Biochemia sportowa - ebook

AUTORZY

dr n. o k. f. Ewa Bakońska-Pacoń

Zakład Fizjologii i Biochemii

Akademia Wychowania Fizycznego im. Polskich Olimpijczyków we Wrocławiu

dr Aleksandra Bojarczuk

Zakład Biochemii

Akademia Wychowania Fizycznego im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

dr n. med. Agnieszka Boroń

Katedra Diagnostyki Laboratoryjnej i Medycyny Molekularnej

Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie

prof. dr hab. n. med. Ewa Brzeziańska-Lasota

Zakład Biomedycyny i Genetyki

Katedra Biologii i Mikrobiologii Medycznej

Uniwersytet Medyczny w Łodzi

dr Małgorzata Charmas

Zakład Fizjologii i Biochemii

Akademia Wychowania Fizycznego Józefa Piłsudskiego w Warszawie – Filia w Białej Podlaskiej

prof. dr hab. Paweł Cięszczyk

Zakład Biologii Molekularnej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

prof. dr hab. n. med. Violetta Dziedziejko

Samodzielna Pracownia Biochemii Farmaceutycznej

Katedra Biochemii i Chemii Medycznej

Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie

dr n. med. Magdalena Dzitkowska-Zabielska

Zakład Biochemii

Akademia Wychowania Fizycznego im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

prof. dr hab. Anna Maria Grzywacz

Samodzielna Pracownia Promocji Zdrowia

Wydział Medycyny i Stomatologii

Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie

dr Kinga Humińska-Lisowska

Zakład Biologii Molekularnej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

dr hab. Ewa Jówko

Zakład Fizjologii i Biochemii

Akademia Wychowania Fizycznego Józefa Piłsudskiego w Warszawie – Filia w Białej Podlaskiej

mgr Agnieszka Kaczmarek

Zakład Fizjologii i Biochemii

Akademia Wychowania Fizycznego im. Polskich Olimpijczyków we Wrocławiu

dr hab. n. o k. f. Andrzej Klusiewicz

Zakład Fizjologii i Biochemii

Akademia Wychowania Fizycznego Józefa Piłsudskiego w Warszawie – Filia w Białej Podlaskiej

dr hab. Agata Leońska-Duniec

Zakład Biologii Molekularnej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

prof. dr hab. n. med. Urszula Lewandowska

Zakład Biochemii

Katedra Biochemii i Chemii

Uniwersytet Medyczny w Łodzi

dr Beata Łubkowska

Zakład Kosmetologii Stosowanej

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

dr Monika Michałowska-Sawczyn

Zakład Dietetyki Sportowej

Katedra Zdrowia i Nauk Przyrodniczych

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

dr hab. n. o k. f. Jan Mieszkowski

Zakład Gimnastyki Tańca i Ćwiczeń Muzyczno-Ruchowych

Akademia Wychowania Fizycznego i Sportu im. Jędrzeja Śniadeckiego w Gdańsku

dr Barbara Morawin

Katedra Fizjologii Stosowanej i Klinicznej

Wydział Lekarski i Nauk o Zdrowiu

Uniwersytet Zielonogórski

prof. dr hab. Eugenia Murawska-Ciałowicz

Zakład Fizjologii i Biochemii

Akademia Wychowania Fizycznego im. Polskich Olimpijczyków we Wrocławiu

mgr Anna Oniszczuk

Zakład Fizjologii i Biochemii

Akademia Wychowania Fizycznego im. Polskich Olimpijczyków we Wrocławiu

dr n. med. Katarzyna Owczarek

Zakład Biochemii

Katedra Biochemii i Chemii

Uniwersytet Medyczny w Łodzi

prof. dr hab. n. med. Maciej Pawlak

Zakład Fizjologii i Biochemii

Akademia Wychowania Fizycznego im. Eugeniusza Piaseckiego w Poznaniu

dr Tomasz Podgórski

Zakład Fizjologii i Biochemii

Akademia Wychowania Fizycznego im. Eugeniusza Piaseckiego w Poznaniu

dr n. biol., dr hab. n. o k. f. Ilona Pokora

Zakład Fizjologii

Katedra Nauk Fizjologiczno-Medycznych

Akademia Wychowania Fizycznego im. Jerzego Kukuczki w Katowicach

prof. dr hab. n. med. Monika Rać

Katedra Biochemii i Chemii Medycznej

Pomorski Uniwersytet Medyczny w Szczecinie

prof. dr hab. Ewa Sadowska-Krępa

Zakład Biomedycznych Podstaw Aktywności Fizycznej

Katedra Nauk Fizjologiczno-Medycznych

Akademia Wychowania Fizycznego im. Jerzego Kukuczki w Katowicach

prof. dr hab. Magdalena Więcek

Zakład Fizjologii i Biochemii

Instytut Nauk Biomedycznych

Akademia Wychowania Fizycznego im. Bronisława Czecha w Krakowie

prof. dr hab. n. med. Agnieszka Zembroń-Łacny

Katedra Fizjologii Klinicznej i Stosowanej

Wydział Lekarski i Nauk o Zdrowiu

Uniwersytet ZielonogórskiPRZEDMOWA

Rola biochemii w sporcie jest od lat powszechnie znana i – co istotne – z roku na rok coraz bardziej doceniana. Już od dłuższego czasu planowanie szeroko rozumianego procesu treningowego bez oparcia sią na skojarzonych z wysiłkiem fizycznym wskaźnikach biochemicznych jest niemal niewyobrażalne. Co więcej, coraz powszechniejsza obecnie dostępność różnego rodzaju urządzeń pomiarowych wpływa na jeszcze większą rolę biochemii w sporcie, nawet na poziomie amatorskim. Biochemia sportowa to też dział nauki, który rozwija się w sposób niezwykle dynamiczny, co dodatkowo zwiększa jej znaczenie dla teorii i praktyki nie tylko w sporcie, ale także rehabilitacji i wielu gałęzi medycyny.

