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ossidazione biologica

Ossidazione biologica -è un insieme di trasformazioni redox varie sostanze negli organismi viventi. Le reazioni redox sono chiamate reazioni che si verificano con un cambiamento nello stato di ossidazione degli atomi a causa della ridistribuzione degli elettroni tra di loro.

Tipi di processi di ossidazione biologica:

1) ossidazione aerobica (mitocondriale).è progettato per estrarre l'energia dei nutrienti con la partecipazione dell'ossigeno e il suo accumulo sotto forma di ATP. Viene anche chiamata ossidazione aerobica respirazione dei tessuti, poiché durante il suo decorso i tessuti consumano attivamente ossigeno.

2) ossidazione anaerobica- questo è un modo ausiliario per estrarre l'energia delle sostanze senza la partecipazione dell'ossigeno. Ossidazione anaerobica Esso ha Grande importanza con mancanza di ossigeno, così come quando si esegue un intenso lavoro muscolare.

3) ossidazione microsomialeÈ destinato alla neutralizzazione di droghe e veleni, nonché alla sintesi di varie sostanze: adrenalina, noradrenalina, melanina nella pelle, collagene, acidi grassi, acidi biliari, ormoni steroidei.

4) ossidazione dei radicali liberi necessari per la regolazione del rinnovamento e della permeabilità delle membrane cellulari.

La via principale dell'ossidazione biologica è quella mitocondriale associato a fornire al corpo energia in una forma accessibile. Le fonti di energia per l'uomo sono una varietà di composti organici: carboidrati, grassi, proteine. Come risultato dell'ossidazione, i nutrienti si decompongono in prodotti finali, principalmente in CO 2 e H 2 O (durante la scomposizione delle proteine ​​si forma anche NH 3). L'energia rilasciata in questo processo viene immagazzinata sotto forma di energia legami chimici composti macroergici, principalmente ATP.

Macroergico sono chiamati composti organici di cellule viventi contenenti legami ricchi di energia. Durante l'idrolisi dei legami macroergici (indicati da una linea sinuosa ~), vengono rilasciate più di 4 kcal/mol (20 kJ/mol). I legami macroergici si formano a seguito della ridistribuzione dell'energia dei legami chimici nel processo di metabolismo. La maggior parte dei composti macroergici sono anidridi fosforiche, come ATP, GTP, UTP, ecc. L'adenosina trifosfato (ATP) occupa un posto centrale tra le sostanze con legami macroergici.

adenina - ribosio - P ~ P ~ P, dove P è un residuo di acido fosforico

L'ATP si trova in ogni cellula del citoplasma, dei mitocondri e dei nuclei. Le reazioni di ossidazione biologica sono accompagnate dal trasferimento di un gruppo fosfato all'ADP con formazione di ATP (questo processo è chiamato fosforilazione). Pertanto, l'energia viene immagazzinata sotto forma di molecole di ATP e, se necessario, utilizzata per funzionare vari tipi lavoro (meccanico, elettrico, osmotico) e per l'implementazione di processi di sintesi.

Il sistema di unificazione dei substrati di ossidazione nel corpo umano

L'uso diretto dell'energia chimica contenuta nelle molecole delle sostanze alimentari è impossibile, perché quando si rompono i legami intramolecolari, viene rilasciata un'enorme quantità di energia, che può portare a danni cellulari. Affinché i nutrienti che entrano nel corpo subiscano una serie di trasformazioni specifiche, durante le quali una scomposizione multistadio del complesso molecole organiche a quelli più semplici. Ciò consente di rilasciare gradualmente energia e immagazzinarla sotto forma di ATP.

Il processo di trasformazione dei vari sostanze complesse in un substrato energetico è chiamato unificazione. Ci sono tre fasi di unificazione:

1. Fase preparatoria si verifica nel tratto digestivo, così come nel citoplasma delle cellule del corpo . Le grandi molecole si scompongono nei loro blocchi strutturali costituenti: polisaccaridi (amido, glicogeno) - a monosaccaridi; proteine ​​- agli amminoacidi; grassi - a glicerolo e acidi grassi. Questo rilascia una piccola quantità di energia (circa l'1%), che viene dissipata sotto forma di calore.

2. trasformazioni tissutali inizia nel citoplasma delle cellule e termina nei mitocondri. Si formano molecole ancora più semplici e il numero dei loro tipi è significativamente ridotto. I prodotti risultanti sono comuni per le vie metaboliche di varie sostanze: piruvato, acetil-coenzima A (acetil-CoA), α-chetoglutarato, ossalacetato, ecc. coenzima A - la forma attiva della vitamina B 3 (acido pantotenico). I processi di scomposizione di proteine, grassi e carboidrati convergono nella fase di formazione dell'acetil-CoA, formando successivamente un unico ciclo metabolico. Questa fase è caratterizzata da un rilascio parziale (fino al 20%) di energia, parte della quale viene accumulata sotto forma di ATP e parte viene dissipata sotto forma di calore.

3. Stadio mitocondriale. I prodotti formati nella seconda fase entrano nel sistema ossidante ciclico - il ciclo dell'acido tricarbossilico (ciclo di Krebs) e la catena respiratoria mitocondriale associata. Nel ciclo di Krebs, l'acetil-CoA viene ossidato a CO 2 e idrogeno associato ai vettori - NAD + H 2 e FAD H 2. L'idrogeno entra nella catena respiratoria dei mitocondri, dove viene ossidato dall'ossigeno in H 2 O. Questo processo è accompagnato dal rilascio di circa l'80% dell'energia dei legami chimici delle sostanze, parte dei quali viene utilizzata per formare ATP e parte viene rilasciato sotto forma di calore.

Fasi	Scoiattoli	Carboidrati (polisaccaridi)	Grassi
io preparatorio; L'1% dell'energia nutritiva viene rilasciata (come calore);	aminoacidi		glicerolo, acido grasso
II trasformazioni tissutali; 20% di energia come calore e ATP	acetil-CoA (CH 3 -CO ~ SKOA)
III stadio mitocondriale; 80% di energia (circa la metà è sotto forma di ATP, il resto è sotto forma di calore).	Ciclo dell'acido tricarbossilico Catena respiratoria dei mitocondri O 2

Classificazione e caratterizzazione delle principali ossidoreduttasi nei tessuti

Una caratteristica importante dell'ossidazione biologica è che procede sotto l'azione di determinati enzimi. (ossidoreduttasi). Tutti gli enzimi necessari per ogni stadio sono combinati in insiemi che, di regola, sono fissati su varie membrane cellulari. Come risultato dell'azione coordinata di tutti gli enzimi, le trasformazioni chimiche vengono eseguite gradualmente, come su un nastro trasportatore. In questo caso, il prodotto di reazione di uno stadio è il composto di partenza per lo stadio successivo.

Classificazione delle ossidoreduttasi:

1. deidrogenasi effettuare l'eliminazione dell'idrogeno dal substrato ossidato:

SH 2 + LA → S + AH 2

Nei processi associati all'estrazione di energia, il tipo più comune di reazioni di ossidazione biologica è deidrogenazione, cioè l'eliminazione di due atomi di idrogeno dal substrato ossidato e il loro trasferimento all'agente ossidante. Infatti l'idrogeno nei sistemi viventi non è in forma di atomi, ma è la somma di un protone e di un elettrone (H+ e ē), le cui vie di movimento sono diverse.

Le deidrogenasi sono proteine ​​complesse, i loro coenzimi (parte non proteica di un enzima complesso) possono essere sia un agente ossidante che un agente riducente. Prendendo idrogeno dai substrati, i coenzimi vengono convertiti in una forma ridotta. Forme ridotte di coenzimi possono donare protoni ed elettroni di idrogeno a un altro coenzima che ha un potenziale redox più elevato.

1) OLTRE + - e NADP + -deidrogenasi dipendenti(coenzimi - OVER + e NADP + - forme attive di vitamina PP ). Due atomi di idrogeno sono attaccati dal substrato ossidato SH 2 e si forma la forma ridotta - NAD + H 2:

SH 2 + OVER + ↔ S + OVER + H 2

2) Deidrogenasi FAD-dipendenti(coenzimi - FAD e FMN - forme attive di vitamina B 2). Le capacità ossidanti di questi enzimi consentono loro di accettare idrogeno sia direttamente dal substrato ossidato che da NADH 2 ridotto. In questo caso si formano forme ridotte di FAD·H 2 e FMN·H 2.

