Vanbergen i ywienie - Edra Urban · glikogeneza (synteza glikogenu). Anabolizm jest po-dobny do budowania, a do budowania potrzebne są surowce i energia. Szlaki kataboliczne uwalniają

CRASH COURSE

Seria podręczników Crash Course to idealne antidotum na stres egzaminacyjny.

Dzięki niej zaoszczędzisz czas i zyskasz pewność,że dysponujesz zebranymi w jednym miejscu informacjami, których potrzebujesz, aby zaliczyć zajęcia z danej dziedziny i zdać egzamin.

Formuła serii sprawdza się od ponad 15 lat. Niezwykle przejrzysta forma podręczników, liczne tabele, ryciny i zestawienia są tak przemyślane, aby zainteresować studenta i ułatwić mu naukę.

Autorami są studenci i nauczyciele akademiccy, czyli osoby, które doskonale wiedzą, na czym polega zdawanie egzaminu i jaki zakres materiału należy przyswoić, aby ten cel osiągnąć.

Ani na chwilę nie zapominają oni o potrzebach swoich czytelników. Podkreślają i dowcipnie obrazują najważniejszeinformacje, podają najczęściej spotykane pytania egzaminacyjne, pomijają zaś rzeczy zbędne i nieistotne.

Metabolizm i żywienie

wydanie

Metabolizm

i żywienie

Appleton• Vanbergen

Redakcja serii: Dan Horton-SzarKonsultacja merytoryczna: Marek Dominiczak

CRASH COURSE

Metabolizmi żywienie

wydanie4wydanie4

Nie rozumiesz – zrozumiesz

Nie pamiętasz – przypomnisz sobie

Ta książka jest lepsza niż najlepsze notatki

CRASH COURSE

4

Redakcja wydania polskiegoTomasz Brzozowski

Appleton • Vanbergen

dakcja wydania polskdakcjcja wydania lskiegomasz Brzozowskimasz Brrzozowski

RedRedTomToTom

www.edraurban.pl

4 wydanie

CRASH COURSE th Edition

CRASH COURSE


REDAKCJA SERIIDan Horton-SzarKONSULTACJA MERYTORYCZNAMarek H. Dominiczak

Amber AppletonOlivia Vanbergen

Autorzy wydania pierwszego i drugiego

Sarah BenyonJason O’Neale RoachAutor wydania trzeciego

Ming Yeong Lim

Redakcja wydania polskiego

Tomasz Brzozowski

CC-Odzywianie-i-metabolizm-1_4.indb 3 07.03.2017 13:32:48

Tytuł oryginału:Metabolism and Nutrition Crash Course4th Edition

Autorzy:Amber Appleton, Olivia Vanbergen

Redakcja serii: Dan Horton-SzarKonsultacja merytoryczna: Marek H. Dominiczak

ELSEVIERMOSBY© 2015, Elsevier Ltd. All rights reserved.

This edition of Metabolism and Nutrition Crash Course (4e) by Amber Appleton and Olivia Vanbergen is published by arrangement with Elsevier Ltd.

Książka Metabolism and Nutrition Crash Course, wyd. 4, autorzy: Amber Appleton and Olivia Vanbergen, została opublikowana przez Elsevier Ltd.

First edition 1998Second edition 2003Third edition 2007Fourth edition 2013Updated Fourth edition 2015

ISBN 978-0-7234-3853-3

Wszelkie prawa zastrzeżone, zwłaszcza prawo do przedruku i tłumaczenia na inne języki. Żadna z części tej książki nie może być w jakiejkolwiek formie publikowana bez uprzedniej pisemnej zgody Wydawnictwa. Dotyczy to również sporządzania fotokopii, mikro�lmów oraz przenoszenia danych do systemów komputerowych.

Ze względu na stały postęp w naukach medycznych lub odmienne nieraz opinie na temat leczenia i diagnozowania, jak również możliwość wystąpienia błędu, prosimy, aby w trakcie podejmowania decyzji terapeutycznej uważnie oceniać zamieszczone w książce informacje. Pomoże to zmniejszyć ryzyko wystąpienia błędu lekarskiego.

