1 oldal

biológiai oxidáció

Biológiai oxidáció - redox transzformációk halmaza különféle anyagokélő szervezetekben. A redoxreakciók olyan reakciók, amelyek az atomok oxidációs állapotának megváltozásával jönnek létre az elektronok közötti újraeloszlás következtében.

A biológiai oxidációs folyamatok típusai:

1) aerob (mitokondriális) oxidáció A tápanyagok energiájának kinyerésére szolgál az oxigén részvételével és annak ATP formájában történő felhalmozódásával. Aerob oxidációnak is nevezik szöveti légzés, hiszen lefolyása során a szövetek aktívan fogyasztanak oxigént.

2) anaerob oxidáció- ez egy segédmódszer az anyagok energiájának kinyerésére oxigén részvétele nélkül. Anaerob oxidáció Megvan nagyon fontos oxigénhiány esetén, valamint intenzív izommunka végzésekor.

3) mikroszomális oxidáció Gyógyszerek és mérgek semlegesítésére, valamint különféle anyagok szintézisére szolgál: adrenalin, noradrenalin, melanin a bőrben, kollagén, zsírsavak, epesavak, szteroid hormonok.

4) szabad gyökök oxidációja szükséges a sejtmembránok megújulásának és permeabilitásának szabályozásához.

A biológiai oxidáció fő útja a mitokondriális a test számára hozzáférhető formában történő energiaellátáshoz kapcsolódik. Az ember energiaforrásai különféle szerves vegyületek: szénhidrátok, zsírok, fehérjék. Az oxidáció következtében a tápanyagok végtermékekké bomlanak le, elsősorban CO 2 -ra és H 2 O -ra (a fehérjék lebomlása során NH 3 is képződik). Az ebben a folyamatban felszabaduló energia energia formájában tárolódik kémiai kötések makroerg vegyületek, főleg ATP.

Makroergikus az élő sejtek energiadús kötéseket tartalmazó szerves vegyületeit ún. A makroerg kötések hidrolízise során (kanyargós vonallal ~ jelölve) több mint 4 kcal/mol (20 kJ/mol) szabadul fel. A makroerg kötések a kémiai kötések energiájának újraelosztása eredményeként jönnek létre az anyagcsere folyamatában. A legtöbb nagy energiájú vegyület foszforsav-anhidrid, például ATP, GTP, UTP stb. Az adenozin-trifoszfát (ATP) központi helyet foglal el a makroerg kötésekkel rendelkező anyagok között.

adenin - ribóz - P ~ P ~ P, ahol P egy foszforsav maradék

Az ATP minden sejtben megtalálható a citoplazmában, a mitokondriumokban és a sejtmagokban. A biológiai oxidációs reakciókat egy foszfátcsoport ADP-be történő átvitele kíséri ATP képződésével (ezt a folyamatot ún. foszforiláció). Így az energia ATP-molekulák formájában raktározódik, és ha szükséges, teljesítményre is felhasználható különféle fajták munkához (mechanikai, elektromos, ozmotikus) és szintézis folyamatok megvalósításához.

Az oxidációs szubsztrátok egységesítésének rendszere az emberi szervezetben

Az élelmiszer-anyagok molekuláiban található kémiai energia közvetlen felhasználása lehetetlen, mert az intramolekuláris kötések megszakadásakor hatalmas mennyiségű energia szabadul fel, ami sejtkárosodáshoz vezethet. Annak érdekében, hogy a szervezetbe kerülő tápanyagok egy sor speciális átalakuláson menjenek keresztül, amelyek során a komplex többlépcsős lebontása szerves molekulák az egyszerűbbekre. Ez lehetővé teszi az energia fokozatos felszabadítását és ATP formájában való tárolását.

Az átalakulás folyamata különféle összetett anyagok egy energiaszubsztrátnak nevezzük egyesítés. Az egyesülésnek három szakasza van:

1. Előkészületi szakasz az emésztőrendszerben, valamint a testsejtek citoplazmájában fordul elő . A nagy molekulák alkotó szerkezeti blokkjaikra bomlanak: poliszacharidok (keményítő, glikogén) - monoszacharidokká; fehérjék - aminosavakhoz; zsírok - glicerinre és zsírsavakra. Ezáltal kis mennyiségű (kb. 1%) energia szabadul fel, ami hő formájában eloszlik.

2. szöveti átalakulások a sejtek citoplazmájában kezdődik és a mitokondriumokban végződik. Még egyszerűbb molekulák is keletkeznek, típusaik száma jelentősen lecsökken. A keletkező termékek közösek a különböző anyagok anyagcsereútjaiban: piruvát, acetil-koenzim A (acetil-CoA), α-ketoglutarát, oxálacetát stb. A koenzim - a B3-vitamin (pantoténsav) aktív formája. A fehérjék, zsírok és szénhidrátok lebontási folyamatai az acetil-CoA képződésének szakaszában konvergálnak, majd egyetlen metabolikus ciklust alkotnak. Ezt a szakaszt az energia részleges (legfeljebb 20%-os) felszabadulása jellemzi, melynek egy része ATP formájában felhalmozódik, egy része pedig hő formájában disszipálódik.

3. Mitokondriális stádium. A második szakaszban képződött termékek belépnek a ciklikus oxidáló rendszerbe - a trikarbonsav ciklusba (Krebs-ciklus) és a kapcsolódó mitokondriális légzőlánc. A Krebs-ciklusban az acetil-CoA CO 2 -dá és hidrogénné oxidálódik, amely hordozókkal - NAD + H 2 és FAD H 2 - kapcsolódik. A hidrogén belép a mitokondriumok légzési láncába, ahol az oxigén H 2 O-vá oxidálja. Ez a folyamat az anyagok kémiai kötései energiájának körülbelül 80%-ának felszabadulásával jár, melynek egy része az ATP képzésére, egy része pedig az ATP képzésére szolgál. hő formájában szabadul fel.

Szakasz	Mókusok	Szénhidrát (poliszacharidok)	Zsírok
I előkészítő; a tápanyag energia 1%-a szabadul fel (hőként);	aminosavak		glicerin, zsírsav
II szöveti átalakulások; 20% energia hőként és ATP-ként	acetil-CoA (CH 3 -CO ~ SKoA)
III mitokondriális stádium; Az energia 80%-a (körülbelül a fele ATP, a többi hő formájában).	Trikarbonsav ciklus A mitokondriumok légzőlánca O 2

A főbb oxidoreduktázok osztályozása és jellemzése a szövetekben

A biológiai oxidáció fontos jellemzője, hogy bizonyos enzimek hatására megy végbe. (oxidoreduktáz). Az egyes szakaszokhoz szükséges összes enzimet együttesekké egyesítik, amelyek általában különböző sejtmembránokon vannak rögzítve. Az összes enzim összehangolt működésének eredményeként a kémiai átalakulások fokozatosan, mintegy futószalagon mennek végbe. Ebben az esetben az egyik lépés reakcióterméke a következő lépés kiindulási vegyülete.

Az oxidoreduktázok osztályozása:

1. Dehidrogenázok végezze el a hidrogén eltávolítását az oxidált szubsztrátumból:

SH 2 + A → S + AH 2

Az energia kinyerésével kapcsolatos folyamatokban a biológiai oxidációs reakciók leggyakoribb típusa az dehidrogénezés, vagyis két hidrogénatom eltávolítása az oxidált szubsztrátumból és átvitele az oxidálószerbe. Valójában a hidrogén az élő rendszerekben nem atomok formájában van jelen, hanem egy proton és egy elektron (H + és ē) összege, amelyek mozgási útvonalai eltérőek.

A dehidrogenázok összetett fehérjék, koenzimeik (egy komplex enzim nem fehérje része) egyaránt lehetnek oxidálószer és redukálószer. A szubsztrátokból hidrogén felvételével a koenzimek redukált formává alakulnak. A koenzimek redukált formái hidrogén protonokat és elektronokat adhatnak át egy másik koenzimnek, amelynek magasabb a redoxpotenciálja.

1) VÉGE + - és NADP + -függő dehidrogenázok(koenzimek - OVER + és NADP + - a PP-vitamin aktív formái ). Az oxidált SH 2 szubsztrátumhoz két hidrogénatom kapcsolódik, és kialakul a redukált forma - NAD + H 2:

SH 2 + OVER + ↔ S + OVER + H 2

2) FAD-függő dehidrogenázok(koenzimek - FAD és FMN - a B 2-vitamin aktív formái). Ezeknek az enzimeknek az oxidáló képessége lehetővé teszi számukra, hogy közvetlenül az oxidáló szubsztrátból és a redukált NADH 2 -ből is hidrogént fogadjanak el. Ebben az esetben a FAD·H 2 és FMN·H 2 redukált formái képződnek.