SH 2 + FAD ↔ S + FAD H 2

OLTRE + N 2 + FMN ↔ OLTRE + + FMN N 2

3) coenzimaQo ubichinone, che può deidrogenare FAD H 2 e FMN H 2 e legare due atomi di idrogeno, trasformandosi in KoQ H 2 ( idrochinone):

FMN N 2 + KoQ ↔ FMN + KoQ N 2

2. Portatori di elettroni di natura emica contenenti ferro – citocromiavanti Cristo 1 , c, a, a 3 . I citocromi sono enzimi appartenenti alla classe delle cromoproteine ​​(proteine ​​colorate). La parte non proteica dei citocromi è rappresentata da eme contenente ferro e di struttura simile all'eme dell'emoglobina. Una molecola di citocromo è in grado di accettare reversibilmente un elettrone, mentre lo stato di ossidazione del ferro cambia:

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

Citocromi aa 3 formare un complesso chiamato citocromo ossidasi. A differenza di altri citocromi, la citocromo ossidasi è in grado di interagire con l'ossigeno, l'accettore di elettroni finale.
Ciclo dell'acido tricarbossilico (TCA)

Questo processo è anche chiamato ciclo del citrato o ciclo di Krebs prende il nome da uno scienziato inglese che ha suggerito che le cellule hanno un sistema di reazioni cicliche ossidative. CTK è la scomposizione dell'acetil-CoA nei mitocondri in CO 2 e idrogeno associati ai vettori (NAD e FAD).

Nella prima fase del processo, l'acetil-CoA reagisce con l'ossalacetato (acido ossalacetico) per formare citrato (acido citrico). Inoltre, 2 molecole di anidride carbonica e 4 coppie di atomi di idrogeno vengono separate in sequenza dall'acido citrico e si forma nuovamente l'acido ossalacetico, motivo per cui il processo è chiamato ciclo .

Il TCA è associato alla respirazione dei tessuti. I metaboliti del ciclo intermedio sono substrati di ossidazione (isocitrato, α-chetoglutarato, succinato e malato). Nel ciclo, vengono ossidati (deidrogenati) sotto l'azione delle deidrogenasi dipendenti da NAD e FAD. Allo stesso tempo, vengono ripristinati NAD e FAD, ad es. aggiungi idrogeno:

isocitrato + NAD → ossalosuccinato + NADH 2

(acido isocitrico) (acido ossalosuccinico)

α-chetoglutarato + NAD → succinil-CoA + NADH 2

(acido α-chetoglutarico) (forma attiva dell'acido succinico)

succinato + FAD → fumarato + FADH 2

(acido succinico) (acido fumarico)

malato + NAD → ossalacetato + NADH 2

(acido malico) (acido ossalacetico)

L'idrogeno del ciclo di Krebs (come NADH 2 e FADH 2) entra nella catena respiratoria, dove viene utilizzato come una sorta di combustibile. Nella catena respiratoria, i protoni e gli elettroni dell'idrogeno vengono trasferiti all'ossigeno per formare acqua. L'energia rilasciata in questo processo viene utilizzata per formare ATP.

Il ruolo biologico del ciclo:

A livello del ciclo di Krebs si combinano le vie per la scomposizione di carboidrati, lipidi e proteine;

I metaboliti del ciclo di Krebs sono usati per sintetizzare altre sostanze (acido ossalacetico → glucosio, acido aspartico; acido α-chetoglutarico → acido glutammico, acido succinico → eme);

Il ciclo di Krebs è il principale sistema di approvvigionamento di idrogeno per la catena respiratoria mitocondriale. L'equazione generale per la conversione di acetil-CoA nel ciclo di Krebs:

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

Pertanto, quando una molecola di acetil-CoA viene ossidata nel ciclo di Krebs, 12 molecole di ATP: nella catena respiratoria associata al ciclo - 11 molecole; nel ciclo stesso - 1 molecola di ATP nella fase di conversione del succinil-CoA in succinato:

GTP + ADP → ATP + PIL (entra di nuovo nel ciclo)

Struttura e funzioni della catena respiratoria

D la catena respiratoria (trasporto di elettroni) si trova nei mitocondri, che sono organelli di forma ovale che fanno parte di quasi tutte le cellule del corpo. Ogni mitocondrio è circondato da due membrane: esterna ed interna. La membrana esterna è liscia, quella interna forma numerose pieghe simili a creste - creste. Le creste aumentano notevolmente la superficie della membrana interna, fornendo un sito per i sistemi enzimatici della catena respiratoria. Lo spazio tra la membrana esterna e quella interna è lo spazio intermembrana. Lo spazio tra le creste è riempito ambiente acquatico chiamato matrice. La matrice contiene enzimi del ciclo dell'acido tricarbossilico e altri enzimi ossidativi.

Il trasferimento di elettroni e protoni dell'idrogeno all'ossigeno viene effettuato sulla membrana interna dei mitocondri con l'aiuto di diversi tipi di sistemi enzimatici redox, la cui totalità forma il cosiddetto catena respiratoria. I componenti della catena respiratoria sono incorporati nella membrana interna dei mitocondri e agiscono come un unico insieme respiratorio.

La catena respiratoria è una specie di trasportatore per il trasferimento di elettroni da un substrato ossidato all'ossigeno. È composto da diversi tipi di portanti ē e H + e può essere rappresentato come il seguente schema generalizzato:

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 +

(isocitrato,

α-chetoglutarato, SH 2

malato, ecc.) (succinato, ecc.)

Nel processo di decomposizione di carboidrati, grassi e proteine, si formano composti che sono substrati di ossidazione biologica (SH 2). Si formano prevalentemente nel ciclo di Krebs (isocitrato, α-chetoglutarato, succinato, malato). Sotto l'azione delle deidrogenasi dipendenti da NAD e FAD, due atomi di idrogeno vengono separati da essi. Successivamente, inizia il trasporto di protoni ed elettroni di idrogeno lungo la catena respiratoria.

Il NADH 2 ridotto interagisce con la deidrogenasi contenente FMN come coenzima. FMN accetta (toglie) l'idrogeno scisso da NADH 2 .

Il componente successivo della catena respiratoria, il coenzima Q (ubichinone), accetta 2H da FMN. L'ubichinone è un punto chiave in cui l'idrogeno scorre nella catena respiratoria da una varietà di substrati.

Se i primi 3 componenti della catena respiratoria - NAD, FMN e ubichinone - trasportavano idrogeno, cioè sia protoni che elettroni, allora partendo dal citocromo b e all'ossigeno, i flussi di protoni ed elettroni sono separati, poiché l'ulteriore sezione della catena respiratoria contiene solo portatori di elettroni. Dal coenzima Q, due elettroni vengono trasferiti a due molecole di citocromo b, poi sequenzialmente per i citocromi c 1 , c, a, a 3 . Ossigeno legando due elettroni da due molecole di citocromo un 3 , interagisce con due protoni e si trasforma in acqua.

La direzione del trasferimento di elettroni nella catena respiratoria è determinata dai potenziali redox dei portatori. Potenziale redox (E) caratterizza la capacità di una molecola di accettare elettroni. Maggiore è la componente E della catena, maggiore è la sua forza come agente ossidante. I vettori nella catena respiratoria sono disposti in ordine crescente di E, poiché gli elettroni possono essere donati solo a un composto con un potenziale redox più elevato. L'ossigeno ha la più alta capacità di accettare elettroni (E = +0,82V), l'idrogeno ha la più bassa (E = -0,42V). Pertanto, l'ossigeno, essendo l'agente ossidante più forte, crea forza motrice trasportare gli elettroni lungo la catena respiratoria.

Meccanismo di accoppiamento di ossidazione e fosforilazione

Il potenziale calo da H 2 a O 2 è di 1,24 V, che è teoricamente sufficiente per la sintesi di 6 molecole di ATP, ma in realtà non ne vengono sintetizzate più di tre.

SH 2 + ½ O 2 S + H 2 O (ossidazione)

3ADP + 3H 3 RO 4 3ATP (fosforilazione)

L'ATP si forma aggiungendo un residuo di acido fosforico all'ADP. Questo processo è chiamato fosforilazione. Pertanto, si coniugano due processi: il processo di ossidazione biologica (trasferimento di protoni ed elettroni attraverso la catena respiratoria) e il processo di fosforilazione (formazione di ATP), poiché l'energia generata durante l'ossidazione viene utilizzata per la fosforilazione. Ecco perchè viene chiamata la formazione di ATP dovuta all'energia rilasciata durante il passaggio degli elettroni attraverso la catena respiratoria fosforilazione ossidativa.

Per quantificare l'accoppiamento di ossidazione e fosforilazione, utilizziamo coefficiente di fosforilazione- atteggiamento R/O. Questo coefficiente mostra quanti atomi di fosforo inorganico vengono assorbiti dai mitocondri quando un atomo di ossigeno viene assorbito (o quando una coppia di elettroni viene trasferita all'ossigeno).

I calcoli mostrano che per la formazione di un legame macroergico di ATP, il cui costo è di almeno 40 kJ / mol, una caduta del potenziale redox tra i partecipanti alla catena respiratoria è di circa 0,22 V per coppia di elettroni trasferiti. Ci sono solo tre siti nella catena respiratoria con una differenza di potenziali o / v sufficiente per la sintesi di ATP ( tre siti di coniugazione di ossidazione e fosforilazione):

I - tra NAD∙H 2 e FMN;

II - tra citocromi b e c;

III - tra citocromi un e un 3 .

