biološka oksidacija
biološka oksidacija - je skup redoks transformacija razne supstance u živim organizmima. Redox reakcije nazivaju se reakcije koje se javljaju s promjenom oksidacijskog stanja atoma zbog preraspodjele elektrona između njih.
Vrste bioloških oksidacijskih procesa:
1) aerobna (mitohondrijska) oksidacija dizajniran je za izdvajanje energije hranjivih tvari uz sudjelovanje kisika i njegovu akumulaciju u obliku ATP-a. Aerobna oksidacija se još naziva tkivno disanje, jer tokom svog toka tkiva aktivno troše kiseonik.
2) anaerobna oksidacija- ovo je pomoćni način za izdvajanje energije tvari bez sudjelovanja kisika. Anaerobna oksidacija Ima veliki značaj sa nedostatkom kiseonika, kao i pri izvođenju intenzivnog mišićnog rada.
3) mikrozomalna oksidacija Namijenjen je za neutralizaciju lijekova i otrova, kao i za sintezu različitih supstanci: adrenalina, norepinefrina, melanina u koži, kolagena, masnih kiselina, žučnih kiselina, steroidnih hormona.
4) oksidacija slobodnih radikala neophodan za regulaciju obnavljanja i propusnosti ćelijskih membrana.
Glavni put biološke oksidacije je mitohondrijski povezana sa snabdijevanjem tijela energijom u pristupačnom obliku. Izvori energije za ljude su različita organska jedinjenja: ugljikohidrati, masti, proteini. Kao rezultat oksidacije, hranjive tvari se razlažu do finalnih proizvoda, uglavnom do CO 2 i H 2 O (prilikom razgradnje proteina nastaje i NH 3). Energija koja se oslobađa u ovom procesu pohranjuje se u obliku energije hemijske veze makroergijska jedinjenja, uglavnom ATP.
Makroergijski organska jedinjenja živih ćelija koja sadrže veze bogate energijom nazivaju se. Tokom hidrolize makroergijskih veza (označenih vijugavom linijom ~), oslobađa se više od 4 kcal/mol (20 kJ/mol). Makroergijske veze nastaju kao rezultat preraspodjele energije kemijskih veza u procesu metabolizma. Većina visokoenergetskih jedinjenja su fosforni anhidridi, kao što su ATP, GTP, UTP, itd. Adenozin trifosfat (ATP) zauzima centralno mjesto među supstancama s makroergijskim vezama.
adenin - riboza - P ~ P ~ P, gdje je P ostatak fosforne kiseline
ATP se nalazi u svakoj ćeliji u citoplazmi, mitohondrijima i jezgrama. Reakcije biološke oksidacije praćene su prijenosom fosfatne grupe na ADP uz stvaranje ATP-a (ovaj proces se naziva fosforilacija). Dakle, energija se pohranjuje u obliku ATP molekula i, ako je potrebno, koristi se za obavljanje razne vrste rad (mehanički, električni, osmotski) i za sprovođenje procesa sinteze.
Sistem objedinjavanja oksidacionih supstrata u ljudskom tijelu
Direktna upotreba hemijske energije sadržane u molekulima prehrambenih supstanci je nemoguća, jer kada se intramolekularne veze razbiju, oslobađa se ogromna količina energije koja može dovesti do oštećenja ćelija. Da bi nutrijenti koji ulaze u organizam prošli niz specifičnih transformacija, tokom kojih dolazi do višestepenog razlaganja kompleksa organskih molekula na jednostavnije. To omogućava postupno oslobađanje energije i skladištenje u obliku ATP-a.
Proces transformacije raznih složene supstance u jedan energetski supstrat se naziva ujedinjenje. Postoje tri faze ujedinjenja:
1. Pripremna faza javlja se u probavnom traktu, kao iu citoplazmi tjelesnih ćelija . Velike molekule se razlažu na svoje sastavne strukturne blokove: polisaharide (škrob, glikogen) - do monosaharida; proteini - do aminokiselina; masti - do glicerola i masnih kiselina. Time se oslobađa mala količina energije (oko 1%), koja se raspršuje u obliku topline.
2. transformacije tkiva počinje u citoplazmi ćelija i završava u mitohondrijima. Nastaju još jednostavniji molekuli, a broj njihovih tipova je značajno smanjen. Nastali proizvodi su zajednički za metaboličke puteve raznih supstanci: piruvat, acetil-koenzim A (acetil-CoA), α-ketoglutarat, oksaloacetat, itd. koenzim A – aktivni oblik vitamina B 3 (pantotenska kiselina). Procesi razgradnje proteina, masti i ugljikohidrata konvergiraju u fazi formiranja acetil-CoA, nakon čega se formira jedan metabolički ciklus. Ovu fazu karakterizira djelomično (do 20%) oslobađanje energije, čiji se dio akumulira u obliku ATP-a, a dio se raspršuje u obliku topline.
3. Mitohondrijski stadijum. Proizvodi nastali u drugoj fazi ulaze u ciklički oksidacioni sistem - ciklus trikarboksilne kiseline (Krebsov ciklus)
i povezani mitohondrijski respiratorni lanac. U Krebsovom ciklusu, acetil-CoA se oksidira u CO 2 i vodik povezan s nosačima - NAD + H 2 i FAD H 2. Vodik ulazi u respiratorni lanac mitohondrija, gdje se kisikom oksidira do H 2 O. Ovaj proces prati oslobađanje približno 80% energije hemijskih veza tvari, od kojih se dio koristi za formiranje ATP, a dio oslobađa se u obliku toplote.
Faze |
Vjeverice |
Ugljikohidrati (polisaharidi) |
Masti |
I pripremni; 1% hranljive energije se oslobađa (kao toplota); |
amino kiseline |
|
glicerol, masna kiselina |
|
II transformacije tkiva; 20% energije kao toplota i ATP |
acetil-CoA (CH 3 -CO ~ SKoA) |
||
|
III mitohondrijski stadijum; 80% energije (oko polovina je u obliku ATP-a, ostatak je u obliku toplote). |
Ciklus trikarboksilne kiseline Respiratorni lanac mitohondrija O 2 |
||
Klasifikacija i karakterizacija glavnih oksidoreduktaza u tkivima
Važna karakteristika biološke oksidacije je da se odvija pod dejstvom određenih enzima. (oksidoreduktaza). Svi potrebni enzimi za svaku fazu se kombinuju u ansamble, koji su, po pravilu, fiksirani na različitim ćelijskim membranama. Kao rezultat koordiniranog djelovanja svih enzima, kemijske transformacije se provode postupno, kao na pokretnoj traci. U ovom slučaju, produkt reakcije jedne faze je polazno jedinjenje za sljedeću fazu.
Klasifikacija oksidoreduktaza:
1. Dehidrogenaze izvršiti eliminaciju vodika iz oksidiranog supstrata:
SH 2 + A → S + AH 2
U procesima povezanim sa ekstrakcijom energije, najčešći tip bioloških reakcija oksidacije je dehidrogenacija, odnosno eliminacija dva atoma vodika iz oksidiranog supstrata i njihov prijenos na oksidacijsko sredstvo. Zapravo, vodonik u živim sistemima nije u obliku atoma, već je zbir protona i elektrona (H+ i ē), čiji su putevi kretanja različiti.
Dehidrogenaze su složeni proteini, njihovi koenzimi (neproteinski dio kompleksnog enzima) mogu biti i oksidacijski i redukcijski agens. Uzimanjem vodonika iz supstrata, koenzimi se pretvaraju u redukovani oblik. Reducirani oblici koenzima mogu donirati vodikove protone i elektrone drugom koenzimu koji ima veći redoks potencijal.
1) PREKO + - i NADP + -zavisne dehidrogenaze(koenzimi - PREKO + i NADP + - aktivni oblici vitamina PP ). Iz oksidiranog supstrata SH 2 vezana su dva atoma vodika i nastaje redukovani oblik - NAD + H 2:
SH 2 + PREKO + ↔ S + PREKO + H 2
2) FAD zavisne dehidrogenaze(koenzimi - FAD i FMN - aktivni oblici vitamina B 2). Oksidacijske sposobnosti ovih enzima omogućavaju im da prihvate vodonik i direktno iz oksidiranog supstrata i iz reduciranog NADH 2 . U tom slučaju nastaju reducirani oblici FAD·H 2 i FMN·H 2.
SH 2 + FAD ↔ S + FAD H 2
PREKO + N 2 + FMN ↔ PREKO + + FMN N 2
3) koenzimQili ubikinon, koji može dehidrogenirati FAD H 2 i FMN H 2 i vezati dva atoma vodika, pretvarajući se u KoQ H 2 ( hidrokinon):
FMN N 2 + KoQ ↔ FMN + KoQ N 2
2. Nosioci elektrona hemičke prirode koji sadrže željezo – citohromib, c 1 , c, a, a 3 . Citohromi su enzimi koji pripadaju klasi hromoproteina (obojenih proteina). Neproteinski dio citohroma predstavlja heme koji sadrži željezo i po strukturi je sličan hemu hemoglobina. Jedna molekula citokroma može reverzibilno prihvatiti jedan elektron, dok se oksidacijsko stanje željeza mijenja:
citokrom (Fe 3+) + ē ↔ citokrom (Fe 2+)
Citohromi aa 3
formiraju kompleks tzv citokrom oksidaza. Za razliku od drugih citohroma, citokrom oksidaza je u stanju da stupi u interakciju sa kiseonikom, konačnim akceptorom elektrona.
