oxidare biologică
Oxidare biologică - este un set de transformări redox diverse substanteîn organismele vii. Reacțiile redox se numesc reacții care apar cu o schimbare a stării de oxidare a atomilor datorită redistribuirii electronilor între ei.
Tipuri de procese biologice de oxidare:
1) oxidare aerobă (mitocondrială). este conceput pentru a extrage energia nutrienților cu participarea oxigenului și acumularea acestuia sub formă de ATP. Oxidarea aerobă se mai numește respirația tisulară, deoarece pe parcursul cursului său țesuturile consumă activ oxigen.
2) oxidare anaerobă- aceasta este o modalitate auxiliară de a extrage energia substanțelor fără participarea oxigenului. Oxidarea anaerobă Are mare importanță cu lipsă de oxigen, precum și atunci când se efectuează o muncă musculară intensă.
3) oxidare microzomală Este destinat neutralizării medicamentelor și otrăvurilor, precum și sintezei diferitelor substanțe: adrenalină, norepinefrină, melanină în piele, colagen, acizi grași, acizi biliari, hormoni steroizi.
4) oxidarea radicalilor liberi necesare pentru reglarea reînnoirii și permeabilității membranelor celulare.
Principala cale de oxidare biologică este mitocondrială asociat cu furnizarea energiei corpului într-o formă accesibilă. Sursele de energie pentru oameni sunt o varietate de compuși organici: carbohidrați, grăsimi, proteine. Ca urmare a oxidării, nutrienții se descompun în produși finali, în principal în CO 2 și H 2 O (în timpul descompunerii proteinelor, se formează și NH 3). Energia eliberată în acest proces este stocată sub formă de energie legături chimice compuși macroergici, în principal ATP.
Macroergic compușii organici ai celulelor vii care conțin legături bogate în energie se numesc. În timpul hidrolizei legăturilor macroergice (indicată printr-o linie sinuoasă ~), se eliberează mai mult de 4 kcal / mol (20 kJ / mol). Legăturile macroergice se formează ca urmare a redistribuirii energiei legăturilor chimice în procesul de metabolism. Majoritatea compușilor cu energie înaltă sunt anhidride fosforice, cum ar fi ATP, GTP, UTP etc. Adenozin trifosfat (ATP) ocupă un loc central printre substanțele cu legături macroergice.
adenină - riboză - P ~ P ~ P, unde P este un rest de acid fosforic
ATP se găsește în fiecare celulă din citoplasmă, mitocondrii și nuclei. Reacțiile biologice de oxidare sunt însoțite de transferul unei grupări fosfat la ADP cu formarea de ATP (acest proces se numește fosforilare). Astfel, energia este stocată sub formă de molecule de ATP și, dacă este necesar, folosită pentru a funcționa diferite feluri munca (mecanica, electrica, osmotica) si pentru implementarea proceselor de sinteza.
Sistemul de unificare a substraturilor de oxidare din corpul uman
Utilizarea directă a energiei chimice conținute în moleculele substanțelor alimentare este imposibilă, deoarece atunci când legăturile intramoleculare sunt rupte, se eliberează o cantitate imensă de energie, care poate duce la deteriorarea celulelor. Pentru ca nutrienții care intră în organism să sufere o serie de transformări specifice, în timpul cărora o descompunere în mai multe etape a complexului molecule organice la cele mai simple. Acest lucru face posibilă eliberarea treptată a energiei și stocarea acesteia sub formă de ATP.
Procesul de transformare a diverselor substanțe complexeîntr-un singur substrat energetic se numește unificare. Există trei etape de unificare:
1. Etapa pregătitoare apare în tractul digestiv, precum și în citoplasma celulelor corpului . Moleculele mari se descompun în blocurile lor structurale constitutive: polizaharide (amidon, glicogen) - la monozaharide; proteine - la aminoacizi; grăsimi - la glicerol și acizi grași. Aceasta eliberează o cantitate mică de energie (aproximativ 1%), care este disipată sub formă de căldură.
2. transformări tisulareîncepe în citoplasma celulelor și se termină în mitocondrii. Se formează și molecule mai simple, iar numărul tipurilor lor este redus semnificativ. Produsele rezultate sunt comune pentru căile metabolice ale diferitelor substanțe: piruvat, acetil-coenzima A (acetil-CoA), α-cetoglutarat, oxaloacetat etc. coenzima A - forma activă a vitaminei B 3 (acid pantotenic). Procesele de descompunere a proteinelor, grăsimilor și carbohidraților converg în stadiul de formare a acetil-CoA, formând ulterior un singur ciclu metabolic. Această etapă se caracterizează printr-o eliberare parțială (până la 20%) de energie, din care o parte se acumulează sub formă de ATP, iar o parte este disipată sub formă de căldură.
3. Stadiul mitocondrial. Produsele formate în a doua etapă intră în sistemul de oxidare ciclică - ciclul acidului tricarboxilic (ciclul Krebs)
și lanțul respirator mitocondrial asociat. În ciclul Krebs, acetil-CoA este oxidat la CO 2 și hidrogen asociat cu purtători - NAD + H 2 și FAD H 2. Hidrogenul intră în lanțul respirator al mitocondriilor, unde este oxidat de oxigen la H 2 O. Acest proces este însoțit de eliberarea a aproximativ 80% din energia legăturilor chimice ale substanțelor, din care o parte este folosită pentru a forma ATP și o parte. se eliberează sub formă de căldură.
Etape |
Veverițe |
Carbohidrați (polizaharide) |
Grasimi |
I pregătitoare; 1% din energia nutritivă este eliberată (sub formă de căldură); |
aminoacizi |
|
glicerol, acid gras |
|
II transformări tisulare; 20% energie sub formă de căldură și ATP |
acetil-CoA (CH3-CO ~ SKoA) |
||
|
stadiul III mitocondrial; 80% din energie (aproximativ jumătate este sub formă de ATP, restul este sub formă de căldură). |
Ciclul acidului tricarboxilic Lanțul respirator al mitocondriilor O2 |
||
Clasificarea și caracterizarea principalelor oxidoreductaze din țesuturi
O caracteristică importantă a oxidării biologice este că aceasta se desfășoară sub acțiunea anumitor enzime. (oxidoreductaza). Toate enzimele necesare pentru fiecare etapă sunt combinate în ansambluri, care, de regulă, sunt fixate pe diferite membrane celulare. Ca urmare a acțiunii coordonate a tuturor enzimelor, transformările chimice sunt efectuate treptat, ca pe o bandă transportoare. În acest caz, produsul de reacție dintr-o etapă este compusul de pornire pentru etapa următoare.
Clasificarea oxidoreductazelor:
1. Dehidrogenazele efectuați eliminarea hidrogenului din substratul oxidat:
SH 2 + A → S + AH 2
În procesele asociate cu extracția energiei, cel mai frecvent tip de reacții de oxidare biologică este dehidrogenare, adică eliminarea a doi atomi de hidrogen din substratul oxidat și transferul lor la agentul oxidant. De fapt, hidrogenul din sistemele vii nu este sub formă de atomi, ci este suma unui proton și a unui electron (H + și ē), ale căror căi de mișcare sunt diferite.
Dehidrogenazele sunt proteine complexe, coenzimele lor (parte neproteică a unei enzime complexe) pot fi atât un agent oxidant, cât și un agent reducător. Prin preluarea hidrogenului din substraturi, coenzimele sunt transformate într-o formă redusă. Formele reduse de coenzime pot dona protoni și electroni de hidrogen unei alte coenzime care are un potențial redox mai mare.
1) TERMINAT + - și NADP + -dehidrogenaze dependente(coenzime - OVER + și NADP + - forme active de vitamina PP ). Doi atomi de hidrogen sunt atașați de la substratul oxidat SH 2 și se formează forma redusă - NAD + H 2:
SH 2 + Peste + ↔ S + Peste + H 2
2) Dehidrogenaze dependente de FAD(coenzime - FAD și FMN - forme active ale vitaminei B 2). Abilitățile de oxidare ale acestor enzime le permit să accepte hidrogen atât direct din substratul oxidat, cât și din NADH2 redus. În acest caz, se formează forme reduse de FAD·H2 şi FMN·H2.
