Biochemia

Skład chemiczny organizmów i pierwiastki biogenne

• Definicja pierwiastka chemicznego w biologii:

  • Pierwiastek to substancja składająca się z atomów tego samego typu, charakteryzujących się jednakową liczbą atomową $Z$, czyli identyczną liczbą protonów w jądrze atomowym.

  • Pierwiastki stanowią podstawowy budulec materii ożywionej i nieożywionej, wchodząc w skład związków chemicznych.

• Ilościowa organizacja pierwiastków w przyrodzie:

  • Spośród $118$ dotychczas odkrytych pierwiastków chemicznych, dokładnie $94$ występują naturalnie w przyrodzie ($24$ to pierwiastki sztuczne, wytworzone w laboratoriach).

  • W organizmach żywych stwierdzono obecność $60$ pierwiastków, natomiast pozostałe $34$ występują wyłącznie w nieożywionych elementach przyrody.

  • Tylko $20$ pierwiastków występuje powszechnie w każdym żywym organizmie.

  • Grupa $6$ pierwiastków to biogeny (pierwiastki biogenne), które stanowią budulec około $90\%$ związków organicznych tworzących biomasę.

  • Pozostałe $40$ pierwiastków pojawia się specyficznie u różnych grup organizmów.

• Klasyfikacja związków chemicznych:

  • Związki nieorganiczne: substancje niezawierające szkieletu węglowego (z wyjątkiem prostych tlenków węgla czy kwasu węglowego). Należą do nich woda, amoniak, siarkowodór, chlorowodór, tlenki, wodorotlenki, kwasy oraz sole mineralne.

  • Związki organiczne: substancje oparte na łańcuchach lub pierścieniach węglowych (szkielecie węglowym), syntetyzowane przez komórki, do których zalicza się cukry (węglowodany), tłuszcze (lipidy), aminokwasy, białka, kwasy nukleinowe, nukleotydy, witaminy oraz mocznik.

  • Historyczny podział opierał się na błędnej koncepcji „siły życiowej” (vis vitalis), głoszącej, że związki organiczne mogą powstawać wyłącznie w organizmach żywych. Hipoteza ta upadła wraz z wykazaniem powstawania związków nieorganicznych w metabolizmie (np. amoniaku) oraz syntezą związków organicznych ze składników nieorganicznych w warunkach abiotycznych.

• Rola soli mineralnych i dysocjacja jonowa:

  • W środowisku wodnym komórki sole mineralne dysocjują na jony obdarzone ładunkiem elektrycznym:

  • Kationy ($+\text{e}$): sodowy ($\text{Na}^+$), potasowy ($\text{K}^+$), magnezowy ($\text{Mg}^{2+}$), wapniowy ($\text{Ca}^{2+}$), żelazawy ($\text{Fe}^{2+}$), amonowy ($\text{NH}_4^+$), wodorowy ($\text{H}^+$).

  • Aniony ($-\text{e}$): wodorowęglanowy ($\text{HCO}_3^-$), siarczanowy(VI) ($\text{SO}_4^{2-}$), fosforanowy(V) ($\text{PO}_4^{3-}$), azotanowy(V) ($\text{NO}_3^-$), chlorkowy ($\text{Cl}^-$), fluorkowy ($\text{F}^-$), jodkowy ($\text{I}^-$).

  • Kluczowe jony dla utrzymania homeostazy komórkowej i ustrojowej: $\text{Na}^+$, $\text{K}^+$, $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Cl}^-$, $\text{H}^+$, $\text{HCO}_3^-$, $\text{Ca}^{2+}$.

• Podział pierwiastków ze względu na zawartość w organizmie:

  • Makroelementy:

  • Dobowe zapotrzebowanie u człowieka: powyżej $100\,\text{mg/dobę}$.

  • Udział w organizmie: powyżej $0{,}01\%$ suchej masy.

  • Przedstawiciele: węgiel ($\text{C}$), wodór ($\text{H}$), tlen ($\text{O}$), azot ($\text{N}$), fosfor ($\text{P}$), siarka ($\text{S}$), wapń ($\text{Ca}$), magnez ($\text{Mg}$), sód ($\text{Na}$), potas ($\text{K}$), chlor ($\text{Cl}$).

  • Mikroelementy:

  • Dobowe zapotrzebowanie u człowieka: poniżej $100\,\text{mg/dobę}$.

  • Udział w organizmie: poniżej $0{,}01\%$ suchej masy.

  • Przedstawiciele: żelazo ($\text{Fe}$), miedź ($\text{Cu}$), cynk ($\text{Zn}$), mangan ($\text{Mn}$), jod ($\text{I}$), fluor ($\text{F}$), kobalt ($\text{Co}$), chrom ($\text{Cr}$), bor ($\text{B}$), molibden ($\text{Mo}$).

  • Ultraelementy:

  • Występowanie w ilościach śladowych: poniżej $0{,}000001\%$ suchej masy organizmu.

  • Przedstawiciele: srebro ($\text{Ag}$), złoto ($\text{Au}$), rad ($\text{Ra}$), selen ($\text{Se}$), rtęć ($\text{Hg}$).

• Biogeny ($\text{C}$, $\text{H}$, $\text{O}$, $\text{N}$, $\text{P}$, $\text{S}$) i ich specyfika:

  • $\text{C}$, $\text{H}$, $\text{O}$ tworzą podstawowy szkielet wszystkich biomolekuł organicznych.

  • $\text{N}$ występuje w każdym aminokwasie (tworzy grupę aminową $\text{-NH}_2$), zasadach azotowych nukleotydów i kwasów nukleinowych, w białkach, enzymach, ATP oraz alkaloidach.

  • $\text{S}$ występuje specyficznie w niektórych aminokwasach (cysteina, metionina, cystyna) oraz w koenzymie A ($\text{CoA-SH}$); obecność siarki w próbce świadczy o obecności białek.

  • $\text{P}$ występuje w kwasach nukleinowych (DNA, RNA), nukleotydach wysokoenergetycznych ($\text{ATP}$), fosfolipidach błonowych oraz fosfoproteinach.

• Szczegółowa charakterystyka wybranych pierwiastków:

  • Azot ($\text{N}$): składnik białek, kwasów nukleinowych, nośników energii ($\text{ATP}$); źródła: mięso, rośliny strączkowe; niedobór: zaburzenia metaboliczne, zahamowanie wzrostu roślin, śmierć organizmu.

  • Chlor ($\text{Cl}$): katalizuje fotolizę wody w fazie jasnej fotosyntezy; składnik kwasu solnego ($\text{HCl}$) w żołądku; jon $\text{Cl}^-$ reguluje turgor i równowagę osmotyczną oraz przewodnictwo impulsów nerwowych; źródła: sól kuchenna, ryby morskie, owoce morza; niedobór: zaburzenia trawienia żołądkowego, spadek tempa oddychania i fotosyntezy.

  • Cynk ($\text{Zn}$): składnik enzymów (np. karboksypeptydaz trzustkowych) oraz insuliny; źródła: nasiona słonecznika, orzechy ziemne, czerwone mięso; niedobór: powolne gojenie ran, niewydolność gonad, łamliwość włosów i paznokci, chloroza liści.

  • Fosfor ($\text{P}$): składnik hydroksyapatytu kości i szkliwa zębów, kwasów nukleinowych, fosfolipidów, $\text{ATP}$; źródła: mięso, mleko, sery, orzechy; niedobór: krzywica, osteomalacja, zaburzenia metabolizmu energetycznego.

  • Fluor ($\text{F}$): buduje szkliwo zębów (tworzy fluoroapatyt odporny na działanie kwasów bakteryjnych); źródła: ryby morskie, woda pitna; niedobór: podatność na próchnicę zębów.

  • Jod ($\text{I}$): kluczowy składnik hormonów tarczycy – tyroksyny ($\text{T}_4$) i trójjodotyroniny ($\text{T}_3$); źródła: sól jodowana, owoce morza, ryby morskie; niedobór: wole endemiczne, niedoczynność tarczycy, kretynizm (niedorozwój umysłowy i fizyczny u dzieci).

  • Kobalt ($\text{Co}$): centralny atom w cząsteczce kobalaminy (witamina $\text{B}_{12}$), warunkuje erytropoezę; źródła: mięso, podroby; niedobór: anemia złośliwa.

  • Magnez ($\text{Mg}$): centralny jon pierścienia porfirynowego chlorofilu (absorpcja fotonów); kofaktor enzymów glikolizy i replikacji; składnik kości; stabilizuje rybosomy; źródła: zielone warzywa liściaste (sałata, szpinak), kakao; niedobór: bolesne skurcze mięśni, zaburzenia rytmu serca, chloroza liści, zahamowanie fotosyntezy.

  • Miedź ($\text{Cu}$): kofaktor enzymów oddechowych (np. oksydazy cytochromowej) i syntezy hemoglobiny; składnik hemocyjaniny u mięczaków i stawonogów; źródła: wątroba, grzyby, jaja; niedobór: anemia, zaburzenia syntezy kolagenu.

  • Potas ($\text{K}$): główny kation wewnątrzkomórkowy; generuje potencjał spoczynkowy i czynnościowy błon komórkowych; aktywuje enzymy; odpowiada za turgor komórek roślinnych i otwieranie aparatów szparkowych; źródła: pomidory, banany, cytrusy; niedobór: osłabienie mięśni, arytmia serca, wiotczenie roślin.

  • Sód ($\text{Na}$): główny kation płynów zewnątrzkomórkowych; utrzymuje ciśnienie osmotyczne krwi; bierze udział w polaryzacji i depolaryzacji błon neuronów oraz w transporcie aktywnym wtórnym (symport glukozy); źródła: sól kuchenna; niedobór: spadek ciśnienia krwi, skurcze mięśni.

