobiety ponad 21 lat praca ciężka
Mężczyźni ponad 21 lat praca bardzo ciężka
Energia kcal MJ Białko
2900 - 3200 12,1 - 13,4
ogółem (g) w tym zwierzęce (g) V. energii z białka Tłuszcze
90 30 12
ogółem (g) % energii z tłuszczu Cukrowce
105 35
ogółem (g) % energii z cukrowców Składniki mineralne wapń (g) fosfor (g) magnez (mg) żelazo (mg) cynk (mg) jod (ag) Witaminy
A
tłig) ((mg) ug)
D E C
(mg)
&i B
2
PP B g
(mg) (mg) (mg) (mg)
folacyna (mg) B
12
C
^
g )
4000 - 4500 16,7 - 18,8
^
100 35 10
145 33
400 - 460 55 - 57
575 -685 57 - 61
0,8 0,8 350 15 13 150
0,8 0,8 400 12 15 150
SOO 5 8 60 1,5 1,7 19 2 0,4 3
1000 5 10 60 2 2,3 26 2,2 0,4 3
T a b e l a
2 1 . P r o g r a m d o d a t k o w e g o żywienia s p o r t o w ó w p r o p o n o w a n y przez firmę " W a n d e r *
Rodzaj odżywki i d a w k o w a n i e
Dyscypliny •portowe okres przy gotowa wczy •iłowe
Protein-Pun
okres przedstartowy Aufbau-Trtink:
3 pełne łyżki stołowe przed i 3-5 łyżek p o treningu
2 porcje o k . 2 g o d z . przed zawodami
zawody
odnowa
Energie C :
Power-Back:
1 -2 tabletki
1-2 porcje, pić małymi łykami
Minerał-Plus: ] porcja w czasie rozgrzewki i przerw 2 - 3 porcje w czatie silnego pocenia sie f
aŁyhknfcio-łilowł
Protein-Pur:
AufWTrtmk:
Eneruie C:
Power-Cack;
1-2 pełne łyżki stołowe 2 godz. przed i p o treningu
1-2 porcje d o 2 godz. p n t d zawodami
1 -3 tabletki w zależności «d czasu t r w u u a z a w o d ó w
t porcja, pić m a ł y a n łykani
F.neririe-Dnnk:
Mineral-Plus:
1 porcja ok. 30 rata p O d d zawodami
ł porcja podczas p r z e r w y Enemę-Barren: 1 batonik między startami
siłowo w y t i a j f M f i k w i
Prolein-Pur:
Aufbau-Trunk:
Enerffie-Dnnk:
Power-Back:
2 pełne łyżki stołowe przed i po treningu
1 porcja podczas ftuartŁnja lub 2 porcje 2 g o d z . przed zawodami
1 porcja w czasie przerwy. W czasie silnego pocenia sie. zmieszać z 1 porcje z 1 norcia Minerał- Plus
1-2 porcje, pić małymi t y t a a a l
Enenrie-Dnruc: 1-2 porcje ok. 6 0 min przed zawodami
1
wytrzymałościowe
Aufbau-Trunk:
Aufbau-Trunk:
1 porcja w czasie śniadania
i -2 porcje w czasie i m a d a n t a
Enereie-Dnnk:
Enemę-Dnnk:
Mineral-Plus: pić w czasie z a w o d ó w i p o d c z a s przerwy
Power-Back; 1 -2 porcje, pić m a ł y m i t y k a n i
Eneririe C : 1-2 porcje o k . 6 0 m i n przed treningiem
2 porcje o k . 3 0 - 6 0 min przed zawodami
ssać ! -2 tabletki Energie- Barn-n.: 1 balonik p o d c z a s długotrwałych zawodów
Objaśnienia: Protain-Pui - 100 g p r e p a r a m zawiera: białka - 8 8 g . tłuszczu - 1 g . energii - 361 kcal (1534 KJ),
N a - 6 3 . 0 m g . K - 0 . 6 2 g. C a - 0 . 6 3 g . M g - 0 . 3 0 g. P - 0 . 7 0 g. Fe - 2 . 9 0 g,
Aufbau-Trunk - 100 g preparatu zawiera: białka 34,0 g, tłuszczu 2,0 g, w ę g l o w o d a n ó w -55,0 g, energii - 372 kcal ( 1 5 8 5 KJ), w i t . E - 6.6 j . m . . w u . B , - 1,1 m g . w i f . B j - 2 , 0 m g , wil.B„ 1,2 m g . w i l . P P - 11,1 m g , w j t . B - 2 , 8 m g , w h . C - 51,B m g . kwasu foliowego - 0.08 mg, pantotenianu w a p n i a • 9 , 5 m g , Na - 0,5 g, K - 1.3 g. Ca - 1.2 g . Mg - 110,0 m g , P - 1.1 g, Fe - 10,8 m g . 1 3
Energie C - ] kostka zwiera; g l u k o z y - 2 3 , 5 g . w i t . C - 1,5 g. energii - 94 kcal ( 4 0 0 KJ).
i Mioeral-Plua: - 100 g preparatu zawiera: w ę g l o w o d a n ó w - 8 0 . 0 g, energii - 343 kcal ( 1 4 3 6 KJ), N a - 0 . 8 8 g.
