Energia – 1.część witamina B2

Ciepło z palącego się węgla podgrzewa wodę do tego stopnia, że para wprawia w ruch lokomotywę parową ciągnącą za sobą wiele wagonów. Powstaje realna siła jazdy. Nowocześniejsze pojazdy używają energii z: palącej się ropy, benzyny, energii elektrycznej lub gazowej, a nawet atomowej czy jądrowej. W pewnym sensie elektrownią atomową jest każda elektrownia spalająca: węgiel kamienny, brunatny, czy gaz. Reakcje w tym wypadku zachodzą na poziomie atomu, a w elektrowni jądrowej na poziomie jądra atomu, stąd nazwa.

Kiedy mamy do czynienia z energią atomową?

Atom, jak wiadomo, zbudowany jest z jądra i powłok elektronowych. Wszystkie procesy chemiczne są procesami atomowymi w tym sensie, że zachodzą z udziałem powłok elektronowych atomu. Ściśle mówiąc – reakcje chemiczne to domena zewnętrznych powłok elektronowych, tzw. elektronów walencyjnych („zewnętrznych)”. Każde spalanie, które jest gwałtownym utlenianiem, to reakcja chemiczna pomiędzy atomami. W naszym organizmie oczywiście nie zachodzi żadne spalanie, ale reakcje utleniania (nie zawsze wiąże się z tlenem) oraz redukcji. Podczas tych procesów elektrony walencyjne przeskakują z jednego związku na drugi.

Do pewnych granic są one ze sobą sprzężone i wiążą się z reakcjami utleniania i redukcji, czyli „przeskakiwania elektronów”.

Utlenianie i redukcja

Siła całego naszego metabolizmu opiera się na utlenianiu i redukcji – „przeskakiwaniu elektronów”. Jest to upraszczając dawanie i branie energii wraz z elektronami. Na poniższym schemacie pokazuję, o co w tym chodzi:

Podsumowując: związek będący reduktorem oddaje elektrony i się utlenia, bo je utracił, a z kolei związek przyjmujacy elektrony jest utleniaczem, bo przyjął elektrony i się zdredukował.

Jesteśmy „przetwórnią” energetyczną

Zachodzą u nas procesy chłonące energię – endoergiczne i procesy egzoergiczne – uwalniające ją.

Powstaje energia chemiczna, woda i ciepło. Na poniższym schemacie pokazuję zależności energetyczne (1):

Przemiana metabolitu A w metabolit B przebiega z uwolnieniem energii (reakcja egzoergiczna). Ta energia jest w postaci ciepła i w postaci energii chemicznej. W efekcie przemiana A w B jest sprzężona z inną reakcją, w której wykorzystywana jest energia do przemiany metabolitu C w metabolit D (reakcja endoergiczna).

Można nawet porównać nas do lokomotywy, może nie tak wielkiej i opływającej oliwą, jak opisana przez Juliana Tuwima, ale zawsze produkującej energię. U nas jest ona w postaci wody metabolicznej, ciepła ogrzewającego nasze ciało i „siły” do aktywności metabolicznej, na którą składają się reakcje syntezy, skurcz mięśni, impulsy nerwowe i transport przez błony (tak zwany aktywny transport). Energia do tych procesów zamykana jest w wysoko energetycznych związkach chemicznych. Najbardziej popularnym związkiem wysokoenergetycznym jest ATP (adenozyno trójfosforan). Ma ono w swej cząsteczce wiązania wysokoenergetyczne à oddające energię.

ATP

Ciąg przemian prowadzących do powstania ATP to fosforylacja z ”ładowaniem energetycznym”. Obok energii potrzebne jest ADP (adenozyno difosforan powstały w wyniku wysoce energiochłonnej syntezy) i jeszcze reszta fosforanowa, która pochodzi z pokarmu. Pokazuję to na poniższym schemacie:

Enzymy, które katalizują tę reakcję i inne przenoszące reszty fosforanowe, nazywają się kinazy i są to transferazy (zapraszam: „Działanie bez sił witalnych…”). ATP oddając energię, ulega „rozbrajaniu” i powstaje z niego ADP (adenozynodifosforan) i wolna reszta fosforanowa. W niektórych reakcjach reszta fosforanowa jest przyłączana do substratu i wtedy produkt staje się fosforanem. W reakcji aktywacji kwasu tłuszczowego (acylu) do wielu przemian, czyli powstania acylo-CoA i aktywacji aminokwasu do biosyntezy białka, czyli powstania aminoacylo-tRNA zużywane są aż dwa wiązania z ATP, a z tych reakcji wychodzi AMP(adenozynomonofosforan) i reszta pirofosforanu.

