Informacyjny artykuł o tłuszczach i enzymach.
Tłuszcze i związki tłuszczopodobne
Ze względu na naturalne występowanie rozróżnia się tłuszcze zwierzęce i roślinne:
Tierische Fette sind zum Beispiel Schweineschmalz, Sahne und Butterfett. Außerdem enthalten alle Fleisch- und Wurstwaren etwa 5–45 % „verstecktes“ Fett. Pflanzliche Fette sind etwa Olivenöl, Sonnenblumenöl, Kokosfett und Weizenkeimöl. Bei Raumtemperatur liegen Fette flüssig oder fest vor; die flüssigen Fette nennt man (Speise-)Öle.
Tłuszcze obojętne (triglicerydy)
Największą grupę naturalnych tłuszczów stanowią mieszaniny tzw. triglicerydów, zwanych również tłuszczami obojętnymi.
Tri = 3; każdy trigliceryd składa się z cząsteczki glicerolu i trzech cząsteczek kwasów tłuszczowych.
Der menschliche Körper speichert Fett als Triglyzeride im Zytoplasma der Fettzellen. Der biologische Zweck dieser Speicherform ist eine große Energiereserve für „schlechte Zeiten“ bereitzuhalten: Fette liefern mehr als doppelt so viel Energie wie Kohlenhydrate (9,3 kcal pro Gramm statt 4,1 kcal).
Ein 70 kg schwerer Mensch mit 11 kg Fettreserven besitzt so etwa 100 000 kcal (!) in Form von Triglyzeriden.
Ponadto tkanka tłuszczowa, zwłaszcza podskórna, pełni funkcje izolacyjne i ochronne.
Fettsäuren sind lange Kohlenwasserstoffketten, meist mit 16 oder 18 Kohlenstoffatomen. Je nachdem, ob das Kohlenstoffgerüst der Fettsäuren Doppelbindungen aufweist, unterscheidet man
- kwasy tłuszczowe nasycone: posiadają wyłącznie wiązania pojedyncze,
- kwasy tłuszczowe jednonienasycone: posiadają jedno wiązanie podwójne; oraz
- kwasy tłuszczowe wielonienasycone: z dwoma, trzema lub więcej wiązaniami podwójnymi.
Kwasy tłuszczowe mogą być dostarczane z pożywieniem lub syntetyzowane przez komórki, przy czym można wbudować co najwyżej jedno wiązanie podwójne.
Kwasy tłuszczowe wielonienasycone
Kwasy tłuszczowe z więcej niż jednym wiązaniem podwójnym, na przykład kwas linolowy, linolenowy i arachidonowy, organizm nie jest w stanie syntetyzować i dlatego nazywa się je kwasami tłuszczowymi niezbędnymi; muszą one być obecne w pożywieniu.
Te wielonienasycone kwasy tłuszczowe są niezbędne dla człowieka, ponieważ stanowią materiał wyjściowy do tworzenia różnych substancji endogennych. W olejach roślinnych (olej słonecznikowy, sojowy, lniany) oraz w olejach rybnych kwasy tłuszczowe wielonienasycone występują w znacznie wyższym stężeniu niż w tłuszczach zwierzęcych.
Rozpuszczalność w tłuszczach i wodzie
Podobnie jak inne kwasy, kwas tłuszczowy częściowo dysocjuje w wodzie; powstają jony H+, co sprawia, że roztwór staje się kwaśny. Dodatkowo tworzy się tzw. anion kwasu tłuszczowego. Ta cząsteczka łączy dwie przeciwstawne właściwości:
- Długi "ogon" jest silnie rozpuszczalny w tłuszczach i słabo rozpuszczalny w wodzie – nazywa się go lipofilowym (przyjaznym tłuszczom) lub hydrofobowym (unikającym wody).
- Mała "głowa" jest natomiast dobrze rozpuszczalna w wodzie (hydrofilowa) i słabo rozpuszczalna w tłuszczach (lipofobowa).
Dzięki tym dwóm przeciwstawnym właściwościom kwasy tłuszczowe mogą emulgować substancje lipofilowe, czyli rozpraszać je w wodzie. Mydła również składają się z kwasów tłuszczowych i działają na tej samej zasadzie.