K - 1,59 g, Mg - 0 . 0 9 g. Ca - 0 . 1 4 g, Cl - 0 , 4 1 g, P - 0 , 6 8 g. Fe - 2 4 , 0 m g ,
Power-Back: • 100 g preparatu zawiera: białka - 2 3 . 0 g . tłuszczu - I g, w ę g l o w o d a n ó w - 7 0 . 0 g. energii • 3 8 0 kcal ( 1 6 0 0 KJ). w i l . E - 2 . 4 m g , w i t . B , - 1,6 m g . w i t . B , - 2 . 0 m g , w i t . B - 2.1 m g , w i t . p p - 16,0 m g . w i t . B - 5 , 0 m g . w i t . C - 75 m g . kwasu foliowego - 0,4 mg, paotozenianu w a p n i a 0 , 8 m g , biotyny • 0 , 4 m g , choliny - 2 0 , 0 m g , Na - 0,4 g . K • 0 , 4 g, C a - 0 , 8 g . M g - 2 6 0 , 0 m g , Fe - 18.0 m g , P - 0 , 8 g. 6
1 2
E n c r g i e - D n n k : - 100 g preparatu zawiera: w ę g l o w o d a n ó w - 9 4 . 0 g. energii - 385 kcal (1612 KJ), w i t . E • 12 j . m . , WJI.BJ - 2 . 0 m g , w i t . B , - 1.6 mg, w j t . B w i t . B , j - 5 , 0 mg, w i i . C - 7 5 . 0 m g , k w a s u foliowego - 0.4 m g . pamocemanu w a p n i a - 8,0 m g , Energie-Barren: - batonik zawiera: białka - 1,6 g, tłuszczu - 7,0 g, w ę g l o w o d a n ó w - 2 6 , 2 g, energii -174 kcal 0 , 5 3 m g . w i t . C - 2 5 , 0 m g . w a c y n y - 5,0 m g .
6
- 1,8 mg, w i t . P P - 10,0 m g .
( 7 3 8 KJ). w i t . A - 1667 j . m . . w i i . B , - 0,4 m g , w i t . B j - 0 , 6 mg, w i l . B * -
Wszyscy uprawiający sport powinni wiedzieć, 2e nie jest to możliwe bez właściwego, ściśle limitowanego żywienia. Zatem składową nowoczesnego treningu sportowego, oprócz zapisu jego treści, powinna być także informacja dietetyczna. W uzupełnieniu podano skład krajowej odżywki Polvita-multi produkcji Polfy, która była testowana na wielu grupach sportowców (w ośrodku poznańskim) z dobrym rezultatem. S k ł a d
o d ż y w k i
P o l v i t a - m u l t i
(Energovit)
P r z e z n a c z e n i e Odżywka regeneracyjna Energovit Jest wieloskładnikową kompozycją przeznaczoną dla osób ciężko pracujących fizycznie oraz sportowców systematycznie trenujących powyżej 16 roku życia. Ma ona na celu przyspieszenie procesów restytucji, skracając okres wypoczynku niezbędny do podjęcia kolejnego wysiłku fizycznego. Preparat może być używany w trakcie wykonywania długotrwałego wysiłku, np. biegu maratońskiego, w piłce nożnej, tenisie, piłce siatkowej, kolarstwie, pływaniu i innych. Odżywka jest pakowana w saszetki 50 g do jednorazowego użycia. S k ł a d : Jedna saszetka 50 g zawiera: witamina C - 100 mg witamina
2,5 mg
witamina PP
-
20
witamina E - 20 5 pantotenian wapnia potas - 100* magnez - 150 żelazo 5 sorbitol 2 - 50 maltodekstryna Wartość energetyczna 704 kJ
mg
witamina B^
5
mg
witamina B, b witamina B ^
3
mg
5
Mg
2
kwas foliowy mg 0,2 mg mg cholina 4 mg - 150 wapń mg mg f osf or - 200 mg mg miedź mg 0,5 mg •sacharoza mg 8,7 mg składniki smakowo--zapachowe g (168 kcal) 1.15 g
D a w k o w a n i e 1 do 3 saszetek dziennie w zależności od trwania wysiłku. S p o s ó b Jedną saszetkę pokojowej.
intensywności
i czasu
u ż y c i a (50g) rozpuścić
w
szklance
wody
o
temperaturze
ZAGADNIENIA POMOCNICZE DO TEMATU: GOSPODARKA WODNA I MINERALNA 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35. 36. 37. 38. 39.
Występowanie wody w organizmie. Bilans wodny. Pojecie wody metabolicznej. Funkcja składników mineralnych w organizmie. Podział składników nieorganicznych. Gospodarka wapnia 1 jego regulacja. Parathormon 1 kalcytonina w regulacji mineralnej. Wapń a wysiłek fizyczny. Funkcja fosforu w organizmie. Normy dobowe makro- i mikroelementów. Gospodarka magnezowa. Podaj jony nieorganiczne ważne w reakcjach metabolicznych. Gospodarka sodowa. Funkcja potasu w organizmie. Gospodarka chlorem. * Siarka i jej biologiczne znaczenie. Rozmieszczenie Żelaza w związkach w organizmie. 2elazo i jego przemiana w ustroju. 2elazo a wysiłek fizyczny. 2elazo w 2ywieniu sportowców. Miedź i jego rola w ustroju. Ceruloplazmina. Cynk i jego znaczenie w przemianach. Mangan, kobalt, molibden i chrom. Biologiczne znaczenie jodu i fluoru. Selen - najnowsze dane o tym biopierwiastku. Selen a wolne rodniki. Metalotioneina, budowa i funkcje. Livex - preparat wspomagający zawierający żelazo. Podaj potrzebę stosowania wspomagania żywieniowego na przykładzie llvexu. Wymień najważniejsze związki żelaza stosowane w lekach 1 preparatach. Jakie substancje należy podać wraz z żelazem tworząc preparaty-odżywki? Znaczenie badań nad stężeniem elektrolitów w wysiłku fizycznym. Sposób wyrażania stężenia elektrolitów po wysiłku fizycznym. Podaj najważniejsze uwagi, które należy przekazać trenerowi i dietetykowi. Żywienie sportowców - różnice i uwarunkowania. Wydatki energetyczne - przykłady i zastosowanie. Zapotrzebowanie energetyczne, kryteria, wnioski. Główne składniki pokarmowe, proporcje, specyficzność żywienia sportowców.
