Informatiivinen artikkeli rasvoista ja entsyymeistä.
Rasvat ja rasvamaiset yhdisteet
Luonnollisen esiintymisensä perusteella rasvat jaetaan eläin- ja kasvirasvoihin:
Eläinrasvoja ovat esimerkiksi sianrasva, kerma ja voirasva. Lisäksi kaikki liha- ja makkaratuotteet sisältävät noin 5–45 % "piilotettua" rasvaa. Kasvirasvoja ovat esimerkiksi oliiviöljy, auringonkukkaöljy, kookosrasva ja vehnänalkioöljy. Huoneenlämmössä rasvat ovat joko nestemäisiä tai kiinteitä; nestemäisiä rasvoja kutsutaan (ruoka-)öljyiksi.
Neutraalit rasvat (triglyseridit)
Suurin ryhmä luonnollisia rasvoja muodostuu niin sanotuista triglyserideistä, joita kutsutaan myös neutraaleiksi rasvoiksi.
Tri = 3; jokainen triglyseridi koostuu yhdestä glyserolimolekyylistä ja kolmesta rasvahappomolekyylistä.
Ihmisen keho varastoi rasvaa triglyserideinä rasvasolujen sytoplasmassa. Tämän varastointimuodon biologinen tarkoitus on tarjota suuri energiavarasto "huonoja aikoja" varten: rasvat tuottavat yli kaksinkertaisesti enemmän energiaa kuin hiilihydraatit (9,3 kcal per gramma verrattuna 4,1 kcal).
70 kiloa painavalla ihmisellä, jolla on 11 kg rasvavarastoja, on näin ollen noin 100 000 kcal (!) triglyseridien muodossa.
Lisäksi rasvakudos, erityisesti ihonalainen rasvakudos, täyttää eristys- ja suojaustehtäviä.
Rasvahapot ovat pitkiä hiilivetyketjuja, yleensä 16 tai 18 hiiliatomia. Riippuen siitä, onko rasvahappojen hiilirungossa kaksoissidoksia, ne jaetaan
- tyydyttyneisiin rasvahappoihin: niissä on vain yksinkertaisia sidoksia,
- yksittäisiin tyydyttymättömiin rasvahappoihin: niissä on yksi kaksoissidos; sekä
- monityydyttymättömiin rasvahappoihin: joissa on kaksi, kolme tai vielä enemmän kaksoissidoksia.
Rasvahapot voidaan saada ravinnosta tai solut voivat muodostaa niitä itse, mutta korkeintaan yksi kaksoissidos voidaan sisällyttää.
Monityydyttymättömät rasvahapot
Rasvahappoja, joissa on enemmän kuin yksi kaksoissidos, kuten linolihappo, linoleenihappo ja arakidonihappo, elimistö ei voi syntetisoida ja siksi niitä kutsutaan välttämättömiksi rasvahapoiksi; niiden on oltava ravinnossa.
Nämä monityydyttymättömät rasvahapot ovat ihmiselle elintärkeitä, koska ne ovat lähtöaineita erilaisten kehon omien aineiden muodostumiselle. Kasviöljyissä (auringonkukkaöljy, soijaöljy, pellavaöljy) sekä kalaöljyissä monityydyttymättömät rasvahapot ovat huomattavasti korkeammassa pitoisuudessa kuin eläinrasvoissa.
Rasvaliukoisuus ja vesiliukoisuus
Kuten muutkin hapot, myös rasvahappo dissosioituu osittain vedessä; syntyy H+-ioneja, joten liuos muuttuu happamaksi. Lisäksi muodostuu niin sanottu rasvahappoanion. Tämä molekyyli yhdistää kaksi vastakkaista ominaisuutta:
- Pitkä "häntä" on voimakkaasti rasvaliukoinen ja huonosti vesiliukoinen – sitä kutsutaan lipofiiliseksi (rasvaystävälliseksi) tai hydrofobiseksi (vettä karttavaksi).
- Pieni "pää" taas on hyvin vesiliukoinen (hydrofiilinen) ja huonosti rasvaliukoinen (lipofobinen).
Näiden kahden vastakkaisen ominaisuuden ansiosta rasvahapot voivat emulgoida lipofiilisiä aineita, eli hajottaa ne veteen. Myös saippuat koostuvat rasvahapoista ja toimivat samalla periaatteella.
Rasvahapot energianlähteenä
Glukoosin jälkeen rasvahapot ovat toiseksi tärkein polttoaine solujen energiantuotannossa. Ne syntyvät hormonien, kuten adrenaliinin, vaikutuksesta, kun rasvasoluissa varastoidut neutraalit rasvat pilkkoutuvat glyseroliksi ja rasvahapoiksi (lipolyysi).