SH 2 + FAD ↔ S + FAD H 2
Peste + N 2 + FMN ↔ Peste + + FMN N 2
3) coenzimaQsau ubichinonă, care poate dehidrogena FAD H 2 și FMN H 2 și poate atașa doi atomi de hidrogen, transformându-se în KoQ H 2 ( hidrochinonă):
FMN N 2 + KoQ ↔ FMN + KoQ N 2
2. Purtători de electroni de natură hemică cu conținut de fier – citocromib, c 1 , c, a, a 3 . Citocromii sunt enzime aparținând clasei de cromoproteine (proteine colorate). Partea neproteică a citocromilor este reprezentată de heme conţinând fier şi asemănătoare ca structură cu hemul hemoglobinei. O moleculă de citocrom este capabilă să accepte reversibil un electron, în timp ce starea de oxidare a fierului se modifică:
citocrom (Fe 3+) + ē ↔ citocrom (Fe 2+)
Citocromi a, a 3
formează un complex numit citocrom oxidaza. Spre deosebire de alți citocromi, citocrom oxidaza este capabilă să interacționeze cu oxigenul, acceptorul final de electroni.
Ciclul acidului tricarboxilic (TCA)
Acest proces se mai numește ciclul citratului sau Ciclul Krebs numit după un om de știință englez care a sugerat că celulele au un sistem ciclic oxidativ de reacții. CTK este descompunerea acetil-CoA din mitocondrii în CO 2 și hidrogen asociat cu purtătorii (NAD și FAD).
În prima etapă a procesului, acetil-CoA reacționează cu oxaloacetat (acid oxaloacetic) pentru a forma citrat (acid citric). În plus, 2 molecule de dioxid de carbon și 4 perechi de atomi de hidrogen sunt separate secvenţial de acidul citric, iar acidul oxaloacetic se formează din nou, motiv pentru care procesul se numește ciclu. .
TCA este asociat cu respirația tisulară. Metaboliții ciclului intermediar sunt substraturi de oxidare (izocitrat, α-cetoglutarat, succinat și malat). În ciclu, ele sunt oxidate (dehidrogenate) sub acțiunea dehidrogenazelor dependente de NAD și FAD. În același timp, NAD și FAD sunt restaurate, adică. adauga hidrogen:
izocitrat + NAD → oxalosuccinat + NADH 2
(acid izocitric) (acid oxalosuccinic)
α-cetoglutarat + NAD → succinil-CoA + NADH 2
(acid α-cetoglutaric) (forma activă a acidului succinic)
succinat + FAD → fumarat + FADH 2
(acid succinic) (acid fumaric)
malat + NAD → oxalacetat + NADH 2
(acid malic) (acid oxalacetic)
Hidrogenul din ciclul Krebs (ca NADH 2 și FADH 2) intră în lanțul respirator, unde este folosit ca un fel de combustibil. În lanțul respirator, protonii și electronii hidrogenului sunt transferați în oxigen pentru a forma apă. Energia eliberată în acest proces este folosită pentru a forma ATP.
Rolul biologic al ciclului:
La nivelul ciclului Krebs sunt combinate căile de descompunere a carbohidraților, lipidelor și proteinelor;
Metaboliții ciclului Krebs sunt utilizați pentru a sintetiza alte substanțe (acid oxaloacetic → glucoză, acid aspartic; acid α-cetoglutaric → acid glutamic, acid succinic → hem);
Ciclul Krebs este principalul sistem de alimentare cu hidrogen pentru lanțul respirator mitocondrial. Ecuația generală pentru conversia acetil-CoA în ciclul 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
Astfel, atunci când o moleculă de acetil-CoA este oxidată în ciclul Krebs, 12 molecule de ATP:în lanțul respirator asociat ciclului - 11 molecule; în ciclul în sine - 1 moleculă de ATP în stadiul de conversie a succinil-CoA în succinat:
GTP + ADP → ATP + GDP (intră din nou în ciclu)
Structura și funcțiile lanțului respirator
D 
lanţul respirator (transportul electronilor) este situat în mitocondrii, care
sunt organite de formă ovală care fac parte din aproape toate celulele corpului. Fiecare mitocondrie este înconjurată de două membrane: exterioară și interioară. Membrana exterioară este netedă, cea interioară formează numeroase pliuri ca creasta - cristae. Cristele măresc foarte mult suprafața membranei interioare, oferind un loc pentru sistemele enzimatice ale lanțului respirator. Spațiul dintre membranele exterioare și interioare este spațiul intermembranar. Spațiul dintre crestae este umplut mediu acvatic numit matrice. Matricea conține enzime din ciclul acidului tricarboxilic și alte enzime oxidative.
Transferul electronilor și protonilor de hidrogen la oxigen se realizează pe membrana interioară a mitocondriilor cu ajutorul mai multor tipuri de sisteme enzimatice redox, a căror totalitate formează așa-numita lanțul respirator. Componentele lanțului respirator sunt încorporate în membrana interioară a mitocondriilor și acționează ca un singur ansamblu respirator.
Lanțul respirator este un fel de transportor pentru transferul electronilor de la un substrat oxidat la oxigen. Este compus din mai multe tipuri de purtători ē și H + și poate fi reprezentat ca următoarea schemă generalizată:
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
SH2FAD2H+
(izocitrat,
α-cetoglutarat, SH 2
malat etc.) (succinat etc.)
În procesul de descompunere a carbohidraților, grăsimilor și proteinelor se formează compuși care sunt substraturi ale oxidării biologice (SH 2). Se formează predominant în ciclul Krebs (izocitrat, α-cetoglutarat, succinat, malat). Sub acțiunea dehidrogenazelor dependente de NAD și FAD, doi atomi de hidrogen sunt despărțiți de ei. După aceea, începe transportul de protoni și electroni de hidrogen de-a lungul lanțului respirator.
NADH 2 redus interacționează cu dehidrogenaza care conține FMN ca coenzimă. FMN acceptă (preia) hidrogenul scindat din NADH2.
Următoarea componentă a lanțului respirator, coenzima Q (ubichinonă), acceptă 2H din FMN. Ubichinona este un punct cheie în care hidrogenul curge în lanțul respirator dintr-o varietate de substraturi.
Dacă primele 3 componente ale lanțului respirator - NAD, FMN și ubichinona - transportau hidrogen, adică atât protoni, cât și electroni, atunci, pornind de la citocrom b iar la oxigen, fluxurile de protoni și electroni sunt separate, deoarece secțiunea ulterioară a lanțului respirator conține doar purtători de electroni. Din coenzima Q, doi electroni sunt transferați la două molecule de citocrom b, apoi secvenţial pentru citocromi c 1 , c, a, a 3 . Oxigen prin atașarea a doi electroni de la două molecule de citocrom A 3 , interacționează cu doi protoni și se transformă în apă.
Direcția transferului de electroni în lanțul respirator este determinată de potențialele redox ale purtătorilor. Potențial redox (E) caracterizează capacitatea unei molecule de a accepta electroni. Cu cât este mai mare componenta E a lanțului, cu atât rezistența sa ca agent oxidant este mai mare. Purtătorii din lanțul respirator sunt aranjați în ordinea creșterii E, deoarece electronii pot fi donați doar unui compus cu un potențial redox mai mare. Oxigenul are cea mai mare capacitate de a accepta electroni (E = +0,82V), hidrogenul are cea mai scăzută (E = -0,42V). Astfel, oxigenul, fiind cel mai puternic agent oxidant, creează forta motrice pentru a transporta electroni de-a lungul lanțului respirator.
Mecanism de cuplare de oxidare și fosforilare
Scăderea potențialului de la H 2 la O 2 este de 1,24 V, ceea ce este teoretic suficient pentru sinteza a 6 molecule de ATP, dar nu mai mult de trei sunt sintetizate efectiv.
SH 2 + ½ O 2 S + H 2 O (oxidare)
3ADP + 3H3RO43ATP (fosforilare)
ATP se formează prin adăugarea unui reziduu de acid fosforic la ADP. Acest proces se numește fosforilare. Astfel, două procese: procesul de oxidare biologică (transferul de protoni și electroni prin lanțul respirator) și procesul de fosforilare (formarea ATP) sunt conjugate, deoarece energia generată în timpul oxidării este folosită pentru fosforilare. De aceea se numeşte formarea ATP datorită energiei eliberate în timpul trecerii electronilor prin lanţul respirator fosforilarea oxidativă.
Pentru a cuantifica cuplarea oxidării și fosforilării, folosim coeficientul de fosforilare- atitudine R/O. Acest coeficient arată câți atomi de fosfor anorganic sunt absorbiți de mitocondrii atunci când un atom de oxigen este absorbit (sau când o pereche de electroni este transferată la oxigen).
Calculele arată că pentru formarea unei legături macroergice de ATP, al cărei cost este de cel puțin 40 kJ / mol, o scădere a potențialului redox între participanții în lanțul respirator este de aproximativ 0,22 V per pereche de electroni transferați. Există doar trei situsuri în lanțul respirator cu o diferență de potențiale o/v suficientă pentru sinteza ATP ( trei locuri de conjugare de oxidare și fosforilare):
I - între NAD∙H 2 şi FMN;
II - între citocromi bși c;
III - între citocromi Ași A 3 .