SH 2 + FAD ↔ S + FAD H 2

OVER + N 2 + FMN ↔ OVER + + FMN N 2

3) koenzimKvagy ubikinon, amely dehidrogénezheti a FAD H 2 -t és az FMN H 2 -t, és két hidrogénatomot köt össze, így KoQ H 2 -dá alakul ( hidrokinon):

FMN N 2 + KoQ ↔ FMN + KoQ N 2

2. Hemikus jellegű vastartalmú elektronhordozók - citokrómokidőszámításunk előtt 1 , c, a, a 3 . A citokrómok a kromoproteinek (festett fehérjék) osztályába tartozó enzimek. A citokrómok nem fehérje részét a hem vasat tartalmazó és a hemoglobin heméhez hasonló szerkezetű. Egy citokróm molekula egy elektront reverzibilisen képes befogadni, miközben a vas oxidációs állapota megváltozik:

citokróm (Fe 3+) + ē ↔ citokróm (Fe 2+)

Citokrómok a, a 3 nevű komplexet alkotnak citokróm-oxidáz. Más citokrómoktól eltérően a citokróm-oxidáz képes kölcsönhatásba lépni az oxigénnel, a végső elektronakceptorral.
Trikarbonsav ciklus (TCA)

Ezt a folyamatot más néven citrát ciklus vagy Krebs ciklus egy angol tudósról nevezték el, aki azt javasolta, hogy a sejtek oxidatív ciklikus reakciórendszerrel rendelkeznek. A CTK a mitokondriumokban lévő acetil-CoA lebontása CO 2 -vé és hidrogénné, amely hordozókkal (NAD és FAD) kapcsolódik.

A folyamat első lépésében az acetil-CoA oxál-acetáttal (oxálecetsav) reagál, és citrátot (citromsavat) képez. Továbbá a citromsavból egymás után 2 szén-dioxid molekula és 4 pár hidrogénatom válik le, és ismét oxálecetsav képződik, ezért a folyamatot ciklusnak nevezik. .

A TCA a szöveti légzéshez kapcsolódik. A közbenső ciklus metabolitjai oxidációs szubsztrátok (iszocitrát, α-ketoglutarát, szukcinát és malát). A ciklusban NAD- és FAD-függő dehidrogenázok hatására oxidálódnak (dehidrogéneződnek). Ezzel egyidejűleg a NAD és a FAD visszaállításra kerül, azaz. hidrogén hozzáadása:

izocitrát + NAD → oxaloszukcinát + NADH 2

(izocitromsav) (oxál-borostyánkősav)

α-ketoglutarát + NAD → szukcinil-CoA + NADH 2

(α-ketoglutársav) (a borostyánkősav aktív formája)

szukcinát + FAD → fumarát + FADH 2

(borostyánkősav) (fumársav)

malát + NAD → oxálacetát + NADH 2

(almasav) (oxálecetsav)

A Krebs-ciklusból származó hidrogén (mint NADH 2 és FADH 2) belép a légzési láncba, ahol egyfajta üzemanyagként használják fel. A légzési láncban a hidrogén protonok és elektronok oxigénbe kerülnek, így víz keletkezik. Az ebben a folyamatban felszabaduló energiát az ATP képzésére használják fel.

A ciklus biológiai szerepe:

A Krebs-ciklus szintjén a szénhidrátok, lipidek és fehérjék lebontásának útjai egyesülnek;

A Krebs-ciklus metabolitjait más anyagok szintézisére használják (oxálecetsav → glükóz, aszparaginsav; α-ketoglutársav → glutaminsav, borostyánkősav → hem);

A Krebs-ciklus a fő hidrogénellátó rendszer a mitokondriális légzési lánc számára. Az acetil-CoA átalakulásának általános egyenlete a Krebs-ciklusban:

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

Így, amikor egy molekula acetil-CoA oxidálódik a Krebs-ciklusban, 12 ATP molekula: a ciklushoz kapcsolódó légzési láncban - 11 molekula; magában a ciklusban - 1 ATP molekula a szukcinil-CoA szukcináttá való átalakulásának szakaszában:

GTP + ADP → ATP + GDP (újra belép a ciklusba)

A légzési lánc felépítése és funkciói

D a légzési (elektrontranszport) lánc a mitokondriumokban található, amely ovális alakú organellumok, amelyek a test szinte minden sejtjének részét képezik. Minden mitokondriumot két membrán vesz körül: külső és belső. A külső membrán sima, a belső számos gerincszerű ráncot alkot - cristae. A cristae nagymértékben megnöveli a belső membrán felszínét, helyet biztosítva a légzőlánc enzimrendszereinek. A külső és a belső membrán közötti tér a membránközi tér. A cristae közötti tér megtelt vízi környezet hívott mátrix. A mátrix a trikarbonsav ciklus enzimeit és más oxidatív enzimeket tartalmaz.

A hidrogén elektronjainak és protonjainak oxigénbe történő átvitele a mitokondriumok belső membránján többféle redox enzimrendszer segítségével történik, melyek összessége alkotja az ún. légzőlánc. A légzési lánc összetevői a mitokondriumok belső membránjába épülnek, és egyetlen légző együttesként működnek.

A légzési lánc egyfajta szállítószalag az elektronok oxidált szubsztrátumról oxigénre történő átvitelére. Többféle ē és H + hordozóból áll, és a következő általánosított séma szerint ábrázolható:

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+

(iszocitrát,

α-ketoglutarát, SH 2

malát stb.) (szukcinát stb.)

A szénhidrátok, zsírok és fehérjék bomlásának folyamatában olyan vegyületek képződnek, amelyek a biológiai oxidáció (SH 2) szubsztrátjai. Túlnyomórészt a Krebs-ciklusban keletkeznek (iszocitrát, α-ketoglutarát, szukcinát, malát). A NAD- és FAD-függő dehidrogenázok hatására két hidrogénatom válik le róluk. Ezt követően megindul a hidrogén protonok és elektronok szállítása a légzési lánc mentén.

A redukált NADH2 kölcsönhatásba lép az FMN-t koenzimként tartalmazó dehidrogenázzal. Az FMN elfogadja (elveszi) a NADH 2 -ről lehasított hidrogént.

A légzési lánc következő komponense, a Q koenzim (ubikinon) elfogadja a 2H-t az FMN-ből. Az ubikinon kulcsfontosságú pont, ahol a hidrogén különböző szubsztrátumokból áramlik a légzőláncba.

Ha a légzési lánc első 3 komponense - NAD, FMN és ubikinon - hidrogént, azaz protonokat és elektronokat is hordozott, akkor a citokrómtól kezdve b az oxigénnek pedig a protonok és az elektronok áramlása elválik, mivel a légzési lánc további szakasza csak elektronhordozókat tartalmaz. A Q koenzimből két elektron kerül át két citokróm molekulára b, majd szekvenciálisan a citokrómokra c 1 , c, a, a 3 . Oxigén két elektron összekapcsolásával két citokróm molekulából a 3 , kölcsönhatásba lép két protonnal és vízzé alakul.

Az elektrontranszfer irányát a légzési láncban a hordozók redoxpotenciálja határozza meg. Redox potenciál (E) egy molekula elektronfogadó képességét jellemzi. Minél magasabb a lánc E komponense, annál erősebb az oxidálószer. A légzési láncban a hordozók E növekvő sorrendben vannak elrendezve, mivel az elektronok csak magasabb redoxpotenciállal rendelkező vegyületnek adhatók. Az oxigén befogadó képessége a legnagyobb (E = +0,82V), a hidrogéné a legalacsonyabb (E = -0,42V). Így az oxigén, mint a legerősebb oxidálószer, létrehozza hajtóerő hogy elektronokat vigyenek végig a légzési láncon.

Az oxidáció és a foszforiláció kapcsolódási mechanizmusa

A potenciálesés H 2 -ről O 2 -re 1,24 V, ami elméletileg elegendő 6 ATP molekula szintéziséhez, de valójában nem szintetizálódik háromnál több.

SH 2 + ½ O 2 S + H 2 O (oxidáció)

3ADP + 3H 3 RO 4 3ATP (foszforiláció)

Az ATP úgy jön létre, hogy egy foszforsav-maradékot adnak az ADP-hez. Ezt a folyamatot ún foszforiláció. Így két folyamat: a biológiai oxidáció (protonok és elektronok átvitele a légzési láncon keresztül) és a foszforiláció (ATP képződése) folyamata konjugált, mivel az oxidáció során keletkező energiát a foszforilációra használják fel. Ezért az elektronok légzési láncon való áthaladása során felszabaduló energia következtében felszabaduló ATP képződését ún oxidatív foszforiláció.

Az oxidáció és a foszforiláció kapcsolódásának számszerűsítésére használjuk foszforilációs együttható- hozzáállás R/O. Ez az együttható azt mutatja meg, hogy hány szervetlen foszforatomot nyelnek el a mitokondriumok, amikor egy oxigénatomot abszorbeál (vagy ha egy elektronpárt oxigénbe adnak át).

A számítások azt mutatják, hogy az ATP egy makroerg kötésének kialakulásához, amelynek költsége legalább 40 kJ / mol, a légzési lánc résztvevői közötti redoxpotenciálesés körülbelül 0,22 V átvitt elektronpáronként. A légzési láncban mindössze három olyan hely van, ahol az o/v potenciálok különbsége elegendő az ATP szintéziséhez ( az oxidáció és a foszforiláció három konjugációs helye):

I - NAD∙H 2 és FMN között;

II - citokrómok között bés c;

III - citokrómok között aés a 3 .

Ezekben a szakaszokban az energia felszabadulása elegendő az ATP szintéziséhez. A fennmaradó szakaszokban az o/w potenciálok különbsége nem elegendő az ATP szintéziséhez, és a felszabaduló energia (kb. 40-50%) hő formájában disszipálódik. Így amikor két elektron áthalad a légzési láncon, amely NAD-függő dehidrogenázokkal kezdődik, három ATP-molekula képződik. Ebben az esetben az együttható P/O = 3.