Szacunkowe dzienne zapotrzebowanie na ATP w różnych tkankach jest następujące (g ATP/g tkanki): serce 16 g, mózg 6 g, nerki 24 g, wątroba 6 g, mięśnie szkieletowe w spoczynku 0,3 g, mięśnie szkieletowe podczas biegu 23,6 g.

Status metaboliczny komórki określany jest wartością jej „ładunku energetycznego”, opisywanego zależnością między stężeniem ATP, ADP i AMP. Jego wartość jest od zera do 0,83. Dąży do jedności, ale nigdy jej nie osiąga, ponieważ zawsze produkowane jest ciepło. „Ładunek energetyczny” obniża się przy niedoborze tlenu (warunki hipoksji) i intensywnej pracy mięśni oraz w chorobach wyniszczających. Wartość zero to śmierć komórki.

ATP jest przenośnikiem energii i przechodzi po jej oddaniu w ADP, ono musi być ponownie ładowane. Na poniższym schemacie pokazuję cykl metaboilczny tego przenośnika (1).

Na schemacie znajdują się związki dające energię podczas fosforylacji substratowej: z glikolizy, a mianowicie fosfoenolopirogronian i 1,3 dwufosfoglicerynian oraz z cyklu Krebsa bursztynylo-CoA. Zaznaczona jest także fosforylacja oksydacyjna i energia pochodząca z magazynu, jakim jest fosfokreatyn (fosfagen).

Poza ATP i nukleotydami (trójfosforany nukleotydów występujących na przykład w RNA i DNA), jak już wspomniałam do związków wysokoenergetycznych należą trzy fosforany: fosfoenolopirogronian, dwufosfoglicerynian i fosfokreatyna. Te dwa fosforany są dawcami energii dla ATP w fosforylacji substratowej podczas glikolizy. Koenzym będący pochodną witaminy B5 – koenzym A (CoA), łączy się zawsze z kwasem tłuszczowym wiązaniem wysokoenergetycznym, ale poprzez siarkę (wiązanie tiolowe). W takiej postaci kwas tłuszczowy jest doprowadzany do wszelkich przemian. W cyklu Krebsa powstaje bursztynylo-CoA, który oddaje energię wyjątkowo z wytworzeniem GTP (guanylo trifosforanu) i to jest fosforylacja substratowa. Wiązanie wysokoenergetyczne występuje w jeszcze jednej przemianie, a mianowicie jest to biosynteza białka (zapraszam: „Zrozumieć białko – metabolizm”). W niej jest połączenie wysokoenergetyczne miedzy aminokwasem a tRNA z wytworzeniem aminoacylo tRNA uczestniczącym następnie w powstawaniu wiązania peptydowego. Z kolei fosfokreatyna (fosfagen) przechowuje energię w mięśniach dla ich pracy i w momencie zapotrzebowania na nią przekazuje resztę fosforanową z energię na ADP, z którego powstaje potrzebne komórce mięśniowej ATP.

„Ładowanie” energetyczne

Są trzy drogi metaboliczne, w których ma miejsce „ładowanie” ATP. Jest to: „fosforylacja substratowa”, „fosforylacja oksydacyjna” i działanie kinaz. Pierwsza z nich przebiega bez udziału tlenu cząsteczkowego, na poziomie substratu, podczas glikolizy, a więc może zachodzić nawet w erytrocytach (strukturach pozbawionych mitochondriów) i w czasie niedoboru tlenu w normalnej komórce. Kiedy działają mitochondria, to fosforylacja substratowa zachodzi też w cyklu Krebsa.                                         Przy właściwej zawartości tlenu w komórce działają obecne w niej mitochondria i wtedy bez przeszkód jest w nich generowana energia. Pochodzi ona z syntezy wody, czyli spalania wodoru w tlenie. Jak wiadomo jest to mieszanina wybuchowo piorunująca i powstaje w niej bardzo dużo energii.