40. Równoważniki energetyczne a aktywność fizyczna. 41. Na co zwrócisz uwagę przy układaniu diety treningowym? 42. Celowość badań hematologicznych u sportowców. 43. Anemia sportowa - przyczyny, leczenie. 44. Podaj zestaw witamin obecnych w preparatach firm zagranicznych.
na
obozie
krajowych
i
PIŚMIENNICTWO Aleksandrowicz J. (1978) Cultural conditioning carcinogenesis in the past and in futurę. Humanism and Medicine Dialectics, 2, 211-222. Bakońska E., Kosendlak J., Sobiech K.A. (1989) Enzymatyczne wskaźniki w moczu zawodników w różnych jednostkach treningowych. Rozprawy Naukowe AWF we Wrocławiu, 22, 321-327. Bruce A., Ekblom B. , Nilsson I. (1985) The effect of vitamin and minerał supplements and health foods on physical and performance. Proceedings of Nutritional Soclety, 44, 283-295. Costill D.L., Miller J.M. (1980) Nutrition for endurance sport: carbohydrate and fluid balance. International Journal of Sport Medicine, 1, 2-14. Dragan I. (1988) Badanie antyutleniajacego działania sportowców. Educatie Flzica sl Sport, 10, 47-50.
selenu
u
Dunn M., Blalock T.L., Cousins R.J. (1987) Metallothionein. Proceedings Society of £xperimental Biology and Medicine, 185, 107-119. Grafe H.K. (1964) Optimale Ernahrungsbllanzen Leistungssportler. Akademie-Verlag-, Berlin.
fur
Hallberg L., Magnusson B. (1984) The ethlology of "sports anemia". Acta Medica Scandinavica, 216, 145-148. Jakovlev N.N. Moskva.
(1984)
Biochimija
sporta.
Jethon 2. (1987) Fizjologiczne podstawy sporcie. Instytut Sportu, Warszawa.
Fizkul"tura
odnowy
i Sport,
biologicznej
w
Kokot F. (1981) Gospodarka wodno-elektrolitowa i kwasowo-zasadowa W s t a n a r h f i 7 i n l n o l i \ D a t o l O S l i . PZWL. WdTSZWa.
Kozłowski S. Warszawa.
(1986) Granica przystosowania. Wiedza Powszechna,
Kozłowski S. , Nazar K. (1984) klinicznej. PZWL, Warszawa.
Wprowadzenie
do
fizjologii
Linkowskl K. (1987) Zmiany aktywności ceruloplazminy pod wpływem wysiłku fizycznego na tle wybranych parametrów biochemicznych. Praca doktorska, AWF, Poznań. Milian A., Nowacka I., Sobiech K.A. (1989) Elektrolity w moczu zawodników w różnych jednostkach treningowych. Rozprawy Naukowe AWF we Wrocławiu, 22, 340-345. Monkiewicz M., Ignasiak Z., Sobiech K.A., Trojanowski I., Nowacka I. (1989) Morphological, hematological and biochemical changes in the marathon runners. Człowiek, Populacja, Środowisko, 34, 173-181. ^ Naglak Z.. Sobiech K.A., Kosendiak J . . Monkiewicz M. (1990) Odpad iontu v moci sportovcu po ruznych treninkovych zatizenich. Teorie a Praxe Telesne Vychovy, 38, 143-149. Opleńska-Blauth J., Dobrowolski J., Grzebuła S., Bartosz C. (1989) Selen w biologii i medycynie. Postępy Higieny i Medycyny Doświadczalnej, 34, 491-524. Podlewski K., Chwalibogowska-Podlewska A. (1987) Leki współczesnej terapii. PZWL, Warszawa. Raczyńska B. (1985) Żywienie Wyczynowy, 5, 39-45.
w
sporcie
wyczynowym.
Sport
Słowińska M. (1990) Wpływ preperatu livex na poziom wskaźników hematologicznych i biochemicznych u sportowców. Praca doktorska, AWF, Wrocław. Słowińska M. , Kosendiak J., Sobiech K.A. (1990) Wpływ preparatu livex na poziom niektórych wskaźników biochemicznych u lekkoatletów. Człowiek, Populacja, Środowisko, 39, 79-87. Sobiech K.A., Rotter A., Kaczmarek L., Szot B. , Nowacka I. (1986) Aktywność wybranych enzymów i poziom elektrolitów w surowicy 1 moczu maratończyków. Wychowanie Fizyczne i Sport, 31, 99-106. Spodaryk K. (1988) Żelazo a wydolność fizyczna. Sport Wyczynowy, 6, 35-40.