Mitokondrioissa tapahtuvan reaktiosarjan, niin sanotun β-oksidaation, aikana rasvahappoketju lyhenee aina kahdella C-atomilla, jolloin syntyy NADH, FADH2 ja asetyyli-CoA. Asetyyli-CoA siirtyy sitten sitruunahappokiertoon ja käsitellään siellä samoin kuin pelkistyneet koentsyymit. Palmitiinihaposta, joka on 18 hiiliatomia sisältävä rasvahappo, voidaan näin regeneroida yhteensä 131 ATP-molekyyliä.
Tämä osoittaa jälleen, että asetyyli-CoA:n muodostuminen, sitruunahappokierto ja hengitysketju ovat kattavia aineenvaihduntareittejä, jotka eivät palvele pelkästään glukoosimetaboliittien hajoamista.
Fysiologisesti kaikki rasvan hajoamisen aikana syntyvät asetyyli-CoA-molekyylit eivät päädy sitruunahappokiertoon. Osa käytetään niin sanottujen ketonirunkojen synteesiin, joita voidaan myös käyttää energianlähteenä.
Kuten jo mainittiin, useimmat kehon solut käyttävät glukoosia energianlähteenään, mutta poikkeuksia on:
Sydänlihassolut ja munuaiskuoren solut käyttävät mieluummin ketonirunkoja kuin glukoosia. Tiedetään, että hermosolut voivat pitkittyneen glukoosipuutoksen aikana korvata ensisijaisen polttoaineensa ketonirungoilla.
Lipogeneesi
Kuten on useaan otteeseen todettu, keho voi varastoida ylimääräistä energiaa rasvana. Tämä pätee myös hiilihydraattien tai proteiinien ylimäärään. Glukoosista voi elimistössä muodostua rasvaa seuraavasti (lipogeneesi):
Glykolyysin välituotteesta, glyseraldehydi-3-fosfaatista, muodostuu neutraalirasvojen glyserolikomponentti. Toinen komponentti, rasvahapot, voidaan syntetisoida asetyyli-koentsyymi A:sta.
Muut lipidit
Lipideihin (rasvat ja rasvamaiset aineet) kuuluvat kuvattujen neutraalirasvojen lisäksi muut aineet, joilla on seuraavat yhteiset ominaisuudet:
- Ne liukenevat huonosti veteen
- ja hyvin orgaanisiin liuottimiin, kuten kloroformiin tai eetteriin.
Tämän ryhmän kaksi tärkeintä edustajaa ovat kolesteroli ja niin sanotut fosfolipidit.
Kolesteroli
Kolesteroli on elimistölle merkittävä yhdiste, jota muodostuu toisaalta kehossa ja toisaalta saadaan eläinperäisistä elintarvikkeista. Kasveissa kolesterolia ei esiinny.
Kolesteroli on
- solukalvojen olennainen osa,
- steroidihormonien esiaste (katso alla) ja
- sappihappojen lähtöaine (katso alla).
Steroidihormonit
Steroidihormonit johdetaan hiilivetyrenkaasta, steroidirungosta, ja ne voidaan jakaa hiiliatomien määrän mukaan.
Tärkeimmät steroidihormonit ovat niin sanotut adrenokortikosteroidit hydrokortisoni, kortisoni, aldosteroni ja progesteroni sekä sukupuolihormonit estrogeeni ja testosteroni.
Steroidihormonien synteesi, joka tapahtuu lisämunuaiskuoressa ja sukupuolirauhasissa, alkaa kolesterolista. Niiden hajoaminen tapahtuu maksassa.
Koska steroidihormonit ovat lipofiilisiä, ne tunkeutuvat soluun ja sitoutuvat siellä spesifisiin hormonireseptoreihin. Syntynyt hormoni-reseptorikompleksi siirtyy solun tumaan, aktivoi tiettyjen geenien transkription ja siten vastaavien proteiinien tuotannon. Steroidihormonit ovat laajalle levinneitä ja niitä on löydetty esimerkiksi myös hiivoista ja korkeammista kasveista.