  • Wapń ($\text{Ca}$): składnik kości i zębów; kofaktor w kaskadzie krzepnięcia krwi (czynnik IV); przekaźnik drugiego rzędu w komórce; niezbędny do skurczu mięśni (wiązanie z troponiną) i egzocytozy neuroprzekaźników w synapsach; źródła: nabiał, ryby z ośćmi, rośliny strączkowe; niedobór: osteoporoza, tężyczka, zaburzenia krzepliwości krwi.

  • Żelazo ($\text{Fe}$): składnik hemu w hemoglobinie i mioglobinie (transport i magazynowanie tlenu); składnik cytochromów w łańcuchu oddechowym; katalizuje syntezę chlorofilu; źródła: wątroba, czerwone mięso, żółtka jaj, szpinak; niedobór: anemia mikrocytarna, osłabienie, chloroza młodych liści.

• Antagonizm jonowy i przejścia fazowe cytozolu:

  • Jony jednowartościowe ($\text{Na}^+$, $\text{K}^+$) powodują hydratację miceli białkowych cytozolu, obniżając jego lepkość i promując stan zolu (płynny/półpłynny).

  • Jony dwuwartościowe ($\text{Ca}^{2+}$, $\text{Mg}^{2+}$) neutralizują ładunki na micelach, powodując ich agregację i przejście w stan żelu (substancja półstała o dużej lepkości).

  • W układzie nerwowym jony $\text{Ca}^{2+}$ indukują zlewanie się pęcherzyków synaptycznych z błoną presynaptyczną i egzocytozę mediatora, podczas gdy $\text{Mg}^{2+}$ działa antagonistycznie, hamując uwalnianie neuroprzekaźnika do szczeliny synaptycznej.

Właściwości fizykochemiczne i biologiczna rola wody

• Budowa przestrzenna i polarność cząsteczki wody:

  • Cząsteczka wody ($\text{H}_2\text{O}$) składa się z atomu tlenu połączonego z dwoma atomami wodoru za pomocą dwóch wiązań kowalencyjnych spolaryzowanych.

  • Ze względu na dużą elektroujemność tlenu ($3{,}5$ w skali Paulinga) w stosunku do wodoru ($2{,}1$), wspólne pary elektronowe są przesunięte w kierunku jądra atomu tlenu.

  • Kąt między wiązaniami $\text{H-O-H}$ wynosi około $104{,}5^∘$, a obecność dwóch wolnych par elektronowych przy atomie tlenu nadaje cząsteczce asymetryczny, kątowy kształt dipola z cząstkowym ładunkiem ujemnym ($\delta^-$) na tlenie i ładunkami dodatnimi ($\delta^+$) na atomach wodoru.

• Wiązania wodorowe i zjawiska międzycząsteczkowe:

  • Elektrostymulacja dipolowa umożliwia powstawanie wiązań wodorowych pomiędzy atomem wodoru jednej cząsteczki wody a wolną parą elektronową tlenu sąsiedniej cząsteczki. Sieć wiązań wodorowych odpowiada za unikalne właściwości fizykochemiczne cieczy.

  • Kohezja (spójność): wzajemne przyciąganie się cząsteczek wody dzięki wiązaniom wodorowym. Zapewnia wysoką wytrzymałość słupa wody na rozerwanie podczas transportu ksylemem oraz odpowiada za wysokie napięcie powierzchniowe.

  • Adhezja (przyleganie): zdolność cząsteczek wody do łączenia się z substancjami polarnymi lub naładowanymi (np. celulozowymi ścianami naczyń roślinnych czy szkłem).

  • Hydratacja: proces otaczania cząsteczek substancji rozpuszczonej płaszczem wodnym (wodną powłoką solwatacyjną). Umożliwia rozpad sieci krystalicznej soli i dysocjację elektrolityczną na jony.

• Zjawisko kontrakcji objętościowej: zmieszanie wody z etanolem prowadzi do zmniejszenia sumarycznej objętości cieczy na skutek wciskania się mniejszych cząsteczek wody w przestrzenie międzycząsteczkowe alkoholu i tworzenia silnych wiązań wodorowych z grupami hydroksylowymi ($\text{-OH}$).

  • Właściwości termiczne wody:

• Wysokie ciepło właściwe: woda pochłania znaczne ilości energii cieplnej przy niewielkich zmianach własnej temperatury ($4186\,\text{J}\cdot\text{kg}^{-1}\cdot\text{K}^{-1}$). Chroni to komórki i organizmy przed gwałtownymi wahaniami temperatury wewnętrznej (bufor termiczny).

• Wysokie ciepło parowania: przejście ze stanu ciekłego w gazowy wymaga zerwania licznych wiązań wodorowych, co pochłania duże ilości energii cieplnej. Umożliwia to efektywną termoregulację poprzez transpirację u roślin oraz parowanie potu u ssaków.

• Dobre przewodnictwo cieplne: umożliwia sprawne wyrównywanie gradientów temperatur wewnątrz tkanek wielokomórkowych.

  • Anomalia gęstości wody i jej skutki ekologiczne:

• Woda osiąga maksymalną gęstość w temperaturze $+4^∘\text{C}$ ($1{,}00\,\text{g/cm}^3$).

• Podczas ochładzania poniżej tej temperatury, cząsteczki układają się w przestrzenną sieć krystaliczną lodu stabilizowaną wiązaniami wodorowymi, co zwiększa odległości między atomami i zmniejsza gęstość lodu w stosunku do wody ciekłej.

• Lód jako lżejszy unosi się na powierzchni zbiorników wodnych, tworząc warstwę termoizolacyjną chroniącą dno i głębsze partie wód przed całkowitym zamarznięciem (woda przy dnie zachowuje stałą temperaturę $+4^∘\text{C}$, umożliwiając przetrwanie faunie i florze wodnej).

  • Woda jako rozpuszczalnik i mechanizmy transportu:

• Polarny charakter czyni wodę uniwersalnym rozpuszczalnikiem dla cząsteczek hydrofilowych (substancje polarne i jonowe, np. sole, cukry, aminokwasy). Substancje niepolarne (hydrofobowe, np. lipidy) nie tworzą z wodą wiązań wodorowych i są z niej wypychane.

• Dyfuzja prosta: bierny proces samorzutnego rozprzestrzeniania się cząsteczek substancji rozpuszczonej z obszaru o wyższym stężeniu do obszaru o niższym stężeniu, prowadzący do wyrównania gradientu stężeń.

• Osmoza: szczególny przypadek dyfuzji, polegający na przenikaniu cząsteczek wody (rozpuszczalnika) przez błonę półprzepuszczalną z roztworu o niższym stężeniu substancji (roztwór hipotoniczny) do roztworu o wyższym stężeniu substancji (roztwór hipertoniczny).

• Roztwory izotoniczne charakteryzują się jednakowym ciśnieniem osmotycznym i stężeniem molowym, co oznacza brak wypadkowego przepływu wody przez błonę.

  • Postacie wody w ustroju:

• Woda wolna (niezwiązana): stanowi rozpuszczalnik cytoplazmy, osocza, limfy i soku komórkowego, bierze bezpośredni udział w transporcie i reakcjach hydrolizy.

• Woda związana: unieruchomiona w strukturach koloidalnych, związana z makrocząsteczkami (białkami, kwasami nukleinowymi) za pośrednictwem wiązań wodorowych; nie zamarza w temperaturze $0^∘\text{C}$.

• Ilościowy rozkład w organizmie człowieka: całkowita zawartość wody wynosi od $60\%$ do ponad $70\%$ masy ciała (zależnie od wieku i płci; noworodki posiadają ok. $76\%$ wody, osoby powyżej 40. roku życia: kobiety $55\%$, mężczyźni $47-50\%$). Tkanka chrzęstna zawiera około $80-90\%$ wody, osocze krwi ponad $90\%$, natomiast szkliwo zębów i tkanka tłuszczowa jedynie około $10\%$.

Budowa, klasyfikacja i metabolizm węglowodanów

• Pojęcie cukrów a węglowodanów:

  • Cukry to polihydroksyaldehydy lub polihydroksyketony oraz ich pochodne, składające się z atomów węgla, wodoru i tlenu. Posiadają wiele grup hydroksylowych ($\text{-OH}$) oraz jedną grupę karbonylową: aldehydową ($\text{-CHO}$ w aldozach) lub ketonową ($\text{-C=O}$ w ketozach).

  • Węglowodany w sensie historycznym definiowano wzorem ogólnym $\text{C}_n(\text{H}_2\text{O})_m$, w którym stosunek atomów wodoru do tlenu wynosi dokładnie $2:1$ (jak w wodzie). Określenie to jest jednak nieprecyzyjne, gdyż niektóre cukry odbiegają od tej proporcji (np. deoksyryboza $\text{C}_5\text{H}_{10}\text{O}_4$), a inne związki niebędące cukrami spełniają ten wzór (np. kwas mlekowy $\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3$, kwas octowy $\text{C}_2\text{H}_4\text{O}_2$).

  • Cząsteczki przedstawia się za pomocą projekcji Fischera (wzory łańcuchowe, liniowe) lub projekcji Hawortha (wzory pierścieniowe, taflowe po utworzeniu wewnętrznego półacetalu lub półketalu).

• Monosacharydy (cukry proste):

  • Triozy ($\text{C}_3\text{H}_6\text{O}_3$): aldehyd glicerynowy (aldoza) i dihydroksyaceton (ketoza); w formie ufosforylowanej (aldehyd 3-fosfoglicerynowy – PGAL) są kluczowymi metabolitami pośrednimi glikolizy, fermentacji i cyklu Calvina w fotosyntezie.