Egyes oxidációs szubsztrátok (szukcinát, zsírsavak) nagyobb redoxpotenciállal rendelkeznek, mint a NAD. Ezért nem NAD-, hanem FAD-függő dehidrogenázok oxidálják őket. Az ilyen anyagok oxidációja során csak két ATP-molekula képződik, mivel az oxidáció és a foszforiláció egy konjugációs pontja kimarad. Ezért az együttható P/O = 2.

A foszforilációs együtthatók megadott értékeit kiszámítjuk, ennek az együtthatónak a valós értéke fiziológiás körülmények között Р/О ≈ 2.5.

A P / O koefficiens értéke még alacsonyabb is lehet (oxidáció és foszforiláció P / O szétkapcsolása. Ebben az esetben a légzési láncban redox folyamatok mennek végbe, de foszforiláció (ATP szintézis) nem, azaz a légzési lánc mintegy alapjáraton működik Az oxidált anyagok összes energiája hővé alakul. A mitokondriumok egyfajta sejtes „tűzhelyké" válnak, amelyek hőt termelnek. Erre olyan helyzetekben van szükség, ahol a szervezet hőigénye nagyobb, mint az ATP szükségessége például a testhőmérséklet fenntartásához hűtés közben.
mikroszomális oxidáció

A szöveti légzés mellett, amely az egyén által elfogyasztott oxigén 80-90%-át érinti, a szervezetben állandóan más, oxigént érintő reakciók is végbemennek, pl. mikroszomálisés szabad gyök oxidáció.

A mikroszómális oxidáció nem kapcsolódik az ATP szintéziséhez. Az ilyen típusú szubsztrát oxigénnel történő oxidációjának mechanizmusa a szubsztrátum (S) olyan kölcsönhatását biztosítja a molekuláris oxigénnel, amelyben az egyik oxigénatom az oxidált szubsztrátumban, a másik a vízmolekulában található. Az oxidált szubsztrát molekulájába oxigén beépülése következtében hidroxilcsoport (-OH) keletkezik, ezért ezt a fajt az oxidációt hidroxilezésnek nevezzük.

SH + O 2 + A ∙ H 2 → S-OH + H 2 O + A

ahol SH az oxidált szubsztrát; A ∙ H 2 egy hidrogén donor (aszkorbinsav vagy NADP ∙ H 2).

Az oxigenáz oxidációban részt vevő enzimeket ún hidroxilázok, vagy oxigénázok. Ezek az enzimek az aktív centrumban változó vegyértékű fémionokat (Fe, Cu) tartalmaznak. A hidroxilázok oldható formában létezhetnek a sejtnedvben, vagy speciális oxidatív enzimcsoportokként, amelyek a májsejtek citoplazmatikus retikulumának membránjaiban, a mellékvesekéreg sejtek mitokondriumaiban stb. A szövetek dörzsölésekor a citoplazmatikus retikulum töredékei spontán módon buborékszerű struktúrákká záródnak, ún. mikroszómák Ezért ezt a fajta oxidációt mikroszómálisnak nevezik. A mikroszomális oxidatív enzimek csoportja az elektron- és protontranszport ciklikus lánca, melynek forrása elsősorban a NADP∙H 2 . Ennek a rendszernek a fő komponense a citokróm P 450, amelynek aktív központjában vaskation (Fe 3+ ↔ Fe 2+) található, ahol a szubsztrát oxidációja megindul. A citokróm elnevezése annak köszönhető, hogy redukált formája megköti a szén-monoxid CO-t, és 450 nm-en jellegzetes fényelnyelést kap.

Amikor a citokróm P 450 kölcsönhatásba lép egy szubsztráttal és oxigénnel, ezek aktiválódnak, és nem csak a szubsztrát oxidálódik, hanem a NADP∙H2 is. Ennek köszönhetően a citokróm P 450 négy elektront ad az oxigénmolekulának. Ennek eredményeként az egyik oxigénatom bekerül S-N csatlakozások az oxidált szubsztrát molekulái, a másik pedig víz képződésével redukálódik.

A mikroszomális oxidáció biológiai szerepe:

1. Különféle anyagok szintézise. Az aszkorbinsav, mint hidrogéndonor részvételével oldható enzimek az adrenalin és a noradrenalin szintézisét végzik a kromaffin szövetben; a tirozinból származó melanin pigment a bőrben, az íriszben és a retinában; A kötőszövet fő fehérje a kollagén. A mikroszómális enzimek részt vesznek a telítetlen zsírsavak képződésében; epesavak és mellékvese szteroid hormonok koleszterinből, leukotriének az arachidonsavból.

2. Különféle mérgező anyagok semlegesítése a májban. Ez különösen igaz a nem természetes eredetű idegen anyagokra, ún xenobiotikumok. A mikroszomális oxidáció során a mérgező anyagok vízoldhatóvá válnak, ennek következtében nem halmozódnak fel a sejtben, hanem könnyen kiválasztódnak a vizelettel. Több mint 7000 neve ismert olyan vegyületnek, amelyet a máj mikroszomális rendszere oxidál. A citokróm P 450 egyik fő jellemzője, hogy fehérjéje képes megváltoztatni konformációját egyik vagy másik xenobiotikum testben való megjelenésére reagálva, ezáltal biztosítva a vele való hatékony kölcsönhatást. Ennek az alkalmazkodóképességnek köszönhetően a citokróm P 450 egy univerzális méregtelenítő enzim, amely szinte bármilyen vegyülettel kölcsönhatásba léphet. Az egyetlen követelmény az oxidálható szubsztrátummal szemben, hogy nem poláris legyen, mivel a citokróm P 450 a membránok lipidrétegében található.
Szabad gyökök oxidációja

A szabad gyökök párosítatlan elektront tartalmazó részecskék (a párosítatlan elektron jelenlétét egy pont jelzi). Az emberi szervezetben a gyökök fő forrása a molekuláris oxigén, sugárterhelés esetén pedig a víz ( víz radiolízis). Az ember által elfogyasztott oxigén 1-3%-át szabad gyökök képzésére fordítják. Az oxigénmolekula két párosítatlan elektront tartalmaz, és ·O 2 · kétgyökös. A párosítatlan elektronok azonban úgy vannak elrendezve, hogy az O 2 molekula viszonylag stabil marad. A teljes redukcióval (szöveti légzés) egy oxigénmolekula, amely négy elektront és négy protont vesz fel, két vízmolekulává alakul. Az oxigén nem teljes redukciójával különféle aktív formák képződnek. Nak nek reaktív oxigén fajok viszonyul:

O 2 ‾ - szuperoxid gyök(+ H + → NO 2 hidroperoxid gyök)

↓+ ē (+2Н +)

H 2 O 2 - hidrogén-peroxid

·Ő - hidroxil gyök

A fény hatására a molekuláris oxigén szingulett állapotba kerül, azaz. ban ben szingulett oxigénО 2 ", amelyben az összes elektron párosodik. A szingulett oxigén instabil, felezési ideje 45 perc. Oxidációs reakciókban aktívabb, mint a molekuláris oxigén. A reaktív oxigénfajták oxidációs képessége a következő sorrendben nő:

O 2 → O 2 "→ O 2 ─ → HO 2 → H 2 O 2 → HO

A szervezetben folyamatosan képződnek reaktív oxigénfajták. A szervezetben mérgező oxigéntartalmú gyökök keletkeznek, amikor az O 2 kölcsönhatásba lép fémkationokat tartalmazó metalloproteinekkel (hemoglobin, citokróm) alacsonyabb fokok oxidáció (Fe 2+, Cu +, Mn 2+), elektron fogadása tőlük:

Fe 2+ + O 2 → Fe 3+ + O 2 ─

A szabad gyökök megjelenéséhez vezető kémiai reakciók normális folyamatok az emberi szervezetben. A szabad gyökök a szöveti légzés, a hemoglobin általi oxigénszállítás, a hormonok, a prosztaglandinok szintézise, ​​a fagocitózis, a gyógyszerek és különböző mérgező anyagok máj általi semlegesítése következtében jelennek meg, a fizikai aktivitás stb.

A keletkező gyökrészecskék, elsősorban a HO gyök, rendkívül magas reakcióképesség. A szabad gyökök szinte minden molekulával reagálnak, szerkezetük és funkcióik megsértését okozva: fehérjék, nukleinsavak, szénhidrátok, lipidek. A szabad gyökök különösen agresszívek a DNS-sel és a lipidekkel szemben. A DNS-sel való kölcsönhatásuk a genetikai kód megsértéséhez vezet, és a rák kialakulásának forrásává válhat. A szabad gyökök azonban elsősorban a reakciókban vesznek részt lipid-peroxidáció (LPO). Ebben az esetben a telítetlen zsírsavak, amelyek a sejtmembránok foszfolipidjei részét képezik, oxidáción mennek keresztül. Az LPO folyamat felosztható három szakaszban:

énszakasz - a lipidek szabad gyökeinek kialakulása:

RH + OH → R (R─CH 2─CH═CH─R "+ DE → R─CH ─CH-CH─R" + H 2 O)

allil gyök

IIszakasz - lipid-peroxidok termelése: az allil gyök oxidációja molekuláris oxigénnel peroxid gyökökké:

R + O 2 → ROO (R-CH ─CH-CH-R" + O 2 → R-CH-CH-CH-R")

│

A peroxidgyök ezután hidroperoxiddá redukálódik egy másik zsírsavmolekula szabad gyökké történő oxidációjával: ROO + RH → ROOH + R

Az LPO reakciók láncjellegűek, és a keletkező R gyök részt vesz a lánc kialakulásában.