© Copyright for the Polish edition by Edra Urban & Partner, Wrocław 2017

Redakcja naukowa wydania 4: prof. dr hab. med. Tomasz Brzozowski

Tłumaczenie z języka angielskiego: dr n. med. Jolanta Majka – rozdz. 1–6dr hab. n. med. Aleksandra Szlachcic – rozdz. 7–12, Egzamin końcowy, Słownik

Prezes Zarządu: Giorgio AlbonettiRedaktor naczelny: lek. med. Edyta BłażejewskaRedaktor prowadzący: Renata WręczyckaOpracowanie skorowidza: Aleksandra Ozga

ISBN 978-83-65625-21-2

Edra Urban & Partnerul. Kościuszki 29, 50-011 Wrocławtel. +48 71 [email protected]

www.edraurban.pl

Łamanie i przygotowanie do druku: Anna JońskaDruk i oprawa: Wrocławska Drukarnia Naukowa PAN im. S. Kulczyńskiego

02_iv_Odzywianie-i-metabolizm_ CC.indd 4 16.03.2017 09:56:17

XI

Spis treści

S st p e re t r serii V

Przedmowy VII

i i IX

1. Wprowadzenie do metabolizmu. . . . . . . 1ci st p e

e c s et ic c e c e re s

c i r c e

2. Metabolizm energetyczny I: cykl TCA. . . . 13 s tr s c

3. Metabolizm energetyczny II: powstawanie ATP . . . . . . . . . . . . . . . 17

st ie s r c s str t s r c s t

4. Metabolizm węglowodanów. . . . . . . . . 23 e i ic

i i e c pir r i → cet

e e e et i i e

S pe t s r r t t s r it i et

5. Transport i metabolizm tłuszczów . . . . . 45ipi pr e ie i s te s t s c c t i t s c et i c ester

r sp rt ipi et i et e e

6. Metabolizm białek . . . . . . . . . . . . . . 71 i e

i s c e re c e et i ie

i s S te i s

i ic e p c e i s t

t i i s c i

S te i r i e

7. Puryny, pirymidyny i hem . . . . . . . . . . 87s e ste e c et i p r et i pir i et i e

8. Homeostaza glukozy . . . . . . . . . . . . . 107t p e st

r tr e st e st c sie

si i c e r c

9. Trawienie, niedożywienie i otyłość . . . . . 121st e s ie i

e er et c i s i p r

10 Żywienie: witaminy i ich niedobory . . . . . 135it i it i r p s c e t s c c it i r p s c e ie

11. Żywienie: składniki mineralne . . . . . . . . 153s i c s i i er c p

s r e

S p t s i c r Si r

e

ie Jod

ier i st i ś e ie r s i i er c


XII

Spis treści

12. Zaburzenia metaboliczne i odżywiania . . . 167r e i et ic e i i i

c sts e e i ści s ier i i

e ic e pr estr e p c s ier i i

ie t ś i c i ie i e i t e i p st e

ce st ie i

Test jednokrotnego wyboru . . . . . . . . . 195Test dopasowywania właściwej odpowiedzi . . . . . . . . . . . . . . . . . 205Odpowiedzi do testu jednokrotnego wyboru . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209Odpowiedzi do testu dopasowywania właściwej odpowiedzi . . . . . . . . . . . 213Słownik . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 217Piśmiennictwo . . . . . . . . . . . . . . . . 221Skorowidz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223


ci st p e 1

Cele

Wprowadzenie do metabolizmu 1

pr ec t i te r i p i ie eś ie p e ic s et ic e reś i e ic s t ic e i ic e ce i s ic r e et i ie reś i p st e ec i re c i t ści e pis r e r e tr sp rt c p r ic i tr sp rte t i

ier pis p st re c i i e er et c c i r ie re c e re s p st e c stec i t ie cet + + i

POJĘCIA WSTĘPNE

MetabolizmTermin „metabolizm” opisuje zbiór reakcji bioche-micznych występujących w żywym organizmie. U ludzi reakcje te umożliwiają uzyskiwanie energii z pokarmu i syntezę cząsteczek koniecznych do pod-trzymania życia. Kluczowe etapy, które należy znać to:

reakcje przedstawiające przemiany molekularne substratów do produktów;

w żywych organizmach reakcje nigdy nie zachodzą w izolacji; produkt jednej reakcji staje się substra-tem do następnej reakcji;

układ następujących po sobie reakcji jest określa-ny mianem „szlaku”; składniki szlaku są określane jako „produkty pośrednie” (ryc. 1.1).