Głównym przyczynkiem do powstania Biochemii sportowej był z jednej strony brak na polskim rynku wydawniczym kompleksowego opracowania poświęconego tej tematyce, a z drugiej – coraz większy i wymagający usystematyzowania stan wiedzy z tego zakresu. Biochemia sportowa została napisana w sposób maksymalnie przystępny, tak aby każdy, bez względu na wyjściowy poziom wiedzy z zakresu biochemii, mógł znaleźć w niej dla siebie coś interesującego. Autorzy starali się, by w kolejnych rozdziałach rozwijane były treści zawarte w rozdziałach wcześniejszych, by „jedno wynikało z drugiego”. Duży nacisk położono przy tym na akcentowanie wartości aplikacyjnej biochemii w sporcie.

Do napisania poszczególnych rozdziałów Biochemii sportowej zostali zaproszeni naukowcy ze wszystkich bez wyjątku Akademii Wychowania Fizycznego w Polsce, ale także wielu innych uczelni. Co istotne, wszyscy współautorzy Biochemii sportowej to przede wszystkim praktycy, uważani w środowisku naukowym w dziedzinie biochemii za ekspertów. Fakt ten wydaje się w mojej opinii chyba najlepszą rekomendacją tej publikacji. Jako redaktor naukowy Biochemii sportowej mam nadzieję, że spełni ona oczekiwania wszystkich czytelników.

prof. dr hab. n. med. Paweł CięszczykSŁOWO WSTĘPNE PROFESORA CEZAREGO CYBULSKIEGO

O przedłożonej mi do recenzji Biochemii sportowej, już po spojrzeniu na spis jej treści powiedzieć mogę, że jest to bez wątpienia kompendium, które – wziąwszy pod uwagę obecny stan wiedzy – w sposób kompleksowy opisuje zagadnienia związane z biochemią wysiłku fizycznego. Na ponad 560 stronach maszynopisu zamieszczono 21 rozdziałów, ułożonych w taki sposób, by książka stanowiła zwarty logicznie ciąg myślowy. Początkowe rozdziały są zatem wprowadzeniem do rozdziałów kolejnych, a jeden wynika z drugiego. Taki układ książki oraz język, jakim została napisana, powodują, że staje się ona przystępna i łatwa w odbiorze dla czytelnika. Wszystko w myśl zasad – od ogółu do szczegółu, od kwestii prostych do kwestii trudnych i złożonych. Ogromną zaletą Biochemii sportowej są liczne ryciny oraz schematy, które istotnie podnoszą aspekt dydaktyczny tego podręcznika. Ryciny są przemyślane i dopracowane, stworzone w myśl zasady – jeden obraz czasem wart jest więcej niż tysiąc słów.

Kolejną kwestią wartą podkreślenia jest nacisk współautorów podręcznika na jego wartość praktyczną. Uważam, że w tym aspekcie Biochemia sportowa powinna stać się lekturą nie tylko dla teoretyków sportu i studentów, lecz także, i być może przede wszystkim, dla trenerów i zawodników, dla wszystkich tych, którzy zajmują się sportem w sposób praktyczny.

Podsumowując, w mojej ocenie Biochemia sportowa jest pozycją kompleksowo opisującą szeroko rozumiane znaczenie biochemii w sporcie i zdrowiu – w sposób przystępny i zrozumiały. W tych i wielu innych aspektach ten podręcznik można uznać za pionierski. Polecam go wszystkim zainteresowanym teorią i praktyką sportu, ale także zdrowiem publicznym oraz medycyną.

prof. dr hab. n. med. Cezary CybulskiSŁOWO WSTĘPNE PROFESORA ANDRZEJA KLIMKA

Wysiłkowe reakcje organizmu człowieka od wielu lat są przedmiotem licznych badań naukowych. Współzależności poszczególnych wskaźników fizjologicznych i biochemicznych powodują często trudności interpretacyjne, dlatego wyniki badań nie zawsze są jednoznaczne. Wiedza na ten temat dynamicznie się rozwija, dlatego aktualne informacje powinny być przekazywane szerszemu gronu odbiorców, szczególnie tym, których zadaniem jest wdrożenie wiedzy teoretycznej do praktyki treningu sportowego.

Współczesny sport wyczynowy wymaga kompleksowej analizy reakcji ustroju na wysiłki fizyczne w szerokich zakresach czasu i intensywności. Analiza ta opiera się na szczegółowych badaniach diagnostycznych wielu wskaźników fizjologicznych i biochemicznych. Wyniki badań, wykonywane przez specjalistów w laboratoriach, postrzegane są niejednokrotnie przez trenerów i zawodników jako zbyt skomplikowane i trudne do zastosowania w codziennej pracy treningowej. Zapoznanie się z książką Biochemia sportowa powinno pomóc w zrozumieniu podstaw biochemii oraz potrzeby wdrażania wyników badań biochemicznych do treningu sportowego pamiętając, że we współczesnym sporcie o końcowym wyniku rywalizacji bardzo często decydują milimetry i setne części sekundy.