Ciklus trikarboksilne kiseline (TCA)
Ovaj proces se još naziva citratni ciklus ili Krebsov ciklus nazvan po engleskom naučniku koji je sugerisao da ćelije imaju oksidativni ciklični sistem reakcija. CTK je razgradnja acetil-CoA u mitohondrijima do CO 2 i vodika povezanog s nosačima (NAD i FAD).
U prvom koraku procesa, acetil-CoA reaguje sa oksaloacetatom (oksaloacetatnom kiselinom) da bi se formirao citrat (limunska kiselina). Nadalje, 2 molekula ugljičnog dioksida i 4 para atoma vodika se sekvencijalno odvajaju od limunske kiseline, a oksalooctena kiselina se ponovo formira, zbog čega se proces naziva ciklus .
TCA je povezan sa tkivnim disanjem. Metaboliti srednjeg ciklusa su oksidacijski supstrati (izocitrat, α-ketoglutarat, sukcinat i malat). U ciklusu se oksidiraju (dehidrogeniraju) pod djelovanjem NAD- i FAD-zavisnih dehidrogenaza. Istovremeno se obnavljaju NAD i FAD, tj. dodati vodonik:
izocitrat + NAD → oksalosukcinat + NADH 2
(izocitritna kiselina) (oksalosukcinska kiselina)
α-ketoglutarat + NAD → sukcinil-CoA + NADH 2
(α-ketoglutarna kiselina) (aktivni oblik jantarne kiseline)
sukcinat + FAD → fumarat + FADH 2
(jantarna kiselina) (fumarna kiselina)
malat + NAD → oksaloacetat + NADH 2
(jabučna kiselina) (oksalosirćetna kiselina)
Vodonik iz Krebsovog ciklusa (kao NADH 2 i FADH 2) ulazi u respiratorni lanac, gdje se koristi kao vrsta goriva. U respiratornom lancu, vodikovi protoni i elektroni se prenose na kiseonik i formiraju vodu. Energija koja se oslobađa u ovom procesu koristi se za formiranje ATP-a.
Biološka uloga ciklusa:
Na nivou Krebsovog ciklusa kombinuju se putevi za razgradnju ugljikohidrata, lipida i proteina;
Metaboliti Krebsovog ciklusa koriste se za sintezu drugih supstanci (oksalosirćetna kiselina → glukoza, asparaginska kiselina; α-ketoglutarna kiselina → glutaminska kiselina, jantarna kiselina → hem);
Krebsov ciklus je glavni sistem opskrbe vodonikom za mitohondrijski respiratorni lanac. Ukupna jednadžba za konverziju acetil-CoA u Krebsovom ciklusu:
CH 3 -C ~ SCoA + 2H 2 O + H 3 RO 4 + ADP + 3NAD + FAD → 2CO 2 + 3NAD ∙ H 2 + FAD ∙ H 2 + ATP + CoASh
║ ↓ ↓O 9 ATP 2 ATP
Dakle, kada se jedan molekul acetil-CoA oksidira u Krebsovom ciklusu, 12 ATP molekula: u respiratornom lancu povezanom s ciklusom - 11 molekula; u samom ciklusu - 1 ATP molekul u fazi konverzije sukcinil-CoA u sukcinat:
GTP + ADP → ATP + GDP (ponovo ulazi u ciklus)
Struktura i funkcije respiratornog lanca
D 
respiratorni (transport elektrona) lanac se nalazi u mitohondrijima, koji
su organele ovalnog oblika koje su dio gotovo svih ćelija tijela. Svaki mitohondrion je okružen sa dve membrane: spoljašnjom i unutrašnjom. Vanjska membrana je glatka, unutrašnja formira brojne grebenaste nabore - cristae. Kriste uvelike povećavaju površinu unutrašnje membrane, pružajući mjesto za enzimske sisteme respiratornog lanca. Prostor između vanjske i unutrašnje membrane je intermembranski prostor. Prostor između krista je ispunjen vodena sredina pozvao matrica. Matrica sadrži enzime ciklusa trikarboksilne kiseline i druge oksidativne enzime.
Prenos elektrona i protona vodonika na kiseonik vrši se na unutrašnjoj membrani mitohondrija uz pomoć nekoliko tipova redoks enzimskih sistema, čiji ukupnost čini tzv. respiratorni lanac. Komponente respiratornog lanca ugrađene su u unutrašnju membranu mitohondrija i djeluju kao jedan respiratorni ansambl.
Dišni lanac je svojevrsni transporter za prijenos elektrona sa oksidiranog supstrata na kisik. Sastoji se od nekoliko tipova nosača ē i H + , a može se predstaviti kao sljedeća generalizovana šema:
2H 2H 2' 2' 2' 2' 2'
H 
AD → FMN → KoQ → 2 cit.b → 2 cit.c 1 → 2 cit.c → 2 cit.aa 3 → ½ O 2 → O 2- → H 2 O
SH 2 FAD 2H +
(izocitrat,
α-ketoglutarat, SH 2
malat, itd.) (sukcinat, itd.)
U procesu razgradnje ugljikohidrata, masti i proteina nastaju spojevi koji su supstrati biološke oksidacije (SH 2). Oni se pretežno formiraju u Krebsovom ciklusu (izocitrat, α-ketoglutarat, sukcinat, malat). Pod dejstvom NAD- i FAD-zavisnih dehidrogenaza, od njih se odvajaju dva atoma vodika. Nakon toga počinje transport vodikovih protona i elektrona duž respiratornog lanca.
Redukovani NADH 2 stupa u interakciju s dehidrogenazom koja sadrži FMN kao koenzim. FMN prihvata (odnosi) vodonik odcijepljen od NADH 2 .
Sljedeća komponenta respiratornog lanca, koenzim Q (ubikinon), prihvata 2H iz FMN. Ubikinon je ključna tačka u kojoj vodonik teče u respiratorni lanac iz raznih supstrata.
Ako su prve 3 komponente respiratornog lanca - NAD, FMN i ubikinon - nosile vodonik, odnosno: i protone i elektrone, onda, počevši od citokroma b a do kiseonika, tokovi protona i elektrona su razdvojeni, pošto dalji deo respiratornog lanca sadrži samo nosače elektrona. Od koenzima Q, dva elektrona se prenose na dva molekula citokroma b, zatim redom za citohrome c 1 , c, a, a 3 . Kiseonik spajanjem dva elektrona sa dva molekula citokroma a 3 , stupa u interakciju sa dva protona i pretvara se u vodu.
Smjer prijenosa elektrona u respiratornom lancu određen je redoks potencijalima nosača. Redox potencijal (E) karakteriše sposobnost molekula da prihvati elektrone. Što je veća E komponenta lanca, veća je njegova snaga kao oksidacijskog sredstva. Nosači u respiratornom lancu su raspoređeni po rastućem E, budući da se elektroni mogu donirati samo spojevima s većim redoks potencijalom. Kiseonik ima najveću sposobnost prihvatanja elektrona (E = +0,82V), a najnižu vodonik (E = -0,42V). Tako kisik, kao najjači oksidant, stvara pokretačka snaga da nose elektrone duž respiratornog lanca.
Mehanizam sprege oksidacije i fosforilacije
Pad potencijala od H 2 do O 2 je 1,24 V, što je teoretski dovoljno za sintezu 6 ATP molekula, ali se ne sintetizira više od tri.
SH 2 + ½ O 2 S + H 2 O (oksidacija)
3ADP + 3H 3 RO 4 3ATP (fosforilacija)
ATP se formira dodavanjem ostatka fosforne kiseline u ADP. Ovaj proces se zove fosforilacija. Dakle, dva procesa: proces biološke oksidacije (transfer protona i elektrona kroz respiratorni lanac) i proces fosforilacije (formiranje ATP-a) su konjugirani, jer se energija nastala tokom oksidacije koristi za fosforilaciju. Zbog toga nastanak ATP-a zbog energije oslobođene prilikom prolaska elektrona kroz respiratorni lanac naziva se oksidativna fosforilacija.
Za kvantificiranje sprege oksidacije i fosforilacije koristimo se koeficijent fosforilacije- stav R/O. Ovaj koeficijent pokazuje koliko atoma anorganskog fosfora apsorbuju mitohondriji kada se apsorbuje jedan atom kiseonika (ili kada se jedan par elektrona prenese na kiseonik).
Proračuni pokazuju da za formiranje jedne makroergijske veze ATP-a, čija je cijena najmanje 40 kJ/mol, pad redoks potencijala između sudionika u respiratornom lancu iznosi približno 0,22 V po paru prenesenih elektrona. Postoje samo tri mjesta u respiratornom lancu s razlikom u o/v potencijalima dovoljnim za sintezu ATP-a ( tri mjesta konjugacije oksidacije i fosforilacije):
I - između NAD∙H 2 i FMN;
II - između citohroma b i c;
III - između citohroma a i a 3 .