Synteza wody

W mitochondriach nic by nie było z wykorzystania energii dla naszych celów, gdyby nie „łańcuch oddechowy”. Tam gwałtowna reakcja syntezy wody jest spowalniana i nie dochodzi do gwałtownego jej uwolnienia – „wielkiego bum”. W bardzo zabawny sposób zilustrował „łańcuch oddechowy” Szymon Kobyliński (grafik, twórca „Piórkiem i węglem” rysownikkarykaturzystasatyrykhistorykscenograf głównie teatralny, ale także filmowy, jeden z prekursorów polskiego komiksu) w książce „Życie bakterii” autorstwa profesora Władysława Kunickiego Goldfingera. Pokazuję tę ilustrację poniżej:

Jak zaznaczył grafik elementami „łańcucha oddechowego” są różne kofaktory związane z białkami błony mitochondrialnej. Właśnie jednym z nich jest pochodna witaminy B2 (na ilustracji jest to FAD). Elementy zawierające energię (zredukowane – z wodorem i elektronami) wchodzą do „łańcucha oddechowego”, a potem w formie utlenionej (oddały energię, wodór i elektrony) oczekują na „naładowanie” w wyniku przemian katabolicznych w komórce. Z wodoru i tlenu powstaje woda metaboliczna. Produkujemy jej około 300 mililitrów na dobę. 40% z uwolnionej w sposób stopniowy energii daje nam ciepło. Tak na marginesie to najcieplej jest w wątrobie – ogromnej przetwórni metabolicznej. 60% uwalnianej energii zamykane jest w ATP w wyniku fosforylacji nazywanej oksydacyjną („tlenową”). Enzymem katalizującym tę fosforylację jest bardzo złożona w swej budowie i działaniu syntaza ATP. Składa się na nią wiele białek i działa jak „przepompownia” dla jonów wodorowych w błonie mitochondrialnej.

Trzecia droga powstawania ATP i innych trójfosforanów nukleotydów obdarzonych energią to działanie enzymów kinaz przenoszących energię z resztą fosforanową na potrzebne na danym etapie metabolicznym nukleotydy. Ta kinaza, która przenosi energię z fosfokreatyny, nazywa się miokinaza i jest niezwykle ważna dla metabolizmu mięśni.

Ryboflawina – czy witamina B2 ma coś wspólnego z rybą?

Żółty związek (łac:flavus – żółty), pierwszy raz opisany w 1879 roku, okazał się laktoflawiną, bo znaleziono go w mleku. (2). Ponad 50 lat później odkryto enzymy flawinowe. W 1932 roku O.H. Warburg i W. Christian wyodrębnili z drożdży (nadal są uważane za świetne źródło witaminy B2) FMN (mononukleotyd flawinowy). Z kolei w 1938 sam O.H. Warburg odkrył FAD (dinukleotyd flawinowy). Witamina B2 to żółto zabarwiony związek, którym jest ryboflawina. Syntetyzują ją rośliny i mikroorganizmy (3).

Obecnie E101 – ryboflawina, jest to naturalnym barwnik otrzymywany z drożdży lub na drodze syntezy. Nadaje on produktom spożywczym żółtopomarańczową barwę. Ryboflawinę stosuje się przy produkcji płatków kukurydzianych (także zbożowych), masła orzechowego, napojów kakao podobnych i kawy. Wykorzystuje się ją również jako substancję barwiącą w niektórych mieszankach przyprawowych, budyniach w proszku oraz napojach energetycznych.

Poniżej pokazuję cząsteczkę ryboflawiny (4):

W cząsteczce witaminy B2 występuje flawina (dimetyloizoaloksazyna) kowalencyjnie związana z rybitolem. Z kolei rybitol jest alkoholem pięciowęglowym wielowodorotlenowy (cukrol) i pewnie jego nazwa pochodzi nie od ryby, ale od pięciowęglowego cukru rybozy.

Jemy flawoproteiny i tabletki z ryboflawiną

W diecie występują flawoproteiny (ryboflawina związana z białkami komórkowymi), z których na drodze trawienia uwalniana jest ryboflawina. Wchłaniana jest w jelicie cienkim przy udziale energiochłonnych transporterów białkowego. Następnie we krwi związana z białkami dociera do komórek. Tu poprzez transportery błonowe dostaje się do ich wnętrza. Wspominam o tym szeregu różnych transporterów, ponieważ każda z tych struktur białkowych może ulec mutacji i być przyczyną chorób. Występują one niezwykle rzadko, ale jednak są i zakłócają szczególnie pracę mitochondriów (5).