Podręcznik ten stanowi kompendium wiedzy dotyczącej podstaw biochemii ze szczególnym uwzględnieniem biochemii wysiłku fizycznego. Napisany został bardzo przystępnym językiem przez doświadczonych specjalistów. Warto również podkreślić jego stronę graficzną, wzbogaconą o wiele bardzo przydatnych rysunków, rycin i tabel, które znacząco ułatwiają zrozumienie poszczególnych zagadnień. To kompendium wiedzy z zakresu biochemii i biochemii sportu zarówno dla studentów, jak również dla trenerów, instruktorów i zawodników, którzy chcą poszerzyć swoją wiedzę oraz wykorzystywać ją w treningu sportowym. Zaletą książki jest również umiejętne powiązanie reakcji biochemicznych z fizjologią wysiłku fizycznego, dzięki czemu jej treść łatwiej zrozumieć i odnieść do fizjologicznych reakcji organizmu towarzyszących wysiłkom fizycznym o różnej intensywności.

prof. dr hab. Andrzej KlimekSŁOWO WSTĘPNE PROFESORA ADAMA ZAJĄCA

Przedstawiony czytelnikom podręcznik nawiązuje do wyśmienitych pozycji zagranicznych takich jak Exercise metabolism Hargreavsa i Sprieta czy Biochemistry for sport and exercise metabolism MacLarena i Mortona. W kraju doczekaliśmy się kilku wydań niezwykle profesjonalnie wydanej monografii Górskiego zatytułowanej Fizjologiczne podstawy wysiłku fizycznego. Żadna dotychczasowa pozycja nie wprowadzała jednak czytelnika w zagadnienia biochemii i metabolizmu wysiłkowego w tak dostępny i wnikliwy sposób. Wiele elementów zawartych w monografii ma znamiona nowatorskie – systematyzuje i aktualizuje oraz przedstawia nowe osiągnięcia nauki w zakresie biochemii sportu.

Pierwszy rozdział wprowadza czytelnika w zagadnienia związków chemicznych, w wiązania chemiczne, roztwory, budowę atomów i żywych organizmów. Kolejne dotyczą metabolizmu węglowodanów, białek i tłuszczów. Szczególnie cenne są rozdziały dotyczące metabolizmu wysiłkowego i jego kontroli hormonalnej. Autorzy poruszają także zagadnienia aktywności mięśniowej. Wyjątkowo ciekawy i bardzo nowatorski jest rozdział dotyczący kwasów nukleinowych i ekspresji genów, szczególnie genetycznych markerów związanych z predyspozycjami sportowymi. Mając na uwadze osiągnięcia współczesnej nauki i jej wykorzystanie w sporcie, niezwykle ważny jest rozdział dotyczący ekspresji genów pod wpływem treningu sportowego. Wydaje się, że wiedza ta pozwoli w najbliższych latach na molekularne monitorowanie zmian adaptacyjnych po obciążeniach treningowych o różnym charakterze i natężeniu. Jednym z cenniejszych fragmentów podręcznika jest rozdział dotyczący biochemicznego monitorowania wysiłku i treningu sportowego, w którym to autorzy przytaczają cele analiz biochemicznych oraz sugerują przydatne markery i ich referencyjne wartości.

Bardzo przydatne i ciekawe wydają się także rozdziały dotyczące metabolitów i ich wykorzystania w ocenie intensywności i charakteru wysiłku. Przytoczona wiedza o hormonach i enzymach pozwala lepiej zrozumieć proces adaptacji wysiłkowej i regulacji metabolizmu w trakcie ćwiczeń o różnej intensywności. Choć wielu studentów Akademii Wychowania Fizycznego jest zafascynowanych metabolizmem wysiłkowym, często trudno jest im zrozumieć podstawy biochemii, która wyjaśnia, w jaki sposób mięśnie szkieletowe produkują energię do skurczu. Ucząc się podstaw, skupiają uwagę głównie na nauce o strukturach chemicznych i głównych ścieżkach metabolicznych, często nie próbując zrozumieć, jak te czynniki reagują na stres wywołany wysiłkiem fizycznym. Mając na uwadze powyższe przesłanki opracowano podręcznik, który promuje wiedzę z zakresu fizjologii chemicznej w celu poznania procesów biochemicznych i metabolicznych zachodzących w ludzkim organizmie. Książka łączy tradycyjne podejście do nauczania biochemii z naciskiem na wysiłek fizyczny i sport wyczynowy. Po przeczytaniu tego tekstu student zrozumie, jak rodzaj ćwiczeń fizycznych, intensywność, czas trwania wysiłku, status treningowy oraz odżywianie i nawodnienie organizmu mogą wpływać na regulację ścieżek metabolicznych produkujących energię do skurczu mięśni. Ponadto czytelnik dowie się, jak ograniczenia w dostawie energii wpływają na zmęczenie i tym samym na wydajność pracy mięśniowej. Informacje tu zawarte mogą być przydatne nie tylko dla studentów, ale także trenerów, instruktorów i osób rekreacyjnie uprawiającym sport, gdyż wiedza ta może posłużyć do opracowania programów treningowych oraz żywieniowych. Wszystko po to, by maksymalizować efekty ćwiczeń i optymalizować wyniki sportowe.

prof. dr hab. Adam Zając2
METABOLIZM
MACIEJ PAWLAK, TOMASZ PODGÓRSKI

Termin „metabolizm” obejmuje sumę wszystkich reakcji chemicznych zachodzących w organizmach zwierzęcym lub roślinnym. Dlatego stosowne procesy zlokalizowane w jego organach, tkankach bądź poszczególnych komórkach nazywane są reakcjami metabolicznymi, a uczestniczącym w nich związkom chemicznym nadano nazwę „metabolity”.