IIIszakasz - nyitott áramkör akkor fordul elő, amikor a gyökök egymással kölcsönhatásba lépve inaktív termékeket vagy antioxidánst képeznek. A telítetlen lipidek peroxidációjának termékei a lipid-hidroperoxidok, valamint az alkoholok, aldehidek, karbonsavak. Tehát a lipid-hidroperoxidok bomlása során malondialdehid O═CH─CH2─CH═O képződik, amely „keresztkötéseket” képez, amelyek megzavarják a fehérjék szerkezetét.

Az LPO folyamat élettani szerepe a lipidek megújulásának és permeabilitásának szabályozása a biológiai membránokban. Ha azonban megteremtik a feltételeket nagyszámú szabad gyök kialakulásához, akkor a lipidperoxidáció folyamata lavinaszerű jelleget kaphat. Ez a membrán lipidfázisának fiziko-kémiai tulajdonságainak megváltozásához vezethet, ami viszont a transzport, a receptor és egyéb funkciók megzavarásához, valamint a membránok szerkezeti integritásának megzavarásához vezethet a teljes pusztulásig és a sejthalálig. Ezenkívül az enzimek aktivitása elnyomódik, és az egészségre veszélyes peroxidvegyületek felhalmozódnak.

A szervezetre gyakorolt ​​extrém és patogén hatások hatására az oxigéngyökök képződése meredeken megnövekszik, részben a xenobiotikumok oxidatív foszforilációjának és hidroxilációjának aktiválása miatt. Az LPO folyamatok erősítése univerzális károsító jellegű, és fontos szerepet játszik az öregedési folyamatokban és a különféle kóros állapotok kialakulásában: szív- és érrendszeri betegségek, máj, tüdő stb.

Normális esetben a szervezet szabályozza az LPO folyamatokat a szabad gyökök mennyiségének és aktivitásának szabályozásával. Erre van antioxidáns rendszer (AOS) szervezet, amely megakadályozza a lipid-peroxidáció túlzott aktiválódását. Az AOS a következőket tartalmazza:

1. 
   enzimatikus kapcsolat, amely megakadályozza a ROS képződését a szervezetben termelődő enzimek: kataláz, szuperoxid-diszmutáz, glutation-reduktáz, glutation-peroxidáz;

szuperoxid-diszmutáz

Körülbelül 2 ─ + 2H + H 2O 2 + O 2

Kataláz glutation-peroxidáz (szelént és tripeptid glutation G─SH-t tartalmaz)
2H 2 O + O 2 2G─SH + H 2 O 2 → G─S─S─G + 2 H 2 O

1. 
   nem enzimatikus antioxidánsok, amelyek semlegesítik a lipid-peroxidációs termékeket(megakadályozza a lipid-peroxidok képződését). Ezek közé tartoznak, amelyek nem szintetizálódnak a szervezetünkben A-, C-, E-vitamin, β-karotin, bioflavonoidok. Mindezek az anyagok, a C-vitamin kivételével, jól oldódnak zsírokban. A szervezetben "szabad gyökfogóknak" nevezik őket. Az antioxidánsok a gyökökkel kölcsönhatásba lépve oxidált formákba mennek át, amelyek a megfelelő enzimek hatására ismét redukált formákká alakulnak. Például a membránokban jelenlévő E-vitamin egyfajta kémiai rendszer a membránok lipidperoxidáció elleni védelmére. Ezenkívül számos, a szervezet által termelt anyag antioxidáns tulajdonságokkal rendelkezik - koenzim Q, húgysav, szteroid hormonok, tiroxin. A hatékony antioxidánsok tiolokR─ SH, amelyek a glutation-peroxidáz enzim működéséhez szükségesek. A természetes tiolok glutation, cisztein, dehidrolipoát.

1 oldal

Az ATP szintéziséhez, a "biológiai akkumulátorok" feltöltéséhez vezető bioenergetikai folyamatok speciális mitokondriális membránokban mennek végbe. Itt lokalizálódnak és térben szerveződnek az élő szervezetek energiájáért felelős molekuláris rendszerek. Az ATP szintézise a mitokondriumokban elektron- és iontranszporttal, valamint mechanokémiai jelenségekkel függ össze. A mitokondriális membránok funkciói nagyon összetettek és sokrétűek. A bioenergetikai konjugáló membránok egy másik típusát - a fotoszintézisért felelős növényi kloroplaszt membránokat - a 7. fejezet tárgyalja.

A sejt bioszintéziséhez, aktív transzportjához, mechanikai és elektromos munkához felhasznált energiaforrása a légzés, vagyis a szerves vegyületek légköri oxigénnel történő oxidációja. 1780-ban Lavoisier kimutatta, hogy a légzés és az égés azonos természetű. A következő közel két évszázad során a kémikusok, biológusok és fizikusok kutatásai a biológiai oxidáció fő jellemzőinek feltárásához vezettek - az élő természetben előforduló egyik legfontosabb folyamat (vagy inkább folyamatrendszer).

Az üzemanyag, azaz az oxidálható anyagok a táplálékkal zsírok, szénhidrátok és fehérjék formájában kerülnek az állat szervezetébe. A zsírok zsírsavak trigliceridjei, főként többértékű savak. Felhasadnak, azaz hidrolizálódnak speciális enzimek által katalizált reakciókban. A zsírsavak specifikus enzimek és ATP részvételével aktiválódnak, és az úgynevezett koenzim A, Co A - SH acilszármazékaivá alakulnak, amelyek szerkezetét az 1. ábra mutatja. 6.1. A Co A - SH acilszármazékának oxidációja több szakaszban megy végbe, amelyek mindegyike olyan zsírsavmaradékot képez, amely két szénatommal kevesebbet tartalmaz, mint az előző. Teljes egyenlet a páros számú szénatomot tartalmazó zsírsav acetil-S - Co A formájú oxidációs reakciója

H3C (CH2CH2) "C02H + ATP + (n + 1) CoA - SH + lNAD + +

PE ■ FAD + lH20 ->- (n + 1)CH3COS - CoA +

+ (£5f + £ph) + "NAD-H + ​​​​pE - FAD-H +

Itt a NAD a nikotinamid-adenin-dinukleotid koenzim (1. ábra).

6.2), E - enzim, FAD - koenzim flavin-adenin-dinukleotid

Rizs. 6.1. Koenzim A.

TOC \ o "1-3" \ h \ z (6.3. ábra), ADP és AMP - adenozin-difoszfát és adenozin-mono-foszfát, Fn, FFN - szervetlen mono- és difoszfátok. Fordítsuk figyelmünket az általánosságra és

Az ATP, CoA-SH, NAD és HB szerkezete

FAD (lásd 2. fejezet). Amikor megsemmisült - /\ / \

Nii kövér végül obra - n | 9NH2

Az acetil-CoA-t, valamint a pro-n ^-t nevezik

PIONIL-KO A ÉS GLICERIN. - g_p_Q_QH

A szén felhasadása és oxidációja - і | |

A vizek (különösen a keményítő) -\ C ^ n n ^ C trióz foszfát képződéséhez vezet - і |> c "isg I NH

Tov és piroszőlősav I n L L n I 2

(piruvát). n°-rG° 0N 0N „ /h

A fehérjék megsemmisülésével együtt / C N

Egyedi aminosavval - \ NSch J I

A fehérjék szintézisében használt Mi - CH2 0 \

Kov de novo acetil-N képződik

Co A, oxálacetát, a-ketoglutarát, INc^c/I

Fumarát és szukcinát. Ezek a folyamatok nem

Az anyagcserét részletesen tanulmányozták az ő OH-ban

Modern biokémia (lásd). Rizs. c-2-nikotinamid-adenin-

A fő hasítási termékek a dinukleotid (NAD),

Niya és a zsírok, szénhidrátok oxidációja

A fehérjék pedig további átalakuláson mennek keresztül egy ciklikus reakciórendszerben, amelyet citromsav-ciklusnak vagy Krebs-ciklusnak neveznek. Ez a rendszer a mitokondriumokban lokalizálódik. A Krebs-ciklus, „képletesen szólva az a főtengely, amely körül szinte minden létező sejt anyagcseréje forog... A ciklus

Krebs az a "gyújtópont", ahol az összes anyagcsereút konvergál.

A Krebs-ciklus az ábrán látható. 6.4. Az ábrán körökben számokkal jelölt nyolc reakcióból álló ciklus egy fordulata alatt egy molekula acetil-CoA lebomlik.

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

Rizs. 6.3. Flavia adenin-dinukleotid (FAD).

Vagy egy piruvát molekula CO2-vé és H20-má, azaz ezeknek a molekuláknak a "égése". A megfelelő általános reakciók alakja

CH, COS - CoA + Z NAC+ + (FAD) + HDF + Phn + 2 H20 -

2 CO2 + CoA - SH + Z NAD-H + ​​(FAD-H) + GTP + ZH +, piruvát "+ CoA - SH + NAD + - * CH3COS - CoA + NAD-H + ​​​​+ H + + CO2.

(A zárójelek azt jelzik, hogy a FAD szorosan kötődik a fehérjéhez.)