  • Pentozy ($\text{C}_5\text{H}_{10}\text{O}_5$):

  • Ryboza ($\text{C}_5\text{H}_{10}\text{O}_5$): aldoza wchodząca w skład rybonukleotydów RNA, trifosforanu adenozyny ($\text{ATP}$), dinukleotydów ($\text{NAD}^+$, $\text{FAD}$).

  • Deoksyryboza ($\text{C}_5\text{H}_{10}\text{O}_4$): aldoza pozbawiona atomu tlenu przy atomie węgla $\text{C-2'}$, składnik deoksyrybonukleotydów w cząsteczce DNA.

  • Arabinoza i ksyloza: składniki polimerów ściany komórkowej roślin.

  • Heksozy ($\text{C}_6\text{H}_{12}\text{O}_6$):

  • Glukoza: aldoheksoza, podstawowy substrat oddechowy komórek, uniwersalny nośnik energii chemicznej we krwi zwierząt.

  • Fruktoza: ketoheksoza występująca w owocach i miodzie, izomer glukozy; najsłodszy z cukrów naturalnych, składnik sacharozy.

  • Galaktoza: aldoheksoza, izomer optyczny glukozy, buduje dwucukier laktozę oraz glikolipidy mózgu.

  • Mannoza: składnik glikoprotein oraz polisacharydów roślinnych (mannanów).

• Oligosacharydy (od 2 do 10 reszt cukrowych):

  • Powstają w wyniku reakcji kondensacji monosacharydów z wydzieleniem cząsteczki wody i utworzeniem wiązania $\text{O}$-glikozydowego pomiędzy grupą hydroksylową jednego monocukru a grupą półacetalową drugiego.

  • Disacharydy ($\text{C}_{12}\text{H}_{22}\text{O}_{11}$):

  • Maltoza (cukier słodowy): zbudowana z dwóch cząsteczek $\alpha$-D-glukozy połączonych wiązaniem $\alpha$-1,4-glikozydowym; produkt trawienia skrobi przez amylazy; występuje w kiełkującym ziarnie zbóż.

  • Laktoza (cukier mleczny): zbudowana z $\beta$-D-galaktozy i $\alpha$-D-glukozy połączonych wiązaniem $\beta$-1,4-glikozydowym; występuje w mleku ssaków; do jej rozbicia niezbędny jest enzym laktaza (hipolaktazja prowadzi do nietolerancji laktozy).

  • Sacharoza: zbudowana z $\alpha$-D-glukozy i $\beta$-D-fruktozy połączonych wiązaniem $\alpha$-1,$\beta$-2-glikozydowym; cukier nieredukujący (obie grupy anomeryczne uczestniczą w wiązaniu); główna forma transportowa węglowodanów u roślin (floem) oraz materiał zapasowy w korzeniach buraka cukrowego i łodygach trzciny cukrowej.

  • Trisacharydy: rafinoza (galaktoza + glukoza + fruktoza), magazynowana m.in. w nasionach bawełny i burakach.

• Polisacharydy (wielocukry):

  • Polimery o wysokiej masie cząsteczkowej, nierozpuszczalne w wodzie, nieposiadające słodkiego smaku, osmotycznie obojętne dla komórki.

  • Skrobia: zapasowy polisacharyd roślin. Składa się z dwóch frakcji:

  • Amyloza ($20-30\%$): nierozgałęziony łańcuch reszt glukozowych połączonych wiązaniami $\alpha$-1,4-glikozydowymi, zwijający się w przestrzenną helisę.

  • Amylopektyna ($70-80\%$): silnie rozgałęziony łańcuch zawierający wiązania $\alpha$-1,4-glikozydowe oraz wiązania $\alpha$-1,6-glikozydowe w miejscach rozgałęzień (co około 24–30 reszt glukozy).

  • Glikogen: polisacharyd zapasowy zwierząt i grzybów, zmagazynowany w hepatocytach wątroby ($\approx 5-10\%$ masy narządu) oraz miocytach mięśni szkieletowych ($\approx 1-2\%$). Strukturalnie zbliżony do amylopektyny, lecz znacznie gęściej rozgałęziony (wiązania $\alpha$-1,6-glikozydowe występują co 8–12 reszt glukozowych), co ułatwia enzymatyczne odczepianie jednostek glukozowych.

  • Celuloza: podstawowy składnik ściany komórkowej roślin, glonów i niektórych protistów. Polimer nierozgałęziony zbudowany z monomerów $\beta$-D-glukozy połączonych wiązaniami $\beta$-1,4-glikozydowymi. Sąsiednie łańcuchy łączą się licznymi wiązaniami wodorowymi, tworząc mikrofibryle o ogromnej wytrzymałości na rozciąganie.

  • Chityna: polimer strukturalny zbudowany z reszt $\text{N}$-acetyloglukozaminy połączonych wiązaniami $\beta$-1,4-glikozydowymi. Zawiera azot; buduje ściany komórkowe grzybów oraz pancerze (oskórek) stawonogów.

• Błonnik pokarmowy (włóknik):

  • Zespół wielocukrów roślinnych nietrawionych przez enzymy układu pokarmowego człowieka (celuloza, hemicelulozy, pektyny, gumy, śluzy oraz niecukrowa lignina).

  • Pęcznieje pod wpływem wody w żołądku, dając uczucie sytości; pobudza perystaltykę jelit; wiąże kwasy żółciowe i cholesterol, obniżając jego stężenie we krwi; stanowi pożywkę dla symbiotycznej mikrobioty jelitowej. Zwierzęta roślinożerne (przeżuwacze, termity) trawią celulozę dzięki endosymbiotycznym bakteriom i orzęskom wytwarzającym enzym celulazę.

• Fizjologia trawienia węglowodanów w organizmie człowieka:

  • Jama ustna: amylaza ślinowa (odczyn obojętny, $\text{pH} \approx 6{,}8-7{,}0$) rozpoczyna hydrolizę wiązań $\alpha$-1,4-glikozydowych w skrobi, rozbijając ją na dekstryny i maltozę.

  • Żołądek: silnie kwasowe środowisko ($\text{pH} \approx 1{,}5-2{,}5$) denaturuje i unieczynnia amylazę ślinową; brak enzymów trawiących cukry.

  • Dwunastnica: amylaza trzustkowa (odczyn zasadowy, $\text{pH} > 7{,}0$) kontynuuje hydrolizę dekstryn do disacharydów (maltozy).

  • Jelito cienkie (rąbek szczoteczkowy): disacharydazy mikrokosmków rozkładają dwucukry do monocukrów: maltaza (maltoza $\rightarrow 2\,\text{glukozy}$), sacharaza (sacharoza $\rightarrow$ glukoza + fruktoza), laktaza (laktoza $\rightarrow$ glukoza + galaktoza).

  • Wchłanianie: glukoza i galaktoza wchłaniane są do enterocytów na drodze aktywnego symportu z jonami $\text{Na}^+$ (transporter SGLT1), a następnie dyfundują ułatwioną (GLUT2) do naczyń włosowatych kosmka, skąd żyłą wrotną docierają do wątroby.

• Próby analityczne wykrywania cukrów:

  • Próba jodowa (płyn Lugola – roztwór jodu w jodku potasu $\text{I}_2/\text{KI}$): cząsteczki jodu wnikają do wnętrza helisy amylozy w skrobi, co powoduje zmianę absorpcji światła i powstanie granatowo-fioletowego zabarwienia.

  • Próba Fehlinga (roztwór siarczanu(VI) miedzi(II) $\text{CuSO}_4$ z winianem sodowo-potasowym w środowisku $\text{NaOH}$): służy do wykrywania cukrów redukujących (wszystkie monosacharydy, maltoza, laktoza). Wolna grupa aldehydowa lub ketonowa (ulegająca enolizacji) redukuje niebieski jon $\text{Cu}^{2+}$ do jonu $\text{Cu}^+$, co objawia się po ogrzaniu wytrąceniem ceglastoczerwonego osadu tlenku miedzi(I) ($\text{Cu}_2\text{O}$).

Charakterystyka, podział i trawienie lipidów

• Właściwości fizykochemiczne lipidów:

  • Związki organiczne heterogenne pod względem strukturalnym, cechujące się hydrofobowością (nierozpuszczalne w wodzie) i lipofilnością (rozpuszczalne w rozpuszczalnikach niepolarnych: eterze dietylowym, acetonie, benzenie, chloroformie).

  • Gęstość tłuszczów jest mniejsza od gęstości wody ($< 1{,}0\,\text{g/cm}^3$), dlatego unoszą się na jej powierzchni.

  • Wartość kaloryczna: spalenie $1\,\text{g}$ lipidów dostarcza $37{,}7\,\text{kJ}$ ($9\,\text{kcal}$) energii metabolicznej, czyli ponad dwukrotnie więcej niż spalenie $1\,\text{g}$ węglowodanów lub białek ($17\,\text{kJ/g}$, $4\,\text{kcal/g}$).

• Lipidy proste:

  • Tłuszcze właściwe (trójglicerydy / triacyloglicerole): estry glicerolu (alkoholu trihydroksylowego) i trzech cząsteczek wyższych kwasów tłuszczowych.

  • Reakcja estryfikacji:

$\text{C}_3\text{H}_5(\text{OH})_3 + 3\,\text{R-COOH} \rightarrow \text{C}_3\text{H}_5(\text{O-CO-R})_3 + 3\,\text{H}_2\text{O}$

• Tłuszcze stałe (zwierzęce, np. smalec, masło, łój) zawierają głównie nasycone kwasy tłuszczowe (np. palmitynowy $\text{C}_{15}\text{H}_{31}\text{COOH}$, stearynowy $\text{C}_{17}\text{H}_{35}\text{COOH}$), które ściśle upakowują się w sieci przestrzennej i wykazują wysoką temperaturę topnienia.