Synteettiset steroidit ovat
- ehkäisyvälineitä (ehkäisyvälineitä, jotka estävät ovulaation),
- kortisoni ja lukuisat synteettiset kortisonijohdannaiset, jotka ovat yleisimmin käytettyjä steroideja,
sekä anaboliset steroidit, jotka stimuloivat proteiinisynteesiä ja joita annetaan lihasten kasvatukseen. Ne ovat miespuolisen sukupuolihormonin testosteronin johdannaisia. Nykyään anabolisia steroideja käytetään huippu-urheilijoilla (doping). Terveysriski on erittäin korkea, koska nämä steroidit aiheuttavat vakavia fyysisiä ja psyykkisiä sivuvaikutuksia. Kansainvälinen olympiakomitea (IOC) kielsi anabolisten steroidien käytön vuonna 1974. Lukuisia urheilijoita on suljettu kilpailuista positiivisten testien vuoksi.
Sappihapot
Sappihapot ovat steroidimaisia yhdisteitä, joita esiintyy ihmisen sapessa.
Maksasoluissa muodostuu kolesterolista primaarisia sappihappoja, kuten kolihappo ja kenodeoksikoolihappo, jotka muunnetaan edelleen "pariksi sappihapoiksi" ja erittyvät maksan sapessa suolistoon. Bakteerien "hydroksylaation" kautta suolistossa muodostuu sekundaarisia sappihappoja, kuten deoksikoolihappo ja litokoolihappo.
Sappihapot ovat välttämättömiä rasvojen emulgoimiseksi, lipaasien aktivoimiseksi, rasvahappojen sekä muiden aineiden, kuten vitamiinien, imeytymiseksi suolistossa. Noin 90–95 % erittyneistä sappihapoista imeytyy takaisin ohutsuolessa ja palautuu porttilaskimon kautta maksaan, josta ne päätyvät uudelleen sappeen (enterohepaattinen kierto).
Ihanteellisesti on tasapaino saadun tai itse muodostetun kolesterolin ja erittyneen tai käsitellyn kolesterolin välillä. Jos tämä säätely epäonnistuu, kolesterolitasot veriseerumissa nousevat.
Fosfolipidit
Fosfolipideillä on samanlainen rakenne kuin neutraaleilla rasvoilla (triglyserideillä). Tunnetuin fosfolipidi on lesitiini.
Fosfolipidien tärkein tehtävä on olla solukalvojen osia.
Proteiinit (valkuaisaineet)
"Kaikki, mitä ihminen on, on hän proteiiniensa kautta."
Tämä hieman yksinkertaistettu lausahdus selventää, että valkuaisaineet ovat sekä ihmisen rakenteen että toiminnan kannalta erittäin tärkeitä.
- Ihmisen muoto perustuu olennaisesti proteiineihin, koska ne ovat lähes kaikkien elinten pääkomponentteja.
- Tärkeimpinä lihaksiston osina proteiinit mahdollistavat ihmisen liikkuvuuden.
- Proteiinit muodostavat jokaisen solukalvon "portit" ja varmistavat siten solun yksilöllisyyden ohjaamalla aineiden kulkua soluun ja sieltä pois.
Lisäksi proteiinit ovat entsyymien muodossa ratkaisevia organismin toiminnalle.
Entsyymit
Aineenvaihdunta nopeuttaa reaktioitaan käyttämällä elintärkeitä apuaineita, niin sanottuja entsyymejä (biokatalyytit).
Ne ovat ratkaisevia, jotta solussa voidaan rakentaa monimutkaisia biologisia rakenteita ja varmistaa niiden järjestelmällinen toiminta.
Aminohapot proteiinien rakennuspalikoina
Proteiinit koostuvat erilaisista aminohapoista. Kaikilla aminohapoilla on periaatteessa sama perusrakenne. Keskushiiliatomi on yhteydessä neljään erilaiseen ryhmään tai atomiin:
- yksi COOH-ryhmä,
- yksi NH2-ryhmä (aminoryhmä),
- yksi vetyatomi
- ja yksi vaihteleva sivuketju.
Tämän sivuketjun (R) ansiosta 20 aminohappoa, joita esiintyy ihmisen proteiineissa, eroavat toisistaan.
Näistä 20 aminohaposta kahdeksan on välttämättömiä, eli niitä ei voida, kuten välttämättömiä rasvahappoja, syntetisoida kehossa.
Ne on siksi saatava ravinnosta. Ei-välttämättömiä aminohappoja keho voi sen sijaan valmistaa itse.
Välttämättömiin aminohappoihin kuuluvat valiini, fenyylialaniini, leusiini, isoleusiini, treoniini, tryptofaani, metioniini ja lysiini. Imeväisille arginiini ja histidiini ovat lisäksi välttämättömiä.
Aminohappojen ketjuuntuminen
Kun kaksi aminohappoa reagoi keskenään, syntyy dipeptidi. Tällöin vedenpoiston yhteydessä muodostuva sidos kutsutaan peptidisidokseksi.