U ovim fazama oslobađanje energije je dovoljno za sintezu ATP-a. U preostalim fazama razlika u v/w potencijalima je nedovoljna za sintezu ATP-a i oslobođena energija (oko 40-50%) se raspršuje u obliku topline. Dakle, kada dva elektrona prođu kroz respiratorni lanac, koji počinje NAD-ovisnim dehidrogenazama, formiraju se tri ATP molekula. U ovom slučaju, koeficijent P/O = 3.
Neki oksidacijski supstrati (sukcinat, masne kiseline) imaju veći redoks potencijal od NAD. Stoga ih oksidiraju ne NAD-, već dehidrogenaze zavisne od FAD. Kada se takve tvari oksidiraju, formiraju se samo dvije ATP molekule, jer se preskače jedna točka konjugacije oksidacije i fosforilacije. Dakle, koeficijent P/O = 2.
Izračunate su date vrijednosti koeficijenata fosforilacije, stvarna vrijednost ovog koeficijenta u fiziološkim uslovima je R/O ≈ 2.5.
P/O koeficijent može imati i niže vrijednosti (P/O odvajanje oksidacije i fosforilacije. U tom slučaju dolazi do redoks procesa u respiratornom lancu, ali ne dolazi do fosforilacije (sinteze ATP), tj. respiratorni lanac radi, takoreći, u praznom hodu. Sva energija oksidiranih supstanci pretvara se u toplotu.Mitohondrije postaju neka vrsta ćelijske "šporete" koja proizvodi toplotu.To je neophodno u situacijama kada je potreba za toplotom za telo veća od potreba za ATP-om, na primjer, za održavanje tjelesne temperature tokom hlađenja.
mikrozomalna oksidacija
Zajedno s tkivnim disanjem, koje uključuje od 80% do 90% kisika koji osoba troši, u tijelu se stalno javljaju i druge reakcije koje uključuju kisik, uključujući mikrosomalni i slobodni radikal oksidacija.
Mikrosomalna oksidacija nije povezana sa sintezom ATP-a. Mehanizam ove vrste oksidacije supstrata kisikom predviđa takvu interakciju supstrata (S) s molekularnim kisikom, pri čemu je jedan atom kisika uključen u oksidirani supstrat, a drugi u molekulu vode. Zbog uključivanja kisika u molekulu oksidiranog supstrata nastaje hidroksilna grupa (-OH), pa ovu vrstu oksidacija se naziva hidroksilacija.
SH + O 2 + A ∙ H 2 → S-OH + H 2 O + A
gdje je SH oksidirani supstrat; A ∙ H 2 je donor vodonika (askorbinska kiselina ili NADP ∙ H 2).
Enzimi uključeni u oksidaciju oksigenaze nazivaju se hidroksilaze, ili oksigenaze. Ovi enzimi sadrže ione metala s promjenjivom valentnošću (Fe, Cu) u aktivnom centru. Hidroksilaze mogu postojati u rastvorljivom obliku u ćelijskom soku, ili kao posebne grupe oksidativnih enzima koji se nalaze u membranama citoplazmatskog retikuluma ćelija jetre, mitohondrija ćelija kore nadbubrežne žlezde itd. Kada se tkivo trlja, fragmenti citoplazmatskog retikuluma spontano se zatvaraju u strukture nalik mjehurićima tzv. mikrozomi Stoga se ova vrsta oksidacije naziva mikrosomalna. Grupa mikrosomalnih oksidativnih enzima je ciklički lanac transporta elektrona i protona, čiji je izvor uglavnom NADP∙H 2 . Glavna komponenta ovog sistema je citokrom P 450 sa katjonom gvožđa (Fe 3+ ↔ Fe 2+) u aktivnom centru, gde počinje oksidacija supstrata. Naziv citokroma je zbog činjenice da njegov redukovani oblik veže ugljen monoksid CO i dobija karakterističnu apsorpciju svetlosti na 450 nm.
Kada citokrom P 450 stupi u interakciju sa supstratom i kisikom, oni se aktiviraju i ne samo da se supstrat oksidira, već i NADP∙H 2. Zbog toga, citokrom P 450 daje četiri elektrona molekulu kiseonika. Kao rezultat, jedan od atoma kisika se uvodi zajedno S-N konekcije molekula oksidiranog supstrata, a drugi se reducira stvaranjem vode.
Biološka uloga mikrosomalne oksidacije:
1. Sinteza raznih supstanci. Rastvorljivi enzimi uz učešće askorbinske kiseline kao donora vodika provode sintezu adrenalina i noradrenalina u hromafinskom tkivu; pigment melanina iz tirozina u koži, šarenici i retini; Glavni protein vezivnog tkiva je kolagen. Mikrosomalni enzimi su uključeni u stvaranje nezasićenih masnih kiselina; žučne kiseline i steroidni hormoni nadbubrežne žlijezde iz kolesterola, leukotrieni iz arahidonske kiseline.
2. Neutralizacija raznih toksičnih tvari u jetri. Ovo posebno važi za strane supstance koje nisu prirodnog porekla, tzv ksenobiotici. Mikrosomalnom oksidacijom otrovne tvari postaju topive u vodi, zbog čega se ne akumuliraju u ćeliji, već se lako izlučuju urinom. Poznato je više od 7.000 naziva jedinjenja koja oksidira mikrozomalni sistem jetre. Jedna od glavnih karakteristika citokroma P 450 je sposobnost njegovog proteina da promijeni svoju konformaciju kao odgovor na pojavu jednog ili drugog ksenobiotika u tijelu, čime se osigurava učinkovita interakcija s njim. Zbog ove prilagodljivosti, citokrom P 450 je univerzalni enzim za detoksikaciju koji može stupiti u interakciju sa gotovo svim spojevima. Jedini uslov za supstrat koji se može oksidirati je da mora biti nepolaran, jer se citokrom P 450 nalazi u lipidnom sloju membrane.
Oksidacija slobodnih radikala
Slobodni radikali su čestice sa nesparenim elektronom (prisustvo nesparenog elektrona je označeno tačkom ·). Glavni izvor radikala u ljudskom tijelu je molekularni kisik, a u slučaju izlaganja zračenju - voda ( radioliza vode). Od 1 do 3% kiseonika koji osoba troši troši se na stvaranje slobodnih radikala. Molekul kiseonika sadrži dva nesparena elektrona i predstavlja ·O 2 · biradikal. Međutim, nespareni elektroni su raspoređeni tako da molekul O 2 ostaje relativno stabilan. Potpunom redukcijom (tkivno disanje), molekul kisika, uzimajući četiri elektrona i četiri protona, pretvara se u dvije molekule vode. Kod nepotpune redukcije kisika nastaju različiti aktivni oblici. To reaktivne vrste kiseonika vezati:
O 2 ‾ - superoksidni radikal(+ H + → NE 2 hidroperoksidni radikal)
↓+ ē (+2N +)H 2 O 2 - vodikov peroksid
·ON - hidroksilni radikal
Pod dejstvom svetlosti molekularni kiseonik prelazi u singletno stanje, tj. in singletni kiseonik O 2", u kojoj su svi elektroni upareni. Singletni kiseonik je nestabilan, poluživot je 45 minuta. Aktivniji je u reakcijama oksidacije od molekularnog kiseonika. Oksidaciona sposobnost reaktivnih vrsta kiseonika raste sledećim redosledom:
O 2 → O 2 "→ O 2 ─ → HO 2 → H 2 O 2 → HO
Stvaranje reaktivnih vrsta kisika događa se u tijelu neprestano. U tijelu, toksični radikali koji sadrže kisik nastaju kada O 2 stupi u interakciju s metaloproteinima (hemoglobin, citohromi) koji sadrže katjone metala u nižim stepenima oksidacija (Fe 2+, Cu +, Mn 2+), primanje elektrona od njih:
Fe 2+ + O 2 → Fe 3+ + O 2 ─
Hemijske reakcije koje dovode do pojave slobodnih radikala su normalni procesi u ljudskom tijelu. Slobodni radikali nastaju kao rezultat tkivnog disanja, prijenosa kisika hemoglobinom, sinteze hormona, prostaglandina, fagocitoze, neutralizacije lijekova i raznih toksičnih supstanci od strane jetre, fizička aktivnost itd.
