biološka oksidacija
Biološka oksidacija - je skup redoks transformacija razne tvari u živim organizmima. Redoks reakcije su reakcije koje se odvijaju s promjenom oksidacijskog stanja atoma zbog preraspodjele elektrona između njih.
Vrste bioloških oksidacijskih procesa:
1) aerobna (mitohondrijska) oksidacija dizajniran je za izvlačenje energije hranjivih tvari uz sudjelovanje kisika i njegovu akumulaciju u obliku ATP-a. Aerobna oksidacija se također naziva disanje tkiva, budući da tijekom svog tijeka tkiva aktivno troše kisik.
2) anaerobna oksidacija- ovo je pomoćni način ekstrakcije energije tvari bez sudjelovanja kisika. Anaerobna oksidacija Ima veliki značaj s nedostatkom kisika, kao i pri obavljanju intenzivnog mišićnog rada.
3) mikrosomalna oksidacija Namijenjen je za neutralizaciju lijekova i otrova, kao i za sintezu raznih tvari: adrenalina, norepinefrina, melanina u koži, kolagena, masnih kiselina, žučnih kiselina, steroidnih hormona.
4) oksidacija slobodnih radikala nužan za regulaciju obnavljanja i propusnosti staničnih membrana.
Glavni put biološke oksidacije je mitohondrijski povezan s opskrbom tijela energijom u pristupačnom obliku. Izvori energije za čovjeka su različiti organski spojevi: ugljikohidrati, masti, bjelančevine. Oksidacijom se hranjive tvari razgrađuju do konačnih produkata, uglavnom do CO 2 i H 2 O (prilikom razgradnje bjelančevina nastaje i NH 3). Energija koja se oslobađa u tom procesu pohranjuje se u obliku energije kemijske veze makroergički spojevi, uglavnom ATP.
Makroergički nazivaju se organski spojevi živih stanica koji sadrže energetski bogate veze. Tijekom hidrolize makroergičkih veza (označenih vijugavom linijom ~) oslobađa se više od 4 kcal/mol (20 kJ/mol). Makroergičke veze nastaju kao rezultat preraspodjele energije kemijskih veza u procesu metabolizma. Većina visokoenergetskih spojeva su fosforni anhidridi, kao što su ATP, GTP, UTP, itd. Adenozin trifosfat (ATP) zauzima središnje mjesto među tvarima s makroergičkim vezama.
adenin - riboza - P ~ P ~ P, gdje je P ostatak fosforne kiseline
ATP se nalazi u svakoj stanici u citoplazmi, mitohondrijima i jezgri. Reakcije biološke oksidacije popraćene su prijenosom fosfatne skupine na ADP uz stvaranje ATP-a (taj se proces naziva fosforilacija). Tako se energija skladišti u obliku molekula ATP-a i po potrebi koristi za izvođenje razne vrste rad (mehanički, električni, osmotski) i za provođenje procesa sinteze.
Sustav objedinjavanja oksidacijskih supstrata u ljudskom tijelu
Izravna uporaba kemijske energije sadržane u molekulama prehrambenih tvari je nemoguća, jer se pri kidanju unutarmolekularnih veza oslobađa ogromna količina energije, što može dovesti do oštećenja stanica. Kako bi hranjive tvari koje ulaze u tijelo prošle kroz niz specifičnih transformacija, tijekom kojih dolazi do višestupanjske razgradnje složenih organske molekule na jednostavnije. To omogućuje postupno oslobađanje energije i njezino pohranjivanje u obliku ATP-a.
Proces preobrazbe raznih složene tvari u jedan energetski supstrat zove se ujedinjenje. Postoje tri faze ujedinjenja:
1. Pripremna faza javlja se u probavnom traktu, kao iu citoplazmi tjelesnih stanica . Velike molekule se razgrađuju na svoje sastavne strukturne blokove: polisaharide (škrob, glikogen) - do monosaharida; proteini - do aminokiselina; masti - na glicerol i masne kiseline. Pritom se oslobađa mala količina energije (oko 1%), koja se rasipa u obliku topline.
2. transformacije tkiva počinje u citoplazmi stanica i završava u mitohondrijima. Nastaju čak i jednostavnije molekule, a broj njihovih vrsta značajno se smanjuje. Nastali produkti zajednički su za metaboličke putove raznih tvari: piruvata, acetil-koenzima A (acetil-CoA), α-ketoglutarata, oksaloacetata itd. Najvažniji od ovih spojeva je acetil-CoA, ostatak octene kiseline, kojemu je S koenzim A – aktivni oblik vitamina B 3 (pantotenska kiselina). Procesi razgradnje proteina, masti i ugljikohidrata konvergiraju se u fazi stvaranja acetil-CoA, nakon čega se formira jedan metabolički ciklus. Ovu fazu karakterizira djelomično (do 20%) oslobađanje energije, od koje se dio akumulira u obliku ATP-a, a dio se rasipa u obliku topline.
3. Mitohondrijski stadij. Produkti nastali u drugom stupnju ulaze u ciklički oksidacijski sustav - ciklus trikarboksilnih kiselina (Krebsov ciklus)
i pripadajući mitohondrijski dišni 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 dišni lanac mitohondrija, gdje ga kisik oksidira do H 2 O. Taj proces prati oslobađanje približno 80% energije kemijskih veza tvari, od kojih se dio koristi za stvaranje ATP-a, a dio oslobađa se u obliku topline.
Faze |
Vjeverice |
Ugljikohidrati (polisaharidi) |
masti |
I pripremni; 1% hranjive energije se oslobađa (kao toplina); |
aminokiseline |
|
glicerol, masna kiselina |
|
II transformacije tkiva; 20% energije kao toplina i ATP |
acetil-CoA (CH 3 -CO ~ SKoA) |
||
|
III mitohondrijska faza; 80% energije (oko polovica je u obliku ATP-a, ostatak je u obliku topline). |
Ciklus trikarboksilnih kiselina Respiratorni lanac mitohondrija O2 |
||
Klasifikacija i karakterizacija glavnih oksidoreduktaza u tkivima
Važna značajka biološke oksidacije je da se odvija pod djelovanjem određenih enzima. (oksidoreduktaza). Svi potrebni enzimi za svaku fazu kombiniraju se u skupine, koje su u pravilu fiksirane na različitim staničnim membranama. Kao rezultat koordiniranog djelovanja svih enzima, kemijske se transformacije odvijaju postupno, kao na pokretnoj vrpci. U ovom slučaju, proizvod reakcije jednog stupnja je početni spoj za sljedeći stupanj.
Podjela oksidoreduktaza:
1. Dehidrogenaze provesti eliminaciju vodika iz oksidiranog supstrata:
SH 2 + A → S + AH 2
U procesima povezanim s ekstrakcijom energije, najčešći tip bioloških oksidacijskih reakcija je dehidrogenacija, odnosno eliminaciju dva atoma vodika iz oksidiranog supstrata i njihov prijenos na oksidacijsko sredstvo. Zapravo, vodik u živim sustavima nije u obliku atoma, već je zbroj protona i elektrona (H + i ē), čiji su putevi kretanja različiti.
Dehidrogenaze su složeni proteini, njihovi koenzimi (neproteinski dio složenog enzima) mogu biti i oksidacijski i redukcijski agens. Uzimanjem vodika iz supstrata koenzimi se prevode u reducirani oblik. Reducirani oblici koenzima mogu donirati vodikove protone i elektrone drugom koenzimu koji ima veći redoks potencijal.