Jokaisella peptidillä on niin sanottu vapaa pää, johon voidaan liittää lisää aminohappoja.
Kun dipeptidiin liitetään kolmas aminohappo, syntyy tripeptidi.
Kun lisätään lisää aminohappoja, puhutaan polypeptideistä (poly = lukuisa).
Polypeptidit, joissa on yli 100 aminohappoa, määritellään proteiineiksi. Useimmat ihmisen proteiinit koostuvat 100–500 aminohaposta.
Koska proteiinisynteesissä käytetään 20 erilaista aminohappoa ja niiden järjestys on vaihteleva, syntyy valtava määrä erilaisia proteiineja.
Proteiinin toiminnallisuuden, esimerkiksi entsyyminä, kannalta on ratkaisevaa, että aminohappoketju taittuu kolmiulotteiseen rakenteeseen.
Tämän rakenteen voi kuvitella kuin lankakerän. Jos tämä kolmiulotteinen rakenne menetetään esimerkiksi kuumuuden vuoksi, proteiini menettää biologisen toimintansa.
Näin desinfioinnissa ja steriloinnissa proteiinit, myös virusproteiinit, voidaan tehdä tehottomiksi kuumuudella. Tätä kutsutaan proteiinin lämpödenaturoitumiseksi.
Proteiinien ja aminohappojen aineenvaihdunta
Ruoansulatuksen aikana proteiinit pilkkoutuvat rakennuspalikoikseen, aminohapoiksi, jotka kulkeutuvat porttilaskimon kautta ensin maksaan.
Myös kehossa proteiineja hajotetaan jatkuvasti (proteiinikatabolia), jolloin aminohappoja vapautuu.
Nämä vapautuvat aminohapot voidaan käyttää organismin tarpeiden mukaan eri tavoin.
Ensinnäkin ne voivat toimia kehon omien proteiinien rakentamiseen (proteiinianabolia), esimerkiksi kasvun tai korjausprosessien aikana.
Lisäksi jotkut aminohapot voidaan muuntaa toisiksi aminohapoiksi riippuen siitä, mitä puuttuu.
Vain välttämättömiä aminohappoja ei voida muodostaa muuntamalla, vaan ne on saatava ravinnosta.
Entsyymien ja koentsyymien avainrooli
Jokaisen kehon solun elämä on erottamattomasti sidottu lukuisiin kemiallisiin reaktioihin, jotka tapahtuvat jatkuvasti.
Anabolisissa reaktioissa pienemmät molekyylit yhdistyvät suuremmiksi yksiköiksi uusien sidosten muodostuessa.
Tällaiset reaktiot ovat yleensä sidottuja energiansaantiin, jonka "soluakku" ATP toimittaa.
Katabolisissa reaktioissa puolestaan olemassa olevat sidokset katkeavat, jolloin energiaa vapautuu.
Tämä energia käytetään yleensä kulutetun ATP:n palauttamiseen.
Tämän energiamuunnoksen tehokkuus ATP:ksi ei kuitenkaan ole täydellinen, joten lisäksi syntyy lämpöä.
Anabolisilla reaktioilla on merkittävä rooli rakennusaineenvaihdunnassa, koska ne palvelevat uusien rakenteiden rakentamista.
Toisaalta käyttöaineenvaihdunta tapahtuu pääasiassa katabolisten reaktioiden kautta.
Aineenvaihdunnan toiminnalle ovat ratkaisevia orgaaniset hiiliyhdisteet, jotka kuitenkin reagoivat keskenään erittäin hitaasti.
Siksi jokaisella solulla on työkaluja, jotka nopeuttavat lähes jokaista kemiallista reaktioketjua: mainitut entsyymit (biokatalyytit).
Entsyymit ja koentsyymit
Kemiallisesti katsottuna entsyymit kuuluvat proteiinien ryhmään. Aineet, joita entsyymi käsittelee, kutsutaan substraateiksi.
Entsyymireaktion aikana substraatti muuttuu kemiallisesti, kun uusia sidoksia muodostuu tai olemassa olevia katkeaa.
Tällöin syntyy yksi tai useampi reaktiotuote. Entsyymin tehokkuudesta vastaa sen aktiivinen keskus.
Tämä syntyy erityisen polypeptidiketjun taittumisen kautta, josta entsyymi koostuu. Näin muodostuu pinnalle rakenne, joka sopii täsmälleen substraattiin.
Kuten avain sopii vain tiettyyn lukkoon, myös substraatti sitoutuu vain "oman" entsyyminsä aktiiviseen keskukseen.