SullWan S.N. (1986) Gastrointestinal runners. Sports Medicine, 3, 1-3.
bleeding
in
distance
Sznajd J. (1983) Biochemia kliniczna w praktyce lekarskiej. PZWL, Warszawa. Ziemiański S. Warszawa.
(1987) Zarys fizjologii
żywienia
człowieka. AWF,
ANEKS
I. II. III.
WYBRANE CYKLE I WZORY LITERATURA ZALECANA I UZUPEŁNIAJĄCA SKOROWIDZ RZECZOWY
1.
Cykl kwasu cytrynowego (.Krebs, 19371
Cykl kwasu cytrynowego jest wspólnym szlakiem końcowego utleniania cząsteczek materiału energetycznego. Większość ich dostaje sie do cyklu za pośrednictwem acetylokoenzymu A (acetylo-CoA). Oksydacyjna dekarboksylacja pirogronianu, prowadząca do acetylo-CoA, jest pomostem łączącym glikolizę z cyklem kwasu cytrynowego. Reakcja ta, jak i inne reakcje cyklu, zachodzi w mitochondriach w przeciwieństwie do glikolizy, które przeprowadzane sa w cytozolu. Reakcje cyklu rozpoczynają sie od kondensacji szczawiooctanu (związek czteroweglowy)
(C^j z
(C ), prowadzącej do cytrynianu
acetylo-CoA
(związek dwuweglowy)
(C.) i o dalej w drodze izomeryzacji do lzocytrynianu. Oksydacyjna dekarboksylacja tego związku powoduje jego przekształcenie w alfa-ketoglutaran ( związek pieciowegIowy } zwany dalej teź oksoglutaranem (C ). Podczas następnej reakcji oksydacyjnej Z
(związek sześcioweglowy)
alfa-ketoglutaranu do bursztynylo-CoA
związek czteroweglowy
(C^)
zostaje wydzielona następna cząsteczka CO^. Wiązanie tioestrowe w bursztynylo-CoA jest rozerwane przez Pi 1 powstaje bursztynlan oraz związek wysokoenergetyczny w postaci GTP. Bursztynian jest utleniany do fumaranu (związek czteroweglowy) (C^), który zostaje następnie uwodniony do jabłczanu
(związek czteroweglowy) (C^). W
końcu utlenianie jabłczanu prowadzi do szczawiooctanu (C^). W ten sposób dwa acetylo-CoA
atomy węgla i opuszczają
dostają sie do cyklu pod postacią go w postaci CO^ w wyniku kolejnych
dekarboksylacj i, katalizowanych kolejno przez dehydrogenazy izocytrynianową i alfa-ketoglutaranową. Podczas czterech reakcji oksydoredukcyjnych zachodzących w cyklu, przekazywane są trzy pary elektronów na NAD i jedna na FAD. Utlenianie tych zredukowanych przenośników przez łańcuch oddechowy fosforylacja oksydacyjna dostarcza 11 cząsteczek ATP. Dodatkowo, w cyklu tworzy sie wysokoenergetyczny związek, ATP, (fosforylacja substratowa). W ten sposób podczas utleniania każdego fragmentu dwuweglowego do CO^i ^ 0 , cy^lu Krebsa w
powstaje 12 cząsteczek ATP. Cykl kwasu cytrynowego działa wyłącznie w warunkach tlenowych, ponieważ wymaga stałego dopływu NAD i FAD. Przenośniki
elektronów
są
stale
regenerowane,
gdy
NADH
i FADH,, przekazują
elektrony na cząsteczkę tlenu za pośrednictwem łańcucha oddechowego, produkując jednocześnie ATP. W związku z tym szybkość przemian cyklu kwasu cytrynowego zależy od zapotrzebowania komórki na ATP. Ważnym elementem kontroli cyklu jest regulacja działania trzech enzymów. Duży ładunek energetyczny zmniejsza aktywność syntazy cytrynianowej oraz dehydrogenezy izocytrynianowej 1 alfa-ketoglutaranowej. Innym ważnym produktem regulującym jest nieodwracalna reakcja tworzenia acetylo-CoA z pirogronianu. Aktywność kompleksu dehydrogenezy pirogronianowej jest regulowana przez hamowanie produktem, przez nukleotydy na zasadzie sprzężenia zwrotnego oraz przez kowalencyjna modyf ikacje. Reakcje te uzupełniają sie wzajemnie zmniejszając szybkość produkcji acetylo-CoA w przypadku dużego ładunku energetycznego komórki. 2.