Nastale radikalne čestice, prvenstveno HO radikal, imaju izuzetno visok reaktivnost. Slobodni radikali reagiraju s gotovo svim molekulama, uzrokujući kršenje njihove strukture i funkcija: proteina, nukleinske kiseline, ugljikohidrati, lipidi. Slobodni radikali su posebno agresivni prema DNK i lipidima. Njihova interakcija sa DNK dovodi do kršenja genetskog koda i može postati izvor razvoja raka. Međutim, slobodni radikali su prvenstveno uključeni u reakcije lipidna peroksidacija (LPO). U ovom slučaju, nezasićene masne kiseline, koje su dio fosfolipida staničnih membrana, podliježu oksidaciji. LPO proces se može podijeliti na tri faze:
Ifaza - formiranje slobodnih radikala lipida:
RH + OH → R (R─CH 2 ─CH═CH─R "+ BUT → R─CH ─CH═CH─R" + H 2 O)
alil radikalIIfaza - proizvodnja lipidnih peroksida: oksidacija alilnog radikala molekularnim kisikom da nastane peroksidni radikal:
R + O 2 → ROO (R─CH ─CH═CH─R" + O 2 → R─CH─CH═CH─R")
│Peroksidni radikal se zatim redukuje u hidroperoksid oksidacijom druge molekule masne kiseline u slobodni radikal: ROO + RH → ROOH + R
LPO reakcije imaju lančani karakter, a nastali radikal R je uključen u razvoj lanca.
IIIstepen - otvoreni krug nastaje kada radikali interaguju jedni s drugima i stvaraju neaktivne proizvode, ili s antioksidansom. Produkti peroksidacije nezasićenih lipida su lipidni hidroperoksidi, kao i alkoholi, aldehidi, karboksilne kiseline. Dakle, prilikom razgradnje lipidnih hidroperoksida nastaje malondialdehid O═CH─CH 2 ─CH═O, koji stvara „poprečne veze” koje remete strukturu proteina.Fiziološka uloga procesa LPO je da reguliše obnavljanje i propusnost lipida u biološkim membranama. Međutim, ako se stvore uvjeti za stvaranje velikog broja slobodnih radikala, tada proces lipidne peroksidacije može dobiti lavinski karakter. To može dovesti do promjene fizičko-hemijskih svojstava lipidne faze membrane, što zauzvrat dovodi do poremećaja transportnih, receptorskih i drugih funkcija, te narušavanja strukturnog integriteta membrana do njihovog potpunog uništenja i smrti stanice. Osim toga, aktivnost enzima je potisnuta i akumuliraju se jedinjenja peroksida opasna po zdravlje.
Pod ekstremnim i patogenim djelovanjem na organizam naglo se povećava stvaranje kisikovih radikala, dijelom zbog aktivacije oksidativne fosforilacije i hidroksilacije ksenobiotika. Jačanje procesa LPO ima univerzalni štetni karakter i igra važnu ulogu u procesu starenja i nastanku različitih patoloških stanja: bolesti kardiovaskularnog sistema, jetre, pluća itd.
Normalno, tijelo kontrolira LPO procese regulacijom količine i aktivnosti slobodnih radikala. Za ovo postoji antioksidativni sistem (AOS) organizma, što sprječava pretjeranu aktivaciju peroksidacije lipida. AOS uključuje:
enzimska veza koja sprečava nastanak ROS su enzimi proizvedeni u samom tijelu: katalaze, superoksid dismutaza, glutation reduktaza, glutation peroksidaza;
Oko 2 ─ + 2H + H 2 O 2 + O 2
Katalaza glutation peroksidaza (sadrži selen i tripeptid glutation G─SH)
2H 2 O + O 2 2G─SH + H 2 O 2 → G─S─S─G + 2 H 2 O
neenzimski antioksidansi koji neutraliziraju produkte peroksidacije lipida(sprečavaju stvaranje lipidnih peroksida). Oni uključuju nesintetizirane u našem tijelu vitamini A,C,E, β-karoten, bioflavonoidi. Sve ove supstance, sa izuzetkom vitamina C, veoma su rastvorljive u mastima. Oni se nazivaju "hvatači slobodnih radikala" u tijelu. Antioksidansi, u interakciji s radikalima, prelaze u oksidirane oblike, koji se pod djelovanjem odgovarajućih enzima ponovo pretvaraju u reducirane oblike. Na primjer, vitamin E, prisutan u membranama, je vrsta hemijskog sistema za zaštitu membrana od peroksidacije lipida. Osim toga, mnoge tvari koje samo tijelo proizvodi imaju antioksidativna svojstva - koenzim Q, mokraćna kiselina, steroidni hormoni, tiroksin. Efikasni antioksidansi su tioliR─ SH, koji su neophodni za funkcioniranje enzima glutation peroksidaze. Prirodni tioli su glutation, cistein, dehidrolipoat.
Stranica 1
|
|
Bioenergetski procesi koji vode do sinteze ATP-a, do punjenja "bioloških akumulatora", odvijaju se u specijalizovanim mitohondrijskim membranama. Ovdje su lokalizirani i prostorno organizirani molekularni sistemi odgovorni za energiju živih organizama. Sinteza ATP-a u mitohondrijima povezana je sa transportom elektrona i jona i sa mehanohemijskim fenomenima. Funkcije mitohondrijalnih membrana su vrlo složene i raznolike. Druga vrsta bioenergetskih konjugirajućih membrana - biljne hloroplastne membrane odgovorne za fotosintezu - razmatra se u 7. poglavlju.
Izvor energije koju ćelija troši za biosintezu, aktivni transport, mehanički i električni rad je disanje, odnosno oksidacija organskih jedinjenja atmosferskim kiseonikom. Godine 1780. Lavoisier je pokazao da su disanje i sagorijevanje iste prirode. Tokom sljedeća skoro dva stoljeća, istraživanja hemičara, biologa i fizičara dovela su do otkrivanja glavnih karakteristika biološke oksidacije - jednog od najvažnijih procesa (ili bolje rečeno, sistema procesa) koji se odvija u živoj prirodi.
Gorivo, odnosno tvari koje se mogu oksidirati, u organizam životinje ulaze s hranom u obliku masti, ugljikohidrata i bjelančevina. Masti su trigliceridi masnih kiselina, uglavnom polihidričnih kiselina. Oni se cijepaju, odnosno hidroliziraju u reakcijama koje kataliziraju posebni enzimi. Masne kiseline se aktiviraju uz učešće specifičnih enzima i ATP-a, pretvarajući se u acil derivate takozvanog koenzima A, Co A - SH, čija je struktura prikazana na Sl. 6.1. Oksidacija acilnog derivata Co A - SH odvija se u više faza, od kojih svaka formira ostatak masne kiseline koji sadrži dva atoma ugljika manje od prethodnog. Kompletna jednačina reakcija oksidacije masne kiseline s parnim brojem ugljikovih atoma u acetil-S - Co A ima oblik
H3C (CH2CH2) "C02H + ATP + (n + 1) CoA - SH + lNAD + +
PE ■ FAD + lH20 ->- (n + 1)CH3COS - CoA +
+ (£5f + £ph) + "NAD-H + pE - FAD-H +
Ovdje je NAD koenzim nikotinamid adenin dinukleotid (Sl.
6.2), E - enzim, FAD - koenzim flavin adenin dinukleotid
Rice. 6.1. Koenzim A.
TOC \ o "1-3" \ h \ z (slika 6.3), ADP i AMP - adenozin difosfat i adenozin mono - fosfat, Fn, FFN - neorganski mono - i difosfati. Skrenimo pažnju na općenitost i
Strukture ATP, CoA-SH, NAD i HB
FAD (vidi poglavlje 2). Kada se uništi - /\ / \
Nii mast na kraju obra - n | 9NH2
Acetil-CoA se naziva, kao i pro - n ^
PIONIL-KO A I GLYCERIN. - g_p_Q_QH
Cepanje i oksidacija ugljika - í | |
Voda (posebno škrob) na - \ C ^ n n ^ C dovodi do stvaranja trioze fosfata - í |> c "isg I NH
Tov i pirogrožđana kiselina I n L L n I 2
(piruvat). n°-rG° 0N 0N „ /h
Uz uništavanje proteina, zajedno sa / C N
Sa individualnom aminokiselinom - \ NSch J I
Mi koristimo u sintezi proteina - CH2 0 \
Kov de novo nastaje acetil-N
Co A, oksalacetat, a-ketoglutarat, INc^c/I
Fumarat i sukcinat. Ovi procesi nisu
Metabolizam je detaljno proučavan u OH
Moderna biohemija (vidi). Rice. c-2-nikotinamid adenin-
Glavni proizvodi cijepanja su dinukleotidi (NAD),
Niya i oksidacija masti, ugljikohidrata
A proteini prolaze dalje transformacije u cikličnom sistemu reakcija zvanom ciklus limunske kiseline ili Krebsov ciklus. Ovaj sistem je lokalizovan u mitohondrijima. Krebsov ciklus, „figurativno rečeno, ta glavna osovina oko koje se vrti metabolizam gotovo svih postojećih ćelija...
Krebs je "fokalna tačka" u kojoj se konvergiraju svi metabolički putevi.
Krebsov ciklus je prikazan na sl. 6.4. Za jedan krug ciklusa, koji se sastoji od osam reakcija, označenih na slici brojevima u krugovima, razgradi se jedan molekul acetil-CoA
H2c-CH-CH-CH-CH,-O-P-O-P-O-CH, n-^CH
A/\A/NH he he
H, C V N C s H II
Rice. 6.3. Flavia adenin dinukleotid (FAD).