Jotta entsyymit voisivat toimia, useimmat tarvitsevat lisäksi "auttajan", niin sanotun koentsyymin.
Tämä on tarpeen, koska entsyymi ei itse osallistu suoraan kemialliseen reaktioon, vaan ainoastaan tuo reaktiokumppanit yhteen.
Vain koentsyymi muuttuu entsyymireaktion aikana, kun se ottaa vastaan substraatin luovuttamia elektroneja tai atomeja tai luovuttaa niitä substraatille.
Koentsyymit ovat yleensä monimutkaisesti rakennettuja orgaanisia molekyylejä eivätkä periaatteessa proteiineja.
Usein koentsyymit johdetaan vitamiineista.
Yksittäisen entsyymimolekyylin nopeus muuttaa substraatit tuotteiksi on valtava. Se voi saavuttaa useita satoja tuhansia substraattimolekyylejä sekunnissa.
Tekijät, jotka vaikuttavat entsymaattisiin reaktioihin
Monet entsyymit toimivat paitsi koentsyymien, myös tiettyjen ionien, kuten Mg2+, Fe2+ tai Zn2+, kanssa. Jos nämä ionit puuttuvat, entsyymin toiminta heikkenee.
Lisäksi kehon lämpötila ja pH-arvo ovat erittäin tärkeitä entsyymiaktiivisuudelle. Lämpötilan noustessa entsyymin substraatin muuntumisnopeus kasvaa aluksi voimakkaasti.
Korkeissa lämpötiloissa, kuten yli 41 °C kuumeessa, entsyymi kuitenkin vaurioituu ja sen proteiinirakenne tuhoutuu. Sitten muuntumisnopeus laskee lähes nollaan.
Entsyymin toiminta riippuu myös pH-arvosta. Useimmille solunsisäisille entsyymeille pH-arvo noin 7,2 on optimaalinen.
Solun ulkopuolella toimivat entsyymit, kuten mahalaukun proteiineja hajottavat pepsiinien, ovat kuitenkin yleensä huomattavasti erilaisessa pH-optimaalisessa.
Hapettuminen ja pelkistyminen
Entsyymien ja koentsyymien toimintaa voidaan havainnollistaa kahden erityisen yleisen aineenvaihdunnan reaktiomuodon avulla:
- hapettuminen (hapetusreaktio)
- ja pelkistyminen (pelkistysreaktio)
Hapettumisesta puhutaan, kun molekyyli luovuttaa elektroneja. Tämä tapahtuu yleensä luovuttamalla vetyatomeja, eli kutakin elektronia ja protonia.
Hapettuminen on mahdollista vain, jos toinen aine ottaa luovutetut elektronit vastaan vastareaktiossa.
Elektronien vastaanottamista kutsutaan pelkistymiseksi. Pelkistyminen tapahtuu usein vastaanottamalla vetyatomeja, eli kutakin elektronia ja protonia.
Yllä kuvatussa hapetusreaktiossa tapahtuu samanaikaisesti osallistuvan koentsyymin NAD+:n pelkistyminen:
NAD+ + 2 H– + 2 elektronia >> NADH + H+.
NAD+ (nikotiiniamidi-adeniini-dinukleotidi) on monimutkaisesti rakennettu koentsyymi ja se on peräisin vitamiinista nikotiinihappo. Se täyttää aineenvaihdunnassa tärkeimmän roolin elektronien tai vetyatomien siirtäjänä.
Mainitussa laktaatin hapettumisessa pyruvaatiksi koentsyymi pelkistyy NAD+:sta NADH + H+:ksi.
Nettomääräisesti NAD+ ei ota vastaan molempia luovutettuja vetyatomeja, vaan yhden protonin ja kaksi elektronia.
Tästä seuraa: hapetus- ja pelkistysreaktiot ovat erottamattomasti sidoksissa toisiinsa, puhutaan redoxreaktioista.
Aina kun jokin aine hapettuu, toinen aine on pelkistettävä.
Sopivissa olosuhteissa reaktio voi tapahtua myös päinvastaiseen suuntaan. Silloin pyruvaatti pelkistyy, eli ottaa vastaan elektroneja tai vetyatomeja, ja NADH hapettuu. Tällöin NADH luovuttaa kaksi elektronia ja yhden protonin.
Riippumatta reaktion suunnasta se on aina sidottu tiettyyn entsyymiin, tässä tapauksessa LDH (laktaattidehydrogenaasi).
Ilman tätä entsyymiä reaktio etenee erittäin hitaasti, eikä merkittävää substraatin muuntumista tapahdu.