In queste fasi, il rilascio di energia è sufficiente per la sintesi di ATP. Negli stadi rimanenti, la differenza di potenziali o/w è insufficiente per la sintesi di ATP e l'energia rilasciata (circa 40-50%) viene dissipata sotto forma di calore. Pertanto, quando due elettroni passano attraverso la catena respiratoria, che inizia con deidrogenasi NAD-dipendenti, si formano tre molecole di ATP. In questo caso, il coefficiente P/O = 3.

Alcuni substrati di ossidazione (succinato, acidi grassi) hanno un potenziale redox maggiore del NAD. Pertanto, sono ossidati non da NAD-, ma da deidrogenasi FAD-dipendenti. Quando tali sostanze vengono ossidate, si formano solo due molecole di ATP, poiché viene saltato un punto di coniugazione di ossidazione e fosforilazione. Pertanto, il coefficiente P/O = 2.

Vengono calcolati i valori dati dei coefficienti di fosforilazione, il valore reale di questo coefficiente in condizioni fisiologiche è Р/О ≈ 2.5.

Il coefficiente P/O può avere valori anche più bassi(P/O disaccoppiamento di ossidazione e fosforilazione. In questo caso si verificano processi redox nella catena respiratoria, ma non si verifica la fosforilazione (sintesi di ATP), ovvero il la catena respiratoria funziona, per così dire, al minimo Tutta l'energia delle sostanze ossidate viene convertita in calore I mitocondri diventano una specie di "stufa" cellulare che produce calore. Ciò è necessario in situazioni in cui il fabbisogno di calore per il corpo è maggiore di la necessità di ATP, ad esempio, per mantenere la temperatura corporea durante il raffreddamento.
ossidazione microsomiale

Insieme alla respirazione dei tessuti, che coinvolge dall'80% al 90% dell'ossigeno consumato da una persona, nel corpo si verificano costantemente altre reazioni che coinvolgono l'ossigeno, tra cui microsomiale e radicale libero ossidazione.

L'ossidazione microsomiale non è associata alla sintesi di ATP. Il meccanismo di questo tipo di ossidazione del substrato con l'ossigeno prevede una tale interazione del substrato (S) con l'ossigeno molecolare, in cui un atomo di ossigeno è incluso nel substrato ossidato, l'altro è incluso nella molecola d'acqua. A causa dell'inclusione di ossigeno nella molecola del substrato ossidato, si forma un gruppo ossidrile (-OH), quindi questa specie l'ossidazione è chiamata idrossilazione.

SH + O 2 + A ∙ H 2 → S-OH + H 2 O + A

dove SH è il substrato ossidato; A ∙ H 2 è un donatore di idrogeno (acido ascorbico o NADP ∙ H 2).

Sono chiamati gli enzimi coinvolti nell'ossidazione dell'ossigenasi idrossilasi, o ossigenasi. Questi enzimi contengono ioni metallici con valenza variabile (Fe, Cu) nel centro attivo. Le idrossilasi possono esistere in forma solubile nella linfa cellulare o come gruppi speciali di enzimi ossidativi situati nelle membrane del reticolo citoplasmatico delle cellule del fegato, dei mitocondri delle cellule della corteccia surrenale, ecc. Quando il tessuto viene strofinato, i frammenti del reticolo citoplasmatico si chiudono spontaneamente in strutture simili a bolle chiamate microsomi Pertanto, questo tipo di ossidazione è chiamato microsomiale. Il gruppo di enzimi ossidativi microsomiali è una catena ciclica di trasporto di elettroni e protoni, la cui fonte è principalmente NADP∙H 2 . Il componente principale di questo sistema è il citocromo P 450 con un catione ferro (Fe 3+ ↔ Fe 2+) nel centro attivo, dove inizia l'ossidazione del substrato. Il nome di citocromo è dovuto al fatto che la sua forma ridotta si lega al monossido di carbonio CO e acquisisce un caratteristico assorbimento della luce a 450 nm.

Quando il citocromo P 450 interagisce con un substrato e l'ossigeno, questi vengono attivati ​​e non solo il substrato viene ossidato, ma anche NADP∙H 2. A causa di ciò, il citocromo P 450 fornisce quattro elettroni alla molecola di ossigeno. Di conseguenza, viene introdotto uno degli atomi di ossigeno Collegamenti S-N molecole del substrato ossidato e l'altro si riduce con la formazione di acqua.

Il ruolo biologico dell'ossidazione microsomiale:

1. Sintesi di varie sostanze. Gli enzimi solubili con la partecipazione dell'acido ascorbico come donatore di idrogeno svolgono la sintesi di adrenalina e noradrenalina nel tessuto cromaffino; pigmento di melanina dalla tirosina nella pelle, nell'iride e nella retina; La principale proteina del tessuto connettivo è il collagene. Gli enzimi microsomiali sono coinvolti nella formazione degli acidi grassi insaturi; acidi biliari e ormoni steroidei surrenali dal colesterolo, leucotrieni dall'acido arachidonico.

2. Neutralizzazione di varie sostanze tossiche nel fegato. Ciò è particolarmente vero per le sostanze estranee non di origine naturale, denominate xenobiotici. Con l'ossidazione microsomiale, le sostanze tossiche diventano solubili in acqua; di conseguenza, non si accumulano nella cellula, ma vengono facilmente escrete nelle urine. Sono noti più di 7.000 nomi di composti ossidati dal sistema microsomiale del fegato. Una delle caratteristiche principali del citocromo P 450 è la capacità della sua proteina di cambiare la sua conformazione in risposta alla comparsa di uno o dell'altro xenobiotico nel corpo, garantendo così un'interazione efficace con esso. Grazie a questa adattabilità, il citocromo P 450 è un enzima di disintossicazione universale che può interagire con quasi tutti i composti. L'unico requisito per un substrato ossidabile è che non sia polare, poiché il citocromo P 450 si trova nello strato lipidico delle membrane.
Ossidazione dei radicali liberi

I radicali liberi sono particelle con un elettrone spaiato (la presenza di un elettrone spaiato è indicata da un punto ·). La principale fonte di radicali nel corpo umano è l'ossigeno molecolare e, in caso di esposizione alle radiazioni, l'acqua ( radiolisi dell'acqua). Dall'1 al 3% dell'ossigeno consumato da una persona viene speso per la formazione di radicali liberi. La molecola di ossigeno contiene due elettroni spaiati ed è un ·O 2 · biradicale. Tuttavia, gli elettroni spaiati sono disposti in modo tale che la molecola di O 2 rimanga relativamente stabile. Con la completa riduzione (respirazione tissutale), una molecola di ossigeno, prendendo quattro elettroni e quattro protoni, si trasforma in due molecole d'acqua. Con la riduzione incompleta dell'ossigeno, si formano varie forme attive. Per specie reattive dell'ossigeno relazionare:

O 2 ‾ - radicale superossido(+ H + → NO 2 radicale idroperossido)

↓+ ē (+2Í +)

H 2 O 2 - perossido di idrogeno

·LUI - radicale idrossile

Sotto l'azione della luce, l'ossigeno molecolare passa allo stato di singoletto, cioè in ossigeno singolettoО 2 ", in cui tutti gli elettroni sono accoppiati. L'ossigeno singoletto è instabile, l'emivita è di 45 minuti. È più attivo nelle reazioni di ossidazione rispetto all'ossigeno molecolare. La capacità ossidante delle specie reattive dell'ossigeno aumenta nella seguente sequenza:

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

La formazione di specie reattive dell'ossigeno si verifica costantemente nel corpo. Nel corpo, i radicali tossici contenenti ossigeno insorgono quando l'O 2 interagisce con le metalloproteine ​​(emoglobina, citocromi) contenenti cationi metallici in gradi inferiori ossidazione (Fe 2+, Cu +, Mn 2+), ricevendo da essi un elettrone:

Fe 2+ + O 2 → Fe 3+ + O 2 ─

Le reazioni chimiche che portano alla comparsa dei radicali liberi sono processi normali nel corpo umano. I radicali liberi compaiono come risultato della respirazione dei tessuti, del trasferimento di ossigeno da parte dell'emoglobina, della sintesi di ormoni, prostaglandine, fagocitosi, neutralizzazione di farmaci e varie sostanze tossiche da parte del fegato, attività fisica eccetera.

Le particelle radicali risultanti, principalmente il radicale HO, hanno un valore estremamente elevato reattività. I radicali liberi reagiscono con quasi tutte le molecole, causando una violazione della loro struttura e funzioni: proteine, acidi nucleici, carboidrati, lipidi. I radicali liberi sono particolarmente aggressivi nei confronti del DNA e dei lipidi. La loro interazione con il DNA porta a una violazione del codice genetico e può diventare una fonte di sviluppo del cancro. Tuttavia, i radicali liberi sono principalmente coinvolti nelle reazioni perossidazione lipidica (LPO). In questo caso, gli acidi grassi insaturi, che fanno parte dei fosfolipidi delle membrane cellulari, subiscono ossidazione. Il processo LPO può essere suddiviso in tre fasi:

iofase - la formazione di radicali liberi di lipidi:

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

radicale allile

IIstadio - produzione di perossidi lipidici: ossidazione del radicale allile con ossigeno molecolare per formare radicali perossido:

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

│

Il radicale perossido viene quindi ridotto a idroperossido mediante l'ossidazione di un'altra molecola di acido grasso in un radicale libero: ROO + RH → ROOH + R

Le reazioni LPO hanno un carattere a catena e il radicale R risultante è coinvolto nello sviluppo della catena.