1) PREKO + - i NADP + -ovisne dehidrogenaze(koenzimi - OVER + i NADP + - aktivni oblici vitamina PP ). Dva atoma vodika vezana su s oksidiranog supstrata SH 2 i nastaje reducirani oblik - NAD + H 2:
SH 2 + PREKO + ↔ S + PREKO + H 2
2) FAD-ovisne dehidrogenaze(koenzimi - FAD i FMN - aktivni oblici vitamina B 2). Oksidacijske sposobnosti ovih enzima omogućuju im prihvaćanje vodika i izravno iz oksidirajućeg 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 dodati dva atoma vodika, pretvarajući se u KoQ H 2 ( hidrokinon):
FMN N 2 + KoQ ↔ FMN + KoQ N 2
2. Nosači elektrona hemičke prirode koji sadrže željezo – citokromib, c 1 , c, a, a 3 . Citokromi su enzimi koji pripadaju klasi kromoproteina (obojeni proteini). Neproteinski dio citokroma predstavlja hem koji sadrže željezo i po strukturi su slični hemu hemoglobina. Jedna molekula citokroma može reverzibilno prihvatiti jedan elektron, dok se oksidacijsko stanje željeza mijenja:
citokrom (Fe 3+) + ē ↔ citokrom (Fe 2+)
Citokromi a, a 3
čine kompleks tzv citokrom oksidaza. Za razliku od drugih citokroma, citokrom oksidaza može komunicirati s kisikom, konačnim akceptorom elektrona.
Ciklus trikarboksilne kiseline (TCA)
Ovaj proces se također naziva citratni ciklus ili Krebsov ciklus nazvan po engleskom znanstveniku koji je sugerirao da stanice imaju oksidacijski ciklički sustav reakcija. CTK je razgradnja acetil-CoA u mitohondrijima na CO 2 i vodik povezan s nosačima (NAD i FAD).
U prvom koraku procesa, acetil-CoA reagira s oksaloacetatom (oksaloctena kiselina) i formira citrat (limunska kiselina). Nadalje, 2 molekule ugljičnog dioksida i 4 para vodikovih atoma se uzastopno cijepaju od limunske kiseline i ponovno nastaje oksaloctena kiselina, zbog čega se proces naziva ciklus .
TCA je povezan s disanjem tkiva. Metaboliti srednjeg ciklusa su supstrati oksidacije (izocitrat, α-ketoglutarat, sukcinat i malat). U ciklusu se oksidiraju (dehidrogeniraju) pod djelovanjem NAD- i FAD-ovisnih dehidrogenaza. Istovremeno se obnavljaju NAD i FAD, tj. dodati vodik:
izocitrat + NAD → oksalosukcinat + NADH 2
(izocitrična kiselina) (oksalojantarna 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 → oksalacetat + NADH 2
(jabučna kiselina) (oksaloctena kiselina)
Vodik iz Krebsovog ciklusa (kao NADH 2 i FADH 2) ulazi u dišni lanac, gdje se koristi kao svojevrsno gorivo. U dišnom lancu vodikovi protoni i elektroni prenose se na kisik i stvaraju vodu. Energija koja se oslobađa u tom procesu koristi se za stvaranje ATP-a.
Biološka uloga ciklusa:
Na razini Krebsovog ciklusa spajaju se putovi razgradnje ugljikohidrata, lipida i proteina;
Metaboliti Krebsovog ciklusa koriste se za sintezu drugih tvari (oksaloctena kiselina → glukoza, asparaginska kiselina; α-ketoglutarna kiselina → glutaminska kiselina, jantarna kiselina → hem);
Krebsov ciklus je glavni sustav opskrbe vodikom za dišni lanac mitohondrija. 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 jedna molekula acetil-CoA oksidira u Krebsovom ciklusu, 12 ATP molekula: u respiratornom lancu povezanom s ciklusom - 11 molekula; u samom ciklusu - 1 molekula ATP u fazi pretvorbe sukcinil-CoA u sukcinat:
GTP + ADP → ATP + GDP (ponovno ulazi u ciklus)
Građa i funkcije dišnog lanca
D 
dišni (transport elektrona) lanac nalazi se u mitohondrijima koji
su organele ovalnog oblika koje su dio gotovo svih stanica u tijelu. Svaki mitohondrij okružen je dvjema membranama: vanjskom i unutarnjom. Vanjska membrana je glatka, unutarnja tvori brojne grebenaste nabore - kriste. Kriste uvelike povećavaju površinu unutarnje membrane, osiguravajući mjesto za enzimske sustave dišnog lanca. Prostor između vanjske i unutarnje membrane je intermembranski prostor. Prostor između krista je ispunjen vodeni okoliš nazvao matrica. Matrica sadrži enzime ciklusa trikarboksilne kiseline i druge oksidativne enzime.
Prijenos elektrona i protona vodika na kisik provodi se na unutarnjoj membrani mitohondrija uz pomoć nekoliko vrsta redoks enzimskih sustava, čija ukupnost čini tzv. dišni lanac. Komponente respiratornog lanca ugrađene su u unutarnju membranu mitohondrija i djeluju kao jedinstvena respiratorna cjelina.
Respiratorni lanac je vrsta transportera za prijenos elektrona s oksidiranog supstrata na kisik. Sastoji se od nekoliko tipova nositelja ē i H + , a može se prikazati sljedećom generaliziranom shemom:
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 bjelančevina nastaju spojevi koji su supstrati biološke oksidacije (SH 2). Pretežno nastaju u Krebsovom ciklusu (izocitrat, α-ketoglutarat, sukcinat, malat). Pod djelovanjem NAD- i FAD-ovisnih dehidrogenaza od njih se odvajaju dva atoma vodika. Nakon toga započinje transport vodikovih protona i elektrona duž dišnog lanca.
Reducirani NADH 2 stupa u interakciju s dehidrogenazom koja sadrži FMN kao koenzim. FMN prihvaća (oduzima) vodik odcijepljen od NADH 2 .
Sljedeća komponenta respiratornog lanca, koenzim Q (ubikinon), prihvaća 2H iz FMN. Ubikinon je ključna točka gdje vodik teče u dišni lanac iz raznih supstrata.
Ako prve 3 komponente dišnog lanca - NAD, FMN i ubikinon - nose vodik, odnosno: i protone i elektrone, tada, počevši od citokroma b a prema kisiku, tokovi protona i elektrona su odvojeni, budući da daljnji dio dišnog lanca sadrži samo prijenosnike elektrona. Iz koenzima Q dva elektrona se prenose na dvije molekule citokroma b, zatim sekvencijalno za citokrome c 1 , c, a, a 3 . Kisik spajanjem dva elektrona s dvije molekule citokroma a 3 , stupa u interakciju s dva protona i pretvara se u vodu.
Smjer prijenosa elektrona u dišnom lancu određen je redoks potencijalima nositelja. Redoks potencijal (E) karakterizira sposobnost molekule da prihvati elektrone. Što je veća E komponenta lanca, veća je njegova snaga kao oksidacijskog sredstva. Nositelji u respiratornom lancu raspoređeni su prema rastućem E, budući da se elektroni mogu donirati samo spoju s višim redoks potencijalom. Kisik ima najveću sposobnost prihvaćanja elektrona (E = +0,82V), vodik najmanju (E = -0,42V). Tako nastaje kisik, kao najjače oksidacijsko sredstvo pokretačka snaga za prijenos elektrona duž dišnog lanca.
Mehanizam spajanja oksidacije i fosforilacije
Razlika potencijala između H 2 i O 2 je 1,24 V, što je teoretski dovoljno za sintezu 6 molekula ATP-a, ali zapravo se ne sintetiziraju više od tri.
SH 2 + ½ O 2 S + H 2 O (oksidacija)
3ADP + 3H 3 RO 4 3ATP (fosforilacija)
ATP nastaje dodavanjem ostatka fosforne kiseline na ADP. Ovaj proces se zove fosforilacija. Dakle, dva procesa: proces biološke oksidacije (prijenos protona i elektrona kroz dišni lanac) i proces fosforilacije (stvaranje ATP-a) su konjugirani, budući da se energija nastala tijekom oksidacije koristi za fosforilaciju. Zato nastanak ATP-a zbog energije koja se oslobađa pri prolasku elektrona dišnim lancem naziva se oksidativne fosforilacije.
Za kvantificiranje sprege oksidacije i fosforilacije koristimo koeficijent fosforilacije- stav R/O. Ovaj koeficijent pokazuje koliko atoma anorganskog fosfora apsorbiraju mitohondriji kada se apsorbira jedan atom kisika (ili kada se jedan par elektrona prenese na kisik).