Szlaki metaboliczne są określane ze względu na ich ogólne znaczenie. Nazwa szlaku z przyrostkiem „-(o)liza” jest sekwencją reakcji związanych z de-gradacją cząsteczki nadmienionej w przedrostku. Na przykład szlak glikogenolizy jest szlakiem degradacji gliko genu.

Ponieważ większość cząsteczek bierze udział w większej niż jeden liczbie szlaków metabolicznych, różne szlaki metaboliczne krzyżują się w miejscach, w których występują ich wspólne cząsteczki. Dlatego też metabolizm przypomina mapę drogową, na któ-rej drogi są odpowiednikami szlaków metabolicznych krzyżujących się ze sobą.

Regulacja szlaków metabolicznych, zamiast świateł drogowych i progów zwalniających ruch drogowy, jest realizowana poprzez różne mechanizmy biologiczne. Tempo, w którym cząsteczki przechodzą przez szlaki metaboliczne, jest regulowane przez liczne mechani-zmy regulacyjne.

W rozumieniu metabolizmu kluczowe jest to, że szczegóły są mniej istotne od znaczenia ogólnego. Ważniejsze jest znaczenie szlaku metabolicznego, jego lokalizacja i regulacja niż pamiętanie poszczególnych reakcji.

EnzymyEnzymy to wyspecjalizowane, wysoce specyficzne białka. Każdy enzym przeprowadza reakcję bioche-miczną, pełniąc rolę katalizatora biologicznego. Bez udziału enzymów reakcje biologiczne zachodziłyby

Ryc. 1.1 r r t ie s et ic e i repre e t e t i ce re c i

substraty szlakuenzymatycznego

produkt szlaku enzymatycznego

1enzymreakcja 1

reakcja 2

reakcja 2

2enzym

3enzym


pr e ie et i

zbyt wolno, aby mogła być podtrzymywana witalność komórki.

Enzymy działają poprzez okresowe przyłączanie się do swych cząsteczek substratowych, powodując ich modyfikację oraz ostateczne uwolnienie przetwo-rzonej cząsteczki (produkt reakcji).

Wydajność enzymu katalizującego reakcję deter-minuje szybkość zachodzenia reakcji. Działanie en-zymu można porównać do „pokrętła regulującego”, które kontroluje tempo reakcji. Główną biologiczną strategią regulacyjną jest więc modulacja działania enzymu (aktywności). W odniesieniu do enzymów używa się licznych terminów biochemicznych, któ-rych znaczenie powinno się znać. Są one przedsta-wione na rycinie 1.2.

Nazewnictwo enzymatyczneEnzymy są określane w odniesieniu do reakcji, którą katalizują, dlatego o ich działaniu można wnioskować na podstawie nazwy reakcji. Podstawowe przykłady przedstawiono na rycinie 1.3.

Anabolizm i katabolizmSzlaki metaboliczne mogą być albo anaboliczne, albo kataboliczne. Reakcje anaboliczne doprowadzają do powstania złożonych cząsteczek z mniejszych substra-

Ryc. 1.2 reś e i t c ce e

Termin Objaśnienieie sce t e s r str t r e e t r i c ie pr c si s str t

r c er i pis e tr i r i e i r c i et c e r c i c i e ie c stec c c si e e

p c ści t ie i r c i r c e i e c e i ie c r ie p t ś e r p t

ie i e t iet ś est ie e e t ści c e i ści e t c e e p ers i s

str t pr t i i e p i t ści e t ś e p r c e te per t r p r e st e ie e i s str

t t ś e p r ie i i it r t t ri ct i ct pis e te e c s c c i i e e i e s str te

is i p i ct e s e s str t i e si s i vice versai it r i it r sp ic s str te ce tr t e e i i it r