A Krebs-ciklusból számos bioszintetikus reakció útja következik – a szénhidrátok, lipidek, purinok, pirimidiumok és porfirinek szintézisének útjai. A fehérjék szintézise egy olyan ciklushoz is kapcsolódik, amelyben számos aminosav prekurzora keletkezik. Ugyanakkor, mint látni fogjuk, a biológiai oxidáció az ATP-ben tárolt energiaforrás, amely a bioszintetikus folyamatokhoz szükséges.

A körfolyamat reakcióiban CO2 és H+ ionok jelennek meg. Ugyanakkor a NAD és FAD koenzimek helyreállnak. A folyamatos és teljes biológiai oxidációhoz ezeket a kofermeket újra oxidálni kell. Az oxidációt elektronhordozók kombinációja végzi, amelyek a mitokondriumokban rögzített elektrontranszport-láncot (ECC) alkotnak. A CPE a következő reakciókat adja:

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.

Az acetil-CoA reakció formája van

CH3COS - CoA + 2 02 -> 2 CO2 + H20 + CoA - SH - 215,2 kcal / mol.

A CPE, más néven légzési lánc az

Szénhidrátok-*- CH-CDC07 p

Piruvát zsírban

U v4 * - "Acetil-CoC CO2 2H ■

^ c \u003d o (T) r "

Fn Sushchinil-Sh KoA_SH Fig. 6.4. Krebs ciklus.

Tre-"bA.-izocitrátok

A-ketoglutarap

NO-CH С02 fiOj (2)

"CH2 oxálacetát-citrát

FQ) l-tlat \ Vz

Polienzimatikus rendszer, amely elfogadja a Krebs-ciklusból és a zsírsav-oxidációs ciklusból származó elektronokat.

Az elektron a következő láncon kerül átadásra: Szukcinát - FP3 1

Szubsztrátum -*■ OVER -»- FP0 ->■ Citokróm b ->- -*■ Citokróm C) -» Citokróm c -»- Citokrómok a + az -*■ 02.

A flavoproteinek olyan specifikus enzimek, amelyek flavin koenzimeket-FAD-t (lásd 6.3. ábra) és flavin mononukleotidot - FMN, riboflavin-5 "-foszfátot tartalmaznak. A citokrómok egy hemcsoportot tartalmaznak, melynek vasatomja oxidáción és redukción megy keresztül a lánc működése során:

Fe2++Fe3+ - f e~.

Az elektronok átvitele a fenti láncban balról jobbra történik, és az oxigén redukciójával végződik, amely a hidrogénnel egyesülve vizet képez. Az oxidáció során felszabaduló elektron a lánc következő láncszeméhez kapcsolódik. Az elektronok átvitelét a szabadenergia változása kíséri, mivel az elektronok növekvő redoxpotenciálok kaszkádján haladnak keresztül. Értékeiket a táblázat tartalmazza. 6.1.

6.1. táblázat

Egyes rendszerek redox potenciáljai

Az elektronok légzési lánc mentén történő átvitele az energia makroerg ATP molekulákban való tárolásával függ össze. Más szóval, a felszabaduló szabad energia az ATP kémiai energiájává alakul. Oxidatív foszforiláció lép fel.

Ezt a legfontosabb jelenséget először Engelhardt fedezte fel 1930-ban. Belitzer és Tsybakova részletesen tanulmányozta az oxidáció és a foszforiláció közötti sztöchiometrikus összefüggéseket, elvégezte az Fn O együttható, azaz az észterezett szervetlen molekulaszám arányának első meghatározását.
foszfátot az elnyelt oxigén atomjainak számához, és kimutatta, hogy ennek az együtthatónak az értéke nem kisebb 2-nél. Termodinamikai becsléseket adtak a munkában, amelyek azt mutatták, hogy az oxigénbe történő elektrontranszfer energiája elegendő ahhoz, hogy két ill. több ATP molekulák az elnyelt oxigén atomjára vonatkoztatva. Kalkar azt találta, hogy az aerob foszforiláció a légzéshez kapcsolódik, és nem függ a glikolitikus foszforilációtól. A mennyiségi arányokat az Ochoa finomította. Fn együttható: O for oxidatív reakciók a Krebs-ciklus és a NAD-t érintő reakciók 3. Lehninger volt az első, aki megállapította, hogy az oxidatív foszforiláció folyamatai pontosan a mitokondriumokban lokalizálódnak.

A közvetlen nyilak az elektronok belépési pontjait mutatják. FP,. FP, ...-flavoproteinek.

KoQ – Q koenzim.

10], és laboratóriumának munkáiban megtalálták a légzési lánc csomópontjait, amelyekben foszforiláció történik. A megadott Fn: O érték az egyenletből következik

NAD-H + ​​​​H+ + Z ADP + 3 Fn + V2O2 - NAD+ + 4 H20 + 3 ATP. Ez az egyenlet az exergonikus reakciót foglalja össze: NAD-H + ​​​​H+ + V2O2 -> NAD+ + H20 + 52,7 kcal/mol

És endergonikus reakció

3 ADP + 3 Fn ->■ Z ATP + 3 H20 - 21,9 kcal / mol.

Az ADP -\u003e ATP foszforilációja három kulcsponton történik - a NAD-H lánc - flavoprotein szakaszában, a citokróm cі citokróm b szakaszában és a citokróm c - * citokróm a + a3 szakaszában.

Az oxidáció és a foszforiláció konjugációjának általános sémája a 2. ábrán látható. 6.5.

Írjuk fel újra a foszforiláció bruttó egyenletét

PiruWat^ Sushchinagp

ADP + H2P04 "- f H+ +=± ATP + HgO - TO,

Ahol AG a szabadenergia változása. Nekünk van

TOC \o "1-3" \h \z [adf] Hn, rho:1 [n+] , >4

AG = AG" + RT IP. (6.1)

AG0- standard változás a szabad energia kalóriákban, azaz az AG értéke 7,0 pH-n, 25 °C-on és az összes komponens koncentrációja 1,0 M. Mint ismeretes,

AG0 = - RT In K, (6.2)

ahol K a reakció egyensúlyi állandója. A foszforilációhoz AG0 = 7,3 kcal/mol. Az AG megfigyelt értéke in vivo a membrán mindkét oldalán lévő protonkoncentrációtól és így a membránpotenciál különbségtől függ. Az AG a Mg++ ionok koncentrációjától is függ. Amikor a pH 6,0-ról 9,0-ra változik = 10 mM, az AG 6,17-ről 9,29 kcal/mol-ra változik (lásd).

A szabadenergia változását két elektronikus ekvivalens átvitele során a CPE mentén NAD-H-ról 02-re a redoxpotenciálok különbsége határozza meg 0,82 - (-0,32) = = 1,14 V, azaz.

AG0 \u003d z D-ph \u003d - 2 23,06 -1,14 kcal / mol \u003d - 52,7 kcal / mol.

Ez 3 mol ATP többletszintézisét eredményezi ADP-ből és Fn-ből. Az eljárás hatékonyságát 21,9/52,7 értékben fejezzük ki, azaz körülbelül 40%-nak felel meg.

A légzés energetikai jelentése az ATP szintézise. Az ATP-ben tárolt energiát a sejt felhasználja mindenféle munkájának elvégzésére.

A biológiai oxidáció kémiájának felfedezése a biokémia legnagyobb vívmánya. Itt csak a legfontosabb információkat közöljük, az oxidáció összetett biokémiai rendszerének részletes ismertetését a szakirodalom tartalmazza (lásd).

Az oxidatív foszforilációs rendszer sajátossága, amely megkülönbözteti számos oldatban lezajló enzimreakciótól, a többlépcsős folyamat láncszemeinek szigorú térbeli lokalizációja. Az oxidatív foszforiláció a mitokondriumokban lokalizálódik, és közvetlenül kapcsolódik membránjuk transzportjához és mechanokémiai funkcionalitásához. Úgy látszik összetett rendszer A biokémiai reakciók alapvetően térbeli heterogenitást igényelnek, és nem valósulhatnak meg homogén környezetben.

Az itt röviden ismertetett redoxreakciók megfejtését finom kémiai és fizikai módszerek alkalmazásával sikerült elérni. Itt különösen
Fontos szerepet játszott Chais ép mitokondriumok elektronhordozóinak (NAD, FP, citokrómok) spektroszkópiájának szentelt munkája. Ezek a hordozók jellegzetes abszorpciós sávokkal rendelkeznek a spektrum látható és közeli ultraibolya tartományában, a különbségi spektrumok pedig lehetővé teszik oxidációjuk és redukciójuk kinetikájának tanulmányozását. Különféle módszereket alkalmaztak specifikus n enzimek eltávolítására a mitokondriumokból. ezáltal csak bizonyos hivatkozásokat őriz meg

Rizs. 6.6. A fehérjék megoszlása ​​az I, II, III, IV CPE komplexek szerint.

A, b, s. Cі, dі-\u003e ntokrómok, Cu - réztartalmú fehérjék, (Fe -be) - nem hem vas, fs - szukcinát-dehidrogenáz, iq-NAD H-dehidrogenáz.