Izračuni pokazuju da je za stvaranje jedne makroergičke veze ATP-a, čiji je trošak najmanje 40 kJ / mol, potrebna redoks potencijalna razlika između sudionika u respiratornom lancu od oko 0,22 V po paru prenesenih elektrona. Postoje samo tri mjesta u dišnom lancu s razlikom u o/v potencijalima dovoljnoj za sintezu ATP-a ( tri mjesta konjugacije oksidacije i fosforilacije):
I - između NAD∙H 2 i FMN;
II - između citokroma b i c;
III - između citokroma a i a 3 .
U tim je fazama oslobađanje energije dovoljno za sintezu ATP-a. U preostalim fazama razlika u potencijalima u/v je nedovoljna za sintezu ATP-a i oslobođena energija (oko 40-50%) se raspršuje u obliku topline. Dakle, kada dva elektrona prođu kroz dišni lanac, koji započinje NAD-ovisnim dehidrogenazama, nastaju tri molekule ATP-a. U ovom slučaju, koeficijent P/O = 3.
Neki oksidacijski supstrati (sukcinat, masne kiseline) imaju veći redoks potencijal od NAD. Stoga ih ne oksidiraju NAD-, nego FAD-ovisne dehidrogenaze. Kada se takve tvari oksidiraju, nastaju samo dvije molekule ATP-a, budući da se preskače jedna točka konjugacije oksidacije i fosforilacije. Prema tome, koeficijent P/O = 2.
Zadane vrijednosti koeficijenata fosforilacije su izračunate, stvarna vrijednost ovog koeficijenta u fiziološkim uvjetima je R/O ≈ 2,5.
Koeficijent P / O može imati čak i niže vrijednosti (P / O odvajanje oksidacije i fosforilacije. U ovom slučaju dolazi do redoks procesa u respiratornom lancu, ali ne dolazi do fosforilacije (sinteza ATP-a), tj. dišni lanac radi, takoreći, u praznom hodu. Sva energija oksidiranih tvari pretvara se u toplinu. Mitohondriji postaju neka vrsta stanične "peći" koja proizvodi toplinu. To je neophodno u situacijama kada je potreba za toplinom za tijelo veća od potreba za ATP-om, na primjer, za održavanje tjelesne temperature tijekom hlađenja.
mikrosomalna oksidacija
Uz tkivno disanje, koje uključuje od 80% do 90% kisika koji čovjek konzumira, u tijelu se stalno događaju i druge reakcije koje uključuju kisik, uključujući mikrosomalni i slobodni radikali oksidacija.
Mikrosomalna oksidacija nije povezana sa sintezom ATP-a. Mehanizam ove vrste oksidacije supstrata s kisikom osigurava takvu interakciju supstrata (S) s molekulskim kisikom, u kojoj je jedan atom kisika uključen u oksidirani supstrat, a drugi je uključen u molekulu vode. Zbog uključivanja kisika u molekulu oksidiranog supstrata nastaje hidroksilna skupina (-OH), dakle ove vrste 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 vodika (askorbinska kiselina ili NADP ∙ H 2).
Enzimi koji sudjeluju u oksidaciji oksigenazom nazivaju se hidroksilaze, ili oksigenaze. Ovi enzimi sadrže metalne ione promjenjive valencije (Fe, Cu) u aktivnom centru. Hidroksilaze mogu postojati u topljivom obliku u staničnom soku, ili kao posebne skupine oksidativnih enzima smještenih u membranama citoplazmatskog retikuluma stanica jetre, mitohondrija stanica kore nadbubrežne žlijezde itd. Kada se tkivo trlja, fragmenti citoplazmatskog retikuluma spontano se zatvaraju u strukture nalik mjehurićima tzv. mikrosomi Stoga se ova vrsta oksidacije naziva mikrosomalna. Skupina mikrosomalnih oksidativnih enzima je ciklički lanac prijenosa elektrona i protona, čiji je izvor uglavnom NADP∙H 2 . Glavna komponenta ovog sustava je citokrom P 450 s kationom željeza (Fe 3+ ↔ Fe 2+) u aktivnom centru, gdje počinje oksidacija supstrata. Ime citokroma je zbog činjenice da njegov reducirani oblik veže ugljični monoksid CO i poprima karakterističnu apsorpciju svjetlosti na 450 nm.
Kada citokrom P 450 stupi u interakciju sa supstratom i kisikom, oni se aktiviraju i oksidira se ne samo supstrat, već i NADP∙H 2. Zbog toga citokrom P 450 daje četiri elektrona molekuli kisika. Kao rezultat, jedan od atoma kisika se uvodi duž S-N veze molekule oksidiranog supstrata, a drugi se reducira uz nastanak vode.
Biološka uloga mikrosomalne oksidacije:
1. Sinteza raznih tvari. Topljivi enzimi uz sudjelovanje askorbinske kiseline kao donora vodika provode sintezu adrenalina i norepinefrina u kromafinom tkivu; pigment melanin iz tirozina u koži, šarenici i mrežnici; Glavni protein vezivnog tkiva je kolagen. Mikrosomalni enzimi sudjeluju u stvaranju nezasićenih masnih kiselina; žučne kiseline i steroidni hormoni nadbubrežne žlijezde iz kolesterola, leukotrieni iz arahidonske kiseline.
2. Neutralizacija raznih toksičnih tvari u jetri. To posebno vrijedi za strane tvari koje nisu prirodnog podrijetla, tzv ksenobiotici. Mikrosomalnom oksidacijom otrovne tvari postaju topljive u vodi, zbog čega se ne nakupljaju u stanici, već se lako izlučuju mokraćom. Poznato je više od 7000 naziva spojeva koje oksidira mikrosomalni sustav jetre. Jedna od glavnih značajki 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 te prilagodljivosti, citokrom P 450 univerzalni je enzim za detoksikaciju koji može djelovati s gotovo svim spojevima. Jedini uvjet za supstrat koji može oksidirati je da mora biti nepolaran, jer se citokrom P 450 nalazi u lipidnom sloju membrane.
Oksidacija slobodnih radikala
Slobodni radikali su čestice s nesparenim elektronom (prisutnost nesparenog elektrona označena je točkom ·). Glavni izvor radikala u ljudskom tijelu je molekularni kisik, au slučaju izloženosti zračenju - voda ( radioliza vode). Od 1 do 3% kisika koji čovjek konzumira troši se na stvaranje slobodnih radikala. Molekula kisika sadrži dva nesparena elektrona i biradikal je ·O 2 ·. Međutim, nespareni elektroni raspoređeni su tako da molekula O 2 ostaje relativno stabilna. Potpunom redukcijom (tkivnim disanjem) molekula kisika, uzimajući četiri elektrona i četiri protona, pretvara se u dvije molekule vode. Nepotpunom redukcijom kisika nastaju različiti aktivni oblici. Do reaktivne vrste kisika odnositi se:
O 2 ‾ - superoksidni radikal(+ H + → NO 2 hidroperoksidni radikal)
↓+ ē (+2N +)H 2 O 2 - vodikov peroksid
·ON - hidroksilni radikal
Pod djelovanjem svjetlosti molekulski kisik prelazi u singletno stanje, tj. u singletni kisik O 2 ", u kojem su svi elektroni upareni. Singletni kisik je nestabilan, vrijeme poluraspada je 45 minuta. Aktivniji je u reakcijama oksidacije od molekularnog kisika. Oksidativna sposobnost reaktivnih vrsta kisika raste sljedećim slijedom:
O 2 → O 2 "→ O 2 ─ → HO 2 → H 2 O 2 → HO
U tijelu se neprestano stvaraju reaktivne vrste kisika. U tijelu, otrovni radikali koji sadrže kisik nastaju kada O 2 stupa u interakciju s metaloproteinima (hemoglobin, citokromi) koji sadrže metalne katione u niži stupnjevi oksidacija (Fe 2+, Cu +, Mn 2+), primajući elektron od njih:
Fe 2+ + O 2 → Fe 3+ + O 2 ─
Kemijske reakcije koje dovode do pojave slobodnih radikala normalni su procesi u ljudskom tijelu. Slobodni radikali nastaju kao posljedica disanja tkiva, prijenosa kisika hemoglobinom, sinteze hormona, prostaglandina, fagocitoze, neutralizacije lijekova i raznih toksičnih tvari u jetri, tjelesna aktivnost itd.
