Strana 1

biologická oxidácia

Biologická oxidácia - je súbor redoxných transformácií rôzne látky v živých organizmoch. Redoxné reakcie sú reakcie, ktoré sa vyskytujú so zmenou oxidačného stavu atómov v dôsledku prerozdelenia elektrónov medzi nimi.

Typy biologických oxidačných procesov:

1) aeróbna (mitochondriálna) oxidácia je určený na extrakciu energie živín za účasti kyslíka a jeho akumuláciu vo forme ATP. Aeróbna oxidácia sa tiež nazýva tkanivové dýchanie, pretože počas jeho priebehu tkanivá aktívne spotrebúvajú kyslík.

2) anaeróbna oxidácia- ide o pomocný spôsob získavania energie látok bez účasti kyslíka. Anaeróbna oxidácia Má veľký význam s nedostatkom kyslíka, ako aj pri vykonávaní intenzívnej svalovej práce.

3) mikrozomálna oxidácia Je určený na neutralizáciu liekov a jedov, ako aj na syntézu rôznych látok: adrenalínu, norepinefrínu, melanínu v koži, kolagénu, mastných kyselín, žlčových kyselín, steroidných hormónov.

4) oxidácia voľných radikálov nevyhnutné pre reguláciu obnovy a priepustnosti bunkových membrán.

Hlavná cesta biologickej oxidácie je mitochondriálna spojené s poskytovaním telu energie v dostupnej forme. Zdroje energie pre ľudí sú rôzne organické zlúčeniny: sacharidy, tuky, bielkoviny. V dôsledku oxidácie sa živiny rozkladajú na konečné produkty, hlavne na CO 2 a H 2 O (pri rozklade bielkovín vzniká aj NH 3). Energia uvoľnená v tomto procese sa ukladá vo forme energie chemické väzby makroergické zlúčeniny, najmä ATP.

Makroergický organické zlúčeniny živých buniek obsahujúce energeticky bohaté väzby sa nazývajú. Počas hydrolýzy makroergických väzieb (označené kľukatou čiarou ~) sa uvoľní viac ako 4 kcal / mol (20 kJ / mol). Makroergické väzby vznikajú v dôsledku redistribúcie energie chemických väzieb v procese metabolizmu. Väčšina vysokoenergetických zlúčenín sú anhydridy kyseliny fosforečnej, ako sú ATP, GTP, UTP atď. Adenozíntrifosfát (ATP) zaujíma ústredné miesto medzi látkami s makroergickými väzbami.

adenín - ribóza - P ~ P ~ P, kde P je zvyšok kyseliny fosforečnej

ATP sa nachádza v každej bunke v cytoplazme, mitochondriách a jadrách. Biologické oxidačné reakcie sú sprevádzané prenosom fosfátovej skupiny na ADP s tvorbou ATP (tento proces je tzv. fosforylácia). Energia sa teda ukladá vo forme molekúl ATP a v prípade potreby sa využíva na výkon rôzne druhy práce (mechanické, elektrické, osmotické) a na realizáciu procesov syntézy.

Systém zjednotenia oxidačných substrátov v ľudskom tele

Priame využitie chemickej energie obsiahnutej v molekulách potravinových látok je nemožné, pretože pri porušení intramolekulárnych väzieb sa uvoľňuje obrovské množstvo energie, čo môže viesť k poškodeniu buniek. Aby živiny, ktoré vstupujú do tela, prešli radom špecifických premien, počas ktorých dochádza k viacstupňovému rozkladu komplexu organické molekuly k tým jednoduchším. To umožňuje postupne uvoľňovať energiu a ukladať ju vo forme ATP.

Proces transformácie rôzne komplexné látky do jedného energetického substrátu je tzv zjednotenie. Existujú tri stupne zjednotenia:

1. Prípravná fáza sa vyskytuje v tráviacom trakte, ako aj v cytoplazme buniek tela . Veľké molekuly sa rozkladajú na ich základné štrukturálne bloky: polysacharidy (škrob, glykogén) - na monosacharidy; proteíny - na aminokyseliny; tuky – na glycerol a mastné kyseliny. Tým sa uvoľní malé množstvo energie (asi 1 %), ktoré sa rozptýli vo forme tepla.

2. tkanivové premeny začína v cytoplazme buniek a končí v mitochondriách. Vznikajú ešte jednoduchšie molekuly a počet ich typov sa výrazne znižuje. Výsledné produkty sú spoločné pre metabolické dráhy rôznych látok: pyruvát, acetyl-koenzým A (acetyl-CoA), α-ketoglutarát, oxalacetát atď. koenzým A - aktívna forma vitamínu B 3 (kyselina pantoténová). Procesy rozkladu bielkovín, tukov a uhľohydrátov sa zbiehajú v štádiu tvorby acetyl-CoA a následne tvoria jeden metabolický cyklus. Toto štádium je charakterizované čiastočným (do 20 %) uvoľnením energie, ktorej časť sa akumuluje vo forme ATP a časť sa odvádza vo forme tepla.

3. Mitochondriálne štádium. Produkty vznikajúce v druhom stupni vstupujú do cyklického oxidačného systému - cyklu trikarboxylových kyselín (Krebsov cyklus) a súvisiaci mitochondriálny dýchací reťazec. V Krebsovom cykle sa acetyl-CoA oxiduje na CO2 a vodík spojený s nosičmi - NAD + H2 a FAD H2. Vodík sa dostáva do dýchacieho reťazca mitochondrií, kde sa oxiduje kyslíkom na H 2 O. Tento proces je sprevádzaný uvoľnením približne 80 % energie chemických väzieb látok, z ktorých časť sa využíva na tvorbu ATP a časť sa uvoľňuje vo forme tepla.