Warto zwrócić uwagę, że organizmy żywe znajdują się w procesie ciągłej wymiany masy i energii z otoczeniem. W przypadku energii rośliny pozyskują ją ze światła słonecznego i włączają w proces fotosyntezy. Ludzie oraz zwierzęta wykorzystują dalej tę energię bezpośrednio, konsumując rośliny, albo pośrednio, przyswajając mięso zwierząt, które wcześniej, jak krowy, owce czy świnie, też odżywiały się roślinami. Na ogół mówi się, że zwierzęta oraz my, ludzie, pozyskujemy energię poprzez „spalanie pokarmu”. Ile w tym „spalaniu” prawdy, dowiemy się w późniejszej części tego rozdziału.

Mimo równolegle przebiegających w komórce bardzo wielu reakcji chemicznych, procesy te zachodzą w sposób konsekwentny i uporządkowany. Poszczególne szlaki metaboliczne przebiegają w specjalnych strukturach wewnątrzkomórkowych lub w cytoplazmie (ryc. 2.1). Nasuwa się pytanie, w jaki sposób te wszystkie procesy są monitorowane i regulowane?

Szlaki metaboliczne są jasno zdefiniowanymi, wzajemnie zazębiającymi się procesami, gdzie najczęściej produkt końcowy jednej reakcji staje się substratem dla kolejnej reakcji, przy czym takich reakcji może być kilka lub kilkanaście. Tworzą one wówczas pewną sekwencję zdarzeń określaną jako szlak lub ścieżka metaboliczna. Warto wspomnieć, że wiele z takich reakcji w organizmie przebiega w obu kierunkach, dzięki czemu można mówić o alternatywnych procesach prowadzących zarówno do syntezy danej substancji (np. tworzenie glukozy w procesie glukoneogenezy), jak i jej rozłożenia (np. pozyskiwanie energii z glukozy w procesie glikolizy). Inne reakcje przebiegają natomiast tylko w jednym kierunku, są nieodwracalne i dotyczą najczęściej cząsteczek, które jako ostateczne metabolity, rozumiane jako „odpady produkcyjne”, są usuwane z organizmu, jak chociażby mocznik w cyklu mocznikowym lub dwutlenek węgla w cyklu Krebsa. Ponadto, biorąc pod uwagę reakcje i szlaki przemian, nasuwa się refleksja, że decydującą rolę w metabolizmie zarówno człowieka, jak i zwierząt odgrywa stosunkowo niewielka liczba elementów (związków chemicznych).

Intensywność procesów zachodzących w komórkach zmienia się zależnie od sytuacji, to znaczy podaży substancji odżywczych, wykonywanego wysiłku fizycznego lub aktualnego stanu zdrowia. Dostosowanie do obecnych potrzeb komórki wymaga zatem systemów regulacji takich szlaków metabolicznych, zwłaszcza ich szybkości i efektywności. Ważne czynniki w tym przypadku to: substraty (jeżeli ich dostępność jest ograniczona, to spowolnieniu ulega powstawanie metabolitów pośrednich szlaku), enzymy (czyli ich aktywacja i dezaktywacja) oraz stężenie hormonów modulujących dane procesy.

Ryc. 2.1.

Schemat przedstawiający po lewej stronie transfer energii ze środowiska, w formie przyjmowanego pokarmu, pozyskanego z roślin (fotosynteza) lub zwierząt. Następnie, w prawo, nakreślona jest droga wykorzystania pozyskanej energii, która może podlegać przetworzeniu do różnych form niezbędnych do funkcjonowania organizmów (konsumentów)

2.1. Energia – stały element reakcji chemicznych

Przepływ energii krążącej pomiędzy środowiskiem a żyjącymi w nim organizmami jest fundamentalnym założeniem istnienia życia i w pełni wpisuje się w koncepcję biologii.

2.1.1. Obieg energii w przyrodzie

Energia chemiczna jest w ekosystemie generowana w wyniku fotosyntezy, gdy rośliny i sinice przy udziale chlorofilu przeprowadzają ją, przechwytując w ten sposób energię słoneczną i magazynując ją jako energię związków (energia potencjalna). Podczas tego procesu opisanego reakcją:

6 H₂O + 6 CO₂ + energia świetlna → C₆H₁₂O₆ + 6 O₂

materia ze środowiska (w postaci CO₂ lub H₂O) jest pobierana i przekształcana w cząsteczki organiczne, zwłaszcza węglowodany. Molekuły te mogą zasilać energetycznie bieżące procesy życiowe organizmów żywych lub stanowić materiał zapasowy, gromadzony i przechowywany w postaci biomasy, jak to jest w przypadku celulozy w drewnie lub skrobi w bulwie ziemniaka.