În aceste etape, eliberarea de energie este suficientă pentru sinteza ATP. În etapele rămase, diferența de potențiale o/w este insuficientă pentru sinteza ATP, iar energia eliberată (aproximativ 40-50%) este disipată sub formă de căldură. Astfel, atunci când doi electroni trec prin lanțul respirator, care începe cu dehidrogenaze dependente de NAD, se formează trei molecule de ATP. În acest caz, coeficientul P/O = 3.
Unele substraturi de oxidare (succinat, acizi grași) au un potențial redox mai mare decât NAD. Prin urmare, ele sunt oxidate nu de NAD-, ci de dehidrogenaze dependente de FAD. Când astfel de substanțe sunt oxidate, se formează doar două molecule de ATP, deoarece se omite un punct de conjugare de oxidare și fosforilare. Prin urmare, coeficientul P/O = 2.
Se calculează valorile date ale coeficienților de fosforilare, valoarea reală a acestui coeficient în condiții fiziologice este Р/О ≈ 2,5.
Coeficientul P / O poate avea valori și mai mici (decuplarea P / O de oxidare și fosforilare. În acest caz, au loc procese redox în lanțul respirator, dar fosforilarea (sinteza ATP) nu are loc, adică lanțul respirator funcționează, parcă, la relanti Toată energia substanțelor oxidate este transformată în căldură.Mitocondriile devin un fel de „sobă” celulară care produce căldură.Acest lucru este necesar în situațiile în care necesarul de căldură pentru organism este mai mare decât nevoia de ATP, de exemplu, pentru a menține temperatura corpului în timpul răcirii.
oxidare microzomală
Alături de respirația tisulară, care implică de la 80% la 90% din oxigenul consumat de o persoană, în organism apar în mod constant și alte reacții care implică oxigen, inclusiv microzomalăși radical liber oxidare.
Oxidarea microzomală nu este asociată cu sinteza ATP. Mecanismul acestui tip de oxidare a substratului cu oxigen prevede o astfel de interacțiune a substratului (S) cu oxigenul molecular, în care un atom de oxigen este inclus în substratul oxidat, celălalt este inclus în molecula de apă. Datorită includerii oxigenului în molecula substratului oxidat, apare o grupare hidroxil (-OH), prin urmare această specie oxidarea se numește hidroxilare.
SH + O 2 + A ∙ H 2 → S-OH + H 2 O + A
unde SH este substratul oxidat; A ∙ H 2 este un donor de hidrogen (acid ascorbic sau NADP ∙ H 2).
Se numesc enzimele implicate în oxidarea oxigenazei hidroxilaze, sau oxigenaze. Aceste enzime conțin ioni metalici cu valență variabilă (Fe, Cu) în centrul activ. Hidroxilazele pot exista sub formă solubilă în seva celulară, sau ca grupuri speciale de enzime oxidative situate în membranele reticulului citoplasmatic al celulelor hepatice, mitocondriile celulelor cortexului suprarenal etc. Când țesutul este frecat, fragmentele reticulului citoplasmatic se închid spontan în structuri asemănătoare cu bule numite microzomi Prin urmare, acest tip de oxidare se numește microzomal. Grupul de enzime oxidative microzomale este un lanț ciclic de transport de electroni și protoni, a cărui sursă este în principal NADP∙H 2 . Componenta principală a acestui sistem este citocromul P 450 cu un cation de fier (Fe 3+ ↔ Fe 2+) în centrul activ, unde începe oxidarea substratului. Denumirea de citocrom se datorează faptului că forma sa redusă leagă monoxidul de carbon CO și capătă o absorbție caracteristică a luminii la 450 nm.
Când citocromul P 450 interacționează cu un substrat și oxigenul, acestea sunt activate și nu numai substratul este oxidat, ci și NADP∙H 2. Datorită acestui fapt, citocromul P 450 dă patru electroni moleculei de oxigen. Ca rezultat, unul dintre atomii de oxigen este introdus de-a lungul Conexiuni S-N moleculele substratului oxidat, iar celălalt se reduce odată cu formarea apei.
Rolul biologic al oxidării microzomale:
1. Sinteza diferitelor substanțe. Enzimele solubile cu participarea acidului ascorbic ca donor de hidrogen realizează sinteza adrenalinei și norepinefrinei în țesutul cromafin; pigment de melanină din tirozină în piele, iris și retină; Principala proteină a țesutului conjunctiv este colagenul. Enzimele microzomale sunt implicate în formarea acizilor grași nesaturați; acizi biliari și hormoni steroizi suprarenali din colesterol, leucotriene din acidul arahidonic.
2. Neutralizarea diferitelor substanțe toxice din ficat. Acest lucru este valabil mai ales pentru substanțele străine care nu sunt de origine naturală, numite xenobiotice. Odată cu oxidarea microzomală, substanțele toxice devin solubile în apă; ca urmare, nu se acumulează în celulă, ci sunt ușor excretate în urină. Sunt cunoscute peste 7.000 de nume de compuși care sunt oxidați de sistemul microzomal al ficatului. Una dintre principalele caracteristici ale citocromului P 450 este capacitatea proteinei sale de a-și modifica conformația ca răspuns la apariția unuia sau altuia xenobiotic în organism, asigurând astfel o interacțiune eficientă cu acesta. Datorita acestei adaptabilitati, citocromul P 450 este o enzima universala de detoxifiere care poate interactiona cu aproape orice compus. Singura cerință pentru un substrat oxidabil este ca acesta să fie nepolar, deoarece citocromul P 450 este situat în stratul lipidic al membranelor.
Oxidarea radicalilor liberi
Radicalii liberi sunt particule cu un electron nepereche (prezența unui electron nepereche este indicată de un punct ·). Principala sursă de radicali din corpul uman este oxigenul molecular, iar în cazul expunerii la radiații - apa ( radioliza apei). De la 1 la 3% din oxigenul consumat de o persoană este cheltuit pentru formarea radicalilor liberi. Molecula de oxigen conține doi electroni nepereche și este un birradical ·O 2 ·. Cu toate acestea, electronii nepereche sunt aranjați astfel încât molecula de O2 să rămână relativ stabilă. Odată cu reducerea completă (respirația tisulară), o moleculă de oxigen, care ia patru electroni și patru protoni, se transformă în două molecule de apă. Odată cu reducerea incompletă a oxigenului, se formează diferite forme active. La specii reactive de oxigen raporta:
O 2 ‾ - radical superoxid(+ H + → NO 2 radical hidroperoxid)
↓+ ē (+2Н +)H2O2 - apă oxigenată
·EL - radical hidroxil
Sub acțiunea luminii, oxigenul molecular trece în stare singlet, adică. în oxigen singletО 2 ", în care toți electronii sunt perechi. Oxigenul singlet este instabil, timpul de înjumătățire este de 45 de minute. Este mai activ în reacțiile de oxidare decât oxigenul molecular. Capacitatea de oxidare a speciilor reactive de oxigen crește în următoarea secvență:
O 2 → O 2 "→ O 2 ─ → HO 2 → H 2 O 2 → HO
Formarea speciilor reactive de oxigen are loc în organism în mod constant. În organism, radicalii toxici care conțin oxigen apar atunci când O 2 interacționează cu metaloproteine (hemoglobină, citocromi) care conțin cationi metalici în organism. grade inferioare oxidare (Fe 2+, Cu +, Mn 2+), primind un electron de la ei:
Fe 2+ + O 2 → Fe 3+ + O 2 ─
Reacțiile chimice care duc la apariția radicalilor liberi sunt procese normale în corpul uman. Radicalii liberi apar ca urmare a respirației tisulare, transferului de oxigen prin hemoglobină, sintezei hormonilor, prostaglandinelor, fagocitozei, neutralizării medicamentelor și diferitelor substanțe toxice de către ficat, activitate fizica etc.
Particulele radicale rezultate, în primul rând radicalul HO, au un nivel extrem de ridicat reactivitate. Radicalii liberi reacționează cu aproape orice moleculă, provocând o încălcare a structurii și funcțiilor lor: proteine, acizi nucleici, carbohidrați, lipide. Radicalii liberi sunt deosebit de agresivi față de ADN și lipide. Interacțiunea lor cu ADN-ul duce la o încălcare a codului genetic și poate deveni o sursă de dezvoltare a cancerului. Cu toate acestea, radicalii liberi sunt implicați în principal în reacții peroxidarea lipidelor (LPO). În acest caz, acizii grași nesaturați, care fac parte din fosfolipidele membranelor celulare, suferă oxidare. Procesul LPO poate fi împărțit în trei etape:
euetapa - formarea radicalilor liberi ai lipidelor:
RH + OH → R (R─CH 2 ─CH═CH─R „+ DAR → R─CH ─CH═CH─R” + H 2 O)
radical alilIIetapa - producerea de peroxizi lipidici: oxidarea radicalului alil cu oxigen molecular pentru a forma radicali peroxid:
R + O 2 → ROO (R─CH ─CH═CH─R" + O 2 → R─CH─CH═CH─R")
│Radicalul peroxid este apoi redus la hidroperoxid prin oxidarea unei alte molecule de acid gras la un radical liber: ROO + RH → ROOH + R
Reacțiile LPO au un caracter în lanț, iar radicalul R rezultat este implicat în dezvoltarea lanțului.