Rezultirajuće radikalne čestice, prvenstveno HO radikal, imaju izuzetno visoku reaktivnost. Slobodni radikali reagiraju s gotovo svim molekulama, uzrokujući kršenje njihove strukture i funkcija: proteini, nukleinske kiseline, ugljikohidrati, lipidi. Slobodni radikali posebno su agresivni prema DNK i lipidima. Njihova interakcija s DNK dovodi do kršenja genetskog koda i može postati izvor razvoja raka. Međutim, slobodni radikali prvenstveno sudjeluju u reakcijama lipidna peroksidacija (LPO). U ovom slučaju, nezasićene masne kiseline, koje su dio fosfolipida staničnih membrana, prolaze kroz oksidaciju. LPO proces se može podijeliti na tri etape:
jastadij - stvaranje slobodnih radikala lipida:
RH + OH → R (R─CH 2 ─CH═CH─R "+ ALI → R─CH ─CH═CH─R" + H 2 O)
alilni radikalIIfaza - proizvodnja lipidnih peroksida: oksidacija alilnog radikala s molekulskim kisikom da bi se formirali peroksidni radikali:
R + O 2 → ROO (R─CH ─CH═CH─R" + O 2 → R─CH─CH═CH─R")
│Peroksidni radikal se zatim reducira u hidroperoksid oksidacijom druge molekule masne kiseline u slobodni radikal: ROO + RH → ROOH + R
LPO reakcije imaju lančani karakter, a nastali radikal R uključen je u razvoj lanca.
IIIstupanj - otvoreni krug nastaje kada radikali međusobno djeluju tvoreći neaktivne proizvode ili s antioksidansom. Produkti peroksidacije nezasićenih lipida su lipidni hidroperoksidi, kao i alkoholi, aldehidi, karboksilne kiseline. Dakle, tijekom razgradnje hidroperoksida lipida nastaje malondialdehid O═CH─CH 2 ─CH═O, koji stvara "poprečne veze" koje remete strukturu proteina.Fiziološka uloga LPO procesa je reguliranje obnavljanja i propusnosti lipida u biološkim membranama. Međutim, ako se stvore uvjeti za stvaranje velikog broja slobodnih radikala, tada proces peroksidacije lipida može dobiti lavinski karakter. To može dovesti do promjene fizikalno-kemijskih svojstava lipidne faze membrane, što zauzvrat dovodi do poremećaja transportnih, receptorskih i drugih funkcija, te poremećaja strukturnog integriteta membrana sve do njihove potpune destrukcije i stanične smrti. Osim toga, aktivnost enzima je potisnuta, a peroksidni spojevi opasni po zdravlje se nakupljaju.
Pod ekstremnim i patogenim djelovanjem na organizam naglo se povećava stvaranje kisikovih radikala, djelomično zbog aktivacije oksidativne fosforilacije i hidroksilacije ksenobiotika. Jačanje procesa LPO ima univerzalni štetni karakter i igra važnu ulogu u procesu starenja i razvoju različitih patoloških stanja: bolesti kardiovaskularnog sustava, jetre, pluća itd.
Normalno, tijelo kontrolira LPO procese reguliranjem količine i aktivnosti slobodnih radikala. Za ovo postoji antioksidativni sustav (AOS) organizma, što sprječava pretjeranu aktivaciju peroksidacije lipida. AOS uključuje:
enzimska veza koja sprječava nastanak ROS su enzimi koji se proizvode u samom tijelu: katalaza, superoksid dismutaza, glutation reduktaza, glutation peroksidaza;
oko 2 ─ + 2H + H2O2 + O2
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(sprječavaju stvaranje lipidnih peroksida). Oni uključuju ne sintetizirani u našem tijelu vitamini A, C, E, β-karoten, bioflavonoidi. Sve ove tvari, s izuzetkom vitamina C, vrlo su topive u mastima. Zovu se "hvatači slobodnih radikala" u tijelu. Antioksidansi, u interakciji s radikalima, prelaze u oksidirane oblike, koji pod djelovanjem odgovarajućih enzima ponovno prelaze u reducirane oblike. Na primjer, vitamin E, prisutan u membranama, svojevrsni je kemijski sustav za zaštitu membrana od peroksidacije lipida. Osim toga, mnoge tvari koje proizvodi samo tijelo imaju antioksidativna svojstva - koenzim Q, mokraćna kiselina, steroidni hormoni, tiroksin. Učinkoviti antioksidansi su tioliR─ SH, koji su neophodni za funkcioniranje enzima glutation peroksidaze. Prirodni tioli su glutation, cistein, dehidrolipoat.
Stranica 1
|
|
U specijaliziranim membranama mitohondrija odvijaju se bioenergetski procesi koji dovode do sinteze ATP-a, do punjenja "bioloških akumulatora". Tu su lokalizirani i prostorno organizirani molekularni sustavi odgovorni za energiju živih organizama. Sinteza ATP-a u mitohondrijima povezana je s prijenosom elektrona i iona te s mehanokemijskim fenomenima. Funkcije mitohondrijskih membrana vrlo su složene i raznolike. Druga vrsta bioenergetskih konjugirajućih membrana - membrane kloroplasta biljaka odgovorne za fotosintezu - raspravlja se u poglavlju 7.
Izvor energije koju stanica troši za biosintezu, aktivni transport, mehanički i električni rad je disanje, tj. oksidacija organskih spojeva atmosferskim kisikom. Godine 1780. Lavoisier je pokazao da su disanje i izgaranje iste prirode. Tijekom sljedeća gotovo dva stoljeća istraživanja kemičara, biologa i fizičara dovela su do otkrivanja glavnih značajki biološke oksidacije - jednog od najvažnijih procesa (ili bolje rečeno sustava procesa) koji se odvijaju u živoj prirodi.
Gorivo, tj. oksidirajuće tvari, ulaze u tijelo životinje s hranom u obliku masti, ugljikohidrata i bjelančevina. Masti su trigliceridi masnih kiselina, uglavnom polihidričnih kiselina. Oni se cijepaju, tj. hidroliziraju u reakcijama koje kataliziraju posebni enzimi. Masne kiseline se aktiviraju uz sudjelovanje specifičnih enzima i ATP-a, pretvarajući se u acilne derivate takozvanog koenzima A, Co A - SH, čija je struktura prikazana na Sl. 6.1. Oksidacija acilnog derivata Co A - SH odvija se u nizu faza, od kojih svaka tvori ostatak masne kiseline koji sadrži dva ugljikova atoma manje od prethodnog. Kompletna jednadžba 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
Riža. 6.1. Koenzim A.
TOC \ o "1-3" \ h \ z (Slika 6.3), ADP i AMP - adenozin difosfat i adenozin monofosfat, Fn, FFN - anorganski mono- i difosfati. Obratimo pažnju na općenitost i
Strukture ATP, CoA-SH, NAD i HB
FAD (vidi, pogl. 2). Kada se uništi - /\ / \
Nii mast na kraju obra - n | 9NH2
Acetil-CoA se zove, kao i pro - n ^
PIONIL-KO A I GLICERIN. - g_p_Q_QH
Cijepanje i oksidacija ugljika - í | |
Vode (osobito škrob) na - \ C ^ n n ^ C dovodi do stvaranja trioza 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 s / C N
Uz pojedinačne aminokiseline - \ NSch J I
Mi se koristi 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 he OH
Moderna biokemija (vidi). Riža. c-2-nikotinamid adenin-
Glavni produkti cijepanja su dinukleotid (NAD),
Niya i oksidacija masti, ugljikohidrata
Proteini prolaze dalje transformacije u cikličkom sustavu reakcija koji se naziva ciklus limunske kiseline ili Krebsov ciklus. Ovaj sustav je lokaliziran u mitohondrijima. Krebsov ciklus, “figurativno rečeno, glavna os oko koje se vrti metabolizam gotovo svih postojećih stanica... Ciklus
Krebs je "žarišna točka" u kojoj se spajaju svi metabolički putovi.
Krebsov ciklus prikazan je na sl. 6.4. Za jedan krug ciklusa, koji se sastoji od osam reakcija, označenih na slici brojevima u krugovima, razgradi se jedna molekula 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
Riža. 6.3. Flavia adenin dinukleotid (FAD).