IIIstadio - circuito aperto si verifica quando i radicali interagiscono tra loro per formare prodotti inattivi o con un antiossidante. I prodotti della perossidazione dei lipidi insaturi sono gli idroperossidi lipidici, nonché alcoli, aldeidi, acidi carbossilici. Quindi, durante la decomposizione degli idroperossidi lipidici, si forma la malondialdeide O═CH─CH 2 ─CH═O, che forma "collegamenti incrociati" che interrompono la struttura delle proteine.

Il ruolo fisiologico del processo LPO è quello di regolare il rinnovamento e la permeabilità dei lipidi nelle membrane biologiche. Tuttavia, se vengono create le condizioni per la formazione di un gran numero di radicali liberi, il processo di perossidazione lipidica può acquisire un carattere simile a una valanga. Ciò può portare a un cambiamento nelle proprietà fisico-chimiche della fase lipidica della membrana, che a sua volta porta all'interruzione del trasporto, del recettore e di altre funzioni e all'interruzione dell'integrità strutturale delle membrane fino alla loro completa distruzione e morte cellulare. Inoltre, l'attività degli enzimi viene soppressa e si accumulano composti di perossido pericolosi per la salute.

Sotto effetti estremi e patogeni sul corpo, la formazione di radicali dell'ossigeno aumenta notevolmente, in parte a causa dell'attivazione della fosforilazione ossidativa e dell'idrossilazione degli xenobiotici. Il rafforzamento dei processi LPO ha un carattere dannoso universale e svolge un ruolo importante nel processo di invecchiamento e nello sviluppo di varie condizioni patologiche: malattie del sistema cardiovascolare, fegato, polmoni, ecc.

Normalmente, il corpo controlla i processi LPO regolando la quantità e l'attività dei radicali liberi. Per questo c'è sistema antiossidante (AOS) organismo, che impedisce l'eccessiva attivazione della perossidazione lipidica. AOS include:

1. 
   legame enzimatico che impedisce la formazione di ROS sono enzimi prodotti nel corpo stesso: catalasi, superossido dismutasi, glutatione reduttasi, glutatione perossidasi;

superossido dismutasi

Circa 2 ─ + 2H + H 2 O 2 + O 2

Catalasi glutatione perossidasi (contiene selenio e tripeptide glutatione G─SH)
2H 2 O + O 2 2G─SH + H 2 O 2 → G─S─S─G + 2 H 2 O

1. 
   antiossidanti non enzimatici che neutralizzano i prodotti della perossidazione lipidica(impedire la formazione di perossidi lipidici). Includono non sintetizzati nel nostro corpo vitamine A, C, E, β-carotene, bioflavonoidi. Tutte queste sostanze, ad eccezione della vitamina C, sono altamente solubili nei grassi. Sono chiamati "spazzini di radicali liberi" nel corpo. Gli antiossidanti, interagendo con i radicali, passano in forme ossidate che, sotto l'azione degli enzimi corrispondenti, si trasformano nuovamente in forme ridotte. Ad esempio, la vitamina E, presente nelle membrane, è una sorta di sistema chimico per proteggere le membrane dalla perossidazione lipidica. Inoltre, molte sostanze prodotte dall'organismo stesso hanno proprietà antiossidanti: coenzima Q, acido urico, ormoni steroidei, tiroxina. Gli antiossidanti efficaci sono tioliR─ SH, che sono necessari per il funzionamento dell'enzima glutatione perossidasi. I tioli naturali lo sono glutatione, cisteina, deidrolipoato.

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I processi bioenergetici che portano alla sintesi dell'ATP, alla carica di "accumulatori biologici", procedono in membrane mitocondriali specializzate. È qui che i sistemi molecolari responsabili dell'energia degli organismi viventi sono localizzati e organizzati spazialmente. La sintesi di ATP nei mitocondri è associata al trasporto di elettroni e ioni ea fenomeni meccanochimici. Le funzioni delle membrane mitocondriali sono molto complesse e diverse. Un altro tipo di membrane coniuganti bioenergetiche - membrane di cloroplasti vegetali responsabili della fotosintesi - è discusso nel Capitolo 7.

La fonte di energia consumata dalla cellula per la biosintesi, il trasporto attivo, il lavoro meccanico ed elettrico, è la respirazione, cioè l'ossidazione dei composti organici con l'ossigeno atmosferico. Nel 1780 Lavoisier dimostrò che respirazione e combustione sono della stessa natura. Nei successivi quasi due secoli, le ricerche di chimici, biologi e fisici hanno portato alla rivelazione delle principali caratteristiche dell'ossidazione biologica - uno dei processi (o meglio, un sistema di processi) più importanti che si verificano nella natura vivente.

Il carburante, cioè le sostanze ossidabili, entra nel corpo dell'animale con il cibo sotto forma di grassi, carboidrati e proteine. I grassi sono trigliceridi degli acidi grassi, principalmente acidi poliidrici. Sono scissi, cioè idrolizzati in reazioni catalizzate da enzimi speciali. Gli acidi grassi vengono attivati ​​con la partecipazione di enzimi specifici e ATP, trasformandosi in derivati ​​acilici del cosiddetto coenzima A, Co A - SH, la cui struttura è mostrata in Fig. 6.1. L'ossidazione del derivato acilico del Co A - SH avviene in più stadi, ciascuno dei quali forma un residuo di acido grasso contenente due atomi di carbonio in meno del precedente. Equazione completa la reazione di ossidazione di un acido grasso con un numero pari di atomi di carbonio ad acetil-S - Co A ha la forma

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

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

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

Qui NAD è il coenzima nicotinamide adenina dinucleotide (Fig.

6.2), E - enzima, FAD - coenzima flavina adenina dinucleotide

Riso. 6.1. coenzima A.

TOC \ o "1-3" \ h \ z (Fig. 6.3), ADP e AMP - adenosina difosfato e adenosina mono - fosfato, Fn, FFN - mono inorganici - e difosfati. Rivolgiamo la nostra attenzione alla generalità e

Strutture di ATP, CoA-SH, NAD e HB

FAD (vedi, cap. 2). Quando viene distrutto - /\ / \

Nii grasso alla fine obra - n | 9NH2

Viene chiamato acetil-CoA, oltre a pro - n ^

PIONIL-KO A E GLICERINA. - g_p_Q_QH

Scissione e ossidazione del carbonio - і | |

Le acque (in particolare l'amido) a - \ C ^ n n ^ C portano alla formazione di fosfato trioso - і |> c "isg I NH

Tov e acido piruvico I n L L n I 2

(piruvato). n°-rG° 0N 0N „ /h

Con la distruzione delle proteine, insieme a / C N

Con amminoacido individuale - \ NSch J I

Mi utilizzato nella sintesi delle proteine ​​- CH2 0 \

Kov de novo, si forma acetil-N

Co A, ossalacetato, a-chetoglutarato, INc^c/I

Fumarato e succinato. Questi processi non lo sono

Metabolismo studiato in dettaglio in lui OH

Biochimica moderna (vedi). Riso. c-2-nicotinamide adenina-

I principali prodotti di scissione sono il dinucleotide (NAD),

Niya e ossidazione di grassi, carboidrati

E le proteine ​​subiscono ulteriori trasformazioni in un sistema ciclico di reazioni chiamato ciclo dell'acido citrico o ciclo di Krebs. Questo sistema è localizzato nei mitocondri. Il ciclo di Krebs, “in senso figurato, quell'asse principale attorno al quale ruota il metabolismo di quasi tutte le cellule esistenti... Il ciclo

Krebs è il "punto focale" in cui convergono tutte le vie metaboliche.

Il ciclo di Krebs è mostrato in Fig. 6.4. Per un giro del ciclo, costituito da otto reazioni, contrassegnate nella figura da numeri in cerchi, una molecola di acetil-CoA viene degradata

H2c-CH-CH-CH-CH,-O-P-O-P-O-CH, n-^CH

A/\A/NH lui lui

H, CV NC s H II

Riso. 6.3. Flavia adenina dinucleotide (FAD).

Oppure una molecola di piruvato a CO2 e H20, cioè la "combustione" di queste molecole. Le reazioni complessive corrispondenti hanno la forma

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

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

(Le parentesi indicano che il FAD è strettamente legato alla proteina.)

Dal ciclo di Krebs provengono i percorsi di molte reazioni biosintetiche - i percorsi per la sintesi di carboidrati, lipidi, purine, pirimidi e porfirine. La sintesi delle proteine ​​è anche associata ad un ciclo in cui si creano i precursori di un certo numero di aminoacidi. Allo stesso tempo, come vedremo, l'ossidazione biologica è una fonte di energia immagazzinata nell'ATP e necessaria per i processi biosintetici.