Ili jedan molekul piruvata do CO2 i H20, odnosno "sagorevanja" ovih molekula. Odgovarajuće ukupne reakcije imaju oblik
CH, COS - CoA + Z NAC+ + (FAD) + HDF + Phn + 2 H20 -
2 CO2 + CoA - SH + Z NAD-H + (FAD-H) + GTP + ZH +, piruvat "+ CoA - SH + NAD + - * CH3COS - CoA + NAD-H + + H + + CO2.
(Zagrade pokazuju da je FAD čvrsto vezan za protein.)
Iz Krebsovog ciklusa proizlaze putevi mnogih biosintetskih reakcija - putevi za sintezu ugljikohidrata, lipida, purina, pirimidija i porfirina. Sinteza proteina je također povezana s ciklusom u kojem se stvaraju prekursori određenog broja aminokiselina. Istovremeno, kao što ćemo vidjeti, biološka oksidacija je izvor energije pohranjene u ATP-u i neophodna za biosintetske procese.
U reakcijama ciklusa pojavljuju se joni CO2 i H+. Istovremeno se obnavljaju koenzimi NAD i FAD. Za kontinuiranu i potpunu biološku oksidaciju, ove koferme moraju biti ponovo oksidirane. Oksidacija se provodi kombinacijom nosača elektrona koji formiraju lanac transporta elektrona (ECC) fiksiran u mitohondrijima. CPE pruža sljedeće reakcije:
Z NAD-H + 1,5 02 + ZN+ Z NAD + + 3 H20 - 3 52,4 kcal/mol,
(FAD-H) + 0,5 O, - (FAD) + H20 - 36,2 kcal / mol.
Reakcija acetil-CoA ima oblik
CH3COS - CoA + 2 02 -> 2 CO2 + H20 + CoA - SH - 215,2 kcal / mol.
CPE, inače poznat kao respiratorni lanac, jeste
Ugljikohidrati-*- CH-CDC07 str
Piruvat u masnom
U v4 * - "Acetil-CoC CO2 2H ■
^ c \u003d o (T) r "
Fn Sushchinil-Sh KoA_SH Fig. 6.4. Krebsov ciklus.
Tre-"bA.-izocitrati
A-ketoglutarap
NO-CH S02 fiOj (2)
"CH2 oksalacetat citrat
FQ) l-tlat \ Vz
Polienzimski sistem koji prihvata elektrone iz Krebsovog ciklusa i ciklusa oksidacije masnih kiselina.
Elektron se prenosi duž sledećeg lanca: Sukcinat - FP3 1
Supstrat -*■ PREKO -»- FP0 ->■ Citokrom b ->- -*■ Citokrom C) -» Citokrom c -»- Citokromi a + az -*■ 02.
Flavoproteini su specifični enzimi koji sadrže flavin koenzime-FAD (vidi sliku 6.3) i flavin mononukleotid - FMN, riboflavin-5"-fosfat. Citohromi sadrže hem grupu čiji atom gvožđa podleže oksidaciji i redukciji tokom rada lanca:
Fe2+ Fe3+ - f e~.
Prijenos elektrona u gornjem lancu odvija se s lijeva na desno, završavajući redukcijom kisika, koji se spaja sa vodonikom u vodu. Elektron oslobođen tokom oksidacije povezan je sa sledećom karikom u lancu. Prijenos elektrona je praćen promjenom slobodne energije, kako se elektroni kreću kroz kaskadu rastućih redoks potencijala. Njihove vrijednosti su date u tabeli. 6.1.
Tabela 6.1
Redox potencijali nekih sistema
Prijenos elektrona duž respiratornog lanca povezan je sa skladištenjem energije u makroergijskim molekulima ATP-a. Drugim riječima, oslobođena slobodna energija se pretvara u kemijsku energiju ATP-a. Dolazi do oksidativne fosforilacije.
Ovaj najvažniji fenomen prvi je otkrio Engelhardt 1930. godine. Belitzer i Tsybakova su detaljno proučavali stehiometrijske odnose između oksidacije i fosforilacije, izvršili prva određivanja koeficijenta Fn O, tj. omjera broja molekula esterificiranog anorganskog
fosfata na broj atoma apsorbovanog kiseonika, i pokazao da vrednost ovog koeficijenta nije manja od 2. U radu su date termodinamičke procene koje su pokazale da je energija prenosa elektrona na kiseonik dovoljna da se formiraju dva ili više ATP molekula po atomu apsorbiranog kisika. Kalkar je otkrio da je aerobna fosforilacija povezana s disanjem i ne ovisi o glikolitičkoj fosforilaciji. Ochoa je precizirao kvantitativne omjere. Koeficijent Fn: O za oksidativne reakcije Krebsov ciklus i reakcije koje uključuju NAD je 3. Lehninger je prvi ustanovio da su procesi oksidativne fosforilacije lokalizirani upravo u mitohondrijima.
Direktne strelice pokazuju ulazne tačke za elektrone. FP,. FP, ...-flavoproteini.
KoQ - koenzim Q.
10], a u radovima njegove laboratorije pronađene su čvorne tačke respiratornog lanca u kojima dolazi do fosforilacije. Navedena vrijednost Fn: O slijedi iz jednačine
NAD-H + H+ + Z ADP + 3 Fn + V2O2 - NAD+ + 4 H20 + 3 ATP. Ova jednadžba sažima eksergoničku reakciju NAD-H + H+ + V2O2 -> NAD+ + H20 + 52,7 kcal/mol
I endergonična reakcija
3 ADP + 3 Fn ->■ Z ATP + 3 H20 - 21,9 kcal / mol.
Fosforilacija ADP -\u003e ATP događa se u tri ključne točke - u dijelu NAD-H lanca - flavoprotein, u dijelu citokroma b citokroma cí i u dijelu citokroma c - * citokroma a + a3.
Opća shema konjugacije oksidacije s fosforilacijom prikazana je na sl. 6.5.
Napišimo ponovo grubu jednačinu fosforilacije
PiruWat^ Sushchinagp
ADP + H2P04 "- f H+ +=± ATP + HgO - TO,
Gdje je AG promjena slobodne energije. Imamo
TOC \o "1-3" \h \z [adf] Hn, rho:1 [n+] , >4
AG = AG" + RT IP. (6.1)
AG0- standardna promjena slobodna energija u kalorijama, odnosno vrijednost AG na pH 7,0, 25°C i koncentracija svih komponenti jednaka 1,0 M. Kao što je poznato,
AG0 = - RT u K, (6.2)
gdje je K konstanta ravnoteže reakcije. Za fosforilaciju AG0 = 7,3 kcal/mol. Uočena vrijednost AG in vivo ovisi o koncentraciji protona na obje strane membrane i, prema tome, o razlici membranskog potencijala. AG također ovisi o koncentraciji Mg++ jona. Kada se pH promijeni sa 6,0 na 9,0 pri = 10 mM, AG se mijenja sa 6,17 na 9,29 kcal/mol (vidi).
Promjena slobodne energije tokom prijenosa dva elektronska ekvivalenta duž CPE od NAD-H do 02 određena je razlikom redoks potencijala 0,82 - (-0,32) = = 1,14 V, tj.
AG0 = z D-ph = - 2 23,06 -1,14 kcal / mol = - 52,7 kcal / mol.
Ovo osigurava višak sinteze 3 mola ATP-a iz ADP-a i Fn. Efikasnost procesa se izražava kao 21,9/52,7, odnosno približno jednaka 40%.
Energetski smisao disanja je sinteza ATP-a. Energiju pohranjenu u ATP-u ćelija koristi za obavljanje svih vrsta svog rada.
Otkriće hemije biološke oksidacije najveće je dostignuće biohemije. Ovdje su predstavljene samo neke od najvažnijih informacija, a detaljno razmatranje složenog biohemijskog sistema oksidacije sadržano je u posebnoj literaturi (vidi).
Karakteristika sistema oksidativne fosforilacije, koja ga razlikuje od brojnih enzimskih reakcija koje se odvijaju u rastvoru, je striktna prostorna lokalizacija karika višestepenog procesa. Oksidativna fosforilacija je lokalizovana u mitohondrijima i direktno je povezana sa transportom i mehanohemijskom funkcionalnošću njihovih membrana. Očigledno je tako složen sistem biohemijske reakcije u osnovi zahtevaju prostornu heterogenost i ne mogu se realizovati u homogenom okruženju.
Dešifrovanje redoks reakcija koje su ovde ukratko opisane dobijeno je primenom suptilnih hemijskih i fizičkih metoda. Ovdje, posebno,
Važnu ulogu odigrao je Chaisov rad posvećen spektroskopiji nosača elektrona (NAD, FP, citohromi) u intaktnim mitohondrijama. Ovi nosači imaju karakteristične apsorpcione trake u vidljivom i bliskom ultraljubičastom području spektra, a spektri razlike omogućavaju proučavanje kinetike njihove oksidacije i redukcije. Korištene su različite metode za uklanjanje specifičnih n enzima iz mitohondrija. čime se čuvaju samo određene veze
Rice. 6.6. Distribucija proteina po CPE kompleksima I, II, III, IV.