Kwasy tłuszczowe jako nośniki energii
Po glukozie, kwasy tłuszczowe są drugim najważniejszym paliwem do produkcji energii komórkowej. Powstają pod wpływem hormonów, takich jak adrenalina, poprzez rozkład neutralnych tłuszczów przechowywanych w komórkach tłuszczowych na glicerol i kwasy tłuszczowe (lipoliza).
Durch eine sich wiederholende Abfolge von Reaktionen in den Mitochondrien, die sogenannte β-Oxidation, wird die Fettsäurekette jeweils um zwei C-Atome verkürzt, wobei NADH, FADH2 und Acetyl-CoA entstehen. Das Acetyl-CoA gelangt anschließend in den Zitratzyklus und wird dort ebenso wie die reduzierten Coenzyme weiterverarbeitet. Aus Palmitinsäure, einer Fettsäure mit 18 C-Atomen, können so insgesamt 131 ATP-Moleküle regeneriert werden.
To ponownie pokazuje, że tworzenie acetylo-CoA, cykl kwasu cytrynowego i łańcuch oddechowy stanowią wspólne szlaki metaboliczne, które nie służą jedynie rozkładowi metabolitów glukozy.
Fizjologicznie nie wszystkie cząsteczki acetylo-CoA powstałe podczas rozkładu tłuszczów są wprowadzane do cyklu kwasu cytrynowego. Część z nich służy do syntezy tzw. ciał ketonowych, które również mogą być wykorzystywane do zaopatrzenia w energię.
Jak już wspomniano, większość komórek ciała preferuje glukozę jako źródło energii, ale istnieją wyjątki:
Komórki mięśnia sercowego i komórki kory nerkowej wolą używać ciał ketonowych niż glukozy. Wiadomo, że komórki nerwowe, w przypadku długotrwałego niedoboru glukozy, mogą zastąpić swój preferowany paliwo ciałami ketonowymi.
Lipogeneza
Jak wielokrotnie przedstawiano, organizm może magazynować nadmiar energii w postaci tłuszczu. Dotyczy to również nadmiaru węglowodanów lub białek. Z glukozy w organizmie może powstać tłuszcz w następujący sposób (lipogeneza):
Z pośredniego produktu glikolizy, aldehydu 3-fosfoglicerynowego, powstaje komponent glicerolowy tłuszczów obojętnych. Drugi komponent, kwasy tłuszczowe, może być syntetyzowany z acetylo-koenzymu A.
Inne lipidy
Do lipidów (tłuszczów i substancji tłuszczopodobnych) oprócz opisanych tłuszczów obojętnych zalicza się inne substancje o następujących wspólnych cechach:
- Słabo rozpuszczają się w wodzie
- i dobrze rozpuszczają się w rozpuszczalnikach organicznych, takich jak chloroform czy eter.
Dwaj najważniejsi przedstawiciele tej grupy to cholesterol i tzw. fosfolipidy.
Cholesterol
Cholesterol to związek istotny dla organizmu, który z jednej strony jest wytwarzany w ciele, a z drugiej strony jest dostarczany z pokarmem zwierzęcym. W roślinach cholesterol nie występuje.
Cholesterol jest
- istotnym składnikiem błon komórkowych,
- prekursorem hormonów steroidowych (patrz poniżej) oraz
- materiałem wyjściowym do produkcji kwasów żółciowych (patrz poniżej).
Hormony steroidowe
Hormony steroidowe pochodzą od układu pierścieni węglowodorowych, podstawy steroidowej, i można je podzielić według liczby atomów węgla.
Najważniejsze hormony steroidowe to tzw. adrenokortykosteroidy hydrokortyzon, kortyzon, aldosteron i progesteron oraz hormony płciowe estrogen i testosteron.
Synteza hormonów steroidowych, która odbywa się w korze nadnerczy i gruczołach płciowych, rozpoczyna się od cholesterolu. Ich rozkład następuje w wątrobie.
Ponieważ hormony steroidowe są lipofilowe, przenikają do komórki i wiążą się tam z określonymi receptorami hormonalnymi. Powstały kompleks hormon-receptor trafia do jądra komórkowego, aktywuje transkrypcję określonych genów, a tym samym produkcję odpowiednich białek. Hormony steroidowe są szeroko rozpowszechnione i zostały znalezione na przykład również u drożdży i wyższych roślin.