IIIetapă - circuit deschis apare atunci când radicalii interacționează între ei pentru a forma produse inactive sau cu un antioxidant. Produsele peroxidării lipidelor nesaturate sunt hidroperoxizii lipidici, precum și alcoolii, aldehidele, acizi carboxilici. Deci, în timpul descompunerii hidroperoxizilor lipidici, se formează malondialdehida O═CH─CH 2 ─CH═O, care formează „legături încrucișate” care perturbă structura proteinelor.Rolul fiziologic al procesului LPO este de a regla reînnoirea și permeabilitatea lipidelor din membranele biologice. Cu toate acestea, dacă se creează condiții pentru formarea unui număr mare de radicali liberi, atunci procesul de peroxidare a lipidelor poate dobândi un caracter de avalanșă. Acest lucru poate duce la o modificare a proprietăților fizico-chimice ale fazei lipidice a membranei, care, la rândul său, duce la perturbarea transportului, a receptorului și a altor funcții și la perturbarea integrității structurale a membranelor până la distrugerea lor completă și moartea celulelor. În plus, activitatea enzimelor este suprimată și se acumulează compuși peroxidici periculoși pentru sănătate.
Sub efectele extreme și patogene asupra organismului, formarea radicalilor de oxigen crește brusc, parțial datorită activării fosforilării oxidative și hidroxilării xenobioticelor. Întărirea proceselor LPO are un caracter dăunător universal și joacă un rol important în procesul de îmbătrânire și dezvoltarea diferitelor stări patologice: boli ale sistemului cardiovascular, ficatului, plămânilor etc.
În mod normal, organismul controlează procesele LPO prin reglarea cantității și activității radicalilor liberi. Pentru asta există sistem antioxidant (AOS) organism, care previne activarea excesivă a peroxidării lipidelor. AOS include:
legătură enzimatică care împiedică formarea ROS sunt enzime produse chiar de organism: catalaza, superoxid dismutaza, glutation reductază, glutation peroxidază;
Cam 2 ─ + 2H + H2O2 + O2
Catalaza glutation peroxidază (conține seleniu și tripeptidă glutation G─SH)
2H 2 O + O 2 2G─SH + H 2 O 2 → G─S─S─G + 2 H 2 O
antioxidanți neenzimatici care neutralizează produsele de peroxidare a lipidelor(previne formarea peroxizilor lipidici). Acestea includ nesintetizate în corpul nostru vitaminele A, C, E, β-caroten, bioflavonoide. Toate aceste substanțe, cu excepția vitaminei C, sunt foarte solubile în grăsimi. Aceștia sunt numiți „captatori de radicali liberi” din organism. Antioxidanții, interacționând cu radicalii, trec în forme oxidate, care, sub acțiunea enzimelor corespunzătoare, se transformă din nou în forme reduse. De exemplu, vitamina E, prezentă în membrane, este un fel de sistem chimic pentru protejarea membranelor de peroxidarea lipidelor. În plus, multe substanțe produse de organismul însuși au proprietăți antioxidante - coenzima Q, acid uric, hormoni steroizi, tiroxina. Antioxidanții eficienți sunt tioliiR─ SH, care sunt necesare pentru funcționarea enzimei glutation peroxidază. Tiolii naturali sunt glutation, cisteină, dehidrolipoat.
Pagina 1
|
|
Procesele bioenergetice care conduc la sinteza ATP, la incarcarea „acumulatorilor biologici”, se desfasoara in membranele mitocondriale specializate. Aici sunt localizate și organizate spațial sistemele moleculare responsabile de energia organismelor vii. Sinteza ATP în mitocondrii este asociată cu transportul de electroni și ioni și cu fenomene mecanochimice. Funcțiile membranelor mitocondriale sunt foarte complexe și diverse. Un alt tip de membrane bioenergetice de conjugare - membranele de cloroplast din plante responsabile de fotosinteză - este discutat în Capitolul 7.
Sursa de energie consumată de celulă pentru biosinteză, transport activ, lucru mecanic și electric, este respirația, adică oxidarea compușilor organici cu oxigenul atmosferic. În 1780, Lavoisier a arătat că respirația și arderea sunt de aceeași natură. În următoarele aproape două secole, cercetările chimiștilor, biologilor și fizicienilor au condus la dezvăluirea principalelor caracteristici ale oxidării biologice - unul dintre cele mai importante procese (sau mai degrabă, un sistem de procese) care au loc în natura vie.
Combustibilul, adică substanțele oxidabile, intră în organismul animalului cu alimente sub formă de grăsimi, carbohidrați și proteine. Grăsimile sunt trigliceride ale acizilor grași, în principal acizii polihidroxici. Ele sunt divizate, adică hidrolizate în reacții catalizate de enzime speciale. Acizii grași sunt activați cu participarea unor enzime specifice și ATP, transformându-se în derivați acil ai așa-numitei coenzime A, Co A - SH, a cărei structură este prezentată în Fig. 6.1. Oxidarea derivatului acil al Co A - SH are loc în mai multe etape, fiecare formând un reziduu de acid gras care conține doi atomi de carbon mai puțin decât cel precedent. Ecuația completă reacția de oxidare a unui acid gras cu un număr par de atomi de carbon la acetil-S - Co A are forma
H3C (CH2CH2) "C02H + ATP + (n + 1) CoA - SH + lNAD + +
PE ■ FAD + lH20 ->- (n + 1)CH3COS - CoA +
+ (£5f + £ph) + „NAD-H + pE - FAD-H +
Aici NAD este coenzima nicotinamidă adenin dinucleotidă (Fig.
6.2), E - enzima, FAD - coenzima flavin adenina dinucleotida
Orez. 6.1. Coenzima A.
TOC \ o "1-3" \ h \ z (Fig. 6.3), ADP și AMP - adenozin difosfat și adenozin mono - fosfat, Fn, FFN - mono - și difosfați anorganici. Să ne îndreptăm atenţia asupra generalităţii şi
Structuri ale ATP, CoA-SH, NAD și HB
FAD (vezi, cap. 2). Când este distrus - /\ / \
Nii fat eventually obra - n | 9NH2
Se numește acetil-CoA, precum și pro - n ^
PIONIL-KO A SI GLICERINA. - g_p_Q_QH
Divizarea și oxidarea carbonului - і | |
Apele (în special amidon) la - \ C ^ n n ^ C duce la formarea triozei fosfat - і |> c "isg I NH
Tov și acidul piruvic I n L L n I 2
(piruvat). n°-rG° 0N 0N „ /h
Odată cu distrugerea proteinelor, împreună cu / C N
Cu aminoacid individual - \ NSch J I
Mi folosit în sinteza proteinelor - CH2 0 \
Kov de novo, se formează acetil-N
Co A, oxalacetat, a-cetoglutarat, INc^c/I
Fumarat și succinat. Aceste procese nu sunt
Metabolismul studiat în detaliu în el OH
Biochimia modernă (vezi). Orez. c-2-nicotinamidă adenină-
Principalii produse de scindare sunt dinucleotide (NAD),
Niya și oxidarea grăsimilor, carbohidraților
Și proteinele suferă transformări ulterioare într-un sistem ciclic de reacții numit ciclul acidului citric sau ciclul Krebs. Acest sistem este localizat în mitocondrii. Ciclul Krebs, „figurativ vorbind, acea principală în jurul căreia se învârte metabolismul aproape tuturor celulelor existente... Ciclul
Krebs este „punctul focal” la care converg toate căile metabolice.
Ciclul Krebs este prezentat în Fig. 6.4. Pentru o tură a ciclului, constând din opt reacții, marcate în figură prin numere în cercuri, o moleculă de acetil-CoA este degradată
H2c-CH-CH-CH-CH,-O-P-O-P-O-CH, n-^CH
A/\A/NH el el
H, C V N C s H II
Orez. 6.3. Flavia adenin dinucleotida (FAD).
Sau o moleculă de piruvat la CO2 și H20, adică „combustia” acestor molecule. Reacțiile globale corespunzătoare au forma
CH, COS - CoA + Z NAC+ + (FAD) + HDF + Phn + 2 H20 -
2 CO2 + CoA - SH + Z NAD-H + (FAD-H) + GTP + ZH +, Piruvat "+ CoA - SH + NAD + - * CH3COS - CoA + NAD-H + + H + + CO2.
(Parantezele indică faptul că FAD este strâns legat de proteină.)