Etapy	Veveričky	Sacharidy (polysacharidy)	Tuky
I prípravné; Uvoľní sa 1 % energie živín (ako teplo);	aminokyseliny		glycerol, mastné kyseliny
II tkanivové transformácie; 20 % energie ako teplo a ATP	acetyl-CoA (CH 3 -CO ~ SKoA)
III mitochondriálne štádium; 80% energie (asi polovica je vo forme ATP, zvyšok je vo forme tepla).	Cyklus trikarboxylovej kyseliny Respiračný reťazec mitochondrií O2

Klasifikácia a charakterizácia hlavných oxidoreduktáz v tkanivách

Dôležitým znakom biologickej oxidácie je, že prebieha pôsobením určitých enzýmov. (oxidoreduktáza). Všetky potrebné enzýmy pre každý stupeň sú spojené do súborov, ktoré sú spravidla fixované na rôznych bunkových membránach. V dôsledku koordinovaného pôsobenia všetkých enzýmov sa chemické premeny uskutočňujú postupne, akoby na dopravnom páse. V tomto prípade je reakčný produkt jedného stupňa východiskovou zlúčeninou pre ďalší stupeň.

Klasifikácia oxidoreduktáz:

1. dehydrogenázy vykonať elimináciu vodíka z oxidovaného substrátu:

SH 2 + A → S + AH 2

V procesoch spojených s získavaním energie je najbežnejším typom biologických oxidačných reakcií dehydrogenácie, teda eliminácia dvoch atómov vodíka z oxidovaného substrátu a ich prenos do oxidačného činidla. V skutočnosti vodík v živých systémoch nie je vo forme atómov, ale je súčtom protónu a elektrónu (H + a ē), ktorých cesty pohybu sú rôzne.

Dehydrogenázy sú komplexné proteíny, ich koenzýmy (neproteínová časť komplexného enzýmu) môžu byť oxidačným aj redukčným činidlom. Odoberaním vodíka zo substrátov sa koenzýmy premieňajú na redukovanú formu. Redukované formy koenzýmov môžu darovať vodíkové protóny a elektróny inému koenzýmu, ktorý má vyšší redoxný potenciál.

1) KONIEC + - a NADP + -dependentné dehydrogenázy(koenzýmy - OVER + a NADP + - aktívne formy vitamínu PP ). Z oxidovaného substrátu SH 2 sú pripojené dva atómy vodíka a vzniká redukovaná forma - NAD + H 2:

SH 2 + OVER + ↔ S + OVER + H 2

2) FAD-dependentné dehydrogenázy(koenzýmy - FAD a FMN - aktívne formy vitamínu B 2). Oxidačné schopnosti týchto enzýmov im umožňujú prijímať vodík priamo z oxidačného substrátu aj z redukovaného NADH 2 . V tomto prípade sa tvoria redukované formy FAD.H2 a FMN.H2.

SH 2 + FAD ↔ S + FAD H 2

NAD + N 2 + FMN ↔ NAD + + FMN N 2

3) koenzýmQalebo ubichinón, ktorý môže dehydrogenovať FAD H2 a FMN H2 a pripojiť dva atómy vodíka, čím sa zmení na KoQ H2 ( hydrochinón):

FMN N 2 + KoQ ↔ FMN + KoQ N 2

2. Nosiče elektrónov hemickej povahy obsahujúce železo - cytochrómyb, c 1 , c, a, a 3 . Cytochrómy sú enzýmy patriace do triedy chromoproteínov (zafarbené proteíny). Neproteínovú časť cytochrómov predstavujú heme obsahujúce železo a štruktúrou podobné hemu hemoglobínu. Jedna molekula cytochrómu je schopná reverzibilne prijať jeden elektrón, pričom oxidačný stav železa sa mení:

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

Cytochrómy a, a 3 tvoria komplex tzv cytochróm oxidáza. Na rozdiel od iných cytochrómov je cytochrómoxidáza schopná interagovať s kyslíkom, konečným akceptorom elektrónov.
Cyklus trikarboxylovej kyseliny (TCA)

Tento proces sa tiež nazýva citrátový cyklus alebo Krebsov cyklus pomenovaný po anglickom vedcovi, ktorý navrhol, že bunky majú oxidačný cyklický systém reakcií. CTK je rozklad acetyl-CoA v mitochondriách na CO 2 a vodík spojený s nosičmi (NAD a FAD).

V prvom kroku procesu acetyl-CoA reaguje s oxaloacetátom (kyselina oxaloctová) za vzniku citrátu (kyseliny citrónovej). Ďalej sa z kyseliny citrónovej postupne odštiepia 2 molekuly oxidu uhličitého a 4 páry atómov vodíka a opäť sa vytvorí kyselina oxaloctová, preto sa tento proces nazýva cyklus. .