Cykl mocznikowy (Krebs i Henseleit, 1932)
Pieć lat przed odkryciem cyklu kwasu cytrynowego opisano cykliczny tor metaboliczny nazwany cyklem mocznikowym lub orni tynowym, czy1 i procesem ureogenezy. U kręgowców lądowych amoniak pochodzący z grupy aminowej w reakcji transaminacji z alfa-ketokwasami (koenzym fosforan plrydoksolu) jest przekształcony w mocznik. Pierwsza reakcją tego cyklu jest synteza karbamoilofosforanu z NH*, C 0 , ATP i H 0 wg równania: 2
2
+
C0„ + NH. + 2ATP + H„0 2 4 2
0
0
II
II
> H , N - C - 0 - P - 0 2 |_ 0
+ 2ADP + Pi
katalizowana przez syntetaze karbamoilofosforanową. Powstały karbamollofosforan w reakcji z ornityną tworzy cytruline a katalizuje ją transkarbamoilaza ornitynowa. Kolejną reakcją jest kondensacja cytruliny z asparaginianem do bursztynyloargininy pod wpływem syntetazy bursztynyloargininowej. Reakcja ta przebiega kosztem energi i ATP, który ulega hydrol izie do AMP i pirofosforanu. Rozszczepienie bursztynyloargininy na arginine i fumaran katalizowane przez bursztynyloarginaze jest kolejnym etapem tego cyklu. Bezpośrednim prekursorem mocznika jest arglnlna, która przy udziale arginazy jest hydrolizowana do mocznika i ornityny, która wchpdzi do następnego obrotu cyklu. W powstałej cząsteczce mocznika jeden z atomów azotu pochodzi z amoniaku a drugi z asparginlanu, zaś atom węgla z CO^. Na syntezę Jednej cząsteczki mocznika zużywane są cztery wysokoenergetyczne wiązania fosforanowe 2 cz. ATP w reakcj i syntezy
karbamoilofosforanu, 1 cz. ATP w syntezie bursztynyloargininy do AMP i pirofosforanu, który następnie ulega hydrolizie. Syntezę mocznika można zestawić w postaci równania: C0
2
+ NH* + 3ATP + asparaginlan + 2H <J 2
> mocznik + 2ADP +
2P1 + AMP + PPi + fumaran Ważne znaczenie w cyklu mocznikowym ma też synteza fumaranu, przez który cykl ten łączy sie z cyklem kwasu cytrynowego. Powstający w cyklu Krebsa fumaran ulega uwodnieniu tworząc jabłczan a następnie po utlenieniu przechodzi w szczawiooctan. Dla przypomnienia losy szczawiooctanu moga toczyć sie różnymi drogami: - przekształcenie w reakcji transaminacji w asparginlan, - przekształcenie w procesie glukoneogenezy w glukozę, - kondensacja z acetylo-CoA z wytworzeniem cytrynianu.
T a b e l a
Etap
1.
Cykl kwasu cytrynowego
Reakcja
Enzym
Koenzym
Typ reakcji
1.
Acetylo-CoA + szczawiooctan + H^O — > cytrynian + CoA + H
syntetaza cytrynianowa
CoA
2.
Cytrynian < t H 0
hydrataza akonitanowa
Fe
Z +
b
cis-Akonitan + H^O
hydrataza
Fe
2 +
c
<
akonitanowa
+
cis-akonitan
2
3.
izocytrynian
dehydrogeneza NAD izocytrynianowa
+
4.
Izocytrynian + NAD < alfa-ketoglutaran + C0 + NADH 2
6.
7.
d + e
+
+
alfa-ketoglutaran + NAD + CoA
kompleks
NAD
<
dehydrogenazy
CoA
+ NADH
alf a-ketoglutaranowej
TPP kwas 1iponowy, FAD
Bursztynylo-CoA + Pi + GDP
syntetaza
CoA
f
<
bursztynylo- CoA dehydrogenaza FAD bursztynianowa
e
+
5.
a
* bursztynylo-CoA + CO^
bursztynian + GTP + CoA
Bursztynian + FAD (związany z - enzymem) < fumaran + FADH (związany z enzymem) x
>
8.
Fumaran + H 0
9.
L-Jabłczan + N A D < szczawiooctan + NADH + H
Typ a b c -
reakcji: kondensacja odwodnienie (dehydratacja) uwodnienie (hydratacja)
2
<
+
jabłczan
^
2
hydrataza fumaranowa dehydrogenaza jabłczanowa
-
NAD
d
+ e
c
+
e
d - dekarboksylacja e - utlenienie f - fosforylacja substratowa
alanina glicyna cysteina seryna
I
leucyna lizyna fenyloalanina tyrozyna izoleucyna tryptofan leucyna
pirogronian glukoza
acetylo-CoA <
acetoacetylo-CoA
fosfoenolopirogronlan
aspargina asparaginian
szczawiooctan
tyrozyna fenyloalanina asparaginian
cytrynian
fumaran
4 treoruna izoleucyna metionina walina
Rys.
1.
a-ketoglutaran >
bursztynylo-CoA
Losy węglowych szkieletów aminokwasów
glutaminian histydyna glutamina prolina arginina
0=C-NH„ I > NH I 2
NH
4
C0
+
+
H
2ATP^i2ADP 2
>
^N-C-O-PC^H
karbamoiłofosforan-
2°
H
?* NH
2
OH I
HC—NH I COOH ornityna 2
mocznik
H NH I II HC-N-C-NH I
—
2
2
arginina
Rys. 2.
2
COOH I CH II CH l
H H NH H COOH I I II I I HC-N-C—N-CH I I (CH_)_ CH_ | Ł 2 | 2 HC-NH„ COOH I
2
0 2
l
HN=C-NH,
HC—NH„ I COOH
(CH ) HC-NH COOH
cytrulina
®C AMPATP+
Sł
2Pi
A Ml
2
COOH bursztynyloarginina
COOH kwas fumarowy
Cykl mocznikowy (1 - syntetaza karbamoiłofosforanowa, 2 - transkarbamoilaza ornitynowa, 3 - syntetaza bursztynyloargininowa, 4 - bursztynyloarginaza, 5 arginaza)
Rys. 3. Wybrane wzory (1-adenina, 2-guanina, 3-tymina, 5-uracyl, 6-cAMP, 7-AMP (sól dwusodowa), 8-ADP potasowa), 9-ATP (sól dwusodowa), 10-GTP (sól 11-NAD , 12-NADH (sól dwusodowa), 13-NADP (sól 14-NADP (sól czterosodowa)
4-cytozyna, (sól jednodwusodowa), dwusodowa),
II.