Nelle reazioni del ciclo compaiono gli ioni CO2 e H+. Allo stesso tempo, vengono ripristinati i coenzimi NAD e FAD. Per un'ossidazione biologica continua e completa, questi cofermi devono essere nuovamente ossidati. L'ossidazione viene effettuata da una combinazione di portatori di elettroni che formano una catena di trasporto degli elettroni (ECC) fissata nei mitocondri. CPE fornisce le seguenti reazioni:

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.

La reazione acetil-CoA ha la forma

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

Il CPE, altrimenti noto come catena respiratoria, lo è

Carboidrati-*- CH-CDC07 p

Piruvato in grasso

U v4 * - "Acetil-CoC CO2 2H ■

^ c \u003d o (T) r "

Fn Sushchinil-Sh KoA_SH Fig. 6.4. Ciclo di Krebs.

Tre-"bA.-isocitrati

A-chetoglutarap

NO-CH С02 fiOj (2)

"CH2 Ossalacetato Citrato

FQ) l-tlat \ Vz

Un sistema polienzimatico che accetta elettroni dal ciclo di Krebs e dal ciclo di ossidazione degli acidi grassi.

L'elettrone viene trasferito lungo la seguente catena: Succinato - FP3 1

Substrato -*■ OVER -»- FP0 ->■ Citocromo b ->- -*■ Citocromo C) -» Citocromo c -»- Citocromi a + az -*■ 02.

Le flavoproteine ​​sono enzimi specifici contenenti flavina coenzimi-FAD (vedi Fig. 6.3) e flavina mononucleotide - FMN, riboflavina-5 "-fosfato. I citocromi contengono un gruppo eme, il cui atomo di ferro subisce ossidazione e riduzione durante il funzionamento a catena:

Fe2+ ​​​​Fe3+ - fe~.

Il trasferimento di elettroni nella catena di cui sopra avviene da sinistra a destra, terminando con la riduzione dell'ossigeno, che si combina con l'idrogeno per formare l'acqua. L'elettrone rilasciato durante l'ossidazione è collegato all'anello successivo della catena. Il trasferimento di elettroni è accompagnato da un cambiamento nell'energia libera, poiché gli elettroni si muovono attraverso una cascata di potenziali redox crescenti. I loro valori sono riportati nella tabella. 6.1.

Tabella 6.1

Potenziali redox di alcuni sistemi

Il trasferimento di elettroni lungo la catena respiratoria è associato all'accumulo di energia nelle molecole di ATP macroergiche. In altre parole, l'energia libera rilasciata viene convertita nell'energia chimica dell'ATP. Si verifica la fosforilazione ossidativa.

Questo fenomeno più importante fu scoperto per la prima volta da Engelhardt nel 1930. Belitzer e Tsybakova hanno studiato in dettaglio le relazioni stechiometriche tra ossidazione e fosforilazione, hanno effettuato le prime determinazioni del coefficiente Fn O. ovvero il rapporto tra il numero di molecole dell'inorganico esterificato
fosfato al numero di atomi di ossigeno assorbito e ha mostrato che il valore di questo coefficiente non è inferiore a 2. Nel lavoro sono state fornite stime termodinamiche, che hanno mostrato che l'energia del trasferimento di elettroni all'ossigeno è sufficiente per formare due o Di più Molecole di ATP per atomo di ossigeno assorbito. Kalkar ha scoperto che la fosforilazione aerobica è associata alla respirazione e non dipende dalla fosforilazione glicolitica. I rapporti quantitativi sono stati perfezionati da Ochoa. Coefficiente Fn: O per reazioni ossidative il ciclo di Krebs e le reazioni che coinvolgono NAD sono 3. Lehninger è stato il primo a stabilire che i processi di fosforilazione ossidativa sono localizzati proprio nei mitocondri.

Le frecce dirette mostrano i punti di ingresso per gli elettroni. FP,. FP, ...-flavoproteine.

KoQ - coenzima Q.

10], e nei lavori del suo laboratorio sono stati trovati i punti nodali della catena respiratoria, nei quali avviene la fosforilazione. Il valore specificato Fn: O segue dall'equazione

NAD-H + ​​​​H+ + Z ADP + 3 Fn + V2O2 - NAD+ + 4 H20 + 3 ATP. Questa equazione riassume la reazione esergonica NAD-H + ​​​​H+ + V2O2 -> NAD+ + H20 + 52,7 kcal/mol

E reazione endergonica

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

La fosforilazione dell'ADP -\u003e L'ATP si verifica in tre punti chiave - nella sezione della catena NAD-H - flavoproteina, nella sezione del citocromo b del citocromo cі e nella sezione del citocromo c - * citocromo a + a3.

Lo schema generale di coniugazione dell'ossidazione con la fosforilazione è mostrato in fig. 6.5.

Riscriviamo l'equazione grossolana della fosforilazione

PiruWat^ Sushchinagp

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

Dove AG è il cambiamento nell'energia libera. abbiamo

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

AG = AG" + RT IP. (6.1)

AG0- cambio standard energia libera in calorie, ovvero il valore di AG a pH 7,0, 25°C e concentrazioni di tutti i componenti pari a 1,0 M. Come è noto,

AG0 = - RT In K, (6.2)

dove K è la costante di equilibrio della reazione. Per fosforilazione AG0 = 7,3 kcal/mol. Il valore osservato di AG in vivo dipende dalla concentrazione di protoni su entrambi i lati della membrana e, quindi, dalla differenza di potenziale di membrana. AG dipende anche dalla concentrazione di ioni Mg++. Quando il pH cambia da 6,0 a 9,0 a = 10 mM, l'AG cambia da 6,17 a 9,29 kcal/mol (vedi).

La variazione di energia libera durante il trasferimento di due equivalenti elettronici lungo il CPE da NAD-H a 02 è determinata dalla differenza di potenziali redox 0,82 - (-0,32) = = 1,14 V, cioè

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

Ciò fornisce una sintesi in eccesso di 3 moli di ATP da ADP e Fn. L'efficienza del processo è espressa come 21,9/52,7, ovvero pari a circa il 40%.

Il significato energetico della respirazione è la sintesi dell'ATP. L'energia immagazzinata nell'ATP viene utilizzata dalla cellula per eseguire tutti i tipi di lavoro.

La scoperta della chimica dell'ossidazione biologica è la più grande conquista della biochimica. Qui vengono presentate solo alcune delle informazioni più importanti; una considerazione dettagliata del complesso sistema biochimico di ossidazione è contenuta nella letteratura speciale (vedi).

Una caratteristica del sistema di fosforilazione ossidativa, che lo distingue da una serie di reazioni enzimatiche che si verificano in soluzione, è la rigida localizzazione spaziale dei collegamenti del processo multistadio. La fosforilazione ossidativa è localizzata nei mitocondri ed è direttamente correlata al trasporto e alla funzionalità meccanochimica delle loro membrane. Apparentemente così un sistema complesso le reazioni biochimiche richiedono fondamentalmente eterogeneità spaziale e non potrebbero essere realizzate in un ambiente omogeneo.

La decifrazione delle reazioni redox qui brevemente descritte è stata ottenuta applicando sottili metodi chimici e fisici. Qui, in particolare,
Il lavoro di Chais dedicato alla spettroscopia di portatori di elettroni (NAD, FP, citocromi) in mitocondri intatti ha svolto un ruolo importante. Questi vettori hanno bande di assorbimento caratteristiche nelle regioni dello spettro visibile e vicino ultravioletto, e gli spettri differenziali consentono di studiare la cinetica della loro ossidazione e riduzione. Vari metodi sono stati utilizzati per rimuovere specifici n enzimi dai mitocondri. preservando così solo alcuni collegamenti

Riso. 6.6. Distribuzione delle proteine ​​da parte dei complessi CPE I, II, III, IV.

Addominali. Cі, dі-\u003e ntochromes, Cu - proteine ​​​​contenenti rame, (Fe -be) - ferro non eme, fs - succinato deidrogenasi, iq-NAD H-deidrogenasi.

Processi. I mitocondri sono stati sezionati; complessi di enzimi respiratori esenti da proteine ​​strutturali. Tali complessi si sono rivelati possibile purificare e studiare in dettaglio. Sono stati condotti esperimenti di successo per ripristinare il CPE da preparati isolati ed enzimi solubili. Infine, informazioni molto preziose sono state ottenute in esperimenti sull'inibizione delle singole fasi del processo e sul disaccoppiamento della fosforilazione ossidativa e del trasferimento di elettroni (vedi § 6.5).

Si può ritenere accertato che i portatori di CPE sono raggruppati in quattro complessi, chiamati complessi di Green (vedi). Lo schema corrispondente è mostrato in fig. 6.6. Il peso molecolare di ciascun complesso è di circa 3-105. Contiene circa il 64% di proteine ​​e il 36% di lipidi. Trasporto di elettroni
un complesso è definito come la più piccola unità CPE che conserva la capacità di trasferire un elettrone a una velocità paragonabile a quella dei mitocondri intatti.