Te energetyczne produkty roślinne stają się pokarmem dla konsumentów pierwotnych (zwierzęta, człowiek) i wtórnych (człowiek). Część materiału organicznego spożywanego przez konsumentów jest wykorzystywana do oddychania komórkowego, czemu towarzyszy uwalnianie, jak w reakcji poniżej, CO₂ i energii (ATP, ciepło):

C₆H₁₂O₆ + 6 O₂ → 6 CO₂ + 6 H₂O + energia (mechaniczna lub cieplna/ATP)

która albo zostaje przechowywana jako materiał zapasowy (np. glikogen i tkanka tłuszczowa) lub substancja budulcowa (np. białka mięśni). Reszta, jako zbędne, a nawet obciążające organizm metabolity (amoniak, mocznik, kreatynina), zostaje wydalona.

Obumarłe organizmy producentów (rośliny) lub konsumentów (zwierzęta, ludzie), dostarczają materii i energii mikrokonsumentom (saprotrofom), zwłaszcza grzybom i bakteriom, które pobierają energię, zdeponowaną w rozkładających się martwych szczątkach organicznych. W tym procesie dochodzi do przekształcenia materii (celuloza, skrobia) z powrotem do formy pierwotnej (glukoza, dwutlenek węgla). Związki te mogą następnie posłużyć producentom i konsumentom jako budulec lub źródło pokarmu. Obieg energii i materii jest zatem doskonałym przykładem recyklingu w ekosystemie, co ilustruje poniższy zapis, a dalej rycina 2.2:

(C₆H₁₀O₅)n + n ∙ H₂O = n ∙ C₆H₁₂O₆

Energia jest zatem wprowadzana do ekosystemu jako światło słoneczne, a ostatecznie wypływa z ekosystemu w formie ciepła generowanego, np. podczas skurczów mięśni w trakcie wysiłku fizycznego lub pożaru lasu. Natomiast materia w ekosystemie jest stale poddawana obiegowi, ponieważ poszczególne atomy najpierw łączą się w związki chemiczne, a następnie rozkładają na różne sposoby, stosownie do procesu, w który zostały włączone.

Tylko wycinek energii pobranej lub wytworzonej w komórce ulega przetworzeniu w formę biologicznie użyteczną, a znaczna jej część ulega rozproszeniu w środowisku jako ciepło. Powyższe tłumaczy, dlaczego masa pożywienia potrzebna organizmowi jest znacznie większa niż łączna masa produktów, które mogą być wytworzone w procesach anabolicznych. Dla przykładu produkcja 1 kg wołowiny pochłania 15 000 litrów wody i prowadzi do emisji ok. 25 kg CO₂ do środowiska.

Ryc. 2.2.

Lokalizacja poszczególnych procesów metabolicznych w komórce. Niektóre szlaki metaboliczne zachodzą wyłącznie w jednej organelli komórkowej, (np. glikoliza w cytoplazmie). W innych przypadkach część reakcji rozpoczyna się w mitochondrium, a końcowy etap zachodzi w cytoplazmie (np. glukoneogeneza)

2.1.2. Układy biologiczne i prawa termodynamiki

Wszystkim reakcjom chemicznym towarzyszy efekt energetyczny. Pod tym pojęciem rozumiemy wydzielanie energii do otoczenia bądź jej pobieranie przez reagujące ze sobą substancje. Podczas przemiany substratów w produkty układ może oddawać do otoczenia energię w różnej postaci: ciepła, światła, pracy lub nawet elektryczności. To, czy w czasie reakcji energia będzie wydzielana, czy pobierana, zależy przede wszystkim od reagujących ze sobą substancji.

W układach biologicznych obowiązują dwa prawa termodynamiki. Pierwsze zakłada, że całkowita energia układu i otoczenia pozostaje stała, przy czym przez układ rozumiemy materię zawartą w przestrzeni, a otoczenie jest pozostałą materią we wszechświecie. Innymi słowy, energia nie może zostać wygenerowana lub zniszczona, może natomiast przyjmować dowolne formy, chociażby kinetyczną (jak ciepło – efekt przypadkowych ruchów cząsteczek) lub potencjalną, zawartą np. w związku chemicznym i dostępną dopiero po zaistnieniu określonych warunków.

Druga zasada termodynamiki zakłada, że zachodzący samorzutnie proces musi prowadzić do zwiększenia entropii całkowitej układu i jego otoczenia. Entropia jest miarą nieuporządkowania układu na poziomie molekularnym i osiąga maksimum po osiągnięciu przez układ równowagi. Taki wzrost nieuporządkowania napędza procesy, co można obserwować chociażby na przykładzie dyfuzji jonów sodowych i chlorkowych w wodnym roztworze NaCl, gdzie ta różnica energii pomiędzy stanem początkowym i końcowym napędza ich dyfuzję. Podczas rozpuszczania NaCl wzrasta zatem wspomniany chaos (entropia), maleje natomiast równocześnie entalpia.

