Biochemia

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