A, b, s. Cí, dí-\u003e ntohromi, Cu - proteini koji sadrže bakar, (Fe -be) - ne-hem željezo, fs - sukcinat dehidrogenaza, iq-NAD H-dehidrogenaza.
Proces. Mitohondrije su secirane; kompleksi respiratornih enzima oslobođeni strukturnih proteina. Pokazalo se da je takve komplekse moguće pročistiti i detaljno proučiti. Izvedeni su uspješni eksperimenti za obnavljanje CPE iz izolovanih preparata i rastvorljivih enzima. Konačno, u eksperimentima su dobijene vrlo vrijedne informacije o inhibiciji pojedinih faza procesa i o razdvajanju oksidativne fosforilacije i prijenosa elektrona (vidi § 6.5).
Može se smatrati utvrđenim da su CPE nosioci grupisani u četiri kompleksa, nazvana Greenovi kompleksi (vidi). Odgovarajuća šema je prikazana na sl. 6.6. Molekularna težina svakog kompleksa je oko 3-105. Sadrži oko 64% proteina i 36% lipida. Nosenje elektrona
kompleks je definiran kao najmanja CPE jedinica koja zadržava sposobnost prijenosa elektrona brzinom koja je uporediva sa onom u netaknutim mitohondrijama.
Proučavanje biološke oksidacije zadovoljava potrebu za rješavanjem niza fizički problemi koji se odnose na različite nivoe organizacije i funkcionisanja sistema.
Struktura i funkcije molekularnih nosača elektrona još uvijek su nedovoljno proučene. U § 6.7 razmatraju se savremeni podaci koji se odnose na strukturu i svojstva citokroma c. Citokrom c je detaljno proučavan, ali se njegova dinamička svojstva ne mogu smatrati potpuno utvrđenim i objašnjenim.
Struktura i funkcionalna organizacija mitohondrija bili su predmet intenzivnog proučavanja. Međutim, mnoga od najvažnijih pitanja u vezi s tim i dalje ostaju bez odgovora. Specifična struktura membrane migohondrija, prisustvo u njima autonomnog programa za sintezu proteina (DNK) i mehanohemijska aktivnost mitohondrija direktno su povezani sa njihovom ulogom kao „elektrana“ ćelije. Dalji razvoj mitohondrijalna fizika zahtijeva holistički pristup.
Intenzivno se razvija opšta teorija transporta elektrona u lokalizovanom sistemu biološke oksidacije. Predloženi su smisleni kinetički modeli, započeta su teorijske studije zasnovane na razmatranju elektronsko-konformacionih interakcija. Ovi problemi su od najvećeg interesa za biofiziku.
Potrebno je utvrditi molekularnu prirodu biološke oksidacije, koja se odvija kao rezultat konjugacije enzimskih, transportnih i mehanohemijskih procesa. Mitohondrije su mesto za integraciju širokog spektra molekularno bioloških fenomena, integralni sistem koji zahteva sveobuhvatno proučavanje – teorijsko i eksperimentalno rastavljanje i sklapanje „crne kutije“.
Prema izvorima energije koji se koriste za život, svi živi organizmi se dijele na autotrofe (koristeći energiju sunčeva svetlost) i heterotrofi (koristeći energiju hemijskih veza). Energija se u ćelijama heterotrofnih organizama dobija oksidacijom složenih organskih jedinjenja: ugljenih hidrata, masti, proteina, koje organizmi dobijaju iz spoljašnje sredine, tj. u obliku svojih hemijskih veza, životinje troše energiju iz okoline. Ove supstance su energetski resursi ćelija heterotrofnih organizama.
Dodijeli tri faze ekstrakcije energija iz njih (slika 1):
1. Cepanje molekula polimera do monomera. U ovoj fazi nema oslobađanja biološki korisne energije. Otprilike 1% energije se oslobađa i raspršuje kao toplota.
2. Cepanje monomera sa formiranjem glavnih međuproizvoda - piruvata, acetil-CoA. Ovdje se oslobađa 20% energije njenim skladištenjem u makroergijskim vezama ATP-a i djelomičnim rasipanjem u obliku topline.
3. Oksidacija acetil-CoA u ciklusu trikarboksilne kiseline do CO 2 i H 2 O i oslobađanje atomskih vodonika, nakon čega slijedi njihova oksidacija kisikom u respiratornom lancu enzima, u kombinaciji sa sintezom ATP-a. Ovdje se oslobađa 80% energije, od čega je većina (oko 60%) pohranjena u obliku ATP-a.
Rice. 1. Glavne faze biološke oksidacije povezane s fosforilacijom.
Klasifikacija bioloških oksidacijskih procesa.
Procesi biološke oksidacije mogu se podijeliti u dvije glavne vrste:
1.slobodna oksidacija- oksidacija, pri kojoj se sva energija oksidativne reakcije oslobađa isključivo u obliku topline. Ovi procesi nisu povezani sa sintezom ATP-a; nema konverzije energije koja se oslobađa tokom oksidacije u energiju makroergijskih veza. Slobodna oksidacija ima pomoćnu ulogu - služi za proizvodnju topline i detoksikaciju štetnih metaboličkih proizvoda.
Sve reakcije oksigenaze odvijaju se prema vrsti slobodne oksidacije, sve oksidativne reakcije ubrzane peroksidazama ili praćene stvaranjem H 2 O 2, mnoge reakcije katalizirane oksidazama.
Procesi slobodne oksidacije koncentrirani su u citosolu, u membranama endoplazmatskog retikuluma ćelije, u membranama lizosoma, peroksisoma i Golgijevog aparata, na vanjskim membranama mitohondrija i hloroplasta, u nuklearnom aparatu ćelije. .
2. Oksidacija konjugata- oksidacija, u kojoj se energija oksidativne reakcije koristi za sintezu ATP-a. Stoga se ova vrsta oksidacije naziva oksidacija spojena sa fosforilacijom ADP. To se može uraditi na dva načina.
Ako se tokom oksidacije supstrata formira makroergično jedinjenje čija se energija koristi za sintezu ATP-a, tada se ova vrsta biološke oksidacije naziva fosforilacija supstrata ili fosforilacija na nivou supstrata ili oksidacija u kombinaciji sa fosforilacijom ADP na nivou supstrata. Primjer takvih reakcija su 2 reakcije glikolize: konverzija 1,3-difosfoglicerinske kiseline u 3-fosfoglicerinsku kiselinu i fosfoenolpiruvata (PEP) u piruvat, kao i reakcija Krebsovog ciklusa - hidroliza sukcinil-CoA u sukcinat. Ove reakcije se odvijaju zajedno sa sintezom ATP-a.
Ako su oksidacijski procesi koji se odvijaju u respiratornom lancu enzima na unutrašnjoj membrani mitohondrija, gdje je prijenos protona i elektrona sa oksidiranog supstrata na kisik, povezani sa sintezom ATP-a, tada se ova vrsta biološke oksidacije naziva oksidativna fosforilacija ili fosforilacija na nivou lanca transporta elektrona.
Klasifikaciona shema biološke oksidacije
biološka oksidacija
Slobodna oksidacija Konjugirana oksidacija
Supstrat Oxidative
fosforilacija fosforilacija
Oksidativna fosforilacija koristi reakcije dehidrogenacije oksidiranog supstrata nakon čega slijedi prijenos atoma vodika (protona i elektrona) na kisik uz sudjelovanje oksidoreduktaza. Prenos vodonika u kiseonik odvija se kroz niz redoks sistema, koji su raspoređeni u strogom redosledu – u skladu sa vrednošću njihovog potencijala. Takav slijed reakcija povezanih s prijenosom vodika na kisik uz sudjelovanje specifičnih nosača elektrona naziva se respiratorni (ili transportni) lanac. Kod životinja i ljudi, sastoji se od četiri glavna tipa nosača, od kojih je svaki sposoban podvrgnuti reverzibilnoj oksidaciji i redukciji kao rezultat gubitka i dobivanja elektrona pri interakciji s drugim nosačem.
Rice. 2. Međusobni raspored komponenti respiratornog lanca, koji ukazuje na mesta fosforilacije i specifične inhibitore.
biološka oksidacija
Biološka oksidacija (ćelijska ili tkivno disanje) - redoks reakcije koje se javljaju u stanicama tijela, uslijed kojih se oksidiraju složene organske tvari uz sudjelovanje specifičnih enzima s kisikom koji se isporučuje krvlju. Krajnji proizvodi biološke oksidacije su voda i ugljični dioksid. Energija koja se oslobađa u procesu biološke oksidacije dijelom se oslobađa u obliku topline, ali najveći dio odlazi na stvaranje molekula složenih organofosfornih spojeva (uglavnom adenozin trifosfata - ATP), koji su izvori energije neophodne za život tela.
U ovom slučaju, proces oksidacije se sastoji u uklanjanju elektrona i jednakog broja protona iz oksidirane tvari (supstrata). Supstrati biološke oksidacije su produkti transformacije masti, proteina i ugljikohidrata. Biološka oksidacija supstrata do konačnih proizvoda odvija se lancem uzastopnih reakcija čiji međuprodukti uključuju trikarboksilne kiseline - limunsku, cisakonitnu i izocitritnu kiselinu, pa se cijeli lanac reakcija naziva ciklus trikarboksilne kiseline, ili Krebsov ciklus. (po istraživaču koji je uspostavio ovaj ciklus).