TCA je spojená s tkanivovým dýchaním. Metabolity so stredným cyklom sú oxidačné substráty (izocitrát, α-ketoglutarát, sukcinát a malát). V cykle sa oxidujú (dehydrogenujú) pôsobením NAD- a FAD-dependentných dehydrogenáz. Zároveň sa obnovuje NAD a FAD, t.j. pridať vodík:

izocitrát + NAD → oxalosukcinát + NADH 2

(kyselina izocitrónová) (kyselina oxalosukcínová)

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

(kyselina α-ketoglutarová) (aktívna forma kyseliny jantárovej)

sukcinát + FAD → fumarát + FADH 2

(kyselina jantárová) (kyselina fumarová)

malát + NAD → oxalacetát + NADH 2

(kyselina jablčná) (kyselina oxaloctová)

Vodík z Krebsovho cyklu (ako NADH 2 a FADH 2) vstupuje do dýchacieho reťazca, kde sa používa ako druh paliva. V dýchacom reťazci sa vodíkové protóny a elektróny prenášajú na kyslík za vzniku vody. Energia uvoľnená v tomto procese sa využíva na tvorbu ATP.

Biologická úloha cyklu:

Na úrovni Krebsovho cyklu sa kombinujú cesty štiepenia sacharidov, lipidov a bielkovín;

Metabolity Krebsovho cyklu sa využívajú na syntézu ďalších látok (kyselina oxaloctová → glukóza, kyselina asparágová; kyselina α-ketoglutarová → kyselina glutámová, kyselina jantárová → hem);

Krebsov cyklus je hlavným systémom zásobovania vodíkom pre mitochondriálny dýchací reťazec. Celková rovnica pre konverziu acetyl-CoA v Krebsovom cykle:

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

Keď sa teda jedna molekula acetyl-CoA oxiduje v Krebsovom cykle, 12 molekúl ATP: v dýchacom reťazci spojenom s cyklom - 11 molekúl; v samotnom cykle - 1 molekula ATP v štádiu premeny sukcinyl-CoA na sukcinát:

GTP + ADP → ATP + HDP (opäť vstupuje do cyklu)

Štruktúra a funkcie dýchacieho reťazca

D respiračný (elektrónový transportný) reťazec sa nachádza v mitochondriách, ktoré sú organely oválneho tvaru, ktoré sú súčasťou takmer všetkých buniek tela. Každá mitochondria je obklopená dvoma membránami: vonkajšou a vnútornou. Vonkajšia membrána je hladká, vnútorná tvorí početné hrebeňovité záhyby - cristae. Krísty výrazne zväčšujú povrch vnútornej membrány a poskytujú miesto pre enzymatické systémy dýchacieho reťazca. Priestor medzi vonkajšou a vnútornou membránou je medzimembránový priestor. Priestor medzi cristae je vyplnený vodné prostredie volal matice. Matrica obsahuje enzýmy cyklu trikarboxylových kyselín a ďalšie oxidačné enzýmy.

Prenos elektrónov a protónov vodíka na kyslík sa uskutočňuje na vnútornej membráne mitochondrií pomocou niekoľkých typov redoxných enzýmových systémov, ktorých súhrn tvorí tzv. dýchacieho reťazca. Komponenty dýchacieho reťazca sú zabudované do vnútornej membrány mitochondrií a pôsobia ako jeden dýchací súbor.

Dýchací reťazec je druh dopravníka na prenos elektrónov z oxidovaného substrátu na kyslík. Skladá sa z niekoľkých typov nosičov ē a H+ a možno ju znázorniť ako nasledujúcu zovšeobecnenú schému:

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

SH2FAD 2H+

(izocitrát,

α-ketoglutarát, SH 2

malát atď.) (sukcinát atď.)

V procese rozkladu sacharidov, tukov a bielkovín vznikajú zlúčeniny, ktoré sú substrátmi biologickej oxidácie (SH 2). Tvoria sa prevažne v Krebsovom cykle (izocitrát, α-ketoglutarát, sukcinát, malát). Pôsobením NAD- a FAD-dependentných dehydrogenáz sa z nich odštiepia dva atómy vodíka. Potom sa začne transport vodíkových protónov a elektrónov pozdĺž dýchacieho reťazca.

Redukovaný NADH 2 interaguje s dehydrogenázou obsahujúcou FMN ako koenzým. FMN prijíma (odoberá) vodík odštiepený z NADH2.

Ďalšia zložka dýchacieho reťazca, koenzým Q (ubichinón), prijíma 2H z FMN. Ubichinón je kľúčovým bodom, kde vodík prúdi do dýchacieho reťazca z rôznych substrátov.

Ak prvé 3 zložky dýchacieho reťazca - NAD, FMN a ubichinón - nesú vodík, to znamená: protóny aj elektróny, potom počnúc cytochrómom b a ku kyslíku sa toky protónov a elektrónov oddelia, keďže ďalší úsek dýchacieho reťazca obsahuje iba nosiče elektrónov. Z koenzýmu Q sa dva elektróny prenesú na dve molekuly cytochrómu b, potom postupne pre cytochrómy c 1 , c, a, a 3 . Kyslík pripojením dvoch elektrónov z dvoch molekúl cytochrómu a 3 , interaguje s dvoma protónmi a mení sa na vodu.

Smer prenosu elektrónov v dýchacom reťazci je určený redoxnými potenciálmi nosičov. Redoxný potenciál (E) charakterizuje schopnosť molekuly prijímať elektróny. Čím vyššia je E zložka reťazca, tým vyššia je jeho pevnosť ako oxidačné činidlo. Nosiče v dýchacom reťazci sú usporiadané podľa rastúceho E, pretože elektróny môžu byť darované iba zlúčenine s vyšším redoxným potenciálom. Najvyššiu schopnosť prijímať elektróny má kyslík (E = +0,82V), najnižšiu vodík (E = -0,42V). Tak vzniká kyslík, ktorý je najsilnejším oxidačným činidlom hnacia sila na prenášanie elektrónov pozdĺž dýchacieho reťazca.