Syntetyczne steroidy to
- środki antykoncepcyjne (zapobiegające owulacji),
- kortyzon i liczne syntetyczne pochodne kortyzonu, najczęściej stosowane steroidy,
oraz anaboliki, które pobudzają syntezę białek i są podawane w celu budowy mięśni. Są pochodnymi męskiego hormonu płciowego testosteronu. Obecnie anaboliki są stosowane u sportowców wyczynowych (doping). Ryzyko zdrowotne jest bardzo wysokie, ponieważ te steroidy wywołują poważne skutki uboczne fizyczne i psychiczne. Międzynarodowy Komitet Olimpijski (MKOl) zakazał stosowania anabolików w 1974 roku. Wielu sportowców zostało wykluczonych z zawodów z powodu pozytywnych testów.
Kwasy żółciowe
Kwasy żółciowe to związki podobne do steroidów, które występują w ludzkiej żółci.
W komórkach wątroby z cholesterolu powstają pierwotne kwasy żółciowe: kwas cholowy i chenodeoksycholowy, które po dalszej przemianie jako "sparowane kwasy żółciowe" są wydzielane do jelita jako żółć wątrobowa. Poprzez bakteryjną "hydroksylację" w jelicie tworzą się wtórne kwasy żółciowe: kwas deoksycholowy i litocholowy.
Gallensäuren sind unentbehrlich für die Emulgierung der Fette, die Aktivierung der Lipasen, die Aufnahme der Fettsäuren sowie anderer Stoffe, etwa Vitamine, im Darm. Etwa 90–95 % der ausgeschiedenen Gallensäuren werden im Dünndarm rückresorbiert und über die Pfortader zur Leber zurückgeführt, von wo sie erneut in die Galle gelangen (enterohepatischer Kreislauf).
Idealnie powinno istnieć równowaga między przyjmowanym lub samodzielnie wytwarzanym cholesterolem a wydalanym lub przetwarzanym cholesterolem. Jeśli ta regulacja zawodzi, poziomy cholesterolu we krwi wzrastają.
Fosfolipidy
Fosfolipidy mają podobną budowę do tłuszczów neutralnych (triglicerydów). Najbardziej znanym fosfolipidem jest lecytyna.
Ich najważniejszą funkcją jest bycie składnikami błon komórkowych.
Białka (proteiny)
"Wszystko, czym jest człowiek, jest dzięki jego białkom."
To nieco uproszczone powiedzenie pokazuje, że białka są kluczowe zarówno dla budowy, jak i funkcji człowieka.
- Kształt człowieka opiera się głównie na białkach, ponieważ są one głównymi składnikami prawie wszystkich organów.
- Jako najważniejsze składniki mięśni, białka umożliwiają ruchliwość człowieka.
- Białka tworzą "bramy" każdej błony komórkowej, zapewniając w ten sposób indywidualność komórki, kontrolując transport substancji do i z komórki.
Ponadto białka w formie enzymów są kluczowe dla funkcjonowania organizmu.
Enzymy
Metabolizm przyspiesza swoje reakcje, wykorzystując niezbędne substancje pomocnicze, tzw. enzymy (biokatalizatory).
Są kluczowe dla budowy złożonych struktur biologicznych w komórce i zapewnienia ich uporządkowanego funkcjonowania.
Aminokwasy jako budulec białek
Białka składają się z różnych aminokwasów. Wszystkie aminokwasy mają zasadniczo tę samą podstawową strukturę. Centralny atom węgla jest połączony z czterema różnymi grupami lub atomami:
- grupą COOH,
- grupą NH2 (grupa aminowa),
- atomem wodoru
- i zmiennym resztem.
To właśnie ten reszt różni 20 aminokwasów występujących w białkach ludzkich.
Z tych 20 aminokwasów osiem jest niezbędnych, co oznacza, że podobnie jak niezbędne kwasy tłuszczowe, nie mogą być syntetyzowane przez organizm.
Dlatego muszą być dostarczane z pożywieniem. Nieistotne aminokwasy organizm może sam wytwarzać.