W naszych komórkach z ryboflawiny i ATP syntetyzowane są koenzymy FMN (mononukleotyd flawinowy – ester kwasu fosforowego i ryboflawiny), a z niego FAD (dinukleotyd flawinowy – ester kwasu fosforowego i ryboflawiny połączony z adenylanem – AMP). Enzymami katalizującym te reakcje są odpowiednie kinazy. Aktywność tych kinaz jest hamowana przez podobne pod względem budowy chemicznej do ich substratów fenotiazyny (fenotizyny – leki antypsychotyczne) (7). Może wystąpić defekt genetyczny związany z ich działaniem. Na poniższym schemacie pokazuję powstawanie FMN i FAD w komórce:

Sama ryboflawina nie jest najlepiej rozpuszczalna w wodzie i pewnie dlatego wymaga do transportu różnych białek. Ostatecznie powstaje z niej w mitochondriach i cytoplazmie FMN i FAD. FMN to nukleotyd sam w sobie ryboflawina zestryfikowana resztą fosforanową. Zarówno FMN, jak i jego sól sodowa (FMN-Na) stosowane są jako żółte barwniki spożywcze (oznaczane odpowiednio jako E101a i E106. Przyłącza on dwa elektrony i przechodzi wtedy w formę zredukowaną FADH2.  FAD to dinukleotyd, czyli FMN z dołączonym nukleotydem adenylanowym (AMP).

Tylko utlenianie i redukcja

FMN i FAD są związkami współdziałającymi z enzymami należącymi do klasy oksydoreduktaz (zapraszam: „Działanie bez sił witalnych…”). Są na stałe związane z białkiem enzymatycznym jako grupa prostetyczna. Uczestniczą w procesie przenoszenia elektronów. Mogą reagować z tlenem cząsteczkowym. Obecnie znanych jest ponad 100 flawoprotein. Częściej w nich występuje FAD niż FMN. W wielu przemianach enzymy flawinowe pośredniczą w przenoszeniu elektronów na NAD (pochodna witaminy B3). Poniżej wymieniam przykładowo kilka oksydoreduktaz mających kluczowe znaczenie w metabolizmie. Reduktaza dihydroliponamidowa (NAD+, stanowiąca element wieloenzymatycznego układu dehydrogenazy pirogronianowej, dehydrogenazy 2-okso-glutaranianiowej i dehydrogenazy (zapraszam „Czy płukać ryż -witamina B1”).

Dehydrogenaza NADH (to nazwa enzymu, ma jako grupę aktywną FMN), katalizuje przeniesienie elektronu z NADH na odpowiedni akceptor, np. na układ cytochromów w „łańcuchu oddechowym”. Dehydrogenaza bursztynianowa (z FAD), katalizująca proces utleniania bursztynianu do fumaranu w cyklu Krebsa przekazuje energię na „łańcuch oddechowy”. Z katabolizmu kwasów tłuszczowych i aminokwasów FADH2 będzie dowoził energię do łańcucha oddechowego.

Na poniższym schemacie pokazuję udział pochodnych B2 (żółte koła) w generowaniu energii w mitochondriach (5):

Fosforylacja oksydacyjna, czyli powstanie ATP w wyniku działania łańcucha oddechowego łączy się z chemiosmozą

Fosforylacja oksydacyjna polega na przemieszczaniu protonów przez błony białkowo-lipidowe (błony mitochondrialne) z wytworzeniem ATP na drodze chemiosmozy. Pojęcie to wprowadził Peter D. Mitchell, tłumacząc powstawanie ATP w mitochondriach, polegające na zamianie energii zgromadzonej w postaci gradientu elektrochemicznego na energię wiązań w ATP. W 1978 otrzymał za tę pracę Nagrodę Nobla. Mitchell zaproponował, że transport elektronów i fosforylacja oksydacyjna (synteza ATP) są powiązane ze sobą przez gradient protonów w poprzek wewnętrznej błony mitochondrium. Zgodnie z tym stopniowy przepływ elektronów z NADH lub FADH2 przez układ przenośników elektronów na tlen powoduje uwalnianie energii. Jest ona wykorzystywana do przepompowania protonów przez wewnętrzną błonę mitochondrium do przestrzeni międzybłonowej.