Folyamat. A mitokondriumokat feldarabolták, légzőszervi enzimek komplexei mentesek szerkezeti fehérjék. Kiderült, hogy az ilyen komplexek megtisztíthatók és részletesen tanulmányozhatók. Sikeres kísérleteket végeztek a CPE helyreállítására izolált készítményekből és oldható enzimekből. Végül nagyon értékes információkhoz jutottak a folyamat egyes szakaszainak gátlásával, valamint az oxidatív foszforiláció és az elektrontranszfer szétkapcsolásával kapcsolatos kísérletekben (lásd 6.5. pont).

Megállapítottnak tekinthető, hogy a CPE hordozók négy komplexbe vannak csoportosítva, amelyeket Green komplexeknek neveznek (lásd). ábrán látható a megfelelő séma. 6.6. Mindegyik komplex molekulatömege körülbelül 3-105. Körülbelül 64% fehérjét és 36% lipidet tartalmaz. Elektronhordozó
a komplexet úgy definiálják, mint a legkisebb CPE-egységet, amely megtartja azt a képességét, hogy az ép mitokondriumokhoz hasonló sebességgel tud elektront átvinni.

A biológiai oxidáció vizsgálata számos megoldási igényt kielégít fizikai problémák a rendszer különböző szintjeihez és működéséhez kapcsolódóan.

A molekuláris elektronhordozók szerkezetét és funkcióit még nem vizsgálták kellőképpen. A 6.7. pont a citokróm c szerkezetére és tulajdonságaira vonatkozó modern adatokat veszi figyelembe. A citokróm c-t nagyon részletesen tanulmányozták, de dinamikus tulajdonságai nem tekinthetők teljesen megalapozottnak és megmagyarázottnak.

A mitokondriumok szerkezete és funkcionális szerveződése intenzív kutatás tárgyát képezi. Az ezzel kapcsolatos legfontosabb kérdések azonban még mindig megválaszolatlanok. A migokondriumok sajátos membránszerkezete, a bennük lévő autonóm fehérjeszintézis program (DNS) jelenléte, valamint a mitokondriumok mechanokémiai aktivitása közvetlenül összefügg a sejt „erőműveként” betöltött szerepével. További fejlődés A mitokondriális fizika holisztikus megközelítést igényel.

Intenzíven fejlesztik az elektrontranszport általános elméletét a biológiai oxidáció lokalizált rendszerében. Értelmes kinetikai modelleket javasoltak, az elektron-konformációs kölcsönhatások figyelembevételére épülő elméleti tanulmányokat kezdtek. Ezek a problémák kiemelten fontosak a biofizika számára.

Meg kell határozni a biológiai oxidáció molekuláris természetét, amely enzimatikus, transzport és mechanokémiai folyamatok konjugációja eredményeként megy végbe. A mitokondrium a molekuláris biológiai jelenségek széles skálájának integrálásának helye, egy olyan integrált rendszer, amely átfogó tanulmányozást igényel - elméleti és kísérleti szétszerelést és a „fekete doboz” összeszerelését.

Az élethez felhasznált energiaforrások szerint minden élő szervezet autotrófokra oszlik (energia felhasználásával napfény) és heterotrófok (a kémiai kötések energiáját felhasználva). A heterotróf élőlények sejtjeiben komplex szerves vegyületek: szénhidrátok, zsírok, fehérjék oxidációjával nyerik az energiát, amelyet az élőlények a külső környezetből kapnak, i.e. kémiai kötéseik formájában az állatok energiát fogyasztanak a környezetből. Ezek az anyagok a heterotróf szervezetek sejtjeinek energiaforrásai.

Kioszt az extrakció három szakasza energia belőlük (1. ábra):

1. Polimer molekulák hasítása monomerekké. Ebben a szakaszban nem szabadul fel biológiailag hasznos energia. Az energia körülbelül 1%-a felszabadul és hőként disszipálódik.

2. A monomerek hasítása a fő köztitermékek képződésével - piruvát, acetil-CoA. Itt az energia 20%-a szabadul fel az ATP makroerg kötéseiben való tárolás és a hő formájában történő részleges disszipáció következtében.

3. Az acetil-CoA oxidációja a trikarbonsav körfolyamatban CO 2 -vé és H 2 O-vá, és atomi hidrogének felszabadulása, majd ezek oxigénnel történő oxidációja az enzimek légzőláncában, ATP szintézisével párosulva. Itt az energia 80%-a szabadul fel, melynek nagy része (kb. 60%) ATP formájában raktározódik.

Rizs. 1. A foszforilációhoz kapcsolódó biológiai oxidáció főbb szakaszai.

A biológiai oxidációs folyamatok osztályozása.

A biológiai oxidációs folyamatok két fő típusra oszthatók:

1.szabad oxidáció- oxidáció, amelyben az oxidatív reakció összes energiája kizárólag hő formájában szabadul fel. Ezek a folyamatok nem kapcsolódnak az ATP-szintézishez; az oxidáció során felszabaduló energia nem alakul át makroerg kötések energiájává. A szabad oxidáció kisegítő szerepet játszik - hőtermelést és a káros anyagcseretermékek méregtelenítését szolgálja.

Minden oxigenázreakció a szabad oxidáció típusát követi, minden oxidatív reakciót peroxidázok gyorsítják fel vagy H 2 O 2 képződés kísér, sok reakciót oxidázok katalizálnak.

A szabad oxidációs folyamatok a citoszolban, a sejt endoplazmatikus retikulumának membránjaiban, a lizoszómák, peroxiszómák membránjaiban és a Golgi apparátusban, a mitokondriumok és a kloroplasztiszok külső membránjain, a sejt nukleáris apparátusában koncentrálódnak. .

2. Konjugált oxidáció- oxidáció, amelyben az oxidatív reakció energiáját használják fel az ATP szintézisére. Ezért ezt a fajta oxidációt ADP-foszforilációval párosuló oxidációnak nevezik. Ezt kétféleképpen lehet megtenni.

Ha a szubsztrát oxidációja során makroerg vegyület képződik, melynek energiáját az ATP szintézisére fordítjuk, akkor ezt a típusú biológiai oxidációt ún. szubsztrát foszforiláció vagy foszforiláció a szubsztrát szintjén vagy oxidáció ADP-foszforilációval párosulva a szubsztrát szintjén. Példa az ilyen reakciókra két glikolízis reakció: az 1,3-difoszfoglicerinsav 3-foszfoglicerinsavvá és a foszfoenolpiruvát (PEP) átalakítása piruváttá, valamint a Krebs-ciklus reakciója - a szukcinil-CoA hidrolízise szukcináttá. Ezek a reakciók az ATP szintézisével együtt mennek végbe.

Ha a mitokondriumok belső membránján lévő enzimek légzési láncában fellépő oxidációs folyamatok, ahol az oxidált szubsztrátból az oxigénbe protonok és elektronok átvitele az ATP szintéziséhez kapcsolódnak, akkor az ilyen típusú biológiai oxidációt ún. oxidatív foszforiláció vagy foszforiláció az elektrontranszport lánc szintjén.

Biológiai oxidáció osztályozási séma

biológiai oxidáció

Szabad oxidáció Konjugált oxidáció

Szubsztrát oxidatív

foszforiláció foszforiláció

Az oxidatív foszforiláció az oxidált szubsztrát dehidrogénezési reakcióit, majd a hidrogénatomok (protonok és elektronok) oxigénbe történő átvitelét alkalmazza oxidoreduktázok részvételével. A hidrogén oxigénbe történő átvitele egy sor redox rendszeren keresztül megy végbe, amelyek szigorú sorrendben vannak elrendezve - potenciáljuk értékének megfelelően. A hidrogén oxigénbe történő átviteléhez kapcsolódó reakciósorozatot specifikus elektronhordozók részvételével nevezik légzési (vagy elektrontranszport) lánc. Az állatokban és az emberekben négy fő hordozótípusból áll, amelyek mindegyike reverzibilis oxidáción és redukción megy keresztül az elektronok elvesztése és gyarapodása következtében, amikor kölcsönhatásba lép egy másik hordozóval.

Rizs. 2. A légzési lánc összetevőinek kölcsönös elrendeződése, megjelölve a foszforiláció helyeit és a specifikus inhibitorokat.

biológiai oxidáció

Biológiai oxidáció (celluláris ill szöveti légzés) - a test sejtjeiben fellépő redox reakciók, amelyek eredményeként összetett szerves anyagok oxidálódnak specifikus enzimek részvételével a vér által szállított oxigénnel. A biológiai oxidáció végtermékei a víz és a szén-dioxid. A biológiai oxidáció során felszabaduló energia részben hő formájában szabadul fel, de nagy része összetett szerves foszforvegyületek (főleg adenozin-trifoszfát - ATP) molekuláinak képződésére megy el, amelyek a szervezet számára szükséges energiaforrások. a test élete.

Ebben az esetben az oxidációs folyamat az elektronok és azonos számú proton eltávolításából áll az oxidált anyagból (szubsztrátumból). A biológiai oxidáció szubsztrátjai a zsírok, fehérjék és szénhidrátok átalakulásának termékei. A szubsztrátok végtermékekké való biológiai oxidációja egymást követő reakciók láncolatával történik, melynek köztes termékei trikarbonsavak - citrom-, cisakonit- és izocitricsavak, ezért a teljes reakcióláncot trikarbonsavciklusnak vagy Krebs-ciklusnak nevezik. (a kutató után, aki ezt a ciklust létrehozta).