Ili jedna molekula piruvata u CO2 i H20, tj. "izgaranje" 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 putovi mnogih biosintetskih reakcija - putovi za sintezu ugljikohidrata, lipida, purina, pirimidija i porfirina. Sinteza proteina također je povezana s ciklusom u kojem nastaju prekursori niza aminokiselina. Istodobno, kao što ćemo vidjeti, biološka oksidacija je izvor energije pohranjene u ATP-u i neophodne za biosintetske procese.
U reakcijama ciklusa pojavljuju se ioni CO2 i H+. Istodobno se obnavljaju koenzimi NAD i FAD. Za kontinuiranu i potpunu biološku oksidaciju, ti se kofermi moraju ponovno oksidirati. Oksidacija se provodi kombinacijom prijenosnika elektrona koji tvore lanac prijenosa elektrona (ECC) fiksiran u mitohondrijima. CPE osigurava 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, je
Ugljikohidrati-*- CH-CDC07 str
Piruvat u masnom
U v4 * - "Acetil-CoC CO2 2H ■
^ c \u003d o (T) r "
Fn Sushchinil-Sh KoA_SH Sl. 6.4. Krebsov ciklus.
Tre-"bA.-izocitrati
A-ketoglutarap
NO-CH S02 fiOj (2)
"CH2 oksalacetat citrat
FQ) l-tlat \ Vz
Polienzimatski sustav koji prihvaća elektrone iz Krebsovog ciklusa i ciklusa oksidacije masnih kiselina.
Elektron se prenosi duž sljedećeg 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. Citokromi sadrže hemsku skupinu, čiji atom željeza prolazi kroz oksidaciju i redukciju tijekom rada lanca:
Fe2+ Fe3+ - f e~.
Prijenos elektrona u gornjem lancu događa se slijeva nadesno, završavajući redukcijom kisika, koji se spaja s vodikom u vodu. Elektron koji se oslobađa tijekom oksidacije povezuje se sa sljedećom karikom u lancu. Prijenos elektrona prati promjena slobodne energije, dok se elektroni kreću kroz kaskadu rastućih redoks potencijala. Njihove vrijednosti date su u tablici. 6.1.
Tablica 6.1
Redoks potencijali nekih sustava
Prijenos elektrona duž respiratornog lanca povezan je sa skladištenjem energije u makroergičkim molekulama ATP-a. Drugim riječima, oslobođena slobodna energija pretvara se u kemijsku energiju ATP-a. Dolazi do oksidativne fosforilacije.
Ovaj najvažniji fenomen prvi je otkrio Engelhardt 1930. godine. Belitzer i Tsybakova detaljno su proučavali stehiometrijske odnose između oksidacije i fosforilacije, izvršili su prva određivanja koeficijenta Fn O, tj. omjera broja molekula esterificiranih anorganskih
fosfata na broj atoma apsorbiranog kisika, te je pokazao da vrijednost tog koeficijenta nije manja od 2. U radu su dane termodinamičke procjene koje su pokazale da je energija prijenosa elektrona na kisik dovoljna da nastane dva odn. više Molekula ATP-a po atomu apsorbiranog kisika. Kalkar je otkrio da je aerobna fosforilacija povezana s disanjem i da ne ovisi o glikolitičkoj fosforilaciji. Kvantitativne omjere je precizirao Ochoa. Koeficijent Fn: O for oksidativne reakcije Krebsov ciklus i reakcije koje uključuju NAD je 3. Lehninger je prvi ustanovio da su procesi oksidativne fosforilacije lokalizirani upravo u mitohondrijima.
Izravne strelice pokazuju ulazne točke za elektrone. FP,. FP, ...-flavoproteini.
KoQ - koenzim Q.
10], au radovima njegovog laboratorija pronađene su čvorne točke dišnog lanca u kojima se odvija fosforilacija. Navedena vrijednost Fn:O proizlazi iz jednadžbe
NAD-H + H+ + Z ADP + 3 Fn + V2O2 - NAD+ + 4 H20 + 3 ATP. Ova jednadžba sažima egzergonsku 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 na tri ključne točke - u dijelu lanca NAD-H - flavoproteina, 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 opet grubu jednadžbu 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 slobodnu energiju u kalorijama, tj. vrijednost AG pri pH 7,0, 25 °C i koncentracijama svih komponenti jednakih 1,0 M. Kao što je poznato,
AG0 = - RT In K, (6.2)
gdje je K konstanta ravnoteže reakcije. Za fosforilaciju AG0 = 7,3 kcal/mol. Opažena vrijednost AG in vivo ovisi o koncentraciji protona s obje strane membrane, a time i o razlici membranskog potencijala. AG ovisi i o koncentraciji iona Mg++. Kada se pH promijeni sa 6,0 na 9,0 pri = 10 mM, AG se promijeni sa 6,17 na 9,29 kcal/mol (vidi).
Promjena slobodne energije tijekom 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 \u003d z D-ph \u003d - 2 23,06 -1,14 kcal / mol \u003d - 52,7 kcal / mol.
Ovo osigurava višak sinteze od 3 mola ATP-a iz ADP-a i Fn. Učinkovitost procesa izražena je kao 21,9/52,7, tj. približno jednaka 40%.
Energetski smisao disanja je sinteza ATP-a. Energiju pohranjenu u ATP stanica koristi za obavljanje svih vrsta svojih poslova.
Otkriće kemije biološke oksidacije najveće je postignuće biokemije. Ovdje su prikazane samo neke od najvažnijih informacija, a detaljno razmatranje složenog biokemijskog sustava oksidacije sadržano je u specijalnoj literaturi (vidi).
Značajka sustava oksidativne fosforilacije, koja ga razlikuje od niza enzimskih reakcija koje se odvijaju u otopini, je stroga prostorna lokalizacija veza višestupanjskog procesa. Oksidativna fosforilacija lokalizirana je u mitohondrijima i izravno je povezana s transportom i mehanokemijskom funkcionalnošću njihovih membrana. Očito je tako složen sustav Biokemijske reakcije temeljno zahtijevaju prostornu heterogenost i ne mogu se ostvariti u homogenom okruženju.
Dešifriranje ovdje ukratko opisanih redoks reakcija dobiveno je primjenom suptilnih kemijskih i fizikalnih metoda. Ovdje, posebno,
Rad Chaisa posvećen spektroskopiji prijenosnika elektrona (NAD, FP, citokroma) u intaktnim mitohondrijima odigrao je važnu ulogu. Ovi nosači imaju karakteristične apsorpcijske trake u vidljivom i bliskom ultraljubičastom području spektra, a diferentni spektri omogućuju proučavanje kinetike njihove oksidacije i redukcije. Korištene su različite metode za uklanjanje specifičnih n enzima iz mitohondrija. čime se čuvaju samo određene poveznice
Riža. 6.6. Raspodjela proteina po CPE kompleksima I, II, III, IV.
A, b, s. Cí, dí-\u003e ntokromi, Cu - proteini koji sadrže bakar, (Fe -be) - ne-hem željezo, fs - sukcinat dehidrogenaza, iq-NAD H-dehidrogenaza.
Postupak. Mitohondriji su secirani; kompleksi respiratornih enzima oslobođeni su strukturni proteini. Pokazalo se da je takve komplekse moguće pročistiti i detaljno proučavati. Provedeni su uspješni pokusi za obnavljanje CPE iz izoliranih pripravaka i topivih enzima. Konačno, vrlo vrijedne informacije dobivene su u pokusima o inhibiciji pojedinih faza procesa i o odvajanju oksidativne fosforilacije i prijenosa elektrona (vidi § 6.5).
Može se smatrati utvrđenim da su CPE nositelji grupirani u četiri kompleksa, koji se nazivaju Greenovi kompleksi (vidi). Odgovarajuća shema prikazana je na sl. 6.6. Molekularna težina svakog kompleksa je oko 3-105.Sadrži oko 64% proteina i 36% lipida. Nositelj elektrona
kompleks se definira kao najmanja CPE jedinica koja zadržava sposobnost prijenosa elektrona brzinom usporedivom s onom u netaknutim mitohondrijima.
Proučavanje biološke oksidacije zadovoljava potrebu za rješavanjem niza fizički problemi koji se odnose na različite razine organizacije i funkcioniranja sustava.