2.1.3. Specyfika przebiegu reakcji metabolicznych

Każda cząsteczka zawiera w sobie zmagazynowaną energię określaną jako entalpia swobodna lub jako energia Gibbsa. Na poziomie systemu, jakim jest komórka, w efekcie zachodzącej reakcji chemicznej, dochodzi zwykle do zmiany energii systemu, ponieważ produkty mają inną wartość energetyczną niż substraty. W układach biologicznych zachodzących w stałej temperaturze i ciśnieniu, co odnosi się także do warunków panujących w organizmie człowieka, zmiany energii określa się poprzez zmiany entalpii, zapisując je jako ΔH. Razem ze wspomnianą wcześniej entropią, a dokładniej jej zmianami oznaczonymi jako ΔS oraz temperaturą przyjętą jako temperatura bezwzględna wyrażona w skali Kelwina (K), wygenerować można pojęcie zmiany wolnej energii ΔG:

ΔG = ΔH – T ∙ ΔS

Wartość ΔG dostarcza w ten sposób ważnych informacji dla teoretycznego przebiegu reakcji. Zakładając bowiem, że ΔG reakcji jest energią swobodną produktów reakcji pomniejszonej o energię produktów (stan początkowy), możliwe są trzy sytuacje:

ΔG < 0, gdzie energia swobodna produktów jest niższa niż energia swobodna substratów. Układ traci ciepło, czyli mamy do czynienia z reakcją egzotermiczną. Powyższe wiąże się zatem z wydzieleniem energii do otoczenia.

ΔG > 0, gdzie energia swobodna produktów jest wyższa niż energia substratów. A zatem do przebiegu tej reakcji potrzebna będzie energia (ciepło) pobrane z otoczenia, a reakcja ma charakter endotermiczny.

ΔG = 0, gdzie energia swobodna produktów jest równa energii substratów, a system znajduje się w stanie równowagi. Jest to równowaga dynamiczna (a nie statyczna), reakcja nie ulega bowiem zatrzymaniu. Podczas gdy pewne ilości substratów są przekształcane w produkty, równe ilości produktów są ponownie przekształcane w substraty.

Trzeba dodać, że wartość ΔG zależy od warunków, w jakich zachodzi reakcja oraz od uczestniczących w nich substratów. Ze względu na to, że porównywania reakcji można dokonać tylko wtedy, kiedy przebiegają one w tych samych, czyli standardowych warunkach (1 bar, 25°C), wartość ΔG odniesiona do warunków standardowych została wyróżniona jako ΔG°.

Na podstawie rzeczywistych warunków reakcji można zawsze obliczyć ΔG reakcji, w której A jest przekształcane w B lub odwrotnie (A B), przy czym A i B niekoniecznie są pojedynczymi substancjami, reprezentując raczej substraty i produkty. Oto stosowne równanie:

ΔG = ΔG° + R ∙ T ∙ (ln /)

gdzie:

ΔG° = oznacza standardową zmianę energii swobodnej reakcji, gdy stężenie każdej substancji w roztworze wynosi 1 mol/l. W tym przypadku stosunek stężeń w równaniu przyjmuje wartość 1, logarytm naturalny z 1 wynosi bowiem 0, a w konsekwencji ΔG = ΔG°;

R = stała gazowa równa 1,987 · 10–3 kilokalorii na mol na kelwin (czyli 1,987 ·10–3 kcal/mol/K);

T = temperatura bezwzględna (K);

ln = logarytm naturalny, który pomnożony przez –2,303 da nam log dziesiętny;

/ = stosunek iloczynu stężeń molowych produktu reakcji do iloczynu stężeń molowych substratów.

Równanie to pozwala wyznaczyć zależność między ΔG° a stałą równowagi oznaczaną jako Keq (equilibrium constant). Ponieważ, jak wspomniano wcześniej, w stanie równowagi ΔG = 0 oraz przy Keq równym /, można wnioskować, że:

0 = ΔG° + R ∙ T ∙ lnKeq albo ΔG° = –R ∙ T ∙ lnKeq

To ostatnie równanie pokazuje, że im wyższa będzie wartość Keq, tym bardziej negatywna będzie ΔG°. Innymi słowy, im bardziej reakcja jest przesunięta w kierunku produktów pozostających w równowadze (wysoki wyniki ilorazu /), tym bardziej ujemna będzie zmiana energii swobodnej w warunkach standardowych.

Należy jednak zauważyć, że ΔG może się znacznie różnić od ΔG° w zależności od aktualnego, rzeczywistego stężenia substratów i produktów. Przykładowo, ΔG reakcji z dodatnim ΔG° może być ujemne, jeśli jest znacznie mniejsze niż , co jest konsekwencją ujemnych logarytmów dla liczb mniejszych od 1. Ogólnie rzecz biorąc, reakcja może być wspierana (przesunięta w prawo), jeśli stężenia substratów są znacznie wyższe niż produktów.

Powyższe rozważania wskazują na możliwości wpływania na przebieg reakcji procesów metabolicznych, które są często stosowane przez organizmy. Dotyczy to zmiany stężeń substratów, produktów lub obu tych elementów. Na przykład stężenie substratu może wzrosnąć w komórce w wyniku jego zwiększonego dopływu z przestrzeni pozakomórkowej. Ten wzrost będzie obniżać wartość / w podanym wcześniej równaniu, tym samym wartość ΔG, czyniąc tę reakcję bardziej korzystną. Ten sam cel zostanie osiągnięty, jeśli stężenie produktu ulegnie obniżeniu z powodu zwiększonego odpływu z komórki lub wykorzystania w innej reakcji.

Warto wspomnieć w tym miejscu, że w przypadku reakcji metabolicznych, które zwykle zachodzą w roztworach wodnych o neutralnym stężeniu pH, stosowany jest zmodyfikowany zapis ΔG°′ (uwaga na ′), co oznacza standardową energię swobodną przy pH = 7.