pet c e i si e e ce tr t e i i it r iepet c e e r e i i it r ie s t ś e i te p

ie s te p re c it t r t t r e t c e i s t ś e i te p i s te p

re c ie ie t re e ec ści e pr epr i i i t it c

ee s i r e t i r i ie c ie r e e t i ce t s re c

e e reś e s i e i e i e t i t s re c ie s t i s i e i

Ryc. 1.3 e t r e t c

Enzym Katalizowana reakcja

i r c ie r p s r e s r c

s t s ie r p s r e e s r c

S t S te c stec i

r s r c e ie e e c stec i t e c stec i

s str t

e r s s i cie e e c stec i t e c stec i

s str t

e r e t e i ie s str t via pr e iesie ie e e i ce

r + cept r e e tr c st +

er r e r p ie t rie c stec i s str t r t

te s r c s str t

t r e iesie ie r p c e r ie c stec i s str t

e ie sce r ie te s e c stec i


1e c s et ic c

tów, podczas gdy w reakcjach katabolicznych docho-dzi do rozkładu złożonych cząsteczek do mniejszych produktów (ryc. 1.4). W trakcie metabolizmu docho-dzi do integracji procesów anabolicznych i katabolicz-nych. Równowaga między nimi jest odbiciem stanu komórki lub organizmu.

Niektóre szlaki metaboliczne zużywają energię. Są to procesy syntezy, które wymagają energii. Przyrost-kiem w nazwach szlaków syntezy jest „-geneza”, np. glikogeneza (synteza glikogenu). Anabolizm jest po-dobny do budowania, a do budowania potrzebne są surowce i energia.

Szlaki kataboliczne uwalniają wewnętrzną energię chemiczną z cząsteczek biologicznych. Obejmują one sekwencyjny rozpad cząsteczek. Przyrostkiem w na-zwach szlaków katabolicznych jest „-liza”, np. glikoliza (rozpad glukozy).

REGULACJA SZLAKÓW METABOLICZNYCH

Różne szlaki mają zróżnicowane maksymalne tem-po aktywności. Skoro metabolizm komórkowy jest definiowany jako integracja szlaków komórkowych, żaden ze szlaków nie może zachodzić z prędkością niezależną od aktywności szlaków współistniejących. Można rozważyć scenariusz, w którym szlaki syntety-zujące produkują w maksymalnym tempie; produkty tych szlaków powstawałyby w nadmiarze kosztem produktów szlaków syntetyzujących w wolniejszym tempie. Istotnymi aspektami metabolizmu są więc koordynacja i regulacja szlaków.

Istnieją trzy główne mechanizmy wykorzystywa-ne przez komórki, które regulują szlaki metaboliczne w zintegrowany i czuły sposób. Należą do nich do-stępność substratu, modyfikacja enzymatyczna i re-gulacja hormonalna.

Dostępność substratuTempo szlaku jest ograniczane przez dostępność subs-tratu początkowego. Ważnym mechanizmem komór-

kowym regulującym ilość substratu jest zintegrowana kontrola ruchu membranowego cząsteczek substrato-wych. Komórki swobodnie nie przepuszczają więk-szości cząsteczek substratowych, a więc zmieniając zaopatrzenie w substraty poprzez regulację importu i eksportu wykorzystują dodatkowy mechanizm kon-troli.

Regulacja allosterycznaKluczową taktyką regulacji szlaku jest komórkowa re-gulacja aktywności enzymu. W szlakach metabolicz-nych występuje przynajmniej jedna reakcja nieodwra-calna, określana jako reakcja ograniczająca ich tempo. Aktywność enzymu ograniczającego tempo narzuca szybkość przebiegu całego szlaku, a więc wzrost tem-pa obrotu enzymu ograniczającego umożliwia szybszy przebieg całego szlaku w nowym szybszym tempie.

Gdy rozważna jest koncepcja ograniczania szybko-ści, to można ją porównać do grupy studentów o zróż-nicowanym poziomie. Nie należy przechodzić do no-wego tematu, zanim wszyscy studenci nie zrozumieją problemu. A więc najmniej pojętny student określa tempo nauki całej grupy. Student ten jest odpowied-nikiem enzymu ograniczającego szybkość w szlaku metabolicznym. Największy wpływ na tempo nauki całej grupy może być uzyskany poprzez wpływ na najsłabszego studenta, umożliwiający pozostałym stu-dentom zmianę na nowe szybsze tempo nauki.