A Krebs-ciklus kezdeti reakciója az oxalát kondenzációja ecetsav ecetsav (acetát) aktivált formájával, amely egy acetilező koenzimmel rendelkező vegyület - acetil-CoA. A reakció eredményeként citromsav keletkezik, amely négyszeres dehidrogénezés (2 hidrogénatom eltávolítása a molekulából) és kétszeres dekarboxilezés (a CO2 molekula eliminációja) után oxálecetsavat képez. A Krebs-ciklusban használt acetil-CoA forrásai az ecetsav, a piruvinsav - a glikolízis egyik terméke (lásd), a zsírsavak (lásd) stb. A Krebs-ciklusban az acetil-CoA oxidációjával együtt Az anyagok oxidálódhatnak is, amelyek e körfolyamat közbenső termékeivé alakulhatnak, például a fehérje lebontása során keletkező aminosavak közül sok. A Krebs-ciklus legtöbb reakciójának visszafordíthatósága miatt a benne lévő fehérjék, zsírok és szénhidrátok (intermedierek) bomlástermékei nemcsak oxidálódhatnak, hanem keringése során is nyerhetők. Így valósul meg a zsírok, fehérjék és szénhidrátok anyagcseréje közötti kapcsolat.

A Krebs-ciklusban lezajló oxidációs reakciók általában nem járnak együtt energiában gazdag vegyületek képződésével. Kivételt képez a szukcinil-CoA szukcináttá történő átalakulása (lásd Borostyánkősav), amely guanozin-trifoszfát képződésével jár együtt. Az ATP nagy része a légzési enzimek láncolatában képződik (lásd), ahol az elektronok (és korai stádiumban és protonok) oxigénbe történő átvitele energia felszabadulásával jár együtt.

A hidrogén eliminációs reakciókat a dehidrogenáz osztályba tartozó enzimek hajtják végre, és a hidrogénatomok (azaz protonok + elektronok) a koenzimekhez kapcsolódnak: nikotinamid-adenin-dinukleotid (NAD), nikotinamid-adenin-dinukleotid-foszfát (NADP), flavin-adenin (FADinu), stb.

A Krebs-ciklushoz és a légzési enzimek láncához kapcsolódó biológiai oxidációs folyamatok főként a mitokondriumokban fordulnak elő, és azok membránjain lokalizálódnak.

A Krebs-ciklushoz kapcsolódó biológiai oxidációs folyamatok tehát mind az energiadús vegyületek képződésében, mind a szénhidrát-, zsír- és fehérjeanyagcsere összekapcsolásában fontosak. A biológiai oxidáció más típusai szűkebb jelentéssel bírnak, mint például a sejtek energiaellátása. Ez a glikolízis szakasza, amely számos foszforvegyület oxidációjából áll, a NAD egyidejű redukciójával és ATP képződésével vagy a pentózciklus reakciójával (azaz a glükóz-6-foszfát oxidatív átalakulásával), foszfopentóz és csökkent NADP képződése kíséri. A pentózciklus fontos szerepet játszik azokban a szövetekben, amelyeket a nukleinsavak, zsírsavak, koleszterin stb. intenzív szintézise jellemez. Lásd még: Anyagcsere és energia.

Biológiai oxidáció - biológiai tárgyakban előforduló redoxreakciók halmaza. Az oxidációs folyamat alatt az elektronok vagy elektronok és protonok egyidejű elvesztését értjük valamely anyag által (hidrogénatomok elvesztése), vagy oxigén hozzáadásával. Ellentétes irányú reakciók jellemzik a gyógyulási folyamatot. A redukálószerek olyan anyagok, amelyek elektronokat veszítenek, az oxidálószerek pedig olyan anyagok, amelyek elektronokat vesznek fel. A biológiai oxidáció a szöveti vagy sejtes légzés alapja (az a folyamat, amelynek során a szövetek és a sejtek oxigént szívnak fel és engednek fel szén-dioxidés víz) - a szervezet fő energiaforrása. Az elektronokat befogadó (elfogadó), azaz redukált anyag a molekuláris oxigén, amely oxigénanionná alakul O -. A szerves anyagokról levált hidrogénatomok - az oxidáció szubsztrátja (SH2) - elektronvesztéskor protonokká vagy pozitív töltésű hidrogénkationokká alakulnak:

SH2→S→2H; 2Н → 2H+ + 2e: ½O2 → О; О→2е→O -- ; 2H + + O -- → H2O + 55 kcal. A hidrogénkationok és az oxigénanionok közötti reakció eredményeként víz képződik, és a reakció minden 18 g vízhez jelentős mennyiségű energia felszabadulásával jár. A szén-dioxid a biológiai oxidáció melléktermékeként képződik. O. néhány reakciója. hidrogén-peroxid képződéséhez vezet, a kataláz hatására H2O és O2 bomlik.

Az emberi test energiaszolgáltatói az élelmiszerek - fehérjék, zsírok és szénhidrátok. Ezek az anyagok azonban nem szolgálhatnak O. szubsztrátjaként. Előzetesen az emésztőrendszerben hasadnak le, ahol fehérjékből aminosavak, zsírokból zsírsavak és glicerin, összetett szénhidrátokból monoszacharidok, elsősorban hexózok keletkeznek. Mindezek a vegyületek felszívódnak és kijutnak (közvetlenül vagy keresztül nyirokrendszer) a vérbe. A szervekben és szövetekben képződő hasonló anyagokkal együtt „anyagcsere-alapot” alkotnak, amelyből a szervezet nyeri a bioszintézishez és az energiaszükségletek kielégítéséhez szükséges anyagokat. O. fő szubsztrátjai. az aminosavak, szénhidrátok és zsírok szöveti anyagcseréjének termékei, amelyeket a "citromsavciklus" anyagainak neveznek. Ide tartoznak a savak:

citromsav, cisaconit, izocitric, borostyánkősav, oxálsav, α-ketoglutársav, borostyánkősav, fumársav, almasavsav, oxálecetsav.

A CH3-CO-COOH piroszőlősav közvetlenül nem vesz részt a citromsav körforgásában, de jelentős szerepet játszik benne, valamint dekarboxilációjának terméke - az ecetsav CH3COCoA (acetil-koenzim A) aktív formája.

A „citromsav-ciklus” („Krebs-ciklus”, „trikarbonsav-ciklus”) részét képező folyamatok a sejtszervecskékben, az úgynevezett mitokondriumokban található enzimek hatására mennek végbe. A citromsav körforgásában részt vevő bármely anyag oxidációjának elemi művelete a hidrogén eltávolítása ebből az anyagból, azaz a dehidrogénezés a megfelelő specifikusan ható dehidrogenáz enzim aktivitása következtében (1. ábra).

Rizs. 1. A Krebs-citromsavciklus sémája.

Ha a folyamat piroszőlősavval kezdődik, akkor a Krebs-ciklusban két hidrogénatom (2H) eliminációja ötször megismétlődik, és három egymást követő dekarboxilezési szakasz kíséri. Az első lépés - dehidrogénezés - akkor következik be, amikor a piroszőlősav acetil-CoA-vá alakul, amely az oxálecetsavval citromsavvá kondenzálódik. A második alkalommal a dehidrogénezés oxál-borostyánkősav képződéséhez vezet az izocitromsavból. A harmadik aktus - két hidrogénatom leválasztása - a ketoglutársav szukcinil-CoA-vá való átalakulásával kapcsolatos; a negyedik - a borostyánkősav dehidrogénezésével és végül az ötödik - az almasav oxálecetsavvá történő átalakításával, amely ismét acetil-CoA-val kondenzálódik és citromsav képződését biztosítja. A szukcinil-CoA lebomlása során egy energiában gazdag kötés (~ P) jön létre - ez az úgynevezett szubsztrát foszforiláció: Succinyl-CoA + H3PO4 + ADP → borostyánkősav + CoA + ATP.

Rizs. 2. A citromsavciklus szubsztrátjainak dehidrogénezési sémája specifikus enzimekkel, amelyek disszociáló komplexekből állnak: fehérjék - b1, b2, b3 és b4 NAD-val és NADH2-vel és b5 fehérje, amely komplexet képez a FAD-dal (szukcin-dehidrogenáz); A CAA cisakonitsav.

A dehidrogénezési műveletek közül négyet specifikus dehidrogenázok részvételével hajtanak végre, amelyek koenzimje a nikotinamid-adenin-dinukleotid (NAD). Az egyik művelet - a borostyánkősav átalakulása fumársavvá - a szukcindehidrogenáz - flavoprotein I hatása alatt történik. Ebben az esetben a koenzim a flavin-adenin-dinukleotid (FAD). Öt ismételt dehidrogénezés eredményeként (2. ábra) a citromsavciklusban lezajló reakciók a koenzimek redukált formáinak kialakulását eredményezik: 4-NADH2 1-FADH2. A redukált NAD-dehidrogenáz, azaz a NADH2-ből hidrogén felvétele szintén a flavin enzimekhez tartozik - ez a flavoprotein II. Azonban mind a fehérje, mind a flavin komponens szerkezetében különbözik a szukcindehidrogenáztól. A FADH2-t tartalmazó flavoproteinek I és II redukált formáinak további oxidációja citokrómok részvételével történik (lásd), amelyek komplex fehérjék - vasporfirineket tartalmazó kromoproteinek - hemek.