2.1.4. Dwa typy przemian energetycznych

W warunkach zachodzących w żywych komórkach organizmu, przy w miarę stałej temperaturze i ciśnieniu, liczba takich reakcji chemicznych przebiegających w jednostce czasu jest ogromna. Właśnie ta duża liczba zachodzących procesów powoduje, że energia w komórce rozpatrywanej całościowo, jako system, podlega zmianom, ponieważ wytworzone produkty mają z reguły inny potencjał energii niż substraty.

Zasadniczo wyróżnia się dwa typy reakcji chemicznych, w których kryterium jest kierunek przepływu energii. Kiedy reakcja chemiczna pochłania energię z otoczenia w dowolnej postaci, wówczas mamy do czynienia z reakcją endoenergetyczną. Na przykład efektem endoenergetycznej reakcji elektrolitycznej, która zachodzi w trakcie ładowania ogniwa galwanicznego, jest pobór energii elektrycznej. Reakcji endoenergetycznej nie należy mylić z reakcją endotermiczną, która może, lecz nie musi być procesem endoenergetycznym (nie będzie nim, jeśli praca wykonana przez układ reagujący przewyższy wartość ciepła pobranego przez ten układ z otoczenia).

Z kolei reakcję egzoenergetyczną charakteryzuje wyzwolenie do otoczenia energii w dowolnej postaci. Na przykład efektem egzoenergetycznej reakcji elektrolitycznej, która zachodzi w ogniwie galwanicznym, jest generowanie energii w postaci siły elektromotorycznej. Reakcji egzoenergetycznej nie należy mylić z reakcją egzotermiczną, która może, lecz nie musi być procesem egzoenergetycznym (nie będzie nim, jeśli praca sił zewnętrznych przewyższy ciepło oddane przez układ do otoczenia).

Nie wchodząc w szczegóły problemu, warto pamiętać, że reakcje, które w określonych, zwłaszcza fizjologicznych warunkach nie przebiegają spontanicznie, mogą jednak dojść do skutku po zmianie warunków, chociażby koncentracji substratów lub/i produktów. Można sobie wyobrazić, w warunkach fizjologicznych, że reakcja nastąpi dopiero po usunięciu substratów lub produktów włączonych w utrzymanie stanu równowagi, chociażby poprzez ich transport z komórki lub przekazanie produktu do następnej reakcji, w której będzie substratem. Inną możliwością uruchomienia termodynamicznie niekorzystnych reakcji jest podłączenie się pod inną reakcję z dostateczną ilością energii i wykorzystanie tej nadwyżki.

Procesy endoenergetyczne korzystają zatem z tych mechanizmów. Przykładem może być rozpoczynający glikolizę egzoenergetyczny rozkład (hydroliza) ATP przeprowadzona przez enzym heksokinazę (ΔG = –30,5 kJ/mol), co zostaje sprzężone z endoenergetycznym procesem fosforylacji glukozy.

Ryc. 2.3.

Przemiany energetyczne mogą przedstawiać dwa typy reakcji, tzn. te, podczas których jest wydzielana energia, czyli ciepło „ucieka” z układu (egzotermiczne) (a), i takie, których przeprowadzenie wymaga dostarczenia energii, tzn. w której ciepło jest pochłaniane do układu (endotermiczne) (b)

2.1.5. Anabolizm i katabolizm

Przemiana energii w organizmie obejmuje przetworzenie energii z jednej formy w drugą, np. energii chemicznej zmagazynowanej w postaci adenozynotrifosforanu (ATP) komórki w energię mechaniczną mięśnia podczas wysiłku fizycznego. Generowanie energii następuje już w poszczególnych komórkach, dlatego pod często wykorzystywanymi pojęciami „przemiana energii” lub „energia organizmu” kryją się dziesiątki reakcji i procesów niezbędnych do jej pozyskania i podtrzymania wszystkich procesów życiowych. Szlaki metaboliczne są tak skonstruowane, że produkt końcowy staje się substratem dla innych szlaków metabolicznych. Procesy wytwarzania i wydatkowania energii w organizmie są bardzo sprawne i dobrze zorganizowane.

Pojęcie przemiany materii nie ogranicza się do konsumowania i wydalania produktów ich przemiany, ale obejmuje procesy, które utrzymują przy życiu komórki. Dzielą się one na anaboliczne i kataboliczne. Te ostatnie dotyczą rozkładania pobranych z pokarmem związków (tłuszczów, węglowodanów i białek) na składniki podstawowe, czyli do cząsteczek prostszych, jak woda (H₂O), dwutlenek węgla (CO₂) czy amoniak (NH₃). Uwolniona w ten sposób energia zostaje zmagazynowana w formie ATP, aż do wykorzystania w którymś z procesów anabolicznych.

Ryc. 2.4.