Din ciclul Krebs provin căile multor reacții biosintetice - căile pentru sinteza carbohidraților, lipidelor, purinelor, pirimidiilor și porfirinelor. Sinteza proteinelor este asociată și cu un ciclu în care sunt creați precursorii unui număr de aminoacizi. În același timp, după cum vom vedea, oxidarea biologică este o sursă de energie stocată în ATP și necesară proceselor de biosinteză.
În reacțiile ciclului apar ionii de CO2 și H+. În același timp, coenzimele NAD și FAD sunt restaurate. Pentru o oxidare biologică continuă și completă, aceste coferme trebuie să fie din nou oxidate. Oxidarea este realizată de o combinație de purtători de electroni care formează un lanț de transport de electroni (ECC) fixat în mitocondrii. CPE oferă următoarele reacții:
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.
Reacția acetil-CoA are forma
CH3COS - CoA + 2 02 -> 2 CO2 + H20 + CoA - SH - 215,2 kcal/mol.
CPE, altfel cunoscut sub numele de lanț respirator, este
Carbohidrați-*- CH-CDC07 p
Piruvat în grasime
U v4 * - „Acetil-CoC CO2 2H ■
^ c \u003d o (T) r "
Fn Sushchinil-Sh KoA_SH Fig. 6.4. Ciclul Krebs.
Tre-"bA.-izocitraţi
A-ketoglutarap
NO-CH С02 fiOj (2)
„CH2 Oxalacetat Citrat
FQ) l-tlat \ Vz
Un sistem polienzimatic care acceptă electroni din ciclul Krebs și din ciclul de oxidare a acizilor grași.
Electronul este transferat de-a lungul următorului lanț: succinat - FP3 1
Substrat -*■ OVER -»- FP0 ->■ Citocrom b ->- -*■ Citocrom C) -» Citocrom c -»- Citocrom a + az -*■ 02.
Flavoproteinele sunt enzime specifice care conțin flavin coenzime-FAD (vezi Fig. 6.3) și flavin mononucleotide - FMN, riboflavin-5 "-fosfat. Citocromii conțin o grupare hem, atomul de fier al căruia suferă oxidare și reducere în timpul funcționării în lanț:
Fe2+ Fe3+ - f e~.
Transferul de electroni în lanțul de mai sus are loc de la stânga la dreapta, terminând cu reducerea oxigenului, care se combină cu hidrogenul pentru a forma apă. Electronul eliberat în timpul oxidării este conectat la următoarea verigă a lanțului. Transferul de electroni este însoțit de o schimbare a energiei libere, deoarece electronii se deplasează printr-o cascadă de potențiale redox în creștere. Valorile lor sunt date în tabel. 6.1.
Tabelul 6.1
Potențialele redox ale unor sisteme
Transferul de electroni de-a lungul lanțului respirator este asociat cu stocarea energiei în moleculele macroergice de ATP. Cu alte cuvinte, energia liberă eliberată este transformată în energia chimică a ATP. Are loc fosforilarea oxidativă.
Acest fenomen cel mai important a fost descoperit pentru prima dată de Engelhardt în 1930. Belitzer și Tsybakova au studiat în detaliu relațiile stoichiometrice dintre oxidare și fosforilare, au efectuat primele determinări ale coeficientului Fn O, adică raportul dintre numărul de molecule de anorganic esterificat.
fosfat la numărul de atomi de oxigen absorbiți și a arătat că valoarea acestui coeficient nu este mai mică de 2. Estimări termodinamice au fost date în lucrare, care au arătat că energia transferului de electroni la oxigen este suficientă pentru a forma două sau Mai mult Molecule de ATP per atom de oxigen absorbit. Kalkar a descoperit că fosforilarea aerobă este asociată cu respirația și nu depinde de fosforilarea glicolitică. Rapoartele cantitative au fost rafinate de Ochoa. Coeficient Fn: O pentru reacții oxidative ciclul Krebs și reacțiile care implică NAD este 3. Lehninger a fost primul care a stabilit că procesele de fosforilare oxidativă sunt localizate tocmai în mitocondrii.
Săgețile directe arată punctele de intrare pentru electroni. FP,. FP, ...-flavoproteine.
KoQ - coenzima Q.
10], iar în lucrările laboratorului său s-au găsit punctele nodale ale lanțului respirator, în care are loc fosforilarea. Din ecuație rezultă valoarea specificată Fn: O
NAD-H + H+ + Z ADP + 3 Fn + V2O2 - NAD+ + 4 H20 + 3 ATP. Această ecuație rezumă reacția exergonică NAD-H + H+ + V2O2 -> NAD+ + H20 + 52,7 kcal/mol
Și reacție endergonic
3 ADP + 3 Fn ->■ Z ATP + 3 H20 - 21,9 kcal / mol.
Fosforilarea ADP -> ATP are loc în trei puncte cheie - în secțiunea lanțului NAD-H - flavoproteină, în secțiunea citocrom b a citocromului cі și în secțiunea citocrom c - * citocrom a + a3.
Schema generală de conjugare a oxidării cu fosforilarea este prezentată în fig. 6.5.
Să scriem din nou ecuația brută a fosforilării
PiruWat^ Sushchinagp
ADP + H2P04 "- f H+ +=± ATP + HgO - TO,
Unde AG este modificarea energiei libere. Avem
TOC \o "1-3" \h \z [adf] Hn, rho:1 [n+] , >4
AG = AG" + RT IP. (6.1)
AG0- modificare standard energie liberă în calorii, adică valoarea AG la pH 7,0, 25 ° C și concentrații ale tuturor componentelor egale cu 1,0 M. După cum se știe,
AG0 = - RT în K, (6,2)
unde K este constanta de echilibru a reacției. Pentru fosforilare AG0 = 7,3 kcal/mol. Valoarea observată a AG in vivo depinde de concentrația de protoni de pe ambele părți ale membranei și, prin urmare, de diferența de potențial al membranei. AG depinde și de concentrația ionilor de Mg++. Când pH-ul se schimbă de la 6,0 la 9,0 la = 10 mM, AG se modifică de la 6,17 la 9,29 kcal/mol (vezi).
Modificarea energiei libere în timpul transferului a doi echivalenți electronici de-a lungul CPE de la NAD-H la 02 este determinată de diferența de potențiale redox 0,82 - (-0,32) = = 1,14 V, i.e.
AG0 \u003d z D-ph \u003d - 2 23,06 -1,14 kcal / mol \u003d - 52,7 kcal / mol.
Aceasta asigură o sinteză în exces de 3 moli de ATP din ADP și Fn. Eficiența procesului este exprimată ca 21,9/52,7, adică aproximativ egală cu 40%.
Sensul energetic al respirației este sinteza ATP. Energia stocată în ATP este folosită de celulă pentru a-și îndeplini toate tipurile de activități.
Descoperirea chimiei oxidării biologice este cea mai mare realizare a biochimiei. Doar unele dintre cele mai importante informații sunt prezentate aici; o considerație detaliată a sistemului biochimic complex de oxidare este conținută în literatura specială (vezi).
O caracteristică a sistemului de fosforilare oxidativă, care îl deosebește de o serie de reacții enzimatice care apar în soluție, este localizarea spațială strictă a legăturilor procesului în mai multe etape. Fosforilarea oxidativă este localizată în mitocondrii și este direct legată de transportul și funcționalitatea mecanochimică a membranelor acestora. Asa se pare un sistem complex reacțiile biochimice necesită în mod fundamental eterogenitate spațială și nu ar putea fi realizate într-un mediu omogen.
Descifrarea reacțiilor redox descrise pe scurt aici a fost obținută prin aplicarea unor metode chimice și fizice subtile. Aici, în special,
Lucrările lui Chais dedicate spectroscopiei purtătorilor de electroni (NAD, FP, citocromi) în mitocondriile intacte a jucat un rol important. Acești purtători au benzi de absorbție caracteristice în regiunile vizibile și aproape ultraviolete ale spectrului, iar spectrele de diferență fac posibilă studierea cineticii oxidării și reducerii lor. Au fost folosite diferite metode pentru a elimina anumite enzime n din mitocondrii. păstrând astfel doar anumite legături
Orez. 6.6. Distribuția proteinelor prin complecșii CPE I, II, III, IV.
A, b, s. Cі, dі-\u003e ntocromi, Cu - proteine care conțin cupru, (Fe -be) - fier non-hem, fs - succinat dehidrogenază, iq-NAD H-dehidrogenază.