Početna reakcija Krebsovog ciklusa je kondenzacija oksalata sirćetna kiselina sa aktiviranim oblikom sirćetne kiseline (acetat), koji je spoj sa acetilacionim koenzimom - acetil-CoA. Kao rezultat reakcije nastaje limunska kiselina, koja nakon četverostruke dehidrogenacije (eliminacija 2 atoma vodika iz molekule) i dvostruke dekarboksilacije (eliminacije molekule CO2), formira oksalo-octenu kiselinu. Izvori acetil-CoA koji se koriste u Krebsovom ciklusu su octena kiselina, pirogrožđana kiselina - jedan od proizvoda glikolize (vidi), masne kiseline (vidi) itd. Uz oksidaciju acetil-CoA u Krebsovom ciklusu, drugi tvari također mogu biti oksidirane, sposobne da se pretvore u međuproizvode ovog ciklusa, na primjer, mnoge aminokiseline nastale tokom razgradnje proteina. Zbog reverzibilnosti većine reakcija Krebsovog ciklusa, produkti razgradnje proteina, masti i ugljikohidrata (intermedijari) u njemu ne samo da se mogu oksidirati, već se i dobiti tijekom njegove cirkulacije. Tako se ostvaruje odnos između metabolizma masti, proteina i ugljikohidrata.
Reakcije oksidacije koje se javljaju u Krebsovom ciklusu obično nisu praćene stvaranjem jedinjenja bogatih energijom. Izuzetak je pretvaranje sukcinil-CoA u sukcinat (vidi Sukcinska kiselina), koje je praćeno stvaranjem gvanozin trifosfata. Većina ATP-a se formira u lancu respiratornih enzima (vidi), gdje je prijenos elektrona (iu ranim fazama i protona) na kisik praćen oslobađanjem energije.
Reakcije eliminacije vodika provode enzimi klase dehidrogenaze, a atomi vodika (tj. protoni + elektroni) su vezani za koenzime: nikotinamid adenin dinukleotid (NAD), nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADP), flavin adenin dinukleotid (NADP), itd.
Procesi biološke oksidacije povezani s Krebsovim ciklusom i lancem respiratornih enzima odvijaju se uglavnom u mitohondrijima i lokalizirani su na njihovim membranama.
Dakle, procesi biološke oksidacije povezani s Krebsovim ciklusom važni su kako u stvaranju energetski bogatih spojeva, tako i u ostvarivanju veze između metabolizma ugljikohidrata, masti i proteina. Čini se da druge vrste biološke oksidacije imaju uže značenje, kao što je opskrba ćelija energijom. Ovo je faza glikolize, koja se sastoji u oksidaciji niza fosfornih spojeva uz istovremenu redukciju NAD i stvaranje ATP-a ili reakcija pentoznog ciklusa (tj. oksidativna konverzija glukoza-6-fosfata), praćeno stvaranjem fosfopentoze i smanjenim NADP. Pentozni ciklus igra važnu ulogu u tkivima koje karakteriše intenzivna sinteza nukleinskih kiselina, masnih kiselina, holesterola itd. Vidi i Metabolizam i energija.
Biološka oksidacija - skup redoks reakcija koje se javljaju u biološkim objektima. Proces oksidacije se podrazumijeva kao gubitak elektrona ili elektrona i protona istovremeno zbog neke supstance (gubitak atoma vodika) ili dodavanje kisika. Reakcije suprotnog smjera karakteriziraju proces oporavka. Redukcioni agensi su supstance koje gube elektrone, a oksidanti su supstance koje dobijaju elektrone. Biološka oksidacija je osnova tkivnog, ili ćelijskog, disanja (proces kojim tkiva i ćelije apsorbuju kiseonik i oslobađaju ugljen-dioksid i voda) - glavni izvor energije za tijelo. Supstanca koja prihvata (prihvata) elektrone, odnosno redukuje, je molekularni kiseonik, koji se pretvara u anjon kiseonika O -. Atomi vodika odcijepljeni od organske tvari - supstrata oksidacije (SH2), pretvaraju se, gubitkom elektrona, u protone ili pozitivno nabijene vodikove katjone:
SH2→S→2H; 2N→2H + + 2e: ½O2→O; O→2e→O -- ; 2H + + O -- →H2O + 55 kcal. Kao rezultat reakcije između vodikovih kationa i anjona kisika nastaje voda, a reakcija je praćena oslobađanjem značajne količine energije na svakih 18 g vode). Ugljični dioksid nastaje kao nusproizvod biološke oksidacije. Neke od O.-ovih reakcija. dovode do stvaranja vodikovog peroksida, pod uticajem katalaze koja se razlaže na H2O i O2.
Dobavljači energije u ljudskom tijelu su hrana – proteini, masti i ugljikohidrati. Međutim, ove supstance ne mogu poslužiti kao supstrati O. Prethodno se cijepaju u probavnom traktu, gdje se iz proteina formiraju aminokiseline, iz masti - masne kiseline, a iz masti - monosaharidi, prvenstveno heksoze, iz složenih ugljikohidrata. Sva ova jedinjenja se apsorbuju i isporučuju (direktno ili putem limfni sistem) u krv. Zajedno sa sličnim supstancama koje nastaju u organima i tkivima, oni čine "metabolički fond" iz kojeg tijelo crpi materijal za biosintezu i zadovoljavanje energetskih potreba. O. glavni supstrati. su proizvodi tkivnog metabolizma aminokiselina, ugljikohidrata i masti, nazvani tvari "ciklusa limunske kiseline". To uključuje kiseline:
limunska, cisakonit, izocitrična, jantarna oksalna, α-ketoglutarna, sukcinska, fumarna, jabučna, oksaloacetatna.
Pirogrožđana kiselina CH3-CO-COOH nije direktno uključena u ciklus limunske kiseline, ali igra značajnu ulogu u njemu, kao i produkt njene dekarboksilacije – aktivni oblik sirćetne kiseline CH3COCoA (acetil-koenzim A).
Procesi uključeni u „ciklus limunske kiseline“ („Krebsov ciklus“, „ciklus trikarboksilne kiseline“) odvijaju se pod dejstvom enzima sadržanih u ćelijskim organelama zvanim mitohondrije. Elementarni čin oksidacije bilo koje supstance uključene u ciklus limunske kiseline je uklanjanje vodika iz ove supstance, tj. čin dehidrogenacije zbog aktivnosti odgovarajućeg enzima dehidrogenaze specifičnog delovanja (slika 1).
Rice. 1. Shema Krebsovog ciklusa limunske kiseline.
Ako proces započne pirogrožđanom kiselinom, tada se eliminacija dva atoma vodika (2H) u Krebsovom ciklusu ponavlja 5 puta i praćena je s tri uzastopna stupnja dekarboksilacije. Prvi čin - dehidrogenacija - događa se kada se pirogrožđana kiselina pretvara u acetil-CoA, koji se kondenzira s oksalosirćetnom kiselinom u limunsku kiselinu. Drugi put dehidrogenacija dovodi do stvaranja oksalojantarne kiseline iz izocitrične kiseline. Treći čin - odvajanje dva atoma vodika - povezan je sa konverzijom ketoglutarne kiseline u sukcinil-CoA; četvrti - dehidrogenacijom jantarne kiseline i, konačno, peti - konverzijom jabučne kiseline u oksalooctenu kiselinu, koja se opet može kondenzirati s acetil-CoA i osigurati stvaranje limunske kiseline. Tokom razgradnje sukcinil-CoA, formira se energija bogata veza (~ P) - to je takozvana fosforilacija supstrata: sukcinil-CoA + H3PO4 + ADP → jantarna kiselina + CoA + ATP.
Rice. 2. Šema dehidrogenacije supstrata ciklusa limunske kiseline specifičnim enzimima koji se sastoje od disocirajućih kompleksa: proteina - b1, b2, b3 i b4 sa NAD i NADH2 i proteina b5, koji formira kompleks sa FAD-om (sukcin dehidrogenaza); CAA je cisakonitna kiselina.
Četiri od ovih čina dehidrogenacije izvode se uz učešće specifičnih dehidrogenaza, čiji je koenzim nikotinamid adenin dinukleotid (NAD). Jedan čin - transformacija jantarne kiseline u fumarnu kiselinu - odvija se pod uticajem sukcindehidrogenaze - flavoproteina I. U ovom slučaju koenzim je flavin adenin dinukleotid (FAD). Kao rezultat pet ponovljenih činova dehidrogenacije (slika 2), reakcije koje se odvijaju u ciklusu limunske kiseline rezultiraju stvaranjem reduciranih oblika koenzima: 4-NADH2 1-FADH2. Redukovana NAD dehidrogenaza, odnosno prihvatanje vodika iz NADH2, također pripada flavin enzimima - to je flavoprotein II. Međutim, razlikuje se od sukcindehidrogenaze u strukturi i proteinske i flavin komponente. Daljnja oksidacija reduciranih oblika flavoproteina I i II koji sadrže FADH2 odvija se uz sudjelovanje citokroma (vidi), koji su složeni proteini - hromoproteini, koji sadrže željezne porfirine - heme.