Lo studio dell'ossidazione biologica risponde all'esigenza di risolvere una serie di problemi fisici relativi ai diversi livelli di organizzazione e funzionamento del sistema.

La struttura e le funzioni dei portatori di elettroni molecolari non sono ancora sufficientemente studiate. Nel § 6.7 vengono considerati i dati moderni relativi alla struttura e alle proprietà del citocromo c. Il citocromo c è stato studiato in dettaglio, ma le sue proprietà dinamiche non possono essere considerate completamente stabilite e spiegate.

La struttura e l'organizzazione funzionale dei mitocondri sono state oggetto di un intenso studio. Tuttavia, molte delle domande più importanti relative a questo rimangono ancora senza risposta. La struttura specifica della membrana dei migocondri, la presenza in essi di un programma autonomo di sintesi proteica (DNA) e l'attività meccanochimica dei mitocondri sono direttamente correlati al loro ruolo di "centrali elettriche" della cellula. Ulteriori sviluppi la fisica mitocondriale richiede un approccio olistico.

La teoria generale del trasporto di elettroni in un sistema localizzato di ossidazione biologica è in fase di sviluppo intensivo. Sono stati proposti modelli cinetici significativi, sono stati avviati studi teorici basati sulla considerazione delle interazioni elettronico-conformazionali. Questi problemi sono di fondamentale interesse per la biofisica.

È necessario stabilire la natura molecolare dell'ossidazione biologica, che viene effettuata come risultato della coniugazione di processi enzimatici, di trasporto e meccanochimici. I mitocondri sono un luogo per l'integrazione di un'ampia gamma di fenomeni biologici molecolari, un sistema integrale che richiede uno studio completo: smontaggio teorico e sperimentale e assemblaggio della "scatola nera".

In base alle fonti di energia utilizzate per la vita, tutti gli organismi viventi sono divisi in autotrofi (utilizzando energia luce del sole) ed eterotrofi (usando l'energia dei legami chimici). L'energia si ottiene nelle cellule degli organismi eterotrofi attraverso l'ossidazione di composti organici complessi: carboidrati, grassi, proteine, che gli organismi ricevono dall'ambiente esterno, ad es. sotto forma di legami chimici, gli animali consumano energia dall'ambiente. Queste sostanze sono le risorse energetiche delle cellule degli organismi eterotrofi.

Assegna tre fasi di estrazione energia da loro (Fig. 1):

1. Scissione di molecole polimeriche in monomeri. In questa fase, non c'è rilascio di energia biologicamente utile. Circa l'1% dell'energia viene rilasciata e dissipata sotto forma di calore.

2. Scissione di monomeri con formazione dei principali prodotti intermedi: piruvato, acetil-CoA. Qui, il 20% dell'energia viene rilasciata con il suo immagazzinamento in legami macroergici di ATP e la parziale dissipazione sotto forma di calore.

3. Ossidazione dell'acetil-CoA nel ciclo dell'acido tricarbossilico a CO 2 e H 2 O e rilascio di idrogeni atomici, seguita dalla loro ossidazione con ossigeno nella catena respiratoria degli enzimi, accoppiata alla sintesi di ATP. Qui viene rilasciato l'80% dell'energia, la maggior parte (circa il 60%) della quale viene immagazzinata sotto forma di ATP.

Riso. 1. Le principali fasi dell'ossidazione biologica associate alla fosforilazione.

Classificazione dei processi di ossidazione biologica.

I processi di ossidazione biologica possono essere suddivisi in due tipi principali:

1.ossidazione libera- ossidazione, in cui tutta l'energia della reazione ossidativa viene rilasciata esclusivamente sotto forma di calore. Questi processi non sono associati alla sintesi di ATP; non c'è conversione dell'energia rilasciata durante l'ossidazione nell'energia dei legami macroergici. L'ossidazione libera svolge un ruolo ausiliario: serve per la produzione di calore e la disintossicazione dei prodotti metabolici dannosi.

Tutte le reazioni ossigenasi procedono secondo il tipo di ossidazione libera, tutte le reazioni ossidative accelerate dalle perossidasi o accompagnate dalla formazione di H 2 O 2, molte reazioni catalizzate dalle ossidasi.

I processi di ossidazione libera sono concentrati nel citosol, nelle membrane del reticolo endoplasmatico della cellula, nelle membrane dei lisosomi, dei perossisomi e dell'apparato di Golgi, sulle membrane esterne dei mitocondri e dei cloroplasti, nell'apparato nucleare della cellula .

2. Ossidazione coniugata- ossidazione, in cui l'energia della reazione ossidativa viene utilizzata per la sintesi dell'ATP. Pertanto, questo tipo di ossidazione è chiamato ossidazione accoppiata con fosforilazione dell'ADP. Si può fare in due modi.

Se durante l'ossidazione del substrato si forma un composto macroergico, la cui energia viene utilizzata per la sintesi di ATP, viene chiamato questo tipo di ossidazione biologica fosforilazione del substrato o fosforilazione a livello del substrato o ossidazione accoppiata con fosforilazione dell'ADP a livello del substrato. Un esempio di tali reazioni sono 2 reazioni di glicolisi: la conversione dell'acido 1,3-difosfoglicerico in acido 3-fosfoglicerico e fosfoenolpiruvato (PEP) in piruvato, nonché la reazione del ciclo di Krebs - idrolisi del succinil-CoA in succinato. Queste reazioni procedono in congiunzione con la sintesi di ATP.

Se i processi di ossidazione che si verificano nella catena respiratoria degli enzimi sulla membrana interna dei mitocondri, dove il trasferimento di protoni ed elettroni dal substrato ossidato all'ossigeno, sono associati alla sintesi di ATP, allora questo tipo di ossidazione biologica è chiamato fosforilazione ossidativa o fosforilazione a livello della catena di trasporto degli elettroni.

Schema di classificazione dell'ossidazione biologica

ossidazione biologica

Ossidazione libera Ossidazione coniugata

Substrato ossidante

fosforilazione fosforilazione

La fosforilazione ossidativa utilizza reazioni di deidrogenazione del substrato ossidato seguite dal trasferimento di atomi di idrogeno (protoni ed elettroni) all'ossigeno con la partecipazione delle ossidoreduttasi. Il trasferimento dell'idrogeno in ossigeno avviene attraverso una serie di sistemi redox, che sono disposti in una sequenza rigorosa, in base al valore del loro potenziale. Viene chiamata una tale sequenza di reazioni associate al trasferimento di idrogeno all'ossigeno con la partecipazione di specifici portatori di elettroni catena respiratoria (o di trasporto di elettroni).. Negli animali e nell'uomo, è composto da quattro tipi principali di vettori, ognuno dei quali è in grado di subire un'ossidazione e una riduzione reversibili a causa della perdita e del guadagno di elettroni quando interagisce con un altro vettore.

Riso. 2. Disposizione reciproca dei componenti della catena respiratoria, indicando i siti di fosforilazione e inibitori specifici.

ossidazione biologica

Ossidazione biologica (cellulare o respirazione dei tessuti) - reazioni redox che si verificano nelle cellule del corpo, a seguito delle quali sostanze organiche complesse vengono ossidate con la partecipazione di enzimi specifici con l'ossigeno fornito dal sangue. I prodotti finali dell'ossidazione biologica sono acqua e anidride carbonica. L'energia rilasciata nel processo di ossidazione biologica viene parzialmente rilasciata sotto forma di calore, ma la maggior parte di essa va alla formazione di molecole di composti organofosforici complessi (principalmente adenosina trifosfato - ATP), che sono fonti di energia necessarie per il vita del corpo.

In questo caso, il processo di ossidazione consiste nella rimozione di elettroni e un numero uguale di protoni dalla sostanza ossidata (substrato). I substrati di ossidazione biologica sono prodotti di trasformazioni di grassi, proteine ​​e carboidrati. L'ossidazione biologica dei substrati in prodotti finali viene effettuata da una catena di reazioni successive, i cui prodotti intermedi includono acidi tricarbossilici - acidi citrico, cisaconitico e isocitrico, quindi l'intera catena di reazioni è chiamata ciclo dell'acido tricarbossilico, o ciclo di Krebs (dal ricercatore che ha stabilito questo ciclo).