• Tłuszcze płynne (roślinne, np. oliwa, olej rzepakowy, słonecznikowy; wyjątek zwierzęcy: tran rybi) zawierają kwasy nienasycone, posiadające jedno lub więcej wiązań podwójnych w konfiguracji cis (np. kwas oleinowy, linolowy, linolenowy), powodujących załamanie łańcucha węglowego i obniżenie temperatury topnienia.

• Woski: estry wyższych monohydroksylowych alkoholi alifatycznych ($C_{16}-C_{36}$) i wyższych kwasów tłuszczowych. Lanolina pokrywa wełnę owiec; wosk pszczeli buduje plastry; olbrot wypełnia jamę czaszkową kaszalota; kutykula (kutyna, woski) pokrywa epidermę nadziemnych pędów roślin, ograniczając transpirację kutykularną i chroniąc przed patogenami.

  • Lipidy złożone:

• Fosfolipidy: glicerol zestryfikowany dwoma kwasami tłuszczowymi oraz resztą kwasu fosforowego(V), z którą łączy się dodatkowy polarny związek (np. cholina w lecytynie, etanoloamina w kefalinie).

• Cząsteczka amfipatyczna: posiada hydrofilową głowę (glicerol, reszta fosforanowa, cholina) o dużym powinowactwie do wody oraz dwa hydrofobowe ogony (niepolarne łańcuchy węglowodorowe kwasów tłuszczowych). W roztworach wodnych samorzutnie formują dwuwarstwy lipidowe, micele lub liposomy.

• Glikolipidy: estry glicerolu lub sfingozyny z kwasami tłuszczowymi i resztami cukrowymi (np. cerebrozydy, gangliozydy). Wchodzą w skład zewnętrznej monowarstwy błony komórkowej, tworząc glikokaliks odpowiedzialny za swoistość tkankową i antygenową komórki.

  • Lipidy izoprenowe:

• Związki syntetyzowane z jednostek pięciowęglowych (izoprenoidowych – difosforanu izopentenylu):

• Karotenoidy: tetraterpeny ($C_{40}$) o sprzężonych układach wiązań podwójnych; barwniki fotosyntetyczne pomocnicze (pochłaniają światło niebiesko-zielone i chronią aparaty fotosyntetyczne przed fotoutlenieniem). Karoteny (np. $\beta$-karoten – czerwono-pomarańczowy) oraz ksantofile (żółte barwniki zawierające tlen).

• Steroidy (sterydy): związki o szkielecie cyklopentanoperhydrofenantrenu (steranu – cztery skondensowane pierścienie węgla $\text{A, B, C, D}$):

  • Cholesterol: kluczowy składnik błon komórkowych zwierząt; modyfikuje ich płynność (w wysokiej temperaturze usztywnia dwuwarstwę, w niskiej zapobiega jej krystalizacji); prekursor witaminy $\text{D}_3$, kwasów żółciowych oraz hormonów sterydowych (kortyzol, aldosteron, testosteron, estrogeny, progesteron).

  • Fitosterole (np. sitosterol, stigmasterol) – odpowiedniki cholesterolu w komórkach roślinnych; mykosterole (ergosterol) – u grzybów.

  • Kwasy żółciowe (np. kwas cholowy) – syntezowane w wątrobie z cholesterolu, wchodzą w skład żółci.

  • Fizjologia trawienia i absorpcji tłuszczów:

• W żołądku lipaza żołądkowa trawi jedynie tłuszcze w stanie naturalnej emulsji (np. mleko, śmietana), pracując w wąskim zakresie kwasowym u niemowląt.

• W dwunastnicy sole kwasów żółciowych zmniejszają napięcie powierzchniowe wielkich kropel tłuszczu, prowadząc do ich mechanicznego rozbicia na mikroskopijne kropelki (proces emulgacji). Zwiększa to drastycznie powierzchnię dostępną dla enzymów trawiących.

• Lipaza trzustkowa (aktywowana przez kolipazę, optymalne $\text{pH} \approx 8{,}0$) odczepia zewnętrzne kwasy tłuszczowe od trójglicerydów, uwalniając wolne kwasy tłuszczowe i 2-monoacyloglicerole.

• Produkty trawienia wnikają do enterocytów, gdzie w siateczce śródplazmatycznej gładkiej następuje resynteza triacylogliceroli. Powstałe lipidy łączą się z apolipoproteinami, fosfolipidami i cholesterolem, tworząc rozpuszczalne w wodzie agregaty – chylomikrony.

• Chylomikrony opuszczają enterocyt drogą egzocytozy do naczyń limfatycznych kosmka (mleczowych), omijając układ wrotny i trafiając przez przewód piersiowy bezpośrednio do krwiobiegu.

  • Lipoproteiny krwi i transport cholesterolu:

• Chylomikrony: transportują egzogenne lipidy z jelita do tkanek i wątroby.

• VLDL (lipoproteiny o bardzo małej gęstości): transportują endogenne trójglicerydy z wątroby do tkanki tłuszczowej.

• LDL (lipoproteiny o małej gęstości): tzw. „zły cholesterol”; transportują cholesterol z wątroby do komórek obwodowych. Nadmiar LDL ulega oksydacji i odkładaniu w ścianach tętnic, inicjując tworzenie blaszek miażdżycowych (patogeneza miażdżycy i choroby niedokrwiennej serca).

• HDL (lipoproteiny o dużej gęstości): tzw. „dobry cholesterol”; wychwytują nadmiar wolnego cholesterolu z tkanek obwodowych i ścian naczyń, transportując go z powrotem do wątroby celem degradacji do kwasów żółciowych (zwrotny transport cholesterolu).

  • Wykrywanie lipidów:

• Reakcja z barwnikiem Sudan III lub Sudan IV: odczynniki lipofilowe barwią krople tłuszczu na intensywny kolor czerwony/pomarańczowy.

Budowa, rzędowość i funkcje biologiczne białek

• Budowa aminokwasów białkowych:

  • W strukturze białek występuje $20$ standardowych $\alpha$-L-aminokwasów. Każdy posiada centralny asymetryczny atom węgla ($\text{C}_\alpha$, z wyjątkiem glicyny), do którego przyłączone są cztery grupy:

  • Zasadowa grupa aminowa ($\text{-NH}_2$),

  • Kwasowa grupa karboksylowa ($\text{-COOH}$),

  • Atom wodoru ($\text{-H}$),

  • Podstawnik boczny (grupa $\text{-R}$), determinujący właściwości chemiczne (polarność, ładunek, hydrofobowość).

  • W środowisku wodnym komórki aminokwasy występują w postaci jonów obojnaczych ($\text{H}_3\text{N}^+-\text{CHR}-\text{COO}^-$):

  • W środowisku kwasowym ($\text{niskie pH}$) przyjmują proton, stając się kationami ($\text{H}_3\text{N}^+-\text{CHR}-\text{COOH}$).

  • W środowisku zasadowym ($\text{wysokie pH}$) oddają proton, stając się anionami ($\text{H}_2\text{N}-\text{CHR}-\text{COO}^-$).

• Wiązanie peptydowe i synteza łańcucha:

  • Powstaje w wyniku reakcji kondensacji pomiędzy grupą $\alpha$-karboksylową jednego aminokwasu a grupą $\alpha$-aminową drugiego aminokwasu z wydzieleniem cząsteczki wody.

• Wiązanie peptydowe ($\text{-CO-NH-}$) jest wiązaniem kowalencyjnym o charakterze częściowo podwójnym (sprzężenie elektronów wolnej pary azotu z wiązaniem karbonylowym), co usztywnia strukturę i wymusza płaską konfigurację grupy amidowej (brak możliwości swobodnego obrotu wokół wiązania $\text{C-N}$).

• Łańcuch peptydowy ma określoną polarność: na jednym końcu znajduje się wolna grupa aminowa ($\text{N}$-koniec), na drugim wolna grupa karboksylowa ($\text{C}$-koniec).

  • Podział peptydów:

• Oligopeptydy: zawierają od 2 do 10 reszt aminokwasowych (np. wazopresyna, oksytocyna, glutation).

• Polipeptydy: od 11 do 100 reszt aminokwasowych (np. insulina, glukagon).

• Białka (makropeptydy): powyżej 100 reszt aminokwasowych o masie cząsteczkowej przekraczającej $10\,000\,\text{Da}$.

  • Strukturalna organizacja białek (rzędowość):

• Struktura I-rzędowa (pierwszorzędowa): liniowa sekwencja aminokwasów w łańcuchu polipeptydowym, połączonych wiązaniami peptydowymi. Zdeterminowana bezpośrednio przez sekwencję nukleotydów w genie.

• Struktura II-rzędowa (drugorzędowa): przestrzenne ułożenie szkieletu polipeptydowego stabilizowane wiązaniami wodorowymi pomiędzy grupami $\text{C=O}$ i $\text{N-H}$ wiązań peptydowych:

  • $\alpha$-helisa: prawoskrętne zwinięcie łańcucha; wiązania wodorowe tworzą się równolegle do osi helisy co cztery reszty aminokwasowe (pomiędzy grupą $\text{C=O}$ aminokwasu $n$ a grupą $\text{N-H}$ aminokwasu $n+4$).

  • $\beta$-harmonijka (arkusz $\beta$): powstaje przez ułożenie obok siebie rozciągniętych fragmentów łańcucha polipeptydowego (równolegle lub przeciwrównolegle), połączonych prostopadłymi wiązaniami wodorowymi.