Struktura i funkcije molekularnih nositelja elektrona još su nedovoljno istražene. U § 6.7 razmatraju se suvremeni podaci vezani uz strukturu i svojstva citokroma c. Citokrom c je vrlo detaljno proučavan, ali se njegova dinamička svojstva ne mogu smatrati potpuno utvrđenim i objašnjenim.
Struktura i funkcionalna organizacija mitohondrija bili su predmet intenzivnog proučavanja. No, mnoga najvažnija pitanja vezana uz to još uvijek ostaju bez odgovora. Specifična struktura membrane migohondrija, prisutnost u njima autonomnog programa za sintezu proteina (DNA) i mehanokemijska aktivnost mitohondrija izravno su povezani s njihovom ulogom "elektrane" stanice. Daljnji razvoj mitohondrijska fizika zahtijeva holistički pristup.
Intenzivno se razvija opća teorija prijenosa elektrona u lokaliziranom sustavu biološke oksidacije. Predloženi su smisleni kinetički modeli, započeta su teorijska istraživanja koja se temelje na razmatranju elektroničko-konformacijskih interakcija. Ovi problemi su od najvećeg interesa za biofiziku.
Potrebno je utvrditi molekularnu prirodu biološke oksidacije, koja se provodi kao rezultat konjugacije enzimskih, transportnih i mehanokemijskih procesa. Mitohondriji su mjesto integracije širokog spektra molekularno bioloških fenomena, cjeloviti sustav koji zahtijeva sveobuhvatno proučavanje – teoretsko i eksperimentalno rastavljanje i sklapanje „crne kutije“.
Prema izvorima energije koji se koriste za život, svi živi organizmi se dijele na autotrofe (korisnici energije sunčeva svjetlost) i heterotrofi (koje koriste energiju kemijskih veza). Energija se u stanicama heterotrofnih organizama dobiva oksidacijom složenih organskih spojeva: ugljikohidrata, masti, bjelančevina, koje organizmi dobivaju iz vanjske sredine, tj. u obliku svojih kemijskih veza životinje troše energiju iz okoliša. Ove tvari su energetski izvori stanica heterotrofnih organizama.
Dodijeliti tri faze ekstrakcije energija iz njih (slika 1):
1. Cijepanje polimernih molekula na monomere. U ovoj fazi ne dolazi do oslobađanja biološki korisne energije. Otprilike 1% energije se oslobađa i rasipa kao toplina.
2. Cijepanje monomera uz stvaranje glavnih međuproizvoda - piruvata, acetil-CoA. Ovdje se oslobađa 20% energije njezinim skladištenjem u makroergičkim vezama ATP-a i djelomičnim raspršivanjem u obliku topline.
3. Oksidacija acetil-CoA u ciklusu trikarboksilne kiseline do CO 2 i H 2 O i oslobađanje atomskih vodika, nakon čega slijedi njihova oksidacija s kisikom u dišnom lancu enzima, zajedno sa sintezom ATP-a. Ovdje se oslobađa 80% energije, od čega se većina (oko 60%) skladišti u obliku ATP-a.
Riža. 1. Glavni stupnjevi biološke oksidacije povezani s fosforilacijom.
Klasifikacija procesa biološke oksidacije.
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; ne dolazi do pretvaranja energije oslobođene tijekom oksidacije u energiju makroergičkih veza. Slobodna oksidacija ima pomoćnu ulogu - služi za proizvodnju topline i detoksikaciju štetnih produkata metabolizma.
Sve reakcije oksigenaze odvijaju se prema vrsti slobodne oksidacije, sve oksidativne reakcije ubrzavaju peroksidaze ili prate stvaranje H 2 O 2, mnoge reakcije kataliziraju oksidaze.
Procesi slobodne oksidacije koncentrirani su u citosolu, u membranama endoplazmatskog retikuluma stanice, u membranama lizosoma, peroksisoma i Golgijevog aparata, na vanjskim membranama mitohondrija i kloroplasta, u nuklearnom aparatu stanice. .
2. Konjugirana oksidacija- oksidacija, u kojoj se energija oksidativne reakcije koristi za sintezu ATP-a. Stoga se ova vrsta oksidacije naziva oksidacija povezana s ADP fosforilacijom. To se može učiniti na dva načina.
Ako tijekom oksidacije supstrata nastaje makroergički spoj čija se energija koristi za sintezu ATP-a, tada se ova vrsta biološke oksidacije naziva fosforilacija supstrata ili fosforilacije na razini supstrata ili oksidacija povezana s ADP fosforilacijom na razini supstrata. Primjer takvih reakcija su 2 reakcije glikolize: pretvorba 1,3-difosfoglicerinske kiseline u 3-fosfoglicerinsku kiselinu i fosfoenolpiruvata (PEP) u piruvat, kao i reakcija Krebsovog ciklusa - hidroliza sukcinil-CoA u sukcinat. Te se reakcije odvijaju zajedno sa sintezom ATP-a.
Ako su procesi oksidacije koji se odvijaju u dišnom lancu enzima na unutarnjoj membrani mitohondrija, gdje se odvija prijenos protona i elektrona iz oksidiranog supstrata u kisik, povezani sa sintezom ATP-a, tada se ova vrsta biološke oksidacije naziva oksidativne fosforilacije ili fosforilacija na razini transportnog lanca elektrona.
Klasifikacijska shema biološke oksidacije
biološka oksidacija
Slobodna oksidacija Konjugirana oksidacija
Oksidativni supstrat
fosforilacija fosforilacija
Oksidativna fosforilacija koristi reakcije dehidrogenacije oksidiranog supstrata nakon čega slijedi prijenos vodikovih atoma (protona i elektrona) na kisik uz sudjelovanje oksidoreduktaza. Prijenos vodika u kisik odvija se kroz niz redoks sustava, koji su raspoređeni u strogom slijedu - u skladu s vrijednošću njihovog potencijala. Takav slijed reakcija povezanih s prijenosom vodika u kisik uz sudjelovanje specifičnih prijenosnika elektrona naziva se dišni (ili transportni lanac elektrona) lanac. Kod životinja i ljudi, sastoji se od četiri glavne vrste prijenosnika, od kojih je svaki sposoban proći kroz reverzibilnu oksidaciju i redukciju kao rezultat gubitka i dobivanja elektrona u interakciji s drugim prijenosnikom.
Riža. 2. Međusobni raspored komponenata respiratornog lanca, s naznakom mjesta fosforilacije i specifičnih inhibitora.
biološka oksidacija
Biološka oksidacija (stanična ili disanje tkiva) - redoks reakcije koje se odvijaju u stanicama tijela, zbog čega se složene organske tvari oksidiraju uz sudjelovanje specifičnih enzima s kisikom koji se isporučuje krvlju. Krajnji produkti biološke oksidacije su voda i ugljikov dioksid. Energija koja se oslobađa u procesu biološke oksidacije djelomično se oslobađa u obliku topline, ali najveći dio odlazi na stvaranje molekula složenih organofosfornih spojeva (uglavnom adenozin trifosfata - ATP), koji su izvori energije potrebne za život tijela.
U ovom slučaju, proces oksidacije sastoji se u uklanjanju elektrona i jednakog broja protona iz oksidirane tvari (supstrata). Supstrati biološke oksidacije su proizvodi transformacije masti, proteina i ugljikohidrata. Biološka oksidacija supstrata do konačnih produkata odvija se lancem uzastopnih reakcija, međuprodukti kojih su trikarboksilne kiseline - limunska, cisakonitna i izocitrična kiselina, stoga se cijeli lanac reakcija naziva ciklus trikarboksilnih kiselina ili Krebsov ciklus. (prema istraživaču koji je uspostavio ovaj ciklus).