La reazione iniziale del ciclo di Krebs è la condensazione dell'ossalato acido acetico con una forma attivata di acido acetico (acetato), che è un composto con il coenzima di acetilazione - acetil-CoA. Come risultato della reazione, si forma acido citrico che, dopo quattro volte deidrogenazione (eliminazione di 2 atomi di idrogeno dalla molecola) e doppia decarbossilazione (eliminazione della molecola di CO2), forma acido ossaloacetico. Le fonti di acetil-CoA utilizzate nel ciclo di Krebs sono l'acido acetico, l'acido piruvico - uno dei prodotti della glicolisi (vedi), gli acidi grassi (vedi), ecc. Insieme all'ossidazione dell'acetil-CoA nel ciclo di Krebs, altri sostanze possono anche essere ossidate, capaci di essere convertite in prodotti intermedi di questo ciclo, ad esempio molti degli amminoacidi formatisi durante la scomposizione delle proteine. A causa della reversibilità della maggior parte delle reazioni del ciclo di Krebs, i prodotti di degradazione di proteine, grassi e carboidrati (intermedi) in esso contenuti non solo possono essere ossidati, ma anche ottenuti durante la sua circolazione. In questo modo si esplica la relazione tra il metabolismo dei grassi, delle proteine ​​e dei carboidrati.

Le reazioni di ossidazione che si verificano nel ciclo di Krebs non sono solitamente accompagnate dalla formazione di composti ricchi di energia. Un'eccezione è la conversione del succinil-CoA in succinato (vedi acido succinico), che è accompagnata dalla formazione di guanosina trifosfato. La maggior parte dell'ATP si forma nella catena degli enzimi respiratori (vedi), dove il trasferimento di elettroni (e nei primi stadi e protoni) all'ossigeno è accompagnato dal rilascio di energia.

Le reazioni di eliminazione dell'idrogeno sono eseguite da enzimi della classe deidrogenasi e atomi di idrogeno (cioè protoni + elettroni) sono attaccati ai coenzimi: nicotinamide adenina dinucleotide (NAD), nicotinamide adenina dinucleotide fosfato (NADP), flavina adenina dinucleotide (FAD), eccetera.

I processi di ossidazione biologica associati al ciclo di Krebs e alla catena degli enzimi respiratori avvengono principalmente nei mitocondri e sono localizzati sulle loro membrane.

Pertanto, i processi di ossidazione biologica associati al ciclo di Krebs sono importanti sia nella formazione di composti ricchi di energia che nell'implementazione della connessione tra il metabolismo dei carboidrati, dei grassi e delle proteine. Altri tipi di ossidazione biologica sembrano avere un significato più ristretto, come l'approvvigionamento energetico delle cellule. Questo è lo stadio della glicolisi, che consiste nell'ossidazione di un certo numero di composti del fosforo con la contemporanea riduzione del NAD e la formazione di ATP o la reazione del ciclo del pentoso (cioè la conversione ossidativa del glucosio-6-fosfato), accompagnato dalla formazione di fosfopentoso e ridotto NADP. Il ciclo del pentoso gioca un ruolo importante nei tessuti caratterizzati da un'intensa sintesi di acidi nucleici, acidi grassi, colesterolo, ecc. Vedi anche Metabolismo ed Energia.

Ossidazione biologica: un insieme di reazioni redox che si verificano negli oggetti biologici. Il processo di ossidazione è inteso come la perdita simultanea di elettroni o elettroni e protoni da parte di una sostanza (perdita di atomi di idrogeno) o l'aggiunta di ossigeno. Reazioni di direzione opposta caratterizzano il processo di recupero. Gli agenti riducenti sono sostanze che perdono elettroni, gli agenti ossidanti sono sostanze che guadagnano elettroni. L'ossidazione biologica è la base della respirazione tissutale o cellulare (il processo mediante il quale i tessuti e le cellule assorbono ossigeno e rilasciano diossido di carbonio e acqua) - la principale fonte di energia per il corpo. La sostanza che accetta (accetta) gli elettroni, cioè è ridotta, è l'ossigeno molecolare, che si trasforma in un anione ossigeno O -. Gli atomi di idrogeno scissi dalla materia organica - il substrato di ossidazione (SH2), vengono convertiti, in caso di perdita di elettroni, in protoni o cationi di idrogeno caricati positivamente:

SH2→S→2H; 2Н→2H + + 2e: ½O2→О; О→2е→O -- ; 2H + + O -- →H2O + 55 kcal. Come risultato della reazione tra cationi idrogeno e anioni ossigeno, si forma acqua e la reazione è accompagnata dal rilascio di una quantità significativa di energia per ogni 18 g di acqua). L'anidride carbonica si forma come sottoprodotto dell'ossidazione biologica. Alcune delle reazioni di O. portare alla formazione di perossido di idrogeno, sotto l'influenza della catalasi che si decompone in H2O e O2.

I fornitori di energia nel corpo umano sono il cibo: proteine, grassi e carboidrati. Tuttavia, queste sostanze non possono fungere da substrati di O.. Vengono preliminarmente scissi nel tubo digerente, dove gli amminoacidi sono formati da proteine, acidi grassi e glicerolo dai grassi, e monosaccaridi, principalmente esosi, dai carboidrati complessi. Tutti questi composti vengono assorbiti e consegnati (direttamente o attraverso sistema linfatico) nel sangue. Insieme a sostanze simili formatesi negli organi e nei tessuti, costituiscono un "fondo metabolico" da cui l'organismo trae materiale per la biosintesi e per soddisfare i fabbisogni energetici. I principali substrati di O. sono prodotti del metabolismo tissutale di aminoacidi, carboidrati e grassi, detti sostanze del “ciclo dell'acido citrico”. Questi includono acidi:

citrico, cisaconite, isocitrico, succinico ossalico, α-chetoglutarico, succinico, fumarico, malico, ossaloacetico.

L'acido piruvico CH3-CO-COOH non è direttamente coinvolto nel ciclo dell'acido citrico, ma svolge un ruolo significativo in esso, così come il prodotto della sua decarbossilazione, la forma attiva dell'acido acetico CH3COCoA (acetil-coenzima A).

I processi inclusi nel “ciclo dell'acido citrico” (“ciclo di Krebs”, “ciclo dell'acido tricarbossilico”) procedono sotto l'azione di enzimi contenuti negli organelli cellulari chiamati mitocondri. L'atto elementare di ossidazione di qualsiasi sostanza inclusa nel ciclo dell'acido citrico è la rimozione dell'idrogeno da questa sostanza, cioè l'atto di deidrogenazione dovuto all'attività del corrispondente enzima deidrogenasi ad azione specifica (Fig. 1).

Riso. 1. Schema del ciclo dell'acido citrico di Krebs.

Se il processo inizia con l'acido piruvico, l'eliminazione di due atomi di idrogeno (2H) nel ciclo di Krebs viene ripetuta 5 volte ed è accompagnata da tre fasi successive di decarbossilazione. Il primo atto - deidrogenazione - si verifica quando l'acido piruvico viene convertito in acetil-CoA, che condensa con l'acido ossalacetico in acido citrico. La seconda volta la deidrogenazione porta alla formazione di acido ossalosuccinico dall'acido isocitrico. Il terzo atto - la scissione di due atomi di idrogeno - è associato alla conversione dell'acido chetoglutarico in succinil-CoA; il quarto - con la deidrogenazione dell'acido succinico e, infine, il quinto - con la conversione dell'acido malico in acido ossaloacetico, che può nuovamente condensare con acetil-CoA e provvedere alla formazione di acido citrico. Durante la rottura del succinil-CoA, si forma un legame ricco di energia (~ P): questa è la cosiddetta fosforilazione del substrato: succinil-CoA + H3PO4 + ADP → acido succinico + CoA + ATP.

Riso. 2. Schema di deidrogenazione dei substrati del ciclo dell'acido citrico da parte di enzimi specifici costituiti da complessi dissocianti: proteine ​​- b1, b2, b3 e b4 con NAD e NADH2 e proteina b5, che forma un complesso con FAD (succina deidrogenasi); CAA è acido cisacontico.

Quattro di questi atti di deidrogenazione vengono effettuati con la partecipazione di specifiche deidrogenasi, il cui coenzima è la nicotinamide adenina dinucleotide (NAD). Un atto - la trasformazione dell'acido succinico in fumarico - avviene sotto l'influenza della succindeidrogenasi - flavoproteina I. In questo caso, il coenzima è il flavin adenin dinucleotide (FAD). Come risultato di cinque ripetuti atti di deidrogenazione (Fig. 2), le reazioni che si verificano nel ciclo dell'acido citrico determinano la formazione di forme ridotte di coenzimi: 4-NADH2 1-FADH2. Anche la NAD deidrogenasi ridotta, cioè l'accettazione dell'idrogeno da NADH2, appartiene agli enzimi flavina: questa è la flavoproteina II. Tuttavia, differisce dalla succindeidrogenasi nella struttura sia della componente proteica che della flavina. Un'ulteriore ossidazione delle forme ridotte di flavoproteine ​​I e II contenenti FADH2 si verifica con la partecipazione dei citocromi (vedi), che sono proteine ​​complesse - cromoproteine, contenenti porfirine di ferro - emi.