Spojovací mechanizmus oxidácie a fosforylácie

Potenciálny pokles z H 2 na O 2 je 1,24 V, čo teoreticky postačuje na syntézu 6 molekúl ATP, ale v skutočnosti sa nesyntetizujú viac ako tri.

SH 2 + ½ O 2 S + H 2 O (oxidácia)

3ADP + 3H 3 RO 4 3ATP (fosforylácia)

ATP vzniká pridaním zvyšku kyseliny fosforečnej k ADP. Tento proces sa nazýva fosforylácia. Sú teda spojené dva procesy: proces biologickej oxidácie (prenos protónov a elektrónov cez dýchací reťazec) a proces fosforylácie (tvorba ATP), pretože energia vznikajúca pri oxidácii sa využíva na fosforyláciu. Preto tvorba ATP v dôsledku energie uvoľnenej pri prechode elektrónov dýchacím reťazcom sa nazýva Oxidačná fosforylácia.

Na kvantifikáciu spojenia oxidácie a fosforylácie používame fosforylačný koeficient- postoj R/O. Tento koeficient ukazuje, koľko atómov anorganického fosforu je absorbovaných mitochondriami, keď je absorbovaný jeden atóm kyslíka (alebo keď je jeden pár elektrónov prenesený na kyslík).

Výpočty ukazujú, že na vytvorenie jednej makroergickej väzby ATP, ktorej cena je najmenej 40 kJ / mol, je pokles redoxného potenciálu medzi účastníkmi dýchacieho reťazca približne 0,22 V na pár prenesených elektrónov. V dýchacom reťazci sú len tri miesta s rozdielom v o/v potenciáloch dostatočných na syntézu ATP ( tri miesta konjugácie oxidácie a fosforylácie):

I - medzi NAD∙H2 a FMN;

II - medzi cytochrómami b a c;

III - medzi cytochrómami a a a 3 .

V týchto štádiách je uvoľnenie energie dostatočné na syntézu ATP. Vo zvyšných štádiách je rozdiel v potenciáloch o / w nedostatočný na syntézu ATP a uvoľnená energia (asi 40-50%) sa rozptýli vo forme tepla. Keď teda dva elektróny prejdú dýchacím reťazcom, ktorý začína NAD-dependentnými dehydrogenázami, vytvoria sa tri molekuly ATP. V tomto prípade koeficient P/O = 3.

Niektoré oxidačné substráty (sukcinát, mastné kyseliny) majú vyšší redoxný potenciál ako NAD. Preto nie sú oxidované NAD-, ale FAD-dependentnými dehydrogenázami. Keď sa takéto látky oxidujú, vytvoria sa iba dve molekuly ATP, pretože sa preskočí jeden bod konjugácie oxidácie a fosforylácie. Preto koeficient P/O = 2.

Uvedené hodnoty fosforylačných koeficientov sú vypočítané, reálna hodnota tohto koeficientu za fyziologických podmienok je Р/О ≈ 2.5.

Koeficient P / O môže mať ešte nižšie hodnoty (rozpojenie P / O oxidácie a fosforylácie. V tomto prípade dochádza k redoxným procesom v dýchacom reťazci, ale nedochádza k fosforylácii (syntéze ATP), t.j. dýchací reťazec funguje akoby na voľnobeh Všetka energia okysličených látok sa premieňa na teplo.Mitochondrie sa stávajú akýmsi bunkovým „sporákom“, ktorý produkuje teplo.To je nevyhnutné v situáciách, kedy je potreba tepla pre telo väčšia ako potreba ATP napríklad na udržanie telesnej teploty počas ochladzovania.
mikrozomálna oxidácia

Spolu s tkanivovým dýchaním, ktoré zahŕňa 80 % až 90 % kyslíka spotrebovaného osobou, sa v tele neustále vyskytujú ďalšie reakcie zahŕňajúce kyslík, vrátane mikrozomálne a voľný radikál oxidácia.

Mikrozomálna oxidácia nie je spojená so syntézou ATP. Mechanizmus tohto typu oxidácie substrátu kyslíkom zabezpečuje takú interakciu substrátu (S) s molekulárnym kyslíkom, pri ktorej je jeden atóm kyslíka obsiahnutý v oxidovanom substráte a druhý v molekule vody. V dôsledku zahrnutia kyslíka do molekuly oxidovaného substrátu vzniká hydroxylová skupina (-OH), preto tento druh oxidácia sa nazýva hydroxylácia.

SH + O2 + A ∙ H2 → S-OH + H20 + A

kde SH je oxidovaný substrát; A∙H2 je donor vodíka (kyselina askorbová alebo NADP∙H2).