Početna reakcija Krebsovog ciklusa je kondenzacija oksalata octena kiselina s aktiviranim oblikom octene kiseline (acetat), koji je spoj s koenzimom acetilacije - acetil-CoA. Kao rezultat reakcije nastaje limunska kiselina koja nakon četverostruke dehidrogenacije (eliminacija 2 atoma vodika iz molekule) i dvostruke dekarboksilacije (eliminacija molekule CO2) stvara oksalooctenu 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 se pretvoriti u intermedijarne proizvode ovog ciklusa, na primjer, mnoge aminokiseline nastale tijekom razgradnje proteina. Zbog reverzibilnosti većine reakcija Krebsovog ciklusa, produkti razgradnje bjelančevina, masti i ugljikohidrata (intermedijeri) u njemu ne samo da se mogu oksidirati, već i dobiti tijekom njegove cirkulacije. Tako se ostvaruje veza između metabolizma masti, bjelančevina i ugljikohidrata.
Reakcije oksidacije koje se odvijaju u Krebsovom ciklusu obično nisu popraćene stvaranjem energetski bogatih spojeva. Iznimka je pretvorba sukcinil-CoA u sukcinat (vidi Jantarna kiselina), što je popraćeno stvaranjem gvanozin trifosfata. Većina ATP-a nastaje u lancu respiratornih enzima (vidi), gdje je prijenos elektrona (iu ranim fazama i protona) na kisik popraćen oslobađanjem energije.
Reakcije eliminacije vodika provode enzimi klase dehidrogenaza, a atomi vodika (tj. protoni + elektroni) vezani su za koenzime: nikotinamid adenin dinukleotid (NAD), nikotinamid adenin dinukleotid fosfat (NADP), flavin adenin dinukleotid (FAD), itd.
Procesi biološke oksidacije povezani s Krebsovim ciklusom i lancem respiratornih enzima odvijaju se uglavnom u mitohondrijima i lokalizirani su na njihovim membranama.
Stoga su procesi biološke oksidacije povezani s Krebsovim ciklusom važni kako u stvaranju energetski bogatih spojeva tako i u provedbi veze između metabolizma ugljikohidrata, masti i proteina. Čini se da druge vrste biološke oksidacije imaju uže značenje, kao što je opskrba stanica energijom. To je stadij glikolize, koji se sastoji od oksidacije niza fosfornih spojeva uz istovremenu redukciju NAD i stvaranje ATP-a ili reakciju pentoznog ciklusa (tj. oksidacijska pretvorba glukoza-6-fosfata), praćena stvaranjem fosfopentoze i reduciranog NADP-a. Pentozni ciklus igra važnu ulogu u tkivima karakterizirana intenzivnom sintezom nukleinskih kiselina, masnih kiselina, kolesterola itd. Vidi također Metabolizam i energija.
Biološka oksidacija - skup redoks reakcija koje se odvijaju u biološkim objektima. Proces oksidacije se razumijeva kao gubitak elektrona ili elektrona i protona istovremeno od strane tvari (gubitak atoma vodika) ili dodavanjem kisika. Reakcije suprotnog smjera karakteriziraju proces oporavka. Reducenti su tvari koje gube elektrone, a oksidanti su tvari koje dobivaju elektrone. Biološka oksidacija osnova je tkivnog ili staničnog disanja (proces kojim tkiva i stanice apsorbiraju kisik i oslobađaju ugljični dioksid i voda) – glavni izvor energije za tijelo. Tvar koja prima (prihvaća) elektrone, tj. reducira se, je molekularni kisik, koji prelazi u kisikov anion O -. Atomi vodika koji se odvajaju od organske tvari - supstrata oksidacije (SH2), pretvaraju se, nakon gubitka elektrona, u protone ili pozitivno nabijene katione vodika:
SH2→S→2H; 2N→2H + + 2e: ½O2→O; O→2e→O -- ; 2H + + O -- → H2O + 55 kcal. Kao rezultat reakcije između kationa vodika i aniona kisika nastaje voda, a reakcija je popraćena oslobađanjem značajne količine energije na svakih 18 g vode). Ugljični dioksid nastaje kao nusprodukt biološke oksidacije. Neke od reakcija O. dovode do stvaranja vodikovog peroksida, koji se pod utjecajem katalaze razlaže na H2O i O2.
Dobavljači energije u ljudskom tijelu su hrana - bjelančevine, masti i ugljikohidrati. Međutim, te tvari ne mogu poslužiti kao supstrati za O. Oni se prethodno cijepaju u probavnom traktu, gdje se aminokiseline stvaraju iz proteina, masne kiseline i glicerol iz masti, monosaharidi, prvenstveno heksoze, iz složenih ugljikohidrata. Svi ovi spojevi se apsorbiraju i isporučuju (izravno ili putem limfni sustav) u krv. Zajedno sa sličnim tvarima koje nastaju u organima i tkivima čine "metabolički fond" iz kojeg tijelo crpi materijal za biosintezu i podmirenje energetskih potreba. O.-ove glavne podloge. su proizvodi tkivnog metabolizma aminokiselina, ugljikohidrata i masti, koji se nazivaju tvarima "ciklusa limunske kiseline". To uključuje kiseline:
limunska, cisakonit, izocitrična, jantarna oksalna, α-ketoglutarna, jantarna, fumarna, jabučna, oksaloctena.
Pirogrožđana kiselina CH3-CO-COOH nije izravno uključena u ciklus limunske kiseline, ali ima značajnu ulogu u njemu, kao i produkt njezine dekarboksilacije - aktivni oblik octene kiseline CH3COCoA (acetil-koenzim A).
Procesi uključeni u "ciklus limunske kiseline" ("Krebsov ciklus", "ciklus trikarboksilne kiseline") odvijaju se pod djelovanjem enzima koji se nalaze u staničnim organelama zvanim mitohondrije. Osnovni čin oksidacije bilo koje tvari uključene u ciklus limunske kiseline je uklanjanje vodika iz te tvari, tj. čin dehidrogenacije zbog aktivnosti odgovarajućeg specifičnog enzima dehidrogenaze (slika 1).
Riža. 1. Shema Krebsovog ciklusa limunske kiseline.
Ako proces započne s pirogrožđanom kiselinom, tada se eliminacija dva atoma vodika (2H) u Krebsovom ciklusu ponavlja 5 puta i prati je tri uzastopna stupnja dekarboksilacije. Prvi čin - dehidrogenacija - događa se kada se pirogrožđana kiselina pretvara u acetil-CoA, koji kondenzira s oksalooctenom kiselinom u limunsku kiselinu. Drugi put dehidrogenacija dovodi do stvaranja oksalojantarne kiseline iz izocitrične kiseline. Treći čin - odvajanje dva atoma vodika - povezan je s pretvorbom ketoglutarne kiseline u sukcinil-CoA; četvrti - s dehidrogenacijom jantarne kiseline i, konačno, peti - s pretvorbom jabučne kiseline u oksalooctenu kiselinu, koja se ponovno može kondenzirati s acetil-CoA i osigurati stvaranje limunske kiseline. Tijekom razgradnje sukcinil-CoA nastaje energetski bogata veza (~ P) – to je takozvana fosforilacija supstrata: sukcinil-CoA + H3PO4 + ADP → jantarna kiselina + CoA + ATP.
Riža. 2. Shema dehidrogenacije supstrata ciklusa limunske kiseline specifičnim enzimima koji se sastoje od disocirajućih kompleksa: proteina - b1, b2, b3 i b4 s NAD i NADH2 i proteina b5, koji tvori kompleks s FAD (sukcin dehidrogenaza); CAA je cisakonitna kiselina.
Četiri od ovih čina dehidrogenacije provode se uz sudjelovanje specifičnih dehidrogenaza, čiji je koenzim nikotinamid adenin dinukleotid (NAD). Jedan čin - transformacija jantarne kiseline u fumarnu - događa se pod utjecajem sukcindehidrogenaze - flavoproteina I. U ovom slučaju koenzim je flavin adenin dinukleotid (FAD). Kao rezultat pet ponovljenih akata dehidrogenacije (slika 2), reakcije koje se odvijaju u ciklusu limunske kiseline rezultiraju stvaranjem reduciranih oblika koenzima: 4-NADH2 1-FADH2. Reducirana NAD dehidrogenaza, tj. prihvaćanje vodika iz NADH2, također pripada flavinskim enzimima - to je flavoprotein II. Međutim, razlikuje se od sukcindehidrogenaze u strukturi i proteinske i flavinske komponente. Daljnja oksidacija reduciranih oblika flavoproteina I i II koji sadrže FADH2 odvija se uz sudjelovanje citokroma (vidi), koji su složeni proteini - kromoproteini, koji sadrže željezne porfirine - heme.