Proces. Au fost disecate mitocondriile; complexe de enzime respiratorii lipsite de proteine structurale. Astfel de complexe s-au dovedit a fi posibil de purificat și studiat în detaliu. Au fost efectuate experimente de succes pentru a restabili CPE din preparate izolate și enzime solubile. În cele din urmă, s-au obținut informații foarte valoroase în experimente privind inhibarea etapelor individuale ale procesului și despre decuplarea fosforilării oxidative și a transferului de electroni (vezi § 6.5).
Se poate considera stabilit că purtătorii CPE sunt grupați în patru complexe, numite complexe Green (vezi). Schema corespunzătoare este prezentată în fig. 6.6. Greutatea moleculară a fiecărui complex este de aproximativ 3 - 105. Conține aproximativ 64% proteine și 36% lipide. Purtător de electroni
un complex este definit ca cea mai mică unitate CPE care păstrează capacitatea de a transfera un electron la o rată comparabilă cu cea din mitocondriile intacte.
Studiul oxidării biologice răspunde nevoii de a rezolva un număr de probleme fizice referitoare la diferite niveluri de organizare și funcționare a sistemului.
Structura și funcțiile purtătorilor de electroni moleculari sunt încă insuficient studiate. În § 6.7, sunt luate în considerare datele moderne legate de structura și proprietățile citocromului c. Citocromul c a fost studiat în detaliu, dar proprietățile sale dinamice nu pot fi considerate pe deplin stabilite și explicate.
Structura și organizarea funcțională a mitocondriilor au făcut obiectul unui studiu intens. Cu toate acestea, multe dintre cele mai importante întrebări legate de aceasta rămân încă fără răspuns. Structura specifică a membranei migocondriilor, prezența în ele a unui program autonom pentru sinteza proteinelor (ADN) și activitatea mecanochimică a mitocondriilor sunt direct legate de rolul lor de „centrale electrice” ale celulei. Dezvoltare în continuare fizica mitocondrială necesită o abordare holistică.
Teoria generală a transportului de electroni într-un sistem localizat de oxidare biologică este în curs de dezvoltare. Au fost propuse modele cinetice semnificative, au fost începute studii teoretice bazate pe luarea în considerare a interacțiunilor electronic-conformaționale. Aceste probleme sunt de interes suprem pentru biofizică.
Este necesar să se stabilească natura moleculară a oxidării biologice, care se realizează ca urmare a conjugării proceselor enzimatice, de transport și mecanochimice. Mitocondriile reprezintă un loc de integrare a unei game largi de fenomene biologice moleculare, un sistem integral care necesită un studiu cuprinzător – dezasamblarea și montarea teoretică și experimentală a „cutiei negre”.
În funcție de sursele de energie utilizate pentru viață, toate organismele vii sunt împărțite în autotrofe (folosind energie lumina soarelui) și heterotrofe (folosind energia legăturilor chimice). Energia se obține în celulele organismelor heterotrofe prin oxidarea compușilor organici complecși: carbohidrați, grăsimi, proteine, pe care organismele le primesc din mediul extern, adică. sub forma legăturilor lor chimice, animalele consumă energie din mediu. Aceste substanțe sunt resursele energetice ale celulelor organismelor heterotrofe.
Aloca trei etape de extracție energie din ele (Fig. 1):
1. Scindarea moleculelor de polimer la monomeri. În această etapă, nu există nicio eliberare de energie utilă din punct de vedere biologic. Aproximativ 1% din energie este eliberată și disipată sub formă de căldură.
2. Scindarea monomerilor cu formarea principalelor produse intermediare - piruvat, acetil-CoA. Aici, 20% din energie este eliberată prin stocarea ei în legături macroergice de ATP și disiparea parțială sub formă de căldură.
3. Oxidarea acetil-CoA în ciclul acidului tricarboxilic la CO 2 și H 2 O și eliberarea hidrogenului atomic, urmată de oxidarea acestora cu oxigen în lanțul respirator al enzimelor, cuplată cu sinteza ATP. Aici, 80% din energie este eliberată, cea mai mare parte (aproximativ 60%) din care este stocată sub formă de ATP.
Orez. 1. Principalele etape ale oxidării biologice asociate cu fosforilarea.
Clasificarea proceselor biologice de oxidare.
Procesele de oxidare biologică pot fi împărțite în două tipuri principale:
1.oxidare liberă- oxidare, în care toată energia reacției oxidative este eliberată exclusiv sub formă de căldură. Aceste procese nu sunt asociate cu sinteza ATP; nu există nicio conversie a energiei eliberate în timpul oxidării în energia legăturilor macroergice. Oxidarea liberă joacă un rol auxiliar - servește la producerea de căldură și la detoxifierea produselor metabolice dăunătoare.
Toate reacțiile oxigenazei urmează tipul de oxidare liberă, toate reacțiile oxidative accelerate de peroxidaze sau însoțite de formarea de H 2 O 2, multe reacții catalizate de oxidaze.
Procesele de oxidare liberă sunt concentrate în citosol, în membranele reticulului endoplasmatic al celulei, în membranele lizozomilor, peroxizomilor și aparatului Golgi, pe membranele exterioare ale mitocondriilor și cloroplastelor, în aparatul nuclear al celulei. .
2. Oxidarea conjugată- oxidare, în care energia reacției oxidative este utilizată pentru sinteza ATP. Prin urmare, acest tip de oxidare se numește oxidare cuplată cu fosforilarea ADP. Se poate face în două moduri.
Dacă în timpul oxidării substratului se formează un compus macroergic, a cărui energie este utilizată pentru sinteza ATP, atunci acest tip de oxidare biologică se numește fosforilarea substratului sau fosforilarea la nivelul substratului sau oxidare cuplată cu fosforilarea ADP la nivel de substrat. Un exemplu de astfel de reacții sunt 2 reacții de glicoliză: conversia acidului 1,3-difosfogliceric în acid 3-fosfogliceric și fosfoenolpiruvat (PEP) în piruvat, precum și reacția ciclului Krebs - hidroliza succinil-CoA în succinat. Aceste reacții au loc împreună cu sinteza ATP.
Dacă procesele de oxidare care au loc în lanțul respirator al enzimelor de pe membrana interioară a mitocondriilor, unde transferul de protoni și electroni de la substratul oxidat la oxigen, sunt asociate cu sinteza ATP, atunci acest tip de oxidare biologică se numește fosforilarea oxidativă sau fosforilarea la nivelul lanțului de transport de electroni.
Schema de clasificare a oxidarii biologice
oxidare biologică
Oxidare liberă Oxidare conjugată
Substrat oxidativ
fosforilare fosforilare
Fosforilarea oxidativă utilizează reacții de dehidrogenare ale substratului oxidat, urmate de transferul atomilor de hidrogen (protoni și electroni) la oxigen cu participarea oxidoreductazelor. Transferul hidrogenului în oxigen are loc printr-o serie de sisteme redox, care sunt dispuse într-o secvență strictă - în conformitate cu valoarea potențialului lor. O astfel de secvență de reacții asociată cu transferul de hidrogen în oxigen cu participarea unor purtători de electroni specifici se numește lanț respirator (sau transport de electroni).. La animale și la oameni, este compus din patru tipuri principale de purtători, fiecare dintre acestea capabil să sufere o oxidare și o reducere reversibilă ca urmare a pierderii și câștigului de electroni atunci când interacționează cu un alt purtător.
Orez. 2. Dispunerea reciprocă a componentelor lanțului respirator, indicând locurile de fosforilare și inhibitori specifici.
oxidare biologică
Oxidarea biologică (celulară sau respirația tisulară) - reacții redox care apar în celulele corpului, în urma cărora substanțele organice complexe sunt oxidate cu participarea unor enzime specifice cu oxigen furnizat de sânge. Produșii finali ai oxidării biologice sunt apa și dioxidul de carbon. Energia eliberată în procesul de oxidare biologică este parțial eliberată sub formă de căldură, dar cea mai mare parte a acesteia se duce la formarea de molecule de compuși organofosforici complecși (în principal adenozin trifosfat - ATP), care sunt surse de energie necesare pentru viata corpului.
În acest caz, procesul de oxidare constă în îndepărtarea electronilor și a unui număr egal de protoni din substanța (substrat) oxidată. Substraturile oxidării biologice sunt produse ale transformărilor grăsimilor, proteinelor și carbohidraților. Oxidarea biologică a substraturilor la produsele finale se realizează printr-un lanț de reacții succesive, ai căror produse intermediare includ acizi tricarboxilici - acizi citric, cisaconitic și izocitric, prin urmare întregul lanț de reacții se numește ciclul acidului tricarboxilic sau ciclul Krebs. (după cercetătorul care a stabilit acest ciclu).