• Struktura III-rzędowa (trzeciorzędowa): ostateczne pofałdowanie łańcucha o strukturze II-rzędowej w przestrzenną konfigurację natywną. Stabilizowana przez oddziaływania między podstawnikami bocznymi ($\text{-R}$):

  • Mostki disiarczkowe (dwusiarczkowe) – kowalencyjne wiązania $\text{-S-S-}$ powstające w wyniku utlenienia grup tiolowych ($\text{-SH}$) dwóch reszt cysteiny,

  • Wiązania wodorowe pomiędzy polarnymi podstawnikami,

  • Oddziaływania jonowe (mostki solne) pomiędzy naładowanymi grupami kwasowymi ($\text{-COO}^-$) i zasadowymi ($\text{-NH}_3^+$),

  • Oddziaływania hydrofobowe i siły van der Waalsa unieczynniające reszty niepolarne poprzez ukrycie ich we wnętrzu cząsteczki.

• Struktura IV-rzędowa (czwartorzędowa): przestrzenna asocjacja dwóch lub więcej odrębnych łańcuchów polipeptydowych (podjednostek) posiadających już określoną strukturę III-rzędową. Przykłady: hemoglobina (tetramer: $2\alpha + 2\beta$ z czterema cząsteczkami hemu), dehydrogenaza mleczanowa, kolagen (potrójna helisa tropokolagenu).

  • Podział białek ze względu na budowę i rozpuszczalność:

• Białka fibrylarne (włókniste): nierozpuszczalne w wodzie, pełnią funkcje strukturalne i mechaniczne. Kolagen (tkanka łączna, ścięgna, skóra), keratyna (włosy, paznokcie, rogi), elastyna (ściany naczyń krwionośnych), fibroina jedwabiu.

• Białka globularne (kłębuszkowe): rozpuszczalne w wodzie i roztworach soli, aktywne metabolicznie. Albuminy, globuliny, histony, mioglobina, enzymy.

• Białka proste (proteiny): zbudowane wyłącznie z aminokwasów (np. albuminy, globuliny, histony).

• Białka złożone (proteidy): zawierają część białkową (apobiałko) i niebiałkową grupę prostetyczną:

  • Glikoproteiny (część cukrowa – glikokaliks, immunoglobuliny, TSH, EPO),

  • Lipoproteiny (część lipidowa – chylomikrony, HDL, LDL),

  • Metaloproteiny (atomy metali – ferrytyna z żelazem, dehydrogenaza alkoholowa z cynkiem),

  • Chromoproteiny (barwniki – hemoglobina, mioglobina, cytochromy),

  • Fosfoproteiny (reszty kwasu fosforowego – kazeina mleka),

  • Nukleoproteiny (połączenia z kwasami nukleinowymi – chromatyna, rybosomy).

  • Biologiczne właściwości białek:

• Wysalanie (koagulacja odwracalna): pod wpływem stężonych roztworów soli metali lekkich (np. $\text{NaCl}$, $(\text{NH}_4)_2\text{SO}_4$) dochodzi do dehydratacji miceli białkowych i ich przejściowej agregacji z wytworzeniem osadu (żelu). Proces nie niszczy wiązań stabilizujących strukturę II-, III- i IV-rzędową; po dodaniu wody osad ulega ponownemu rozpuszczeniu (peptyzacja).

• Denaturacja (koagulacja nieodwracalna): zniszczenie wyższych struktur (II-, III-, IV-rzędowej) na skutek zerwania wiązań wodorowych, jonowych, mostków disiarczkowych pod wpływem czynników fizycznych (temperatura powyżej $40-45^∘\text{C}$, promieniowanie UV, promieniowanie jonizujące, ultradźwięki) lub chemicznych (stężone kwasy i zasady, sole metali ciężkich: $\text{Pb}^{2+}$, $\text{Hg}^{2+}$, alkohole, mocznik, detergenty). Struktura I-rzędowa (wiązania peptydowe) pozostaje nienaruszona. Skutkuje to całkowitą utratą aktywności biologicznej.

  • Zapotrzebowanie pokarmowe i wartość odżywcza białek:

• Aminokwasy egzogenne (niezbędne): aminokwasy, których organizm człowieka nie jest w stanie sam zsyntetyzować i muszą być dostarczane w pożywieniu (leucyna, izoleucyna, walina, lizyna, metionina, fenyloalanina, treonina, tryptofan; u dzieci dodatkowo histydyna).

• Białka pełnowartościowe: zawierają wszystkie aminokwasy egzogenne w odpowiednich ilościach i proporcjach (produkty pochodzenia zwierzęcego: mięso, jaja, mleko, ryby).

• Białka niepełnowartościowe: ubogie w jeden lub więcej aminokwasów egzogennych (głównie białka roślinne, np. kukurydza nie zawiera lizyny i tryptofanu, fasola jest uboga w metioninę).

  • Trawienie białek w przewodzie pokarmowym:

• Żołądek: pepsynogen pod wpływem kwasu solnego ($\text{HCl}$) ulega autokatalitycznej aktywacji do pepsyny (optimum $\text{pH} \approx 1{,}5-2{,}0$), która tnie wiązania peptydowe wewnątrz łańcucha białkowego (endopeptydaza), tworząc polipeptydy i oligopeptydy.

• Dwunastnica: enterokinaza (enteropeptydaza) śluzówki jelita aktywuje trypsynogen soku trzustkowego do trypsyny. Trypsyna aktywuje kolejne proenzymy: chymotrypsynogen do chymotrypsyny oraz prokarboksypeptydazy do karboksypeptydaz (egzopeptydazy odczepiające aminokwasy od $\text{C}$-końca).

• Jelito cienkie: aminopeptydazy (odczepiające aminokwasy od $\text{N}$-końca) oraz dipeptydazy mikrokosmków kończą hydrolizę do wolnych aminokwasów, które są wchłaniane do krwiobiegu.

  • Reakcje barwne identyfikacji białek:

• Reakcja biuretowa: dodanie do próbki roztworu siarczanu(VI) miedzi(II) ($\text{CuSO}_4$) w silnie zasadowym środowisku ($\text{NaOH}$) skutkuje powstaniem fioletowego kompleksu koordynacyjnego jonów $\text{Cu}^{2+}$ z atomami azotu wiązań peptydowych. Reakcja jest pozytywna dla związków posiadających co najmniej dwa wiązania peptydowe.

• Reakcja ksantoproteinowa: działanie stężonego kwasu azotowego(V) ($\text{HNO}_3$) na białko powoduje nitrowanie pierścieni aromatycznych (obecnych w fenyloalaninie, tyrozynie, tryptofanie), co objawia się intensywnie żółtym zabarwieniem (przechodzącym w pomarańczowe po zalkalizowaniu).

Kwasy nukleinowe i nukleotydy

• Monomery kwasów nukleinowych – nukleotydy i nukleozydy:

  • Nukleozyd: składa się z pentozy (ryboza w RNA lub deoksyryboza w DNA) połączonej wiązaniem $\text{N}$-glikozydowym z zasadą azotową (wiązanie między węglem $\text{C-1'}$ cukru a azotem $\text{N-1}$ pirymidyny lub $\text{N-9}$ puryny).

  • Nukleotyd: ester fosforanowy nukleozydu; składa się z pentozy, zasady azotowej oraz od jednej do trzech reszt kwasu fosforowego(V) przyłączonych wiązaniem estrowym do węgla $\text{C-5'}$ (lub $\text{C-3'}$) cukru.

• Zasady azotowe:

  • Puryny (dwupierścieniowe): adenina ($\text{A}$), guanina ($\text{G}$).

  • Pirymidyny (jednopierścieniowe): cytozyna ($\text{C}$), tymina ($\text{T}$ – specyficzna dla DNA), uracyl ($\text{U}$ – specyficzny dla RNA).

• Struktura i organizacja DNA:

  • Cząsteczka kwasu deoksyrybonukleinowego składa się z dwóch łańcuchów polinukleotydowych splecionych wokół wspólnej osi w prawoskrętną podwójną helisę.

  • Łańcuchy są antyrównoległe: jeden biegnie w kierunku od końca $5'$ do $3'$ ($5'\rightarrow 3'$), a drugi od $3'$ do $5'$ ($3'\rightarrow 5'$).

  • Szkielet cukrowo-fosforanowy znajduje się na zewnątrz helisy, natomiast zasady azotowe skierowane są do wewnątrz.

  • Łańcuchy łączy reguła komplementarności zasad z udziałem wiązań wodorowych:

  • Adenina łączy się podwójnym wiązaniem wodorowym z tyminą ($\text{A = T}$, w RNA: $\text{A = U}$),

  • Guanina łączy się potrójnym wiązaniem wodorowym z cytozyną ($\text{G} \equiv \text{C}$).

  • Reguła Chargaffa: w dwuniciowym DNA molowa zawartość adeniny jest równa zawartości tyminy ($[\text{A}] = [\text{T}]$), a guaniny zawartości cytozyny ($[\text{G}] = [\text{C}]$); stosunek puryn do pirymidyn wynosi dokładnie $1:1$.

  • Regiony bogate w pary $\text{G} \equiv \text{C}$ charakteryzują się wyższą temperaturą topnienia helisy ($\text{T}_m$) ze względu na obecność trzech wiązań wodorowych.

• Formy i rodzaje RNA:

  • Kwas rybonukleinowy jest w przeważającej większości jednoniciowy ($\text{ssRNA}$), a zamiast deoksyrybozy zawiera rybozę, a zamiast tyminy – uracyl.

  • mRNA (matrycowy / informacyjny RNA): przenosi przepisaną z DNA informację genetyczną o sekwencji aminokwasów z jądra komórkowego na rybosomy w cytoplazmie.

  • rRNA (rybosomalny RNA): syntetyzowany w jąderku; buduje podjednostki rybosomów; wykazuje aktywność katalityczną (rybozym – np. transferaza peptydylowa tworząca wiązanie peptydowe).