Kada se FADH2 oksidira, putevi protona i elektrona se razilaze: protoni ulaze u okoliš u obliku vodikovih iona, a elektroni preko niza citokroma (slika 3) prenose se na kisik pretvarajući ga u kisikov anion O - . Između FADH2 i sustava citokroma, očito, uključen je još jedan faktor - koenzim Q. Svaka sljedeća veza u respiratornom lancu od NADH2 do kisika karakterizira 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). Na potpuna oksidacija, na primjer, pirogrožđane kiseline, uz peterostruku eliminaciju vodika, energetska učinkovitost procesa bit će oko 275 kcal (55X5). Ova se energija ne rasipa u potpunosti kao toplina; otprilike 50% nakuplja se u obliku energetski bogatih
spojevi fosfora, uglavnom adenozin trifosfat (ATP).
Proces transformacije oksidacijske energije u energetski bogate veze (~P) konačnog fosfatnog ostatka molekule ATP-a lokaliziran je u unutarnjim membranama mitohondrija 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 stvaranja energetski bogatih veza još nije dešifriran. Utvrđeno je, međutim, da se proces sastoji od nekoliko međureakcija (na slici 4 - od J ~ X do ATP), od kojih je samo posljednja stvaranje energetski bogatog fosfatnog ostatka ATP-a. Energetski bogata veza terminalne fosfatne skupine u ATP-u procjenjuje se na 8,5 kcal po gram-molekuli (u fiziološkim uvjetima oko 10 kcal). Tijekom prijenosa vodika i elektrona kroz dišni lanac, počevši od NADH2 do stvaranja vode, oslobađa se 55 kcal i akumulira u obliku ATP-a najmanje 25,5 kcal (8,5X3). Stoga je energetska učinkovitost procesa biološke oksidacije oko 50%.
Riža. 3. Shema prijenosa vodika i elektrona dišnim lancem; E0 - redoks potencijal.
Riža. 5. Shema korištenja energije ATP fosfatnih veza (AMP-R~R) za razne fiziološke funkcije.
Biološko značenje fosforilacijske oksidacije je jasno (slika 5): svi vitalni procesi (mišićni rad, živčana aktivnost, biosinteza) zahtijevaju energiju, rubovi se osiguravaju kidanjem energetski bogatih fosfatnih veza (~P). Biološko značenje nefosforilirajuće – slobodne – oksidacije može se vidjeti u brojnim oksidacijskim reakcijama koje nisu povezane s ciklusom limunske kiseline i prijenosom vodika i elektrona duž respiratornog lanca. To uključuje, na primjer, sve nemitohondrijske oksidacijske procese, oksidativno uklanjanje toksičnih aktivnih tvari i mnoge radnje regulacije kvantitativnog sadržaja biološki aktivnih spojeva (određene aminokiseline, biogeni amini, adrenalin, histidin, serotonin itd., aldehidi , itd.) manje ili više 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 kemijska reakcija. Mnoga živa bića, uključujući i ljude, mogu dobiti energiju iz hrane. Vrijedno je detaljno razumjeti odakle dolazi energija i koje se reakcije odvijaju u ovom trenutku u stanicama živih organizama.
Važnost biološke oksidacije i povijest njezina istraživanja
Osnova proizvodnje energije je proces biološke oksidacije. Sada je proučavano, čak je stvorena cijela znanost koja se bavi svim suptilnostima i mehanizmima procesa - biokemija. Biološka oksidacija je skup redoks transformacija tvari u živa bića. Redoks reakcije nazivaju se reakcije koje se javljaju s promjenom oksidacijskog stanja atoma zbog preraspodjele elektrona između njih.
Prve pretpostavke znanstvenika da se unutar svakog živog organizma odvijaju složeni procesi iznijeli su još u 18. stoljeću. Problem je proučavao francuski kemičar Antoine Lavoisier, koji je skrenuo pozornost na činjenicu da su procesi izgaranja i biološke oksidacije međusobno slični.
Znanstvenik je pratio put kisika koji živi organizam apsorbira tijekom disanja i zaključio da se u tijelu odvija proces oksidacije koji podsjeća na proces izgaranja, ali se odvija sporije. Lavoisier je otkrio da molekule kisika (oksidans) stupaju u interakciju sa organski spojevi koji sadrži ugljik i vodik. Kao rezultat, javlja se apsolut, pri kojem se spojevi razgrađuju.
Neke točke u procesu proučavanja problema ostale su nerazumljive znanstvenicima:
- zašto dolazi do oksidacije pri niskoj tjelesnoj temperaturi, za razliku od njoj sličnog procesa izgaranja;
- zašto oksidaciju ne prati oslobađanje plamena, a ne veliko oslobađanje oslobođene energije;
- kako mogu hranjive tvari u tijelu "sagorjeti" ako se tijelo sastoji od oko 80% vode.
Za odgovor na ova i mnoga druga pitanja, kao i za razumijevanje što je biološka oksidacija, znanstvenicima je trebalo više od godinu dana. Do danas su kemičari proučavali: odnos disanja s drugim metaboličkim procesima, uklj. proces fosforilacije. Osim toga, znanstvenici su proučavali svojstva enzima koji kataliziraju biološke oksidacijske reakcije; lokalizacija u stanici; mehanizam akumulacije i transformacije energije.
Složeniji način pretvaranja hranjivih tvari u energiju je aerobna biološka oksidacija, odnosno respiracija tkiva. Ova se reakcija odvija u svim aerobnim organizmima koji u procesu disanja koriste kisik. Aerobna metoda biološke oksidacije nemoguća je bez molekularnog kisika.
Putovi biološke oksidacije i sudionici u procesu
Da bismo konačno razumjeli što je proces biološke oksidacije, treba razmotriti njegove faze.
glikoliza- ovo je cijepanje monosaharida bez kisika, koje prethodi procesu stanično disanje a popraćeno oslobađanjem energije. Ova faza je početna za svaki heterotrofni organizam. Nakon glikolize, anaerobi započinju proces fermentacije.
Oksidacija piruvata sastoji se u pretvaranju pirogrožđane kiseline, dobivene u procesu glikolize, u acetilkoenzim. Reakcija se odvija uz pomoć enzimskog kompleksa piruvat dehidrogenaze. Lokalizacija - mitohondrijske kriste.
Razgradnja beta masnih kiselina odvija se paralelno s oksidacijom piruvata na kristama mitohondrija. Cilj je prerada svih masnih kiselina u acetil koenzim i njegov ulazak u ciklus trikarboksilnih kiselina.
Krebsov ciklus: prvo se acetilkoenzim pretvara u limunsku kiselinu, zatim prolazi kroz naknadne transformacije (dehidrogenaciju, dekarboksilaciju i regeneraciju). Svi procesi se ponavljaju nekoliko puta.
Oksidativne fosforilacije- posljednja faza transformacije u eukariotskim organizmima spojeva. Adenozin difosfat se pretvara u adenozin trifosfornu kiselinu. Energija potrebna za to dolazi od oksidacije molekula enzima dehidrogenaze i koenzima dehidrogenaze nastalih u prethodnim fazama. Tada je energija sadržana u makroergičkim vezama adenozin trifosforne kiseline.
ATP
Dakle, oksidacija tvari provodi se na sljedeće načine:
- eliminacija vodika iz supstrata koji se oksidira (proces dehidrogenacije);
- trzaj elektrona od podloge;
- dodavanje kisika u podlogu.
U stanicama živih organizama odvijaju se sve navedene vrste oksidativnih reakcija koje kataliziraju odgovarajući enzimi - oksidoreduktaze. Proces oksidacije ne odvija se izolirano, povezan je s reakcijom redukcije: istodobno se javljaju reakcije adicije vodika ili elektrona, odnosno provode se redoks reakcije. Svaki je proces oksidacije, koji je popraćen oslobađanjem elektrona s povećanjem oksidacijskih stanja (oksidirani atom ima više oksidacijsko stanje). Kod oksidacije tvari može doći i do obnove - pripajanja elektrona na atome druge tvari.