Enzýmy podieľajúce sa na oxidácii oxygenázy sú tzv hydroxylázy, alebo oxygenázy. Tieto enzýmy obsahujú v aktívnom centre ióny kovov s premenlivou mocnosťou (Fe, Cu). Hydroxylázy môžu existovať v rozpustnej forme v bunkovej šťave alebo ako špeciálne skupiny oxidačných enzýmov lokalizovaných v membránach cytoplazmatického retikula pečeňových buniek, mitochondriách buniek kôry nadobličiek atď. Pri trení tkaniva sa fragmenty cytoplazmatického retikula spontánne uzatvárajú do bublinovitých štruktúr tzv mikrozómy Preto sa tento typ oxidácie nazýva mikrozomálny. Skupina mikrozomálnych oxidačných enzýmov je cyklický reťazec transportu elektrónov a protónov, ktorého zdrojom je najmä NADP∙H 2 . Hlavnou zložkou tohto systému je cytochróm P 450 s katiónom železa (Fe 3+ ↔ Fe 2+) v aktívnom centre, kde začína oxidácia substrátu. Názov cytochrómu je spôsobený tým, že jeho redukovaná forma viaže oxid uhoľnatý CO a získava charakteristickú absorpciu svetla pri 450 nm.

Keď cytochróm P 450 interaguje so substrátom a kyslíkom, dochádza k ich aktivácii a oxiduje sa nielen substrát, ale aj NADP∙H 2. Vďaka tomu cytochróm P 450 dáva molekule kyslíka štyri elektróny. V dôsledku toho sa jeden z atómov kyslíka zavádza pozdĺž S-N spojenia molekuly oxidovaného substrátu a druhá sa redukuje tvorbou vody.

Biologická úloha mikrozomálnej oxidácie:

1. Syntéza rôznych látok. Rozpustné enzýmy za účasti kyseliny askorbovej ako donoru vodíka vykonávajú syntézu adrenalínu a norepinefrínu v chromafinnom tkanive; melanínový pigment z tyrozínu v koži, dúhovke a sietnici; Hlavným proteínom spojivového tkaniva je kolagén. Mikrozomálne enzýmy sa podieľajú na tvorbe nenasýtených mastných kyselín; žlčové kyseliny a steroidné hormóny nadobličiek z cholesterolu, leukotriény z kyseliny arachidónovej.

2. Neutralizácia rôznych toxických látok v pečeni. To platí najmä pre cudzorodé látky nie prírodného pôvodu, tzv xenobiotiká. Pri mikrozomálnej oxidácii sa toxické látky stávajú rozpustnými vo vode, v dôsledku toho sa nehromadia v bunke, ale ľahko sa vylučujú močom. Je známych viac ako 7000 názvov zlúčenín, ktoré sú oxidované mikrozomálnym systémom pečene. Jednou z hlavných čŕt cytochrómu P 450 je schopnosť jeho proteínu meniť svoju konformáciu v reakcii na výskyt jedného alebo druhého xenobiotika v tele, čím sa zabezpečí efektívna interakcia s ním. Vďaka tejto prispôsobivosti je cytochróm P 450 univerzálnym detoxikačným enzýmom, ktorý môže interagovať s takmer akoukoľvek zlúčeninou. Jedinou požiadavkou na oxidovateľný substrát je, že musí byť nepolárny, keďže cytochróm P 450 sa nachádza v lipidovej vrstve membrán.
Oxidácia voľnými radikálmi

Voľné radikály sú častice s nepárovým elektrónom (prítomnosť nespárovaného elektrónu je označená bodkou ·). Hlavným zdrojom radikálov v ľudskom tele je molekulárny kyslík a v prípade ožiarenia voda ( rádiolýza vody). Na tvorbu voľných radikálov sa minie 1 až 3 % kyslíka spotrebovaného osobou. Molekula kyslíka obsahuje dva nepárové elektróny a je to ·O 2 · biradikál. Nespárované elektróny sú však usporiadané tak, že molekula O2 zostáva relatívne stabilná. Úplnou redukciou (dýchaním tkaniva) sa molekula kyslíka, ktorá prijíma štyri elektróny a štyri protóny, zmení na dve molekuly vody. Pri neúplnej redukcii kyslíka sa vytvárajú rôzne aktívne formy. Komu reaktívne formy kyslíka týkať sa:

O 2 ‾ - superoxidový radikál(+ H + → NO 2 hydroperoxidový radikál)

↓+ ē (+2Н +)

H202 - peroxid vodíka

·ON - hydroxylový radikál

Pôsobením svetla prechádza molekulárny kyslík do singletového stavu, t.j. v singletový kyslíkО 2 ", v ktorom sú všetky elektróny spárované. Singletový kyslík je nestabilný, polčas rozpadu je 45 minút. Je aktívnejší v oxidačných reakciách ako molekulárny kyslík. Oxidačná schopnosť reaktívnych foriem kyslíka sa zvyšuje v nasledujúcom poradí:

O 2 → O 2 "→ O 2 ─ → HO2 → H202 → HO

K tvorbe reaktívnych foriem kyslíka dochádza v tele neustále. V tele vznikajú toxické radikály obsahujúce kyslík, keď O 2 interaguje s metaloproteínmi (hemoglobín, cytochrómy) obsahujúcimi kovové katióny v nižšie stupne oxidácia (Fe 2+, Cu +, Mn 2+), príjem elektrónu z nich:

Fe 2+ + O 2 → Fe 3+ + O 2 ─

Chemické reakcie vedúce k vzniku voľných radikálov sú normálne procesy v ľudskom tele. Voľné radikály vznikajú v dôsledku tkanivového dýchania, prenosu kyslíka hemoglobínom, syntézy hormónov, prostaglandínov, fagocytózy, neutralizácie liekov a rôznych toxických látok pečeňou, fyzická aktivita atď.