  • tRNA (transportujący RNA): o strukturze przestrzennej przypominającej liść koniczyny; transportuje specyficzne aminokwasy na rybosomy; zawiera ramię antykodonowe z trójką nukleotydów (antykodonem) komplementarną do kodonu na mRNA oraz ramię akceptorowe z sekwencją $\text{CCA-3'}$ wiążącą aminokwas.

  • Drobne jądrowe RNA (snRNA, siRNA, miRNA) – biorą udział w procesach dojrzewania transkryptów (splicing) i potranskrypcyjnej regulacji ekspresji genów.

• Trifosfonukleozydy jako uniwersalne nośniki energii:

  • Zbudowane z zasady azotowej, rybozy i trzech reszt fosforanowych(V).

  • Pomiędzy pierwszą a drugą oraz drugą a trzecią resztą fosforanową występują niestabilne, wysokoenergetyczne wiązania bezwodnikowe (fosforanowe).

• Hydroliza wiązania bezwodnikowego w $\text{ATP}$ uwalnia standardowo około $30{,}5\,\text{kJ/mol}$ energii swobodnej:

\text{ATP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{ADP} + \text{P}_i + \text{energia} \quad (\Delta G^∘' = -30{,}5\,\text{kJ/mol})

\text{ADP} + \text{H}_2\text{O} \rightarrow \text{AMP} + \text{P}_i + \text{energia} \quad (\Delta G^∘' = -30{,}5\,\text{kJ/mol})

• $\text{GTP}$ dostarcza energii m.in. w biosyntezie białka (translacji) i cyklu Krebsa; $\text{CTP}$ w biosyntezie lipidów; $\text{UTP}$ w biosyntezie polisacharydów (np. glikogenu).

  • Dinukleotydy jako kofaktory oksydoredukcyjne:

• $\text{NAD}^+$ (dinukleotyd nikotynamidoadeninowy): utleniona forma przyjmuje dwa elektrony i jeden proton ($\text{H}^+$), ulegając redukcji do $\text{NADH} + \text{H}^+$ w procesach katabolicznych (glikoliza, reakcja pomostowa, cykl Krebsa, $\beta$-oksydacja).

• $\text{NADP}^+$ (fosforan dinukleotydu nikotynamidoadeninowego): zredukowana forma ($\text{NADPH} + \text{H}^+$) dostarcza siły redukcyjnej w procesach anabolicznych (faza ciemna fotosyntezy, synteza kwasów tłuszczowych i cholesterolu).

• $\text{FAD}$ (dinukleotyd flawinoadeninowy): grupa prostetyczna dehydrogenaz; przyjmuje dwa atomy wodoru ($2\,\text{e}^- + 2\,\text{H}^+$), redukując się do $\text{FADH}_2$ m.in. w cyklu Krebsa i $\beta$-oksydacji.

Witaminy i ich znaczenie fizjologiczne

• Definicja i charakterystyka witamin:

  • Witaminy to niskocząsteczkowe organiczne substancje egzogenne o zróżnicowanej budowie, niezbędne do prawidłowego przebiegu procesów metabolicznych, których organizm człowieka nie potrafi syntetyzować (lub syntetyzuje w niewystarczających ilościach).

  • Nie pełnią funkcji budulcowych ani energetycznych; działają jako prekursory koenzymów (witaminy prostetyczne) lub regulatory ekspresji genów i procesów fizjologicznych (witaminy indukcyjne).

• Podział witamin ze względu na rozpuszczalność:

• Witaminy rozpuszczalne w tłuszczach ($\text{A}$, $\text{D}$, $\text{E}$, $\text{K}$):

  • Wchłaniają się w przewodzie pokarmowym w obecności tłuszczów i kwasów żółciowych.

  • Mogą być magazynowane w tkance tłuszczowej i wątrobie.

  • Ich nadmierna podaż prowadzi do hiperwitaminozy o działaniu toksycznym.

• Witaminy rozpuszczalne w wodzie (witaminy z grupy $\text{B}$ oraz witamina $\text{C}$):

  • Nie są magazynowane w organizmie (z wyjątkiem witaminy $\text{B}_{12}$ kumulowanej w wątrobie).

  • Nadmiar jest szybko usuwany z moczem przez nerki, stąd rzadko dochodzi do ich przedawkowania, a regularna podaż z dietą jest konieczna.

  • Prowitaminy i antywitaminy:

• Prowitaminy: nieaktywne chemicznie związki przekształcane w organizmie pod wpływem enzymów lub czynników fizycznych w aktywną postać witaminy:

  • $\beta$-karoten pod wpływem enzymów śluzówki jelita i wątroby ulega symetrycznemu rozszczepieniu do retinolu (witamina $\text{A}$).

  • 7-dehydrocholesterol w keratynocytach naskórka pod wpływem promieniowania ultrafioletowego (UV-B) ulega fotolizie do cholekalcyferolu (witamina $\text{D}_3$).

• Antywitaminy: związki o strukturze zbliżonej do cząsteczki danej witaminy, konkurujące z nią o miejsce aktywne w enzymie lub inaktywujące ją poprzez wiązanie, co hamuje szlak metaboliczny (np. awidyna z surowego białka jaja wiąże biotynę; antywitaminą witaminy $\text{K}$ jest dikumarol; antagonistą kwasu foliowego jest lek cytostatyczny metotreksat).

  • Szczegółowa charakterystyka witamin rozpuszczalnych w wodzie:

• Witamina $\text{B}_1$ (tiamina): koenzym (pirofosforan tiaminy – TPP) w dekarboksylacji oksydacyjnej $\alpha$-ketokwasów (pirogronianu i $\alpha$-ketoglutaranu); źródła: pełne ziarna zbóż, drożdże, mięso wieprzowe; niedobór: choroba beri-beri (polineuropatia, uszkodzenie nerwów obwodowych, zanik mięśni, niewydolność krążenia).

• Witamina $\text{B}_2$ (ryboflawina): składnik dinukleotydów FMN i FAD; źródła: mleko, jaja, drożdże, wątroba; niedobór: stany zapalne kącików ust (zajady, cheilosis), łojotokowe zapalenie skóry, zapalenie języka.

• Witamina $\text{B}_3$ / $\text{PP}$ (niacyna, kwas nikotynowy): składnik koenzymów $\text{NAD}^+$ i $\text{NADP}^+$; źródła: mięso, ryby, orzechy, nasiona roślin strączkowych; niedobór: pelagra (rumień lombardzki objawiający się zespołem 3D: dermatitis – zapalenie skóry, diarrhea – biegunka, dementia – otępienie).

• Witamina $\text{B}_5$ (kwas pantotenowy): składnik koenzymu A ($\text{CoA}$) i białka przenoszącego grupy acylowe (ACP), kluczowa w cyklu Krebsa i biosyntezie lipidów; źródła: powszechna w żywności (wątroba, jaja, drożdże); niedobór spotykany wyjątkowo rzadko.

• Witamina $\text{B}_6$ (pirydoksyna): koenzym (fosforan pirydoksalu – PLP) aminotransferaz w reakcjach transaminacji i dekarboksylacji aminokwasów oraz syntezie hemu; źródła: drób, ryby, drożdże, orzechy; niedobór: drgawki, niedokrwistość mikrocytarna, neuropatie obwodowe.

• Witamina $\text{B}_7$ / $\text{H}$ (biotyna): koenzym karboksylaz w reakcjach przenoszenia grup karboksylowych (karboksylaza pirogronianowa, acetylo-CoA); źródła: żółtko jaj, wątroba, orzechy, synteza bakteryjna; niedobór: wypadanie włosów, stany zapalne skóry, bóle mięśniowe.

• Witamina $\text{B}_9$ / $\text{B}_{11}$ (kwas foliowy): koenzym (tetrahydrofolian – THF) w przenoszeniu grup jednowęglowych (metylacja, biosynteza zasad purynowych i tymidyny w DNA); źródła: zielone warzywa liściaste (szpinak), wątroba, drożdże; niedobór: anemia megaloblastyczna, wady cewy nerwowej u płodu (rozszczep kręgosłupa, bezmózgowie) w przypadku niedoboru u kobiet w ciąży.

• Witamina $\text{B}_{12}$ (kobalamina): uczestniczy w powstawaniu kwasów nukleinowych i erytropoezie, kofaktor syntazy metioninowej; do wchłaniania w jelicie krętym niezbędny jest czynnik wewnętrzny Castle’a (IF) wydzielany przez komórki okładzinowe żołądka; źródła: wyłącznie produkty zwierzęce (mięso, wątroba, ryby, jaja); niedobór: anemia złośliwa (Addisona-Biermera), nieodwracalne uszkodzenia układu nerwowego.

• Witamina $\text{C}$ (kwas askorbinowy): kofaktor hydroksylazy prolinowej i lizynowej w biosyntezie kolagenu; silny antyoksydant; ułatwia wchłanianie niehemowego żelaza w przewodzie pokarmowym; źródła: owoce cytrusowe, czarna porzeczka, papryka, owoce róży; niedobór: szkorbut (krwawienia z dziąseł, wypadanie zębów, pękanie naczyń krwionośnych, zaburzenia gojenia ran, osłabienie kości).

  • Szczegółowa charakterystyka witamin rozpuszczalnych w tłuszczach:

• Witamina $\text{A}$ (retinol i jego pochodne): retinal łączy się z opsyną w pręcikach siatkówki, tworząc rodopsynę (barwnik wzrokowy wrażliwy na zmierzch); reguluje różnicowanie komórek nabłonkowych; antyoksydant; źródła: tran, wątroba, masło, marchew ($\beta$-karoten); niedobór: kurza ślepota (ślepota zmierzchowa), kseroftalmia (zespół suchego oka, rogowacenie rogówki), łuszczenie naskórka; nadmiar: hepatomegalia, teratogeneza u płodów, wypadanie włosów.