Powiązanie katabolizmu i anabolizmu. Zaczynając od dołu po lewej, duże cząsteczki są rozkładane do małych cząsteczek (katabolizm), które dostarczają materiału wyjściowego do anabolizmu. Równolegle katabolizm napędza syntezę adenozynotrifosforanu (ATP), który ulega degradacji do adenozynodifosforanu (ADP), umożliwiając dopływ energii niezbędny dla procesów anabolicznych. Warto zauważyć, że chociaż strzałka łączy małe cząsteczki po stronie katabolizmu z małymi cząsteczkami po stronie anabolizmu, to żadna taka strzałka nie łączy w ten sposób dużych cząsteczek. Powodem tej różnicy jest to, że duże cząsteczki po dwóch stronach niekoniecznie są takie same. Dla przykładu białka obecne w żywności (mięso zwierząt) muszą być rozłożone do wolnych aminokwasów, które są z kolei syntetyzowane w odpowiedniej kolejności do wykorzystania w budowaniu własnych, ludzkich białek organizmu, które różnią się od tych pobranych w naszym pokarmie

Katabolizm obejmuje zatem procesy degradacji, czyli serie reakcji, w których biomolekuły są rozkładane na mniejsze cząsteczki. Te procesy mają podwójne znaczenie:

• produkują surowce do syntezy większych cząsteczek potrzebnych dla dalszych funkcji organizmu, potrzebnych do procesu anabolizmu (o czym dalej),

• uwalniają energię, której część jest wykorzystywana w syntezie ATP.

Aby lepiej zrozumieć sens katabolizmu, trzeba założyć, że przetworzenie dużej cząsteczki „M”, do n mniejszych cząsteczek oznaczonych jako „m”, co zapisuje się jako M n ∙ m, wymaga ΔG°′ =10 kcal/mol.

Pisząc reakcję syntezy ATP z ADP i (grupę fosforanową przedstawia się jako symbol lub Pi):

ADP + + H+ ATP + H₂O; ΔG°′ = 6,3 kcal/mol

można zauważyć, że synteza ta jest wysoce endotermiczna, wymaga bowiem dostarczenia 6,3 kcal/mol i z tego względu nie należy do reakcji popieranych. Może jednak uzyskać status „popierane”, jeżeli zostanie chemicznie sprzężona z reakcją egzotermiczną

M + ADP + + H+ n ∙ m + ATP + H₂O; ΔG°′ = –3,7 kcal/mol

Ujemna wartość ΔG°′ tak połączonej reakcji pokazuje, że może ona być faworyzowana w aspekcie biologicznym, kiedy procesy kataboliczne napędzają syntezę ATP.

Procesy anaboliczne są z kolei ukierunkowane na syntezę związków złożonych z prostych, wyjściowych elementów. Przykładem może być tworzenie glikogenu z glukozy lub białek z aminokwasów. Komórki potrzebują anabolizmu, aby rosnąć, dzielić się, zastępować zużywające się molekuły i tworzyć magazyny energii. Do przeprowadzenia takich reakcji łączenia niezbędna jest energia, właśnie ta tworzona w procesach rozpadu, tj. katabolicznych. Dlatego takie procesy nie są energetycznie faworyzowane; mogą jednak zachodzić, jeśli są one sprzężone z reakcją egzotermiczną, taką jak hydroliza ATP. Załóżmy, że chcemy zsyntetyzować dużą cząsteczkę M w procesie n ∙ m M. Wówczas, „n” molekuł „m” będzie potrzebowało do tego procesu 10 kcal/mol (ΔG°′ =10 kcal/mol).

Jeżeli ta synteza zostanie jednak połączona z wcześniej omówioną już reakcją hydrolizy ATP (w zależności od warunków ΔG°′ może przyjmować najczęściej stosowaną wartość –7,3 kcal/mol)

ATP + H₂O ADP + + H+; ΔG°′ = –6,3 kcal/mol

uzyska się wówczas przebieg manifestujący się pozytywnym ΔG°′ tej reakcji, co wskazuje, że hydroliza jednego ATP nie wystarcza do syntezy jednego M.

n ∙ m + ATP+ H₂O M + ADP + + H+; ΔG°′ = 3,7 kcal/mol

Z tego też powodu synteza M nie jest faworyzowana.

Sytuację zmienia natomiast dalsze wsparcie energetyczne, czyli hydroliza dwóch ATP, w wyniku czego uwalnia się dwa razy więcej energii, wymuszając w ten sposób spadek całkowitego ΔG°′ poniżej zera .

n ∙ m + 2 ATP + 2 H₂O M + 2 ADP + 2 + 2 H+; ΔG°′ = –2,6 kcal/mol

Warto przywołać jeszcze kilka różnic pomiędzy procesami katabolicznymi i anabolicznymi. Procesy kataboliczne obejmują zwykle utlenianie metabolitów poprzez usuwanie wodorów (H), a taka forma utleniania jest specyficznie nazywana odwodornieniem. I odwrotnie, procesy anaboliczne zwykle obejmują redukcję metabolitów przez dodanie wodorów, czyli uwodornienie. Kto i dlaczego zajmuje się tymi procesami dołączania i oddawania wodorów, opisano w następnym podrozdziale.

Szlaki kataboliczne można rozpoznać po końcówce terminu danego procesu metabolicznego, tj. „-liza”, oznaczająca w biologii rozkład. Pojawi się on w odniesieniach: glikoliza (rozkład glukozy), glikogenoliza (rozkład glikogenu) lub proteoliza (rozkład białka). Z kolei szlaki anaboliczne mają na końcu „-genezę”, czyli synteza np. substancji ketonowych = ketogeneza, glukozy = glukoneogeneza, synteza glikogenu = glikogenogeneza, synteza wolnych kwasów tłuszczowych = liponeogeneza, a triglicerdów = lipogeneza.