Do aminokwasów niezbędnych należą walina, fenyloalanina, leucyna, izoleucyna, treonina, tryptofan, metionina i lizyna. Dla niemowląt dodatkowo arginina i histydyna są niezbędne.
Łańcuch aminokwasów
Gdy dwa aminokwasy reagują ze sobą, powstaje dipeptyd. Wiązanie utworzone przy tym z wydzieleniem wody nazywa się wiązaniem peptydowym.
Każdy peptyd ma tak zwany wolny koniec, do którego można dołączyć kolejne aminokwasy.
Gdy do dipeptydu dołączony zostanie trzeci aminokwas, powstaje tripeptyd.
Gdy dołączane są dodatkowe aminokwasy, mówimy o polipeptydach (poli = wiele).
Polypeptide mit mehr als 100 Aminosäuren werden definitionsgemäß Proteine genannt. Die meisten menschlichen Proteine bestehen aus 100 bis 500 Aminosäuren.
Ponieważ do syntezy białek wykorzystywane jest 20 różnych aminokwasów, a ich kolejność jest zmienna, powstaje ogromna różnorodność różnych białek.
Dla funkcjonalności białka, na przykład jako enzymu, kluczowe jest, aby łańcuch aminokwasów zwinął się w trójwymiarową strukturę.
Można sobie tę strukturę wyobrazić jak kłębek wełny. Jeśli ta przestrzenna struktura zostanie utracona przez ciepło, białko traci swoją biologiczną funkcję.
W ten sposób podczas dezynfekcji i sterylizacji białka, w tym białka wirusowe, mogą być unieczynniane przez ciepło. Mówimy wtedy o denaturacji cieplnej białka.
Metabolizm białek i aminokwasów
Podczas trawienia białka są rozkładane na swoje składniki, aminokwasy, które najpierw trafiają do wątroby przez żyłę wrotną.
Również w organizmie białka są stale rozkładane (katabolizm białek), co uwalnia aminokwasy.
Te uwolnione aminokwasy mogą być dalej wykorzystywane na różne sposoby, w zależności od potrzeb organizmu.
Po pierwsze, mogą służyć do budowy białek własnych organizmu (anabolizm białek), na przykład podczas wzrostu lub procesów naprawczych.
W tym celu niektóre aminokwasy mogą być przekształcane w inne aminokwasy, w zależności od tego, które są aktualnie potrzebne.
Tylko niezbędne aminokwasy nie mogą powstawać w procesach przebudowy, lecz muszą być dostarczane z pożywieniem.
Kluczowa rola enzymów i koenzymów
Życie każdej pojedynczej komórki ciała jest nierozerwalnie związane z niezliczonymi reakcjami chemicznymi, które stale w niej zachodzą.
Podczas reakcji anabolicznych mniejsze cząsteczki łączą się w większe jednostki poprzez tworzenie nowych wiązań.
Takie reakcje są zwykle związane z dostarczaniem energii, którą dostarcza "akumulator komórkowy" ATP.
Podczas reakcji katabolicznych natomiast istniejące wiązania są rozrywane, uwalniając energię.
Ta energia służy zazwyczaj do regeneracji zużytego ATP.
Efektywność tej przemiany energii w ATP nie jest jednak pełna, więc dodatkowo powstaje ciepło.
Reakcje anaboliczne mają istotny udział w metabolizmie budulcowym, ponieważ służą budowie nowych struktur.
Z drugiej strony, metabolizm energetyczny przebiega głównie poprzez reakcje kataboliczne.
Dla funkcjonowania metabolizmu kluczowe są organiczne związki węgla, które jednak reagują ze sobą bardzo powoli.
Dlatego każda komórka posiada narzędzia, które przyspieszają niemal każdą reakcję chemiczną: wspomniane enzymy (biokatalizatory).
Enzymy i koenzymy
Chemicznie rzecz biorąc, enzymy należą do grupy białek. Substancje, które są przekształcane przez enzym, nazywane są substratami.
Podczas reakcji enzymatycznej substrat jest chemicznie zmieniany poprzez tworzenie nowych wiązań lub rozrywanie istniejących.
W wyniku tego powstaje jeden lub więcej produktów reakcji. Za skuteczność enzymu odpowiada jego centrum aktywne.