Reacția inițială a ciclului Krebs este condensarea oxalatului acid acetic cu o formă activată de acid acetic (acetat), care este un compus cu coenzima de acetilare - acetil-CoA. În urma reacției se formează acid citric, care după dehidrogenare de patru ori (eliminarea a 2 atomi de hidrogen din moleculă) și decarboxilare dublă (eliminarea moleculei de CO2), formează acid oxaloacetic. Sursele de acetil-CoA utilizate în ciclul Krebs sunt acidul acetic, acidul piruvic - unul dintre produsele glicolizei (vezi), acizii grași (vezi), etc. Alături de oxidarea acetil-CoA în ciclul Krebs, alte substanțele pot fi, de asemenea, oxidate, capabile să fie transformate în produși intermediari ai acestui ciclu, de exemplu, mulți dintre aminoacizii formați în timpul descompunerii proteinelor. Datorită reversibilității majorității reacțiilor ciclului Krebs, produsele de descompunere a proteinelor, grăsimilor și carbohidraților (intermediari) din acesta pot fi nu numai oxidate, ci și obținute în timpul circulației sale. Așa se realizează relația dintre metabolismul grăsimilor, proteinelor și carbohidraților.
Reacțiile de oxidare care apar în ciclul Krebs nu sunt de obicei însoțite de formarea de compuși bogați în energie. O excepție este conversia succinil-CoA în succinat (vezi Acid succinic), care este însoțită de formarea de guanozin trifosfat. Majoritatea ATP-ului se formează în lanțul de enzime respiratorii (vezi), unde transferul de electroni (și în stadiile incipiente și protoni) la oxigen este însoțit de eliberarea de energie.
Reacțiile de eliminare a hidrogenului sunt efectuate de enzime din clasa dehidrogenazei, iar atomii de hidrogen (adică protoni + electroni) sunt atașați la coenzime: nicotinamidă adenin dinucleotidă (NAD), nicotinamidă adenin dinucleotidă fosfat (NADP), flavin adenin dinucleotide (FAD), etc.
Procesele de oxidare biologică asociate ciclului Krebs și lanțului de enzime respiratorii au loc în principal în mitocondrii și sunt localizate pe membranele acestora.
Astfel, procesele de oxidare biologică asociate ciclului Krebs sunt importante atât în formarea de compuși bogați în energie, cât și în implementarea legăturii dintre metabolismul carbohidraților, grăsimilor și proteinelor. Alte tipuri de oxidare biologică par să aibă un sens mai restrâns, cum ar fi furnizarea de energie a celulelor. Aceasta este etapa glicolizei, care constă în oxidarea unui număr de compuși ai fosforului cu reducerea simultană a NAD și formarea de ATP sau reacția ciclului pentozei (adică conversia oxidativă a glucozei-6-fosfat), însoțită de formarea fosfopentozei și a NADP redus. Ciclul pentozei joacă un rol important în țesuturile caracterizate prin sinteza intensivă de acizi nucleici, acizi grași, colesterol etc. Vezi și Metabolism și energie.
Oxidare biologică - un set de reacții redox care apar în obiectele biologice. Procesul de oxidare este înțeles ca pierderea de electroni sau electroni și protoni simultan printr-o substanță (pierderea atomilor de hidrogen) sau adăugarea de oxigen. Reacțiile de sens opus caracterizează procesul de recuperare. Agenții reducători sunt substanțe care pierd electroni, agenții oxidanți sunt substanțe care câștigă electroni. Oxidarea biologică este baza respirației tisulare sau celulare (procesul prin care țesuturile și celulele absorb oxigenul și eliberează dioxid de carbonși apă) - principala sursă de energie pentru organism. Substanța care acceptă (acceptă) electroni, adică este redusă, este oxigenul molecular, care se transformă într-un anion de oxigen O -. Atomii de hidrogen desprinși din materia organică - substratul oxidării (SH2), sunt transformați, la pierderea electronilor, în protoni sau cationi de hidrogen încărcați pozitiv:
SH2→S→2H; 2Н→2H + + 2e: ½O2→О; О→2е→O -- ; 2H + + O -- →H2O + 55 kcal. Ca urmare a reacției dintre cationii de hidrogen și anionii de oxigen, se formează apă, iar reacția este însoțită de eliberarea unei cantități semnificative de energie pentru fiecare 18 g de apă). Dioxidul de carbon se formează ca un produs secundar al oxidării biologice. Unele dintre reacțiile lui O. duce la formarea peroxidului de hidrogen, sub influența descompunerii catalazei în H2O și O2.
Furnizorii de energie din corpul uman sunt alimentele - proteinele, grăsimile și carbohidrații. Cu toate acestea, aceste substanțe nu pot servi drept substraturi pentru O. Ele sunt clivate preliminar în tractul digestiv, unde aminoacizii se formează din proteine, acizi grași și glicerol din grăsimi, monozaharide, în primul rând hexoze, din carbohidrați complecși. Toți acești compuși sunt absorbiți și eliberați (direct sau prin sistem limfatic) în sânge. Împreună cu substanțe similare formate în organe și țesuturi, ele constituie un „fond metabolic” din care organismul extrage material pentru biosinteză și pentru satisfacerea nevoilor energetice. Principalele substraturi ale lui O. sunt produse ale metabolismului tisular al aminoacizilor, carbohidraților și grăsimilor, numite substanțe ale „ciclului acidului citric”. Acestea includ acizi:
citric, cisaconit, izocitric, succinic oxalic, α-cetoglutaric, succinic, fumaric, malic, oxaloacetic.
Acidul piruvic CH3-CO-COOH nu este implicat direct în ciclul acidului citric, dar joacă un rol semnificativ în acesta, la fel ca și produsul decarboxilării sale - forma activă a acidului acetic CH3COCoA (acetil-coenzima A).
Procesele incluse în „ciclul acidului citric” (“ciclul Krebs”, „ciclul acidului tricarboxilic”) se desfășoară sub acțiunea enzimelor conținute în organele celulare numite mitocondrii. Actul elementar de oxidare al oricărei substanțe incluse în ciclul acidului citric este îndepărtarea hidrogenului din această substanță, adică actul de dehidrogenare datorită activității enzimei dehidrogenază corespunzătoare care acționează specific (Fig. 1).
Orez. 1. Schema ciclului acidului citric Krebs.
Dacă procesul începe cu acid piruvic, atunci eliminarea a doi atomi de hidrogen (2H) în ciclul Krebs se repetă de 5 ori și este însoțită de trei etape succesive de decarboxilare. Primul act - dehidrogenarea - are loc atunci când acidul piruvic este transformat în acetil-CoA, care se condensează cu acidul oxaloacetic în acid citric. Dehidrogenarea a doua oară duce la formarea acidului oxalosuccinic din acidul izocitric. Al treilea act - separarea a doi atomi de hidrogen - este asociat cu conversia acidului ketoglutaric în succinil-CoA; a patra - cu dehidrogenarea acidului succinic și, în cele din urmă, a cincea - cu conversia acidului malic în acid oxalacetic, care se poate condensa din nou cu acetil-CoA și poate asigura formarea acidului citric. În timpul descompunerii succinil-CoA, se formează o legătură bogată în energie (~ P) - aceasta este așa-numita fosforilare a substratului: Succinil-CoA + H3PO4 + ADP → acid succinic + CoA + ATP.
Orez. 2. Schema de dehidrogenare a substraturilor ciclului acidului citric prin enzime specifice formate din complexe disociante: proteine - b1, b2, b3 si b4 cu NAD si NADH2 si proteina b5, care formeaza un complex cu FAD (succin dehidrogenaza); CAA este acid cisaconitic.
Patru dintre aceste acte de dehidrogenare sunt efectuate cu participarea unor dehidrogenaze specifice, a căror coenzimă este nicotinamidă adenin dinucleotida (NAD). Un act - transformarea acidului succinic în fumaric - are loc sub influența succindehidrogenazei - flavoproteina I. În acest caz, coenzima este flavin adenin dinucleotida (FAD). Ca urmare a cinci acte repetate de dehidrogenare (Fig. 2), reacțiile care apar în ciclul acidului citric au ca rezultat formarea unor forme reduse de coenzime: 4-NADH2 1-FADH2. NAD dehidrogenaza redusă, adică acceptarea hidrogenului din NADH2, aparține și enzimelor flavină - aceasta este flavoproteina II. Cu toate acestea, diferă de succindehidrogenază în structura atât a proteinei, cât și a componentei flavine. Oxidarea ulterioară a formelor reduse de flavoproteine I și II care conțin FADH2 are loc cu participarea citocromilor (vezi), care sunt proteine complexe - cromoproteine, care conțin porfirine de fier - hem.