Poznano ponad 100 enzymów

Z pośród ponad 100 enzymów mających w swej cząsteczce nukleotyd FMN lub FAD (częściej) podam kilka przykładów. 

Reduktaza metylenotetrahydrofolianu (MTHFR) wpływa na metabolizm pochodnej kwasu foliowego (zapraszam: „Liście życia – kwas foliowy”)

Flawoproteiny katalizują pierwszy etap, tj. odwodorowanie kwasów tłuszczowych w procesie ich utleniania (beta-oksydacji), czyli katabolizmu;

Z kolei w katabolizmie aminokwasów biorą udział oksyksydazy aminokwasowe (zapraszam: „Criminal story…”).

W produkcji kwasu moczowego jest oksydaza ksantynowa, katalizująca proces utleniania ksantyny do kwasu moczowego.

Oksydaza monoaminowa (MAO) i oksydaza diaminowa (DAO), katali­zują odpowiednio oksydatywną deaminację monoamin i diamin; są one zaangażowane w metabolizm neuroprzekaźników.

Monooksygenazy flawoproteinowe, monooksygenaza kinureninowa, której działanie prowadzi do syntezy amidu kwasu nikotynowego (witamina B3) z egzogennego aminokwasu tryptofanu (zapraszam: „Criminal story…”).

Enzymy flawinowe są zaangażowane w procesy wolnorodnikowe i są istotne u nas w procesie fagocytozy.

Działanie pochodnych witaminy B2 to utlenianie i redukcja, „przeskakiwanie elektronów”. Procesy te są rozpowszechnione we wszystkich naszych komórkach.

Zalecane dobowe spożycie witaminy B2 u różnych grup wiekowych człowieka (bez uwzględnienia ciąży) (7) :

Najbardziej wydajne naturalne źródła witaminy B2 (w kolejności malejącej zawartości): drożdże, nabiał, mięso ssaków, ptaków i ryb („owoców morza”), zboża.

Gotowanie, wysoka temperatura nie niszczy witaminy B2, natomiast jej straty w żywności powoduje wystawianie jej na działanie promieni słonecznych; na przykład podczas jej suszenia, ponieważ ryboflawina jest fotolabilna (uszkadza ją ultrafiolet). Ubytki B2 powstają także w wyniku przemiału zbóż, ponieważ najwięcej jej jest w zarodkach i otrębach (3).

Osoby powyżej 50. roku życia powinny zażywać 1,6 – 2,2 mg ryboflawiny na dobę w celu zredukowania ryzyka rozwinięcia się u nich zaćmy (6).

Ryboflawina jest niewątpliwie niezbędna dla naszej kondycji i zdrowia. Aktywność jej pochodnych jest potrzebna we wszystkich komórkach, gdzie „przeskakują” elektrony. Nie odnotowuję się jej niedoborów i nie podkreśla szkodliwości nadmiaru. Ten ostatni można spowodować tylko droga iniekcji ogromnych ilości ryboflawiny. Zapraszam na drugą część, w której przedstawię powiązanie aktywności FMN i FAD z pochodnymi witaminy B3 i jej udziale w naszym metabolizmie .

Dla szczególnie zainteresowanych polecam opracowanie z 2020 roku: „Ryboflavin: The Health Benefits of Forgotten Natural Vitamin” (z ang: „Ryboflawina: zdrowotna korzyść z zapomnianej naturalnej witaminy”) (2).  

Literatura

  1. Marks’Basic Medical Biochemistry ISBN 9781496387721
  2. Int J Mol Sci, 2020, 21, 950; doi: 103390/ijms21030950
  3. Moszczyński P., Pyć R, “Biochemia witamin”, Wydawnictwo Naukowe PWN, Łódź 1999.
  4. Cząsteczka ryboflawiny witaminy B2 Model 3D – TurboSquid 1422556
  5. Riboflavin metabolism: role in mitochondrial function (jjggjournal.com)
  6. Riboflavin | Linus Pauling Institute | Oregon State University
  7. Szostak W.B, Walczak A, „Witaminy w profilaktyce miażdżycy”, BIBLIOTECZKA LEKARZA FARMACEURTY, WYDAWNICTWO LEKARZA FARMACEUTY HOLBEX Sp. z o.o., Warszawa 2001 W szerokim zakresie korzystałam z WIKIPEDIA [pvc_1]

Dodaj komentarz

Twój adres email nie będzie publikowany.