Amikor a FADH2 oxidálódik, a proton és az elektronok útja szétválik: a protonok belépnek a környezet hidrogénionok formájában, és az elektronok egy sor citokrómon keresztül (3. ábra) oxigénbe kerülnek, oxigén anionná alakítva O - . A FADH2 és a citokróm rendszer között nyilvánvalóan egy másik tényező is szerepet játszik – a Q koenzim. A NADH2-től az oxigénig terjedő légzési lánc minden következő láncszemét magasabb redoxpotenciál jellemzi (lásd). A NADH2-től ½O2-ig terjedő légzési láncban a potenciál 1,1 V-tal változik (-0,29 V-ról + 0,81 V-ra). Nál nél teljes oxidáció, például piroszőlősav, a hidrogén ötszörös eliminációjával kísérve az eljárás energiahatékonysága körülbelül 275 kcal (55X5) lesz. Ez az energia nem oszlik el teljesen hőként; körülbelül 50%-a halmozódik fel energiadús formában

foszforvegyületek, főleg adenozin-trifoszfát (ATP).

Az ATP-molekula végső foszfátmaradékának oxidációs energiájának energiadús kötésekké (~P) történő átalakulásának folyamata a belső mitokondriális membránokban lokalizálódik, és a légzési lánc mentén a hidrogén- és elektrontranszfer bizonyos szakaszaihoz kapcsolódik. . 4). Általánosan elfogadott, hogy az első foszforiláció a hidrogénnek a NADH2-ből a FAD-ba történő szállításához kapcsolódik, a második az elektronok átviteléhez a citokróm c1-hez, és végül a harmadik, legkevésbé tanulmányozott, a c és a citokróm között található. .

Az energiában gazdag kötések kialakulásának mechanizmusát még nem sikerült megfejteni. Azt találtuk azonban, hogy a folyamat több köztes reakcióból áll (a 4. ábrán - J ~ X-től ATP-ig), amelyek közül csak az utolsó az ATP energiában gazdag foszfátmaradékának képződése. Az ATP-ben található terminális foszfátcsoport energiagazdag kötése gramm-molekulánként 8,5 kcal (fiziológiás körülmények között körülbelül 10 kcal). A hidrogén és elektronok légzési láncon keresztüli átvitele során, kezdve a NADH2-vel és a víz képződésével végződve, 55 kcal szabadul fel, és ATP formájában legalább 25,5 kcal (8,5X3) halmozódik fel. Ezért a biológiai oxidációs folyamat energiahatékonysága körülbelül 50%.

Rizs. 3. A hidrogén és az elektronok légzési láncon keresztüli átvitelének vázlata; E0 - redox potenciál.

Rizs. 5. Az ATP-foszfát kötések (AMP-R~R) energiájának felhasználási vázlata különféle élettani funkciókhoz.

A foszforiláló oxidáció biológiai jelentése egyértelmű (5. ábra): minden létfontosságú folyamat (izommunka, idegi aktivitás, bioszintézis) energiafelhasználást igényel, a széleket az energiában gazdag foszfátkötések (~P) felszakadása adja. A nem foszforiláló - szabad - oxidáció biológiai jelentése számos olyan oxidációs reakcióban is megmutatkozik, amelyek nem kapcsolódnak a citromsav ciklushoz, illetve a hidrogén és elektronok légzési láncon történő átviteléhez. Ez magában foglalja például az összes nem mitokondriális oxidációs folyamatot, a mérgező hatóanyagok oxidatív eltávolítását és a biológiailag aktív vegyületek mennyiségi tartalmának szabályozásának számos aktusát (bizonyos aminosavak, biogén aminok, adrenalin, hisztidin, szerotonin stb., aldehidek). stb.) többé-kevésbé intenzív oxidációval. A szabad és foszforiláló oxidáció aránya emberben és melegvérű állatokban is a hőszabályozás egyik módja. Lásd még: Anyagcsere és energia.

Az élő szervezetek nem létezhetnek energia nélkül. Ezt minden folyamat megköveteli, minden kémiai reakció. Sok élőlény, köztük az ember is táplálékból nyerhet energiát. Érdemes részletesen megérteni, honnan származik az energia, és milyen reakciók zajlanak ilyenkor az élő szervezetek sejtjeiben.

A biológiai oxidáció jelentősége és kutatásának története

Az energiatermelés alapja a biológiai oxidáció folyamata. Most tanulmányozták, sőt egy egész tudományt hoztak létre, amely a folyamat összes finomságával és mechanizmusával foglalkozik - a biokémia. A biológiai oxidáció az anyagok élőlényekké történő redox átalakulásának összessége. Redoxreakcióknak nevezzük azokat a reakciókat, amelyek az atomok oxidációs állapotának megváltozásával jönnek létre az elektronok közötti újraeloszlás következtében.

A tudósok első feltételezései, miszerint minden élő szervezetben összetett folyamatok mennek végbe, a 18. században merültek fel. A problémát Antoine Lavoisier francia kémikus vizsgálta, aki felhívta a figyelmet arra, hogy az égés és a biológiai oxidáció folyamatai hasonlóak egymáshoz.

A tudós nyomon követte az oxigén útját, amelyet egy élő szervezet a légzés során szív fel, és arra a következtetésre jutott, hogy a szervezetben oxidációs folyamat megy végbe, amely hasonlít az égési folyamathoz, de lassabban halad. Lavoisier felfedezte, hogy az oxigénmolekulák (oxidánsok) kölcsönhatásba lépnek szerves vegyületek szenet és hidrogént tartalmaz. Ennek eredményeképpen egy abszolútum keletkezik, amelynél a vegyületek lebomlanak.

A probléma tanulmányozásának néhány pontja érthetetlen maradt a tudósok számára:

• miért megy végbe az oxidáció alacsony testhőmérsékleten, ellentétben a hozzá hasonló égési folyamattal;
• miért nem kíséri az oxidációt láng felszabadulása és nem nagy mennyiségű felszabaduló energia;
• hogyan „éghetnek” a tápanyagok a szervezetben, ha a test körülbelül 80%-a víz.

Ezekre és sok más kérdésre válaszolni, valamint megérteni, mi a biológiai oxidáció, a tudósoknak több mint egy évbe telt. A mai napig a kémikusok tanulmányozták: a légzés kapcsolatát más anyagcsere-folyamatokkal, pl. foszforilációs folyamat. Ezenkívül a tudósok tanulmányozták a biológiai oxidációs reakciókat katalizáló enzimek tulajdonságait; lokalizáció a sejtben; az energia felhalmozódásának és átalakulásának mechanizmusa.

A tápanyagok energiává alakításának összetettebb módja az aerob biológiai oxidáció vagy a szöveti légzés. Ez a reakció minden aerob szervezetben végbemegy, amely oxigént használ a légzés során. A biológiai oxidáció aerob módszere molekuláris oxigén nélkül lehetetlen.

A biológiai oxidáció útjai és a folyamat résztvevői

Ahhoz, hogy végre megértsük, mi a biológiai oxidáció folyamata, figyelembe kell venni annak szakaszait.

glikolízis- ez a monoszacharidok oxigénmentes hasítása, megelőzve a folyamatot sejtlégzésés az energia felszabadulása kíséri. Ez a szakasz minden heterotróf szervezet számára a kezdeti szakasz. A glikolízis után az anaerobok megkezdik az erjedés folyamatát.

Piruvát oxidáció a glikolízis során nyert piroszőlősav acetil-koenzimmé történő átalakulásából áll. A reakció a piruvát-dehidrogenáz enzimkomplex segítségével megy végbe. Lokalizáció - mitokondriális cristae.

A béta-zsírsavak lebontása párhuzamosan történik a piruvát oxidációjával a mitokondriumok krisztjain. A cél az összes zsírsav acetil-koenzimmé történő feldolgozása és a trikarbonsav ciklusba való belépése.

Krebs ciklus: először az acetilkoenzim citromsavvá alakul, majd ezt követően átalakul (dehidrogénezés, dekarboxilezés és regeneráció). Minden folyamat többször megismétlődik.

Oxidatív foszforiláció- a vegyületek átalakulásának végső szakasza az eukarióta szervezetekben. Az adenozin-difoszfát adenozin-trifoszforsavvá alakul. Az ehhez szükséges energia az előző szakaszokban keletkezett dehidrogenáz enzim és koenzim-dehidrogenáz molekulák oxidációjából származik. Ezután az energiát az adenozin-trifoszforsav makroerg kötései tartalmazzák.

ATP

Így az anyagok oxidációja a következő módokon történik:

• a hidrogén eltávolítása a szubsztrátumból, amely oxidálódik (dehidrogénezési folyamat);
• egy elektron visszarúgása a hordozó által;
• oxigén hozzáadása az aljzathoz.

Az élő szervezetek sejtjeiben az összes felsorolt ​​típusú oxidatív reakció megtalálható, amelyeket a megfelelő enzimek - oxidoreduktázok - katalizálnak. Az oxidációs folyamat nem elszigetelten megy végbe, redukciós reakcióhoz kapcsolódik: ezzel egyidejűleg hidrogén- vagy elektronaddíciós reakciók, azaz redoxreakciók mennek végbe. Az oxidációs folyamat mindegyike, amely elektronok felszabadulásával jár együtt az oxidációs állapot növekedésével (az oxidált atom magasabb oxidációs állapotú). Egy anyag oxidációjával helyreállás is bekövetkezhet - elektronok kapcsolódása egy másik anyag atomjaihoz.