Výsledné radikálové častice, predovšetkým radikál HO, majú extrémne vysoký reaktivita. Voľné radikály reagujú s takmer akýmikoľvek molekulami, čo spôsobuje narušenie ich štruktúry a funkcií: proteíny, nukleových kyselín sacharidy, lipidy. Voľné radikály sú obzvlášť agresívne voči DNA a lipidom. Ich interakcia s DNA vedie k narušeniu genetického kódu a môže sa stať zdrojom rozvoja rakoviny. Voľné radikály sa však primárne podieľajú na reakciách peroxidácia lipidov (LPO). V tomto prípade dochádza k oxidácii nenasýtených mastných kyselín, ktoré sú súčasťou fosfolipidov bunkových membrán. Proces LPO možno rozdeliť na tri etapy:

jaštádium - tvorba voľných radikálov lipidov:

RH + OH → R (R─CH 2 ─CH═CH─R "+ ALE → R─CH ─CH═CH─R" + H2O)

alylový radikál

IIštádium - produkcia lipidových peroxidov: oxidácia alylového radikálu molekulárnym kyslíkom za vzniku peroxidových radikálov:

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

│

Peroxidový radikál sa potom redukuje na hydroperoxid oxidáciou inej molekuly mastnej kyseliny na voľný radikál: ROO + RH → ROOH + R

LPO reakcie majú reťazový charakter a výsledný radikál R sa podieľa na vývoji reťazca.

IIIstupeň - otvorený okruh vzniká, keď radikály interagujú medzi sebou za vzniku neaktívnych produktov alebo s antioxidantom. Produkty peroxidácie nenasýtených lipidov sú lipidové hydroperoxidy, ako aj alkoholy, aldehydy, karboxylové kyseliny. Takže pri rozklade hydroperoxidov lipidov vzniká malondialdehyd O═CH─CH 2 ─CH═O, ktorý vytvára „sieťky“, ktoré narúšajú štruktúru bielkovín.

Fyziologickou úlohou procesu LPO je regulovať obnovu a permeabilitu lipidov v biologických membránach. Ak sa však vytvoria podmienky pre vznik veľkého množstva voľných radikálov, tak proces peroxidácie lipidov môže nadobudnúť lavínovitý charakter. To môže viesť k zmene fyzikálno-chemických vlastností lipidovej fázy membrány, čo následne vedie k narušeniu transportných, receptorových a iných funkcií a narušeniu štrukturálnej integrity membrán až k ich úplnému zničeniu a bunkovej smrti. Okrem toho sa potláča aktivita enzýmov a hromadia sa zdraviu nebezpečné peroxidové zlúčeniny.

Pri extrémnych a patogénnych účinkoch na organizmus sa tvorba kyslíkových radikálov prudko zvyšuje, čiastočne v dôsledku aktivácie oxidačnej fosforylácie a hydroxylácie xenobiotík. Posilňovanie procesov LPO má univerzálny škodlivý charakter a hrá dôležitú úlohu v procese starnutia a vzniku rôznych patologických stavov: ochorenia kardiovaskulárneho systému, pečene, pľúc atď.

Normálne telo riadi procesy LPO reguláciou množstva a aktivity voľných radikálov. Pre toto existuje antioxidačný systém (AOS) organizmu, čo zabraňuje nadmernej aktivácii peroxidácie lipidov. AOS zahŕňa:

1. 
   enzymatická väzba, ktorá zabraňuje tvorbe ROS sú enzýmy produkované v samotnom tele: kataláza, superoxiddismutáza, glutatiónreduktázy, glutatión peroxidáza;

superoxiddismutáza

O 2 ─ + 2H + H202 + 02

Kataláza glutatiónperoxidáza (obsahuje selén a tripeptid glutatión G─SH)
2H 2 O + O 2 2G─SH + H2O2 → G─S─S─G + 2 H2O

1. 
   neenzymatické antioxidanty, ktoré neutralizujú produkty peroxidácie lipidov(zabraňujú tvorbe lipidových peroxidov). Zahŕňajú nesyntetizované v našom tele vitamíny A, C, E, β-karotén, bioflavonoidy. Všetky tieto látky, s výnimkou vitamínu C, sú vysoko rozpustné v tukoch. Nazývajú sa „lapače voľných radikálov“ v tele. Antioxidanty v interakcii s radikálmi prechádzajú do oxidovaných foriem, ktoré sa pôsobením zodpovedajúcich enzýmov opäť menia na redukované formy. Napríklad vitamín E prítomný v membránach je druh chemického systému na ochranu membrán pred peroxidáciou lipidov. Navyše mnohé látky, ktoré si telo vytvára samo, majú antioxidačné vlastnosti – koenzým Q, kyselina močová, steroidné hormóny, tyroxín. Účinné antioxidanty sú tiolyR─ SH, ktoré sú nevyhnutné pre fungovanie enzýmu glutatiónperoxidázy. Prírodné tioly sú glutatión, cysteín, dehydrolipoát.

Strana 1

Bioenergetické procesy vedúce k syntéze ATP, k nabíjaniu „biologických akumulátorov“, prebiehajú v špecializovaných mitochondriálnych membránach. Práve tu sú lokalizované a priestorovo organizované molekulárne systémy zodpovedné za energiu živých organizmov. Syntéza ATP v mitochondriách je spojená s transportom elektrónov a iónov a s mechanochemickými javmi. Funkcie mitochondriálnych membrán sú veľmi zložité a rôznorodé. Iný typ bioenergetických konjugačných membrán – rastlinné chloroplastové membrány zodpovedné za fotosyntézu – je diskutovaný v kapitole 7.