RADY I WSKAZÓWKI

r p i e t ś e est ic p r t re c e

tr ce s ś re c i tr c s ś e tr t e p r t

tr ce s ś s

Regulacja allosteryczna oznacza modyfikację ak-tywności enzymu poprzez modyfikację struktury enzymu. Strukturalna modyfikacja może być pozy-tywna (zwiększająca aktywność enzymatyczną) lub negatywna (zmniejszająca aktywność). Modulatory allosteryczne są cząsteczkami, które wiążą się z enzy-mem i wywołują jego strukturalną zmianę. Inhibitory i aktywatory enzymatyczne są modulatorami alloste-rycznymi. Bardzo częstym przykładem allosterycz-nej modulacji w szlaku metabolicznym jest ujemne sprzężenie zwrotne (ryc. 1.5). Zachodzi ono wówczas, gdy jeden z produktów pośrednich szlaku lub produkt końcowy allosterycznie hamuje enzym szlaku obecny na wcześniejszym etapie szlaku.

ATP

szla

k an

abol

iczn

y

ADP+Pi

ADP+Pi

ADP+PiATP

ADP+Pi

ATP

ATP szla

k ka

tabo

liczn

y

Ryc. 1.4 Sc e t c s t ic p pr e strie i ic p e e str ie pr s c e i ie

pr e st i e


pr e ie et i

FosforylacjaNiezwykle ważną modyfikacją allosteryczną ko-nieczną do zrozumienia regulacji allosterycznej jest

fosforylacja. Fosforylacja polega na kowalencyjnym wiązaniu reszty fosforanowej (PO3

2–) z cząsteczką. Reszta ta jest (względnie) duża i silnie naładowana. Z tego powodu wywiera duży wpływ na strukturę (i aktywność) cząsteczki (np. enzymu), z którą jest kowalencyjnie związana.

Na przykład w przypadku glukozy obecność resz-ty fosforanowej determinuje, czy cząsteczka gluko-zy może przechodzić przez błonę komórkową. Gdy glukoza jest ufosforylowana, nie jest rozpoznawana przez specyficzny dla glukozy membranowy układ transportujący, który umożliwia nieufosforylowanej glukozie przechodzenie poprzez błonę komórkową.

W przypadku nadmiaru X

X

X

X

X

X

enzym 1

A

enzym 2

B

A

B

enzym 3

enzym 1

C

Ryc. 1.5 Spr e ie r t e e e pr t rec i st p e i r e ie e t ś e i e p e s e est e e r ic c te p c e s et c e s t e t ie ie s ści c e s est t is pt e i r p c

c t ś s p e e e t ś est e t p tr e i r e

enzym nieaktywny

enzym aktywny

enzym aktywny (ufosforylowany)

enzym nieaktywny (ufosforylowany)

miejsceaktywne

miejsceaktywne

substrat

fosfor fosfor

Ryc. 1.6 sc e cie p str ie e e s r c te e p pr e s ie i r c c

t re e sp ce tr t e p r ie ie pr e str ie pr e st i r t s t c s r c

e e p pr e s ie i r cc t re st p s str t ce tr t

e

receptorβ-adrenergiczny

adrenalina zewnątrzkomórkowa

białko G

AC

ATP

aktywnaPKA

cAMP

P

nie-aktywna

PKA

aktywnaGPK

glikogen(polimer)

glukozo-1-fosforan(monomer)

nie-aktywna

GPK

GPa GPb

Ryc. 1.7 e c r recept r p ier c i re i epi e r pr estr e i e tr r e

i e si recept re i t e i p e st e t t c śr e c e e

t r s tet e c ic c c t e i i t r ei t e via s r c i s r i e e pr

t t c i s r i e e t r i s r r i c p i er i e

te p pr e t e tr r s p cc e tr re i i s r

e tr r e p i er i e


1e c s et ic c

W obrębie enzymów reszta fosforanowa zwykle wiąże się z aminokwasami seryną lub treoniną. W zależności od tego, gdzie dokładnie w strukturze trójwymiarowej enzymu te reszty aminokwasowe się znajdują, fosforylacja może modulować aktywność enzymu pozytywnie lub negatywnie (ryc. 1.6).