Powstaje ono poprzez specjalne złożenie łańcucha polipeptydowego, z którego składa się enzym. Dzięki temu na powierzchni tworzy się struktura, która dokładnie pasuje do substratu.
Tak jak klucz pasuje tylko do określonego zamka, tak substrat wiąże się tylko z centrum aktywnym "swojego" enzymu.
Aby enzymy mogły działać, większość z nich potrzebuje dodatkowego "pomocnika", zwanego koenzymem.
Jest to konieczne, ponieważ sam enzym nie bierze bezpośrednio udziału w reakcji chemicznej, lecz jedynie odpowiednio łączy partnerów reakcji.
Tylko koenzym jest zmieniany podczas reakcji enzymatycznej, przyjmując lub oddając elektrony lub atomy od substratu.
Koenzymy są zazwyczaj złożonymi organicznymi cząsteczkami i zasadniczo nie są białkami.
Często koenzymy pochodzą od witamin.
Szybkość, z jaką pojedyncza cząsteczka enzymu przekształca substraty w produkty, jest ogromna. Może osiągać kilka setek tysięcy cząsteczek substratu na sekundę.
Czynniki wpływające na reakcje enzymatyczne
Wiele enzymów współpracuje nie tylko z koenzymami, ale także z określonymi jonami, takimi jak Mg2+, Fe2+ czy Zn2+. Brak tych jonów wpływa na funkcję enzymów.
Ponadto temperatura ciała i pH są bardzo ważne dla aktywności enzymów. Wraz ze wzrostem temperatury, tempo przekształcania substratu przez enzym początkowo znacznie wzrasta.
Jednak przy wysokich temperaturach, na przykład przy gorączce powyżej 41 °C, enzym ulega uszkodzeniu, a jego struktura białkowa zostaje zniszczona. Wtedy tempo przekształcania spada niemal do zera.
Funkcja enzymu zależy również od pH. Dla większości enzymów wewnątrzkomórkowych optymalne jest pH około 7,2.
Enzymy działające zewnątrzkomórkowo, takie jak pepsyny rozkładające białka w żołądku, mają zazwyczaj zupełnie inne pH optymalne.
Utlenianie i redukcja
Sposób działania enzymów i koenzymów można zilustrować na przykładzie dwóch szczególnie często występujących reakcji metabolicznych:
- utleniania (reakcja utleniania)
- i redukcji (reakcja redukcji)
O utlenianiu mówi się, gdy cząsteczka oddaje elektrony. Najczęściej dzieje się to poprzez oddanie atomów wodoru, czyli każdego elektronu i protonu.
Utlenianie jest możliwe tylko wtedy, gdy inna substancja w reakcji odwrotnej przyjmuje oddane elektrony.
Przyjmowanie elektronów nazywa się redukcją. Często redukcja następuje przez przyjęcie atomów wodoru, czyli każdego elektronu i protonu.
W opisanej powyżej reakcji utleniania jednocześnie zachodzi redukcja zaangażowanego koenzymu NAD+:
NAD+ + 2 H– + 2 Elektronen >> NADH + H+.
NAD+ (dinukleotyd nikotynamidoadeninowy) jest złożonym koenzymem pochodzącym z witaminy kwasu nikotynowego. Pełni najważniejszą rolę w metabolizmie jako przenośnik elektronów lub atomów wodoru.
W wspomnianym utlenianiu mleczanu do pirogronianu koenzym redukuje się z NAD+ do NADH + H+.
NAD+ nie przyjmuje obu oddanych atomów wodoru, lecz jeden proton i dwa elektrony.
Z tego wynika, że reakcje utleniania i redukcji są nierozerwalnie ze sobą powiązane, mówi się o reakcjach redoks.
Zawsze, gdy substancja jest utleniana, inna musi być zredukowana.
W odpowiednich warunkach reakcja może przebiegać również w odwrotnym kierunku. Wtedy pirogronian jest redukowany, przyjmując elektrony lub atomy wodoru, a NADH jest utleniany, oddając dwa elektrony i jeden proton.
Niezależnie od kierunku reakcji, zawsze jest ona związana z określonym enzymem, w podanym przykładzie z LDH (dehydrogenaza mleczanowa).
Bez tego enzymu reakcja przebiega niezwykle wolno i nie dochodzi do znaczącej przemiany substratu.