Zdrojom energie spotrebovanej bunkou na biosyntézu, aktívny transport, mechanickú a elektrickú prácu je dýchanie, t.j. oxidácia organických zlúčenín vzdušným kyslíkom. V roku 1780 Lavoisier ukázal, že dýchanie a spaľovanie sú rovnakej povahy. Počas nasledujúcich takmer dvoch storočí viedol výskum chemikov, biológov a fyzikov k odhaleniu hlavných čŕt biologickej oxidácie - jedného z najdôležitejších procesov (alebo skôr systému procesov), ktoré sa vyskytujú v živej prírode.

Palivo, teda oxidovateľné látky, sa do tela zvieraťa dostávajú s potravou vo forme tukov, sacharidov a bielkovín. Tuky sú triglyceridy mastných kyselín, najmä polyhydroxykyselín. Sú štiepené, t.j. hydrolyzované v reakciách katalyzovaných špeciálnymi enzýmami. Mastné kyseliny sa aktivujú za účasti špecifických enzýmov a ATP, pričom sa menia na acylové deriváty takzvaného koenzýmu A, Co A - SH, ktorého štruktúra je znázornená na obr. 6.1. Oxidácia acylového derivátu Co A - SH prebieha v niekoľkých stupňoch, z ktorých každý tvorí zvyšok mastnej kyseliny obsahujúci o dva atómy uhlíka menej ako predchádzajúci. Kompletná rovnica oxidačná reakcia mastnej kyseliny s párnym počtom atómov uhlíka na acetyl-S - Co A má tvar

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

PE ■ FAD + 1H20 ->- (n + 1)CH3COS - CoA+

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

Tu je NAD koenzým nikotínamid adenín dinukleotid (obr.

6.2), E - enzým, FAD - koenzým flavín adenín dinukleotid

Ryža. 6.1. Koenzým A.

TOC \ o "1-3" \ h \ z (obr. 6.3), ADP a AMP - adenozín difosfát a adenozín mono - fosfát, Fn, FFN - anorganické mono - a difosfáty. Obráťme svoju pozornosť na všeobecnosť a

Štruktúry ATP, CoA-SH, NAD a HB

FAD (pozri, kap. 2). Pri zničení - /\ / \

Nii tuk nakoniec obra - n | 9NH2

Acetyl-CoA sa nazýva, rovnako ako pro - n ^

PIONIL-KO A A GLYCERÍN. - g_p_Q_QH

Štiepenie a oxidácia uhlíka - і | |

Vody (najmä škrob) pri - \ C ^ n n ^ C vedú k tvorbe triózového fosfátu - і |> c "isg I NH

Tov a kyselina pyrohroznová I n L L n I 2

(pyruvát). n°-rG° 0N 0N „/h

So zničením proteínov spolu s / C N

S jednotlivými aminokyselinami - \ NSch J I

Mi používané pri syntéze bielkovín - CH2 0 \

Kov de novo vzniká acetyl-N

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

Fumarát a sukcinát. Tieto procesy nie sú

Metabolizmus podrobne študovaný v he OH

Moderná biochémia (pozri). Ryža. c-2-nikotínamidadenín-

Hlavnými produktmi štiepenia sú dinukleotidy (NAD),

Niya a oxidácia tukov, sacharidov

A proteíny prechádzajú ďalšími transformáciami v cyklickom systéme reakcií nazývanom cyklus kyseliny citrónovej alebo Krebsov cyklus. Tento systém je lokalizovaný v mitochondriách. Krebsov cyklus, „obrazne povedané, hlavná os, okolo ktorej sa točí metabolizmus takmer všetkých existujúcich buniek... Cyklus

Krebs je „ústredným bodom“, v ktorom sa zbiehajú všetky metabolické dráhy.

Krebsov cyklus je znázornený na obr. 6.4. Na jednu otáčku cyklu pozostávajúceho z ôsmich reakcií, označených na obrázku číslami v krúžkoch, sa degraduje jedna molekula acetyl-CoA

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

A/\A/NH he he

H, C V N C s H II

Ryža. 6.3. Flavia adenín dinukleotid (FAD).

Alebo jedna molekula pyruvátu na CO2 a H20, teda "spaľovanie" týchto molekúl. Zodpovedajúce celkové reakcie majú tvar

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

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

(Zátvorky označujú, že FAD je pevne viazaný na proteín.)

Z Krebsovho cyklu vychádzajú cesty mnohých biosyntetických reakcií – cesty syntézy sacharidov, lipidov, purínov, pyrimidiov a porfyrínov. Syntéza bielkovín je tiež spojená s cyklom, v ktorom sa vytvárajú prekurzory množstva aminokyselín. Zároveň, ako uvidíme, biologická oxidácia je zdrojom energie uloženej v ATP a nevyhnutnou pre biosyntetické procesy.

V reakciách cyklu sa objavujú ióny CO2 a H+. Zároveň sa obnovia koenzýmy NAD a FAD. Pre nepretržitú a úplnú biologickú oxidáciu musia byť tieto kofermy opäť oxidované. Oxidácia sa uskutočňuje kombináciou elektrónových nosičov, ktoré tvoria elektrónový transportný reťazec (ECC) fixovaný v mitochondriách. CPE poskytuje nasledujúce reakcie:

Z NAD-H + ​​​​1,5 02 + ZN+ Z NAD + + 3 H20 - 3 52,4 kcal / mol,

(FAD-H) + 0,50, - (FAD) + H20 - 36,2 kcal / mol.