• Witamina $\text{D}_3$ (cholekalcyferol / kalcytriol): stymuluje transkrypcję białek transportujących jony wapnia w enterocytach, zwiększając wchłanianie $\text{Ca}^{2+}$ i $\text{PO}_4^{3-}$ w jelicie cienkim; wzmaga mineralizację kości; źródła: tłuste ryby morskie, tran, synteza skórna pod wpływem UV; niedobór: krzywica u dzieci (deformacje układu kostnego), osteomalacja (rozmiękanie kości) i osteoporoza u dorosłych; nadmiar: hiperkalcemia, wapnienie przerzutowe w nerkach i ścianach tętnic.

• Witamina $\text{E}$ (tokoferol): główny przeciwutleniacz hydrofobowy, wbudowuje się w błony biologiczne i chroni wielonienasycone kwasy tłuszczowe przed peroksydacją lipidów przez wolne rodniki; źródła: oleje roślinne, orzechy, kiełki pszenicy; niedobór: anemia hemolityczna (zwiększona kruchość erytrocytów), zanik mięśni, zaburzenia spermatogenezy.

• Witamina $\text{K}$ (filochinon, menachinon): kofaktor karboksylazy $\gamma$-glutamylowej, warunkuje potranslacyjną modyfikację kwasu glutaminowego w czynnikach krzepnięcia krwi (protrombinie – czynnik II, czynnikach VII, IX, X); źródła: zielone warzywa (szpinak, kapusta), synteza przez florę bakteryjną jelita grubego; niedobór (np. po długotrwałej antybiotykoterapii lub przy zablokowaniu wydzielania żółci): wydłużony czas krzepnięcia, skaza krwotoczna, krwawienia wewnętrzne.

Enzymologia i kinetyka reakcji biochemicznych

• Struktura i mechanizm działania biokatalizatorów:

  • Enzymy to w przeważającej większości specyficzne białka o strukturze co najmniej III-rzędowej (wyjątek stanowią katalityczne kwasy nukleinowe: rybozymy i deoksyrybozymy).

  • Przyspieszają reakcje chemiczne o rzędy wielkości poprzez obniżenie energii aktywacji ($E_a$) – bariery energetycznej niezbędnej do zainicjowania reakcji.

  • Nie wpływają na stan równowagi reakcji chemicznej ($K_{eq}$) ani na zmianę entalpii swobodnej ($\Delta G$).

  • Budowa enzymu:

  • Apoenzym: część białkowa enzymu.

  • Kofaktor: niebiałkowy składnik niezbędny do aktywności enzymu (jony metali: $\text{Mg}^{2+}$, $\text{Zn}^{2+}$, $\text{Fe}^{2+}$, $\text{Cu}^{2+}$ lub drobnocząsteczkowe związki organiczne).

  • Koenzym: luźno związany z apoenzymem kofaktor organiczny (np. $\text{NAD}^+$, $\text{CoA}$, $\text{TPP}$, witaminy grupy B).

  • Grupa prostetyczna: trwale (zwykle kowalencyjnie) związany z apoenzymem kofaktor organiczny (np. hem w peroksydazie, FAD w dehydrogenazie bursztynianowej).

  • Holoenzym: katalitycznie aktywny, kompletny kompleks ($\text{holoenzym} = \text{apoenzym} + \text{kofaktor}$).

  • Centrum aktywne (szczelina katalityczna): ściśle zdefiniowany przestrzenny obszar enzymu utworzony przez łańcuchy boczne specyficznych aminokwasów, odpowiedzialny za wiązanie substratu i przeprowadzenie katalizy (model indukowanego dopasowania Koshlanda).

• Kinetyka enzymatyczna i stała Michaelisa ($K_m$):

  • Równanie Michaelisa-Menten opisuje zależność szybkości reakcji enzymatycznej ($V$) od stężenia substratu ($[S]$):

$V = \frac{V_{\max} \cdot [S]}{K_m + [S]}$

• Stała Michaelisa ($K_m$): stężenie substratu, przy którym szybkość reakcji osiąga połowę szybkości maksymalnej ($V = \frac{1}{2} V_{\max}$; wyrażana w $\text{mol/l}$).

• Jest miarą powinowactwa enzymu do substratu: im mniejsza wartość $K_m$, tym większe powinowactwo enzymu do substratu (enzym osiąga maksymalną wydajność przy niższym stężeniu substratu).

  • Wpływ czynników fizykochemicznych na aktywność enzymów:

• Stężenie substratu: początkowo szybkość reakcji rośnie liniowo (reakcja I rzędu), po wysyceniu wszystkich centrów aktywnych enzymu szybkość osiąga plateau ($V_{\max}$, reakcja 0 rzędu).

• Temperatura: wzrost temperatury o każde $10^∘\text{C}$ początkowo podwaja szybkość reakcji chemicznej ($Q_{10} \approx 2$) wskutek wzrostu energii kinetycznej cząsteczek. Po przekroczeniu optimum termicznego (dla enzymów ludzkich $37-40^∘\text{C}$) następuje gwałtowny spadek aktywności w wyniku termicznej denaturacji białka enzymatycznego.

• Odczyn środowiska ($\text{pH}$): każdy enzym posiada specyficzne optimum $\text{pH}$, w którym stan jonizacji grup katalitycznych w centrum aktywnym jest optymalny dla wiązania substratu:

  • Pepsyna (żołądek): $\text{pH} \approx 1{,}5-2{,}0$,

  • Amylaza ślinowa (jama ustna): $\text{pH} \approx 6{,}8-7{,}0$,

  • Trypsyna i amylaza trzustkowa (dwunastnica): $\text{pH} \approx 8{,}0-8{,}5$.

  • Inhibicja enzymatyczna:

• Inhibicja kompetycyjna:

  • Inhibitor wykazuje strukturalne podobieństwo do substratu i współzawodniczy z nim o związanie w centrum aktywnym enzymu.

  • Powstaje kompleks enzym-inhibitor ($\text{EI}$), co uniemożliwia wiązanie substratu.

  • Zwiększa pozorną wartość stałej Michaelisa ($K_m$ rośnie), gdyż zmniejsza się powinowactwo enzymu do substratu.

  • Szybkość maksymalna ($V_{\max}$) pozostaje bez zmian – inhibicję można całkowicie znieść przez znaczne zwiększenie stężenia substratu.

  • Przykład medyczny 1: leczenie zatrucia metanolem przez podanie etanolu. Dehydrogenaza alkoholowa wykazuje znacznie wyższe powinowactwo do etanolu niż do metanolu. Etanol kompetycyjnie blokuje utlenianie metanolu do toksycznego formaldehydu i kwasu mrówkowego, umożliwiając wydalenie metanolu w postaci niezmienionej przez nerki i płuca.

  • Przykład medyczny 2: metotreksat (lek przeciwnowotworowy) wiąże się z centrum aktywnym reduktazy dihydrofoliowej $10\,000$ razy silniej niż kwas foliowy, hamując syntezę tymidyny i replikację DNA w szybko dzielących się komórkach nowotworowych.

• Inhibicja niekompetycyjna:

  • Inhibitor wiąże się w miejscu allosterycznym enzymu (poza centrum aktywnym), niezależnie od tego, czy substrat jest związany.

  • Wiązanie powoduje zmianę konformacji przestrzennej białka, unieczynniając katalitycznie centrum aktywne.

  • Wartość stałej Michaelisa ($K_m$) nie ulega zmianie (powinowactwo do substratu jest zachowane).

  • Szybkość maksymalna ($V_{\max}$) ulega obniżeniu – nadmiar substratu nie odwraca tego typu inhibicji.

  • Przykład: jony metali ciężkich ($\text{Hg}^{2+}$, $\text{Pb}^{2+}$, $\text{Ag}^+$) blokujące grupy sulfhydrylowe ($\text{-SH}$).

  • Regulacja allosteryczna i zymogeny:

• Enzymy allosteryczne: posiadają oprócz centrum aktywnego dodatkowe centrum regulatorowe (allosteryczne), do którego przyłączają się efektory (modulatory):

  • Efektor dodatni (aktywator): stabilizuje konformację o wysokim powinowactwie do substratu.

  • Efektor ujemny (inhibitor allosteryczny): indukuje zmianę konformacyjną uniemożliwiającą katalizę.

• Sprzężenie zwrotne ujemne (hamowanie przez produkt końcowy / retroinhibition): ostateczny produkt szlaku metabolicznego działa jako allosteryczny inhibitor pierwszego enzymu w tym szlaku, co zapobiega nadmiernemu gromadzeniu się metabolitów i oszczędza energię komórki.

• Aktywacja proteolityczna (zymogeny / proenzymy): nieaktywne prekursory enzymów proteolitycznych wydzielane przez komórki, co zapobiega samostrawieniu narządów syntetyzujących (np. trzustki). Aktywacja polega na hydrolizie specyficznych wiązań peptydowych i odcięciu fragmentu blokującego (np. aktywacja chymotrypsynogenu do chymotrypsyny $\alpha$ przez wycięcie dwóch dipeptydów i utworzenie trzech łańcuchów $\text{A, B, C}$ spiętych mostkami disiarczkowymi).

Integracja metabolizmu i fizjologia biochemiczna

• Glikoliza i szlaki beztlenowe:

  • Glikoliza zachodzi w cytozolu bez udziału tlenu. Jedna cząsteczka glukozy ($C_6$) ulega przekształceniu w dwie cząsteczki pirogronianu ($C_3$) z jednoczesnym zyskiem netto dwóch cząsteczek $\text{ATP}$ (fosforylacja substratowa) oraz redukcją dwóch cząsteczek $\text{NAD}^+$ do $2\,\text{NADH} + 2\,\text{H}^+$.