Când FADH2 este oxidat, căile protonului și ale electronilor diverg: protonii intră în mediu inconjurator sub formă de ioni de hidrogen, iar electronii printr-o serie de citocromi (Fig. 3) sunt transferați la oxigen, transformându-l într-un anion de oxigen O - . Între FADH2 și sistemul citocrom, aparent, este implicat un alt factor - coenzima Q. Fiecare verigă următoare a lanțului respirator de la NADH2 la oxigen este caracterizată de un potențial redox mai mare (vezi). De-a lungul lanțului respirator de la NADH2 la ½O2, potențialul se modifică cu 1,1 V (de la -0,29 V la + 0,81 V). La oxidare completă, de exemplu, acidul piruvic, însoțit de o eliminare de cinci ori a hidrogenului, eficiența energetică a procesului va fi de aproximativ 275 kcal (55X5). Această energie nu este complet disipată sub formă de căldură; aproximativ 50% din acesta se acumulează sub formă de bogate în energie
compuși ai fosforului, în principal adenozin trifosfat (ATP).
Procesul de transformare a energiei de oxidare în legături bogate în energie (~P) ale reziduului final de fosfat al moleculei de ATP este localizat în membranele mitocondriale interioare și este asociat cu anumite etape ale transferului de hidrogen și electroni de-a lungul lanțului respirator (Fig. . 4). Este în general acceptat că prima fosforilare este asociată cu transportul hidrogenului de la NADH2 la FAD, a doua este asociată cu transferul de electroni în citocromul c1 și, în sfârșit, a treia, cel mai puțin studiată, este situată între citocromii c și a. .
Mecanismul de formare a legăturilor bogate în energie nu a fost încă descifrat. S-a constatat, totuși, că procesul constă din mai multe reacții intermediare (în Fig. 4 - de la J ~ X la ATP), dintre care numai ultima este formarea unui reziduu de fosfat bogat în energie de ATP. Legătura bogată în energie a grupului fosfat terminal din ATP este estimată la 8,5 kcal pe gram-moleculă (în condiții fiziologice, aproximativ 10 kcal). În timpul transferului de hidrogen și electroni prin lanțul respirator, începând cu NADH2 și terminând cu formarea apei, se eliberează 55 kcal și se acumulează sub formă de ATP cel puțin 25,5 kcal (8,5X3). Prin urmare, eficiența energetică a procesului de oxidare biologică este de aproximativ 50%.
Orez. 3. Schema transferului hidrogenului și electronilor prin lanțul respirator; E0 - potenţial redox.
Orez. 5. Schema de utilizare a energiei legăturilor ATP fosfat (AMP-R~R) pentru diverse funcții fiziologice.
Semnificația biologică a oxidării fosforilante este clară (Fig. 5): toate procesele vitale (munca musculară, activitate nervoasă, biosinteză) necesită cheltuială energetică, marginile sunt asigurate de ruperea legăturilor de fosfat bogate în energie (~P). Semnificația biologică a nefosforilării - liberă - oxidare poate fi văzută în numeroase reacții de oxidare care nu sunt asociate cu ciclul acidului citric și cu transferul de hidrogen și electroni de-a lungul lanțului respirator. Aceasta include, de exemplu, toate procesele de oxidare non-mitocondrială, îndepărtarea oxidativă a substanțelor active toxice și multe acte de reglare a conținutului cantitativ al compușilor biologic activi (anumiți aminoacizi, amine biogene, adrenalină, histidină, serotonină etc., aldehide). , etc.) prin oxidare mai mult sau mai puţin intensă. Raportul dintre oxidarea liberă și fosforilarea este, de asemenea, una dintre modalitățile de termoreglare la oameni și animalele cu sânge cald. Vezi și Metabolism și energie.
Organismele vii nu pot exista fără energie. Este cerut de fiecare proces, fiecare reactie chimica. Multe ființe vii, inclusiv oamenii, pot obține energie din alimente. Merită să înțelegem în detaliu de unde provine energia și ce reacții au loc în acest moment în celulele organismelor vii.
Semnificația oxidării biologice și istoria cercetării acesteia
Baza producerii de energie este procesul de oxidare biologică. Acum a fost studiat, chiar a fost creată o întreagă știință care se ocupă de toate subtilitățile și mecanismele procesului - biochimia. Oxidarea biologică este un set de transformări redox ale substanțelor în viețuitoare. Reacțiile redox se numesc reacții care apar cu o schimbare a stării de oxidare a atomilor datorită redistribuirii electronilor între ei.
Primele presupuneri ale oamenilor de știință că procese complexe au loc în interiorul fiecărui organism viu au fost prezentate în secolul al XVIII-lea. Problema a fost studiată de chimistul francez Antoine Lavoisier, care a atras atenția asupra faptului că procesele de ardere și oxidarea biologică sunt similare între ele.
Omul de știință a trasat calea oxigenului, care este absorbit de un organism viu în timpul respirației, și a concluzionat că în organism are loc un proces de oxidare, care amintește de procesul de ardere, dar care decurge mai lent. Lavoisier a descoperit că moleculele de oxigen (oxidant) interacționează cu compusi organici conţinând carbon şi hidrogen. Ca urmare, apare un absolut, la care compușii se descompun.
Unele puncte din procesul de studiu a problemei au rămas de neînțeles pentru oamenii de știință:
- de ce oxidarea are loc la temperatură scăzută a corpului, în contrast cu procesul de ardere similar cu acesta;
- de ce oxidarea nu este însoțită de eliberarea unei flăcări și nu de o eliberare mare de energie eliberată;
- cum pot „arde” nutrienții din organism dacă corpul are aproximativ 80% apă.
Pentru a răspunde la aceste întrebări și la multe alte întrebări, precum și pentru a înțelege ce este oxidarea biologică, oamenilor de știință le-a luat mai mult de un an. Până în prezent, chimiștii au studiat: relația respirației cu alte procese metabolice, inclusiv. procesul de fosforilare. În plus, oamenii de știință au studiat proprietățile enzimelor care catalizează reacțiile biologice de oxidare; localizare în celulă; mecanism de acumulare și transformare a energiei.
O modalitate mai complexă de transformare a nutrienților în energie este oxidarea biologică aerobă sau respirația tisulară. Această reacție se desfășoară în toate organismele aerobe care utilizează oxigen în procesul de respirație. Metoda aerobă de oxidare biologică este imposibilă fără oxigen molecular.
Căi de oxidare biologică și participanți la proces
Pentru a înțelege în sfârșit care este procesul de oxidare biologică, ar trebui să luăm în considerare etapele acestuia.
glicoliza- aceasta este o scindare fără oxigen a monozaharidelor, premergătoare procesului respirație celularăși însoțită de eliberarea de energie. Această etapă este cea inițială pentru fiecare organism heterotrof. După glicoliză, anaerobii încep procesul de fermentație.
Oxidarea piruvatului consta in transformarea acidului piruvic, obtinut in procesul de glicoliza, in acetilcoenzima. Reacția are loc cu ajutorul complexului enzimatic piruvat dehidrogenază. Localizare – cresta mitocondrială.
Defalcarea acizilor grași beta are loc în paralel cu oxidarea piruvatului pe cresta mitocondriilor. Scopul este procesarea tuturor acizilor grași în acetil coenzimă și intrarea acesteia în ciclul acidului tricarboxilic.
Ciclul Krebs: mai întâi, acetilcoenzima este transformată în acid citric, apoi suferă transformări ulterioare (dehidrogenare, decarboxilare și regenerare). Toate procesele sunt repetate de mai multe ori.
Fosforilarea oxidativă- etapa finală a transformării în organismele eucariote a compuşilor. Adenozin difosfatul este transformat în acid adenozin trifosforic. Energia necesară pentru aceasta provine din oxidarea moleculelor de enzimă dehidrogenază și coenzima dehidrogenază formate în etapele anterioare. Apoi energia este conținută în legăturile macroergice ale acidului adenozin trifosforic.
ATP
Astfel, oxidarea substanțelor se realizează în următoarele moduri:
- eliminarea hidrogenului din substrat, care este oxidat (proces de dehidrogenare);
- recul unui electron de către substrat;
- adăugarea de oxigen la substrat.
În celulele organismelor vii se găsesc toate tipurile enumerate de reacții oxidative, catalizate de enzimele corespunzătoare - oxidoreductaze. Procesul de oxidare nu are loc izolat, este asociat cu o reacție de reducere: în același timp, au loc reacții de adiție cu hidrogen sau electroni, adică se efectuează reacții redox. Procesul de oxidare este fiecare, care este însoțit de eliberarea de electroni cu o creștere a stărilor de oxidare (atomul oxidat are o stare de oxidare mai mare). Odată cu oxidarea unei substanțe, poate avea loc și restaurarea - atașarea electronilor la atomii unei alte substanțe.