Ten sprytny pomysł wykorzystania fosforylacji jako zarówno pozytywnego, jak i negatywnego regula-tora allosterycznego należy docenić, gdyż fosforylacja jest najbardziej powszechną allosteryczną modyfika-cją, która moduluje aktywność enzymów.

Regulacja hormonalnaHormony są molekularnymi „posłańcami”, uwalnia-nymi z gruczołów endokrynnych do krwi. Mogą się wiązać z receptorami powierzchniowymi (ryc. 1.7) lub receptorami wewnątrzkomórkowymi po biernej ich dyfuzji poprzez błonę komórkową (ryc. 1.8).

Hormony ostatecznie wywierają wpływ poprzez zmianę aktywności różnych enzymów wewnątrz-komórkowych, umożliwiając modulację aktywności szlaku. Powszechnym mechanizmem strategicznym jest zmiana aktywności enzymów albo fosforylują-cych (kinaz), albo defosforylujących (fosfataz).

Niektóre hormony (np. hormony steroidowe) wiążą się w obrębie jądra komórkowego z docelową sekwencją DNA (elementami odpowiedzi hormonal-nej), wpływając bezpośrednio na szybkość syntezy enzymu. Zwiększona dostępność enzymu (indukcja enzymatyczna) wpływa aktywizująco na szlak, w któ-rym enzym bierze udział, i odwrotnie.

W metabolizmie człowieka kontrola hormonalna jest mechanizmem, poprzez który procesy wewnątrz-komórkowe są odpowiednio kontrolowane w zależ-ności od aktualnego zapotrzebowania energetycznego organizmu. Ważnymi przykładami tego mechanizmu są insulina i glukagon.

przestrzeń zewnątrz-komórkowa

błona komórkowa

błonajądrowa

przestrzeńwewnątrz-komórkowa

jądro

komór-kowyDNA

receptorhormonalny

receptor hormonalnyprzemieszcza się do HRE

↑ lub ↓tempa

syntezyenzymów

docelowychdocelowasekwencja DNA

dla HRE

Ryc. 1.8 e c r recept r e tr r t pr ie pr e

st i r ster i c r i c c r r e

i i c si e s i recept re t recept r i e p ie i e e e t p ie i

r e c i s ści s te e ce c


CRASH COURSE

Seria podręczników Crash Course to idealne antidotum na stres egzaminacyjny.

Dzięki niej zaoszczędzisz czas i zyskasz pewność, że dysponujesz zebranymi w jednym miejscu informacjami, których potrzebujesz, aby zaliczyć zajęcia z danej dziedziny i zdać egzamin.

Formuła serii sprawdza się od ponad 15 lat. Niezwykle przejrzysta forma podręczników, liczne tabele, ryciny i zestawienia są tak przemyślane, aby zainteresować studenta i ułatwić mu naukę.

Autorami są studenci i nauczyciele akademiccy, czyli osoby, które doskonale wiedzą, na czym polega zdawanie egzaminu i jaki zakres materiału należy przyswoić, aby ten cel osiągnąć.

Ani na chwilę nie zapominają oni o potrzebach swoich czytelników. Podkreślają i dowcipnie obrazują najważniejsze informacje, podają najczęściej spotykane pytania egzaminacyjne, pomijają zaś rzeczy zbędne i nieistotne.


wydanie

Metabolizm

i żywienie


Redakcja serii: Dan Horton-SzarKonsultacja merytoryczna: Marek Dominiczak

CRASH COURSE


wydanie4wydanie4

Nie rozumiesz – zrozumiesz

Nie pamiętasz – przypomnisz sobie

Ta książka jest lepsza niż najlepsze notatki

CRASH COURSE

4

Redakcja wydania polskiegoTomasz Brzozowski


dakcja wydania polskdakcjcja wydania lskiegomasz Brzozowskimasz Brrzozowski

RedRedTomToTom

www.edraurban.pl

Documents

Vanbergen i ywienie - Edra Urban · glikogeneza (synteza glikogenu). Anabolizm jest po-dobny do budowania, a do budowania potrzebne są surowce i energia. Szlaki kataboliczne uwalniają