  • Fosforylacja substratowa: mechanizm powstawania $\text{ATP}$ polegający na bezpośrednim przeniesieniu wysokoenergetycznej reszty fosforanowej z ufosforylowanego substratu organicznego (np. kwasu 1,3-bisfosfoglicerynowego lub fosfoenolopirogronianu – PEP) na $\text{ADP}$.

  • Regeneracja $\text{NAD}^+$ w warunkach beztlenowych:

  • W warunkach niedoboru tlenu łańcuch oddechowy nie funkcjonuje i dochodzi do wyczerpania zapasu utlenionego $\text{NAD}^+$, co zablokowałoby glikolizę i zatrzymało syntezę $\text{ATP}$.

  • Fermentacja mlekowa: enzym dehydrogenaza mleczanowa redukuje pirogronian bezpośrednio do kwasu mlekowego (mleczanu), utleniając $\text{NADH} + \text{H}^+$ do $\text{NAD}^+$.

  • Fermentacja alkoholowa (drożdże): pirogronian ulega dekarboksylacji przez dekarboksylazę pirogronianową do aldehydu octowego z wydzieleniem $\text{CO}_2$, po czym dehydrogenaza alkoholowa redukuje aldehyd octowy do etanolu z jednoczesnym odtworzeniem $\text{NAD}^+$.

• Cykl Corich (współpraca metaboliczna mięśni i wątroby):

  • W trakcie intensywnego wysiłku fizycznego we włóknach mięśni szkieletowych zapotrzebowanie na $\text{ATP}$ przewyższa możliwości transportu tlenu, w wyniku czego komórki mięśniowe przechodzą na glikolizę beztlenową, redukując pirogronian do kwasu mlekowego.

  • Kwas mlekowy dyfunduje do krwi i jest transportowany żyłami do wątroby.

  • W hepatocytach wątroby kwas mlekowy zostaje powtórnie utleniony do pirogronianu, a następnie w procesie glukoneogenezy (kosztem energii z $\text{ATP}$) przekształcony z powrotem w glukozę.

  • Wyprodukowana w wątrobie glukoza jest uwalniana do krwiobiegu i transportowana powrotnie do pracujących mięśni lub zmagazynowana w postaci glikogenu.

• Hormonalna kontrola homeostazy glukozy:

  • Insulina: hormon peptydowy syntetyzowany przez komórki $\beta$ wysepek Langerhansa trzustki w odpowiedzi na hiperglikemię (podwyższone stężenie glukozy we krwi po posiłku):

  • Stymuluje translokację transporterów GLUT4 do błony komórek mięśniowych i tłuszczowych, zwiększając dokomórkowy wychwyt glukozy,

  • Aktywuje syntazę glikogenową w wątrobie i mięśniach, promując glikogenogenezę,

  • Stymuluje lipogenezę (przekształcanie nadmiaru glukozy w kwasy tłuszczowe i trójglicerydy),

  • Skutek: obniżenie stężenia glukozy we krwi do wartości referencyjnych ($70-99\,\text{mg/dl}$).

  • Glukagon: hormon polipeptydowy wydzielany przez komórki $\alpha$ trzustki w warunkach hipoglikemii (na czczo, podczas długotrwałego wysiłku fizycznego):

  • Działa na receptory hepatocytów wątroby, stymulując kaskadę fosforylazy glikogenowej (glikogenoliza – rozpad glikogenu do glukozy),

  • Indukuje glukoneogenezę (syntezę glukozy ze związków niecukrowych: mleczanu, glicerolu, aminokwasów glukogennych),

  • Skutek: podwyższenie stężenia glukozy we krwi.

  • Antagonistyczne działanie obu hormonów zapobiega wahaniom glikemii i chroni ośrodkowy układ nerwowy przed hipoglikemią (mózgowie jest bezwzględnie uzależnione od stałego dopływu glukozy).

• Biochemia transportu gazów oddechowych:

  • Hemoglobina ($\text{Hb}$): chromoproteina o strukturze IV-rzędowej złożona z 4 łańcuchów polipeptydowych, z których każdy zawiera cząsteczkę hemu z centralnym jonem żelaza na drugim stopniu utlenienia ($\text{Fe}^{2+}$).

  • Wiązanie tlenu ma charakter utlenowania (oksygenacji), a nie utlenienia ($\text{Fe}^{2+}$ nie zmienia stopnia utlenienia):

$\text{Hb} + 4\,\text{O}_2 \rightleftharpoons \text{Hb}(\text{O}_2)_4 \quad (\text{oksyhemoglobina})$

• Wykazuje zjawisko kooperatywności dodatniej: przyłączenie pierwszej cząsteczki $\text{O}_2$ indukuje zmianę konformacji przestrzennej tetrameru z formy ścisłej ($\text{T}$ – o niskim powinowactwie) w formę zrelaksowaną ($\text{R}$ – o wysokim powinowactwie), co ułatwia wiązanie kolejnych cząsteczek tlenu (sigmoidalny kształt krzywej dysocjacji).

• Efekt Bohra: powinowactwo hemoglobiny do tlenu zależy od $\text{pH}$ środowiska i ciśnienia parcjalnego $\text{CO}_2$:

• W tkankach o intensywnym metabolizmie (pracujące mięśnie) wydzielany $\text{CO}_2$ pod wpływem anhydrazy węglanowej w erytrocytach reaguje z wodą, tworząc kwas węglowy ($\text{H}_2\text{CO}_3$), który dysocjuje na protony ($\text{H}^+$) i aniony wodorowęglanowe ($\text{HCO}_3^-$):

$\text{CO}_2 + \text{H}_2\text{O} \xrightarrow{\text{anhydraza}} \text{H}_2\text{CO}_3 \rightleftharpoons \text{H}^+ + \text{HCO}_3^-$

- Wzrost stężenia jonów wodorowych ($\text{spadek pH}$) stabilizuje formę $\text{T}$ hemoglobiny, powodując spadek jej powinowactwa do tlenu i ułatwiając oddawanie $\text{O}_2$ metabolizującym komórkom (przesunięcie krzywej nasycenia w prawo).
- Około $70-75\%$ dwutlenku węgla transportowane jest w osoczu krwi w postaci jonów wodorowęglanowych ($\text{HCO}_3^-$), $20\%$ w postaci karbaminohemoglobiny ($\text{HbCO}_2$ – $\text{CO}_2$ związany z grupami aminowymi białka), a $5-10\%$ w postaci fizycznie rozpuszczonej w osoczu.

• Biochemia grup krwi układu ABO:

  • Oparta na obecności specyficznych antygenów glikolipidowych i glikoproteinowych wbudowanych w zewnętrzną warstwę błony komórkowej erytrocytów oraz naturalnych przeciwciał (aglutynin klasy IgM) obecnych w osoczu krwi:

  • Grupa A: na krwinkach obecny antygen A; w osoczu obecne przeciwciała anty-B ($\beta$),

  • Grupa B: na krwinkach obecny antygen B; w osoczu obecne przeciwciała anty-A ($\alpha$),

  • Grupa AB: na krwinkach obecne antygeny A i B; w osoczu brak przeciwciał,

  • Grupa 0: brak antygenów A i B na erytrocytach (obecny jedynie prekursorowy antygen H); w osoczu obecne przeciwciała anty-A ($\alpha$) i anty-B ($\beta$).

  • Aglutynacja: w przypadku przetoczenia niezgodnej grupowo krwi, przeciwciała biorcy wiążą się wielopunktowo z antygenami na krwinkach dawcy, prowadząc do ich zlepiania (aglutynacji) i następczej hemolizy wewnątrznaczyniowej, co stwarza bezpośrednie zagrożenie życia (wstrząs poprzetoczeniowy, ostra niewydolność nerek).

• Model budowy błony komórkowej i transport błonowy:

  • Płynna mozaika (model Singera-Nicolsona): asymetryczna dwuwarstwa fosfolipidowa, w której zanurzone są białka integralne (transbłonowe) oraz powierzchniowe (peryferyjne).

• Transport bierny (pasywny): zachodzi zgodnie z gradientem stężeń (lub elektrochemicznym) bez nakładu energii metabolicznej ($\text{ATP}$):

  • Dyfuzja prosta: transport małych cząsteczek niepolarnych ($\text{O}_2$, $\text{CO}_2$, azot) oraz rozpuszczalników przez dwuwarstwę,

  • Dyfuzja ułatwiona: transport cząsteczek polarnych (glukoza, aminokwasy) oraz jonów za pośrednictwem białek nośnikowych (transporterów) lub kanałów jonowych.

• Transport aktywny (czynny): zachodzi wbrew gradientowi stężeń z nakładem energii metabolicznej:

  • Pierwotny: bezpośrednia hydroliza $\text{ATP}$ przez pompy jonowe (np. pompa sodowo-potasowa $\text{Na}^+/\text{K}^+$-ATPaza transportująca $3\,\text{Na}^+$ na zewnątrz i $2\,\text{K}^+$ do wnętrza komórki na każdy zhydrolizowany $\text{ATP}$),

  • Wtórny: wykorzystuje energię gradientu elektrochemicznego wytworzonego przez transport pierwotny (np. symport glukozy z sodem SGLT1).

• Liposomy w terapii celowanej: pęcherzyki fosfolipidowe o budowie identycznej z błoną komórkową mogą zawierać leki rozpuszczalne w wodzie (we wnętrzu) lub w tłuszczach (w dwuwarstwie); obecność swoistych ligandów białkowych na powierzchni liposomu pozwala na ich fuzję wyłącznie z komórkami docelowymi posiadającymi specyficzny receptor (np. komórkami nowotworowymi), co zwiększa skuteczność terapii i minimalizuje objawy ogólnoustrojowe.