L I T E R A T U R A Z A L E C A N A I U Z U P E Ł N I A J Ą C A
LITERATURA ZALECANA
Angielski S. Warszawa.
(1990)
Biochemia
kliniczna
i analityczna. PZWL,
Baczyk S. (1986) Biochemia. PWN, Poznań. Beyermann K.(1983)
Chemia dla studentów medycyny. PZWL, Warszawa.
Filipowicz B., Więckowski W. (1986) Biochemia, t.l 1 2 , PWN, Łódź. Karpiak S.E. (1986) Biochemia zwierząt. PWRiL, Warszawa. Kawlak J. i in. (1985) Podstawy cytofizjologii. PWN, Warszawa. Minakowski W. (1984) Biochemia kręgowców.
PWRiL, Warszawa.
Trojanowski J. (1984) Biochemia dla biologów. PWN, Warszawa. Uzarewicz A. (1981) Chemia organiczna fizjologicznej. PZWL, Warszawa.
z
elementami
chemii
LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA
Harper H.A., Rodwell V.W., Mayes P.A. fizjologicznej, wyd.2, PZWL, Warszawa.
(1983)
Zarys
chemii
Lehnlnger A.L. (1979) Biochemia. PWRiL, Warszawa. Stryer L. (1986) Biochemia. PWN, Warszawa. Zaleca sie również śledzenie na bieżąco artykułów z zakresu biochemii ukazujących sie w czasopismach: "Diagnostyka Laboratoryjna", "Postępy Biochemii". "Sport Wyczynowy", "Wychowanie Fizyczne i Sport".
a c e t o n 12 15,16 acetylen 9 ,10 a c e t y l o CoA acetylokarnltyna 192 adrenalina a g m a t y n a 24 aktyna alanina albuminy aldehyd g l i c e r y n o w y
butan
fc
95.98,195,200,265 24.70.163,167,168 29,36 22.23,25* 33,36
3-P g l i c e r y n o w y 97 propionowy 12 a l d e h y d y 16 aldolaza aldozy 8J alkany 7^,8 alkeny 7 ,8 alkiny 7*,8 alkoholany 15 alkohole 14, 15 amidy 21
buten 8^, butyn 8
187,200.201
.101
49,58,59,64,77 58,59
99.100 95,137.218,265-269 218.266 70,100 126,128,192 218,229 23.25
22,23,24,42,44,47,269 64,65,76 75,76
aminokwasy aminopeptydaza aminotransferazy aminy 21
katecholaralny
29,51,70,72.74,76,101 28,130,154,164,170 22,23,26," 23,25
60,61, 70,
ATP ( a d e n o z y n o t r l f o s f o r a n )
92.215,265,266
34
30,31,32
67,69,71
28, 130,164
OZNACZONYCH
e l a s t y n a 29 elektroforeza energetyka w g l i k o l i z i e 95 w g l u k o n e o g e n e z i e 99 enzymy aktywatory 56 aktywność 57 allosteryczne 49 autosteryczne 49 blokatory 56 Ilość 5 7 k l a s y f i k a c j a 71 proteolityczne 63 regulacja a k t y w n o ś c i specyficzność 56 typy reakcji 94 w g l i k o l I z i e 94 epinefryna patrz adrenalina
45-79
33,34
STRONACH
65,66,67,71,73 34.35,36 85,91,104 90,91,105
dehydrogenaza mleczanowa d e g r a d a c j a Edmana dekstryny disacharydy
37,39
192,193
NA
70,127,128,190
cAMP (cykliczny A M P ) centrum aktywne centrum a l l o s t e r y c z n e 47 ceruloplazmina chlor 221 cholesterol chrom 232 chromatografia 37, 39 chromoproteldy 33 chymotrypsyna chymotrypsynogen cukry redukujące 89,91 nleredukujące 89,91 cykl C o r l c h Krebsa mocznikowy pentozowy c y k l ą z a adenylowa cynk cysteina cystyna 23 cytochromy 222
29, 33, 44, 207.228.234
B
benzen 11 beta-oksydacja b i a ł k a 29 alfa-helisa 31 d e n a t u r a c j a 41 funkcje 29 metody analizy 39 o s t r e j fazy 44 podział s e d y m e n t a c j a 41 sekwencja a m i n o k w a s ó w skład a m i n o k w a s o w y 34 struktura w moczu 42 w y s t ę p o w a n i e 29 bilans wodny 209 bradykinina
9
46,47
30,72,74
aminy k a t e c h o l o w e p a t r z amylaza angiotensyna anilina 11 arglnaza 52 arglnlna asparaglna
8
butanol-18
GWIAZDKA
ZNAJDUJĄ
SIĘ
WZORY
ZW | 4ZKÓU
CHEMICZNYCH
estradiol 155,156.162, estry 22 etan 7 ,10 etanal
gonadotropina 135.162 gospodarka mineralna 210,226,243.244. 245 gospodarka wodna 209,219 gramicydyna S. 28 grupy funkcyjne 17
167
10*,18