Kada se FADH2 oksidira, putevi protona i elektrona se razilaze: protoni ulaze u okruženje u obliku vodonikovih jona, a elektroni kroz niz citokroma (slika 3) se prenose na kiseonik, pretvarajući ga u anjon kiseonika O - . Između FADH2 i sistema citokroma, očigledno je uključen još jedan faktor - koenzim Q. Svaka sledeća karika u respiratornom lancu od NADH2 do kiseonika karakteriše veći redoks potencijal (vidi). U cijelom respiratornom lancu od NADH2 do ½O2, potencijal se mijenja za 1,1 V (od -0,29 V do +0,81 V). At potpuna oksidacija, na primjer, pirogrožđana kiselina, praćena petostrukom eliminacijom vodonika, energetska efikasnost procesa bit će oko 275 kcal (55X5). Ova energija se ne raspršuje u potpunosti kao toplota; otprilike 50% se akumulira u obliku energije bogatog
jedinjenja fosfora, uglavnom adenozin trifosfat (ATP).
Proces transformacije energije oksidacije u energetski bogate veze (~P) konačnog fosfatnog ostatka molekule ATP lokaliziran je u unutrašnjim mitohondrijskim membranama i povezan je s određenim fazama prijenosa vodika i elektrona duž respiratornog lanca (sl. 4). Općenito je prihvaćeno da je prva fosforilacija povezana s transportom vodika od NADH2 do FAD, druga je povezana s prijenosom elektrona na citokrom c1, i, konačno, treća, najmanje proučavana, nalazi se između citokroma c i a. .
Mehanizam za formiranje energetski bogatih veza još nije dešifrovan. Utvrđeno je, međutim, da se proces sastoji od nekoliko međureakcija (na slici 4 - od J ~ X do ATP), od kojih je samo posljednja formiranje energetski bogatog fosfatnog ostatka ATP-a. Energetski bogata veza terminalne fosfatne grupe u ATP-u procjenjuje se na 8,5 kcal po gram-molekulu (u fiziološkim uvjetima, oko 10 kcal). Prilikom prijenosa vodonika i elektrona kroz respiratorni lanac, počevši od NADH2 i završavajući stvaranjem vode, oslobađa se 55 kcal i akumulira u obliku ATP-a najmanje 25,5 kcal (8,5X3). Stoga je energetska efikasnost procesa biološke oksidacije oko 50%.
Rice. 3. Šema prenosa vodonika i elektrona kroz respiratorni lanac; E0 - redoks potencijal.
Rice. 5. Šema korištenja energije ATP fosfatnih veza (AMP-R~R) za različite fiziološke funkcije.
Biološko značenje fosforilacijske oksidacije je jasno (slika 5): svi vitalni procesi (mišićni rad, nervna aktivnost, biosinteza) zahtijevaju utrošak energije, rubovi su obezbeđeni raskidanjem energetski bogatih fosfatnih veza (~P). Biološko značenje nefosforilirajuće - slobodne - oksidacije može se vidjeti u brojnim reakcijama oksidacije koje nisu povezane s ciklusom limunske kiseline i prijenosom vodika i elektrona duž respiratornog lanca. To uključuje, na primjer, sve procese nemitohondrijske oksidacije, oksidativno uklanjanje toksičnih aktivnih supstanci i mnoge radnje regulacije kvantitativnog sadržaja biološki aktivnih spojeva (određene aminokiseline, biogeni amini, adrenalin, histidin, serotonin itd., aldehidi itd.) više ili manje intenzivnom oksidacijom. Omjer slobodne i fosforilirajuće oksidacije također je jedan od načina termoregulacije kod ljudi i toplokrvnih životinja. Vidi također Metabolizam i energija.
Živi organizmi ne mogu postojati bez energije. To zahtijeva svaki proces, svaki hemijska reakcija. Mnoga živa bića, uključujući ljude, mogu dobiti energiju iz hrane. Vrijedi detaljno razumjeti odakle dolazi energija i koje se reakcije u ovom trenutku odvijaju u ćelijama živih organizama.
Značaj biološke oksidacije i istorijat njenog istraživanja
Osnova proizvodnje energije je proces biološke oksidacije. Sada je to proučavano, čak je stvorena čitava nauka koja se bavi svim suptilnostima i mehanizmima procesa - biohemijom. Biološka oksidacija je skup redoks transformacija tvari u živa bića. Redox reakcije nazivaju se reakcije koje se javljaju s promjenom oksidacijskog stanja atoma zbog preraspodjele elektrona između njih.
Prve pretpostavke naučnika da se složeni procesi odvijaju unutar svakog živog organizma iznesene su u 18. veku. Problem je proučavao francuski hemičar Antoine Lavoisier, koji je skrenuo pažnju na činjenicu da su procesi sagorevanja i biološke oksidacije slični jedni drugima.
Naučnik je pratio put kiseonika, koji apsorbuje živi organizam tokom disanja, i zaključio da se u telu dešava proces oksidacije, koji podseća na proces sagorevanja, ali se odvija sporije. Lavoisier je otkrio da molekule kisika (oksidans) međusobno djeluju organska jedinjenja koji sadrže ugljik i vodonik. Kao rezultat, dolazi do apsoluta pri kojem se jedinjenja raspadaju.
Neke tačke u procesu proučavanja problema naučnicima su ostale nerazumljive:
- zašto se oksidacija događa pri niskoj tjelesnoj temperaturi, za razliku od procesa sagorijevanja koji je sličan njemu;
- zašto oksidacija nije praćena oslobađanjem plamena, a ne velikim oslobađanjem oslobođene energije;
- kako hranljive materije u telu mogu da "gore" ako je telo oko 80% vode.
Da odgovore na ova i mnoga druga pitanja, kao i da shvate šta je biološka oksidacija, naučnicima je trebalo više od godinu dana. Do danas su hemičari proučavali: odnos disanja sa drugim metaboličkim procesima, uklj. proces fosforilacije. Osim toga, naučnici su proučavali svojstva enzima koji kataliziraju reakcije biološke oksidacije; lokalizacija u ćeliji; mehanizam akumulacije i transformacije energije.
Složeniji način pretvaranja hranjivih tvari u energiju je aerobna biološka oksidacija, odnosno disanje tkiva. Ova reakcija se odvija u svim aerobnim organizmima koji koriste kisik u procesu disanja. Aerobna metoda biološke oksidacije nemoguća je bez molekularnog kisika.
Putevi biološke oksidacije i učesnici u procesu
Da bismo konačno shvatili šta je proces biološke oksidacije, treba razmotriti njegove faze.
glikoliza- ovo je cijepanje monosaharida bez kisika, koje prethodi procesu ćelijskog disanja i praćeno oslobađanjem energije. Ova faza je početna za svaki heterotrofni organizam. Nakon glikolize, anaerobi započinju proces fermentacije.
Oksidacija piruvata sastoji se u pretvaranju pirogrožđane kiseline, dobijene u procesu glikolize, u acetilkoenzim. Reakcija se odvija uz pomoć enzima kompleksa piruvat dehidrogenaze. Lokalizacija - mitohondrijalne kriste.
Razgradnja beta masnih kiselina odvija se paralelno sa oksidacijom piruvata na kristama mitohondrija. Cilj je prerada svih masnih kiselina u acetil koenzim i njihov ulazak u ciklus trikarboksilne kiseline.
Krebsov ciklus: prvo se acetilkoenzim pretvara u limunsku kiselinu, zatim prolazi kroz naknadne transformacije (dehidrogenacija, dekarboksilacija i regeneracija). Svi procesi se ponavljaju nekoliko puta.
Oksidativna fosforilacija- završna faza transformacije jedinjenja u eukariotskim organizmima. Adenozin difosfat se pretvara u adenozin trifosfornu kiselinu. Energija potrebna za to dolazi od oksidacije molekula enzima dehidrogenaze i koenzima dehidrogenaze formiranih u prethodnim fazama. Tada je energija sadržana u makroergijskim vezama adenozin trifosforne kiseline.
ATP
Dakle, oksidacija tvari se provodi na sljedeće načine:
- eliminacija vodonika iz supstrata koji se oksidira (proces dehidrogenacije);
- trzaj elektrona od podloge;
- dodavanje kiseonika supstratu.
U ćelijama živih organizama nalaze se sve navedene vrste oksidativnih reakcija koje kataliziraju odgovarajući enzimi - oksidoreduktaze. Proces oksidacije se ne odvija izolirano, već je povezan s reakcijom redukcije: istovremeno se javljaju reakcije dodavanja vodika ili elektrona, odnosno provode se redoks reakcije. Proces oksidacije je svaki, koji je praćen oslobađanjem elektrona s povećanjem oksidacijskih stanja (oksidirani atom ima više oksidacijsko stanje). Kod oksidacije tvari može doći i do obnove - vezivanja elektrona na atome druge tvari.