Reakcia acetyl-CoA má formu

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

CPE, inak známy ako dýchací reťazec, je

Sacharidy-*- CH-CDC07 p

Pyruvát v Fatty

U v4* - "Acetyl-CoC CO2 2H ■

^ c \u003d o (T) r "

Fn Sushchinil-Sh KoA_SH Obr. 6.4. Krebsov cyklus.

Tre-"bA.-izocitráty

A-ketoglutarap

NO-CH С02 fiOj (2)

CH2 šťavelan citrát

FQ) l-tlat \ Vz

Polyenzymatický systém, ktorý prijíma elektróny z Krebsovho cyklu a cyklu oxidácie mastných kyselín.

Elektrón sa prenáša pozdĺž nasledujúceho reťazca: sukcinát - FP3 1

Substrát -*■ NAD -»- FP0 ->■ Cytochróm b ->- -*■ Cytochróm C) -» Cytochróm c -»- Cytochrómy a + az -*■ 02.

Flavoproteíny sú špecifické enzýmy obsahujúce flavínové koenzýmy-FAD (viď obr. 6.3) a flavínmononukleotid - FMN, riboflavín-5"-fosfát. Cytochrómy obsahujú hemovú skupinu, ktorej atóm železa podlieha oxidácii a redukcii pri reťazovej operácii:

Fe2+ ​​​​Fe3+ - f e~.

Prenos elektrónov vo vyššie uvedenom reťazci prebieha zľava doprava a končí redukciou kyslíka, ktorý sa spája s vodíkom za vzniku vody. Elektrón uvoľnený počas oxidácie je pripojený k ďalšiemu článku reťazca. Prenos elektrónov je sprevádzaný zmenou voľnej energie, keď sa elektróny pohybujú cez kaskádu rastúcich redoxných potenciálov. Ich hodnoty sú uvedené v tabuľke. 6.1.

Tabuľka 6.1

Redoxné potenciály niektorých systémov

Prenos elektrónov pozdĺž dýchacieho reťazca je spojený s ukladaním energie v makroergických molekulách ATP. Inými slovami, uvoľnená voľná energia sa premení na chemickú energiu ATP. Dochádza k oxidačnej fosforylácii.

Tento najdôležitejší fenomén prvýkrát objavil Engelhardt v roku 1930. Belitzer a Tsybakova podrobne študovali stechiometrické vzťahy medzi oxidáciou a fosforyláciou, uskutočnili prvé stanovenia koeficientu FnO, t.j. pomeru počtu molekúl esterifikovanej anorganickej látky.
fosforečnanu k počtu atómov absorbovaného kyslíka, a ukázali, že hodnota tohto koeficientu nie je menšia ako 2. V práci boli uvedené termodynamické odhady, ktoré ukázali, že energia prenosu elektrónov na kyslík je dostatočná na vytvorenie dvoch resp. viac Molekuly ATP na atóm absorbovaného kyslíka. Kalkar zistil, že aeróbna fosforylácia je spojená s dýchaním a nezávisí od glykolytickej fosforylácie. Kvantitatívne pomery spresnil Ochoa. Koeficient Fn: O pre oxidačné reakcie Krebsov cyklus a reakcie zahŕňajúce NAD je 3. Lehninger ako prvý zistil, že procesy oxidačnej fosforylácie sú lokalizované presne v mitochondriách.

Priame šípky ukazujú vstupné body pre elektróny. FP,. FP, ...-flavoproteíny.

KoQ - koenzým Q.

10] a v prácach jeho laboratória sa našli uzlové body dýchacieho reťazca, v ktorých dochádza k fosforylácii. Uvedená hodnota Fn:O vyplýva z rovnice

NAD-H + ​​​​H+ + Z ADP + 3 Fn + V2O2 - NAD + + 4 H20 + 3 ATP. Táto rovnica sumarizuje exergonickú reakciu NAD-H + ​​​​H+ + V2O2 -> NAD+ + H20 + 52,7 kcal/mol

A endergonická reakcia

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

Fosforylácia ADP -\u003e ATP sa vyskytuje v troch kľúčových bodoch - v časti reťazca NAD-H - flavoproteín, v časti cytochrómu b cytochrómu cі a v časti cytochrómu c - * cytochróm a + a3.

Všeobecná schéma konjugácie oxidácie s fosforyláciou je znázornená na obr. 6.5.

Napíšme znova hrubú rovnicu fosforylácie

PiruWat^ Sushchinagp

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

Kde AG je zmena voľnej energie. Máme

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

AG = AG" + RT IP. (6.1)

AG0- štandardná zmena voľná energia v kalóriách, t. j. hodnota AG pri pH 7,0, 25 °C a koncentráciách všetkých zložiek rovných 1,0 M. Ako je známe,

AG0 = - RT v K, (6,2)

kde K je rovnovážna konštanta reakcie. Pre fosforyláciu AG0 = 7,3 kcal/mol. Pozorovaná hodnota AG in vivo závisí od koncentrácie protónov na oboch stranách membrány, a teda od rozdielu membránového potenciálu. AG závisí aj od koncentrácie Mg++ iónov. Keď sa pH zmení z 6,0 