Quando FADH2 è ossidato, i percorsi del protone e degli elettroni divergono: i protoni entrano nel ambiente sotto forma di ioni idrogeno, e gli elettroni attraverso una serie di citocromi (Fig. 3) vengono trasferiti all'ossigeno, trasformandolo in un anione ossigeno O - . Tra FADH2 e il sistema del citocromo, a quanto pare, è coinvolto un altro fattore: il coenzima Q. Ogni collegamento successivo nella catena respiratoria dall'NADH2 all'ossigeno è caratterizzato da un potenziale redox più elevato (vedi). In tutta la catena respiratoria da NADH2 a ½O2, il potenziale cambia di 1,1 V (da -0,29 V a + 0,81 V). In completa ossidazione, ad esempio l'acido piruvico, accompagnato da una quintuplicazione dell'eliminazione dell'idrogeno, l'efficienza energetica del processo sarà di circa 275 kcal (55X5). Questa energia non viene completamente dissipata sotto forma di calore; circa il 50% di esso si accumula sotto forma di energia ricca

composti del fosforo, principalmente adenosina trifosfato (ATP).

Il processo di trasformazione dell'energia di ossidazione in legami ricchi di energia (~P) del residuo fosfato finale della molecola di ATP è localizzato nelle membrane mitocondriali interne ed è associato ad alcuni stadi di trasferimento di idrogeno ed elettroni lungo la catena respiratoria (Fig. 4). È generalmente accettato che la prima fosforilazione sia associata al trasporto di idrogeno da NADH2 a FAD, la seconda sia associata al trasferimento di elettroni al citocromo c1 e, infine, la terza, meno studiata, sia localizzata tra i citocromi c e a .

Il meccanismo per la formazione di legami ricchi di energia non è stato ancora decifrato. Si è riscontrato, tuttavia, che il processo consiste in diverse reazioni intermedie (in Fig. 4 - da J ~ X all'ATP), solo l'ultima delle quali è la formazione di un residuo fosfato ricco di energia di ATP. Il legame ricco di energia del gruppo fosfato terminale nell'ATP è stimato a 8,5 kcal per grammo-molecola (in condizioni fisiologiche, circa 10 kcal). Durante il trasferimento di idrogeno ed elettroni attraverso la catena respiratoria, iniziando con NADH2 e terminando con la formazione di acqua, vengono rilasciate 55 kcal e accumulate sotto forma di ATP almeno 25,5 kcal (8,5X3). Pertanto, l'efficienza energetica del processo di ossidazione biologica è di circa il 50%.

Riso. 3. Schema del trasferimento di idrogeno ed elettroni attraverso la catena respiratoria; E0 - potenziale redox.

Riso. 5. Schema di utilizzo dell'energia dei legami fosfato ATP (AMP-R~R) per varie funzioni fisiologiche.

Il significato biologico dell'ossidazione fosforilante è chiaro (Fig. 5): tutti i processi vitali (lavoro muscolare, attività nervosa, biosintesi) richiedono dispendio energetico, i bordi sono forniti dalla rottura dei legami fosfato ricchi di energia (~P). Il significato biologico dell'ossidazione non fosforilante - libera - può essere visto in numerose reazioni di ossidazione che non sono associate al ciclo dell'acido citrico e al trasferimento di idrogeno ed elettroni lungo la catena respiratoria. Ciò include, ad esempio, tutti i processi di ossidazione non mitocondriale, la rimozione ossidativa di sostanze attive tossiche e molti atti di regolazione del contenuto quantitativo di composti biologicamente attivi (alcuni aminoacidi, ammine biogene, adrenalina, istidina, serotonina, ecc., aldeidi , ecc.) per ossidazione più o meno intensa. Il rapporto tra ossidazione libera e fosforilante è anche uno dei modi di termoregolazione nell'uomo e negli animali a sangue caldo. Vedi anche Metabolismo ed Energia.

Gli organismi viventi non possono esistere senza energia. È richiesto da ogni processo, ogni reazione chimica. Molti esseri viventi, compresi gli esseri umani, possono ottenere energia dal cibo. Vale la pena capire in dettaglio da dove viene l'energia e quali reazioni avvengono in questo momento nelle cellule degli organismi viventi.

Il significato dell'ossidazione biologica e la storia della sua ricerca

La base della produzione di energia è il processo di ossidazione biologica. Ora è stato studiato, è stata creata anche un'intera scienza che si occupa di tutte le sottigliezze e i meccanismi del processo: la biochimica. L'ossidazione biologica è un insieme di trasformazioni redox di sostanze in esseri viventi. Le reazioni redox sono chiamate reazioni che si verificano con un cambiamento nello stato di ossidazione degli atomi a causa della ridistribuzione degli elettroni tra di loro.

Le prime ipotesi degli scienziati che processi complessi abbiano luogo all'interno di ogni organismo vivente sono state avanzate nel 18° secolo. Il problema è stato studiato dal chimico francese Antoine Lavoisier, che ha richiamato l'attenzione sul fatto che i processi di combustione e ossidazione biologica sono simili tra loro.

Lo scienziato ha tracciato il percorso dell'ossigeno, che viene assorbito da un organismo vivente durante la respirazione, e ha concluso che nel corpo si verifica un processo di ossidazione, che ricorda il processo di combustione, ma procede più lentamente. Lavoisier ha scoperto che le molecole di ossigeno (ossidante) interagiscono con composti organici contenente carbonio e idrogeno. Di conseguenza, si verifica un assoluto, in cui i composti si decompongono.

Alcuni punti nel processo di studio del problema sono rimasti incomprensibili per gli scienziati:

• perché l'ossidazione avviene a bassa temperatura corporea, in contrasto con il processo di combustione ad essa simile;
• perché l'ossidazione non è accompagnata dal rilascio di una fiamma e non da un grande rilascio di energia rilasciata;
• come possono i nutrienti nel corpo "bruciare" se il corpo contiene circa l'80% di acqua.

Per rispondere a queste e a molte altre domande, nonché per capire cos'è l'ossidazione biologica, gli scienziati hanno impiegato più di un anno. Ad oggi, i chimici hanno studiato: il rapporto della respirazione con altri processi metabolici, incl. processo di fosforilazione. Inoltre, gli scienziati hanno studiato le proprietà degli enzimi che catalizzano le reazioni di ossidazione biologica; localizzazione nella cellula; meccanismo di accumulazione e trasformazione dell'energia.

Un modo più complesso per convertire i nutrienti in energia è l'ossidazione biologica aerobica, o respirazione tissutale. Questa reazione viene eseguita in tutti gli organismi aerobici che utilizzano l'ossigeno nel processo di respirazione. Il metodo aerobico dell'ossidazione biologica è impossibile senza ossigeno molecolare.

Vie di ossidazione biologica e partecipanti al processo

Per capire finalmente qual è il processo di ossidazione biologica, si dovrebbero considerare le sue fasi.

glicolisi- si tratta di una scissione priva di ossigeno dei monosaccaridi, che precede il processo respirazione cellulare e accompagnato dal rilascio di energia. Questo stadio è quello iniziale per ogni organismo eterotrofico. Dopo la glicolisi, gli anaerobi iniziano il processo di fermentazione.

Ossidazione del piruvato consiste nella conversione dell'acido piruvico, ottenuto nel processo di glicolisi, in acetilcoenzima. La reazione avviene con l'aiuto del complesso enzimatico piruvato deidrogenasi. Localizzazione - creste mitocondriali.

Decomposizione degli acidi grassi beta si verifica in parallelo con l'ossidazione del piruvato sulle creste dei mitocondri. L'obiettivo è la trasformazione di tutti gli acidi grassi in acetil coenzima e il suo ingresso nel ciclo dell'acido tricarbossilico.

ciclo di Krebs: dapprima l'acetilcoenzima viene convertito in acido citrico, quindi subisce successive trasformazioni (deidrogenazione, decarbossilazione e rigenerazione). Tutti i processi vengono ripetuti più volte.

Fosforilazione ossidativa- la fase finale della trasformazione negli organismi eucariotici dei composti. L'adenosina difosfato viene convertito in acido adenosina trifosforico. L'energia necessaria per questo deriva dall'ossidazione delle molecole dell'enzima deidrogenasi e della coenzima deidrogenasi formate nelle fasi precedenti. Quindi l'energia è contenuta nei legami macroergici dell'acido adenosina trifosforico.

ATP

Pertanto, l'ossidazione delle sostanze viene eseguita nei seguenti modi:

• eliminazione dell'idrogeno dal substrato, che viene ossidato (processo di deidrogenazione);
• rinculo di un elettrone da parte del substrato;
• aggiunta di ossigeno al substrato.

Nelle cellule degli organismi viventi si trovano tutti i tipi elencati di reazioni ossidative, catalizzate dagli enzimi corrispondenti - ossidoreduttasi. Il processo di ossidazione non avviene in isolamento, è associato a una reazione di riduzione: contemporaneamente si verificano reazioni di addizione di idrogeno o elettroni, ovvero vengono eseguite reazioni redox. Il processo di ossidazione è ciascuno, che è accompagnato dal rilascio di elettroni con un aumento degli stati di ossidazione (l'atomo ossidato ha uno stato di ossidazione più elevato). Con l'ossidazione di una sostanza può verificarsi anche il ripristino: l'attaccamento di elettroni agli atomi di un'altra sostanza.