etanol.10*.12 eten 7 ,10 eter etylowy 10 etery 22 etyloamlna 10 ,17,21 etylu cctan 10 etyn 7 .8,10 FAD
(dinukleotyd flawlnoadenlnowy) 60,6,2 fenol 11 fenyloalanina 22,26 ferrytyna 223,225 filtracja żelowa 38 folitropina 133,136 fosfatydyloinozytole 197 fosfodlhydroksyaceton 96,97 fosfogllcerydy 196 fosfokreatyna 215 fosfolipazy 197 fosfolipidy 185,196 fosfoproteldy 33 fosfor 143.215.216 fosforylacja białek fosforylaza gllkogenowa fruktoza 88 >
65,68,7],101
fruktozo-6-fosforan 97*.100,101. 106 galaktoza
87*.91
gamma-glutamylotransferaza 49,57,72. 74.76 gangilozydy 199 gastryna 28.147,159,163 glladyna 29 gllcero-3-fosforan 96 glIcerol 15,186 .192,195 glicyna 22,23.25 glikogen 68,70,93,100,107. 110. 112 glikol etylenowy 10 .15 glikolipidy 398.199 glikoliza 70,92.97 glikoproteidy 33 globułiny 33 glukagon 28, 110. 114,116.128,145, 148, 163,167,169 glukoamylaza 101,104 glukokortykosteroldy 153 glukoneogeneza 98,12J glukoza 49,70.87 ,89 91.92.95,104. 113 glukozo-1-fosforan 70.93,104 glukozo-6-fosforan 73,93,100,101 glutamina 23,25 glutation 27.28.222 gluteliny 33.36 fc
haptogloblna 44 hemoglobina 29,222 histamina 24.128.152.158 hlstony 33 hlstydyna 23.26* homeostaza 125 hormony 125-172 -
a wysiłek fizyczny 166 błonowe receptory 127 działanie 126 gonadotropowe 133,135 nadnerczy 149 oznaczanie 164 płciowe - męskie 157 - żeńskie 156 podział 126 przewodu pokarmowego 158 przysadki mózgowej 131,132,138 przytarczyc 141 receptory cytoplazmatyczne 128 tarczycy 141.142,162.170 tkankowe 158 trzustki 144 układu krążenia 158 - w cyklu menstruacyjnym 134 w surowicy 166 hydroksyprolIna 23 lmmunoelektroforeza 37,39 lmmunoglobullny 29,44 Inhibitor trypsyny 40,44 Inhibitory 53 insulina
29,110,114. 116.128. 145,147. 163.167.169 Izoenzymy 65 Izoleucyna 2 3 Izomeria 8,9 funkcyjna 9. 12 - geometryczna 9,13 konformacyjna 9,13 łańcuchowa 8.9 optyczna 9.12 -
Jod
przestrzenna strukturalna
8,9 8,9
141,230
kadaweryna 24 kalcytonina 28,143,162,214,217 karboksypeptydaza 32,59 k a m i tyna 191,192
katal 58 katalaza 223 katecholamlny 115,128,147,149,167 kazeina 29,33 k e t o n y 16 ketozy 88* kinaza kreatyninowa 6 7 kobalt 2 2 6 , 2 2 9 koenzymy 60 biotynowe 63 f l a w i n o w e 61 korynowe 63 nlkotynaraldowe 61 pantotenowe 63 pirydoksalowe 63 tetrahydrofollanowe 63 t l a m i n o w e 61 kolagen 29 k o r t y k o l I b e r y n a 28 k o r t y k o t r o p l n a (ACTH) 128,131.132,15 156,161.171 k o r t y z o l 155,170.171 K u c z e r o w a r e a k c j a 8,16 k w a s a m l n o o c t o w y 11 a r a c h i d o n o w y 160 asparaginowy 22,23,25. 2 , 3 - b l s f o s f o r a n o w y 96 chlorooctowy.20 c y t r y n o w y 21 ,1^4.265 f o s f a t y d o w y . 1 8 6 .195 f u m a r o w y 13 2 0 glikolowy 20 gliksalowy 20 4
-
g l u t a m i n o w y . 2 2 , 23, 25* Jabłkowy 2 0 * . m a l e i n o w y 13
-
mlekowy 18,20*,61,95,116,118 m r ó w k o w y J6 o c t o w y 11 ,16,17 pirogronowy 18,20..61,95,99 s z c z a w i o o c t o w y 21 ,98,194,265 w i n o w y 21 kwasy o r g a n i c z n e 16 tłuszczowe 95.147,183.190.194.218 ż ó ł c i o w e 201 laktoza 9 0 * lecytyna 186 188 leucyna 2 3 , 2 5 l e u k o t r i e n y 160 1iberyny 130,133,137 lipaza 2 9 , 7 2 , 7 4 , 1 8 7 , 1 9 1 lipidy 183 llpoliza 1 2 7 , 1 9 0 lipoproteidy 33 l i p o p r o t e i n y 183-189 fc
-
chylomikrony
184
-
o bardzo m a ł e j g ę s t o ś c i ( V L D L ) 184-188 o m a ł e j g ę s t o ś c i (LDL) 1 8 4 - 1 8 8 o d u ż e j g ę s t o ś c i (HDL) 1 8 4 - 1 8 8 llvex 2 3 4 - 2 3 8 lizyna 2 2 , 2 3 , 2 6 luliberyna 28, 133 lutroplna 133.136.161 magnez 216.217.218 m a k r o e l e m e n t y 211 m a l t o z a 90 , 105 mangan 2 1 8 2 2 6 . 2 2 9 mannoza 8 7 .91 m e l a n o t r o p i n a 133,161 melatonina 24,143,144 metaloproteidy 33 metalotjonelna 226,232 metan 7 . fc
, metionina 2 3 , 2 5 mledż 218,226-228 miejsce a l l o s t e r y c z n e m i k r o e l e m e n t y 211 miogloblna 29.222 miozyna 29,36 molibden 2 2 6 , 2 3 0
69
NAD (dinukleotyd n i k o t y n a m i d o a d e n i nowy) 60,62 n e u r o t r a n s m l t e r y 152 noradrenalina 24,163,168 norepinefryna patrz noradrenalina p a n k r e o z y m l n a 159 parathormon 143.163,214,217 pepsyna 51,52.59,64,71 pepsynogen 59,60 peptydy 24 peroksydaza 2 2 2 potas 2 2 0 proenzymy 58 progesteron 155 , 1 5 6 , 1 6 2 prolaktyna 137,161 prolina 23,26 propan 7 ^ propanol.9 propen 7 . propyn 7 p r o s t a c y k l i n y 160 prostaglandyny 137,158,160 p r o t e l n a z y 64 próba D i s c h e g o 91 M o l i s c h a 91 S e l I w a n o w a 91 T a u b e r a 91 Trommera 91 z Jodem 91
reakcja enzymatyczna
50,54
modyfikatory 53 pH 52 stężenie produktu 53 stężenie substratu 50 szybkość 50 temperatura 51 relaksyna 162 renaturacja 41 renlna 154 ryboflawina 62 ryboza 87 sacharoza 90*,91, 93, 106 sekretyna 27.159. 163 selen 2 3 0 serotonina 24.143,144 seryna 23.25 sfIngomlellny 198 siarka 221.222 skleroprotelny 33 skrobia 85,106 somatostatyna 128,145,147.148 somatotroplna (STH) 138,162 sód 218-220 stała Mlchaelisa 48 statyny 137 sterydy 172-176 superkompensacja glikogenu 108,111 syntaza glikogenową 104 tautomeria 12 keto-enolowa 12 testosteron 155*.157.162.167 t1uszczowce 189 transferyna 225,226 transglikozylacja 105 trening 242-244 treonina 23,25 «, triglicerydy 183.195,196 tr1Jodotyronlna 140 trombIna 64,71 tromboksany 160 tropiny 130,136 trypsyna 29.51.52.58,59,64,71.72.77 trypsynogen 58.59 tryptofan 22,23.26,144 tyreoglobuliną 140 tyreotropina 137.162 tyroksyna 140 tyrozyna 22.23,26* ł
uromukoid
42
wallna 23,25* wapń 143.211.213,216 wazopresyna 28,70.128.139,161 węglowodany 85.109-114
wiązanie peptydowe 2 7 winylu chlorek 40* witaminy grupy D 202.214,217 wydatek energetyczny 247,248-251 wysiłek fizyczny 42,44.66.67.74,76,77. 105.106.107.109,113,116-119, 169-171.188.192.203,215.223, 234 żelazo 218.222,223,224.236 - preparaty 238-241 żywienie sportowców 189.190,216,220 224.246.251,254.255, 2 5 8
SPIS TREŚCI
CZEŚĆ V. GOSPODARKA WODNA I MINERALNA
207
1. Gospodarka wodna 1.1. Bilans wodny 2. Gospodarka mineralna 2.1. Pierwiastki główne (makroelementy) 2.1.1. Wapń 2.1.2. Wapń a wysiłek fizyczny 2.1.3. Fosfor 2.1.4. Magnez 2.1.5. Sód 2.1.6. Potas 2.1.7. Chlor 2.1.8. Siarka 2.2. Pierwiastki śladowe (mikroelementy) 2.2.1. Żelazo i Jego przemiana w ustroju 2.2.2. 2elazo a wydolność fizyczna człowieka 2.2.3. 2elazo w żywieniu sportowców 2.2.4. Miedź 2.2.5. Cynk 2.2.6. Mangan 2.2.7. Kobalt 2.2.8. Molibden .' 2.2.9. Jod 2.2.10. Fluor 2.2.11. Selen 2.2.12. Chrom 2.3. Metalotioneina 2.4. Zastosowanie preparatów zawierających żelazo jako odżywki wspomagające, przydatne w treningu sportowym 2.5. Leki i preparaty zawierające żelazo 2.6. Stężenie elektrolitów w moczu w cyklu treningowym. 2.7. Stężenie elektrolitów w moczu przed i po biegu maratońskim 2.8. Uwagi końcowe o solach mineralnych 2.9. Biochemiczne aspekty żywienia sportowców 2.10. Uwagi końcowe
209 209 210 211 211 215 215 217 218 220 221 221 222 222 223 224 225 229 229 229 230 230 230 230 232 232
234 238 241 244 244 246 251
ZAGADNIENIA POMOCNICZE DO TEMATU: GOSPODARKA WODNA I MINERALNA
259
PIŚMIENNICTWO
260
ISBN 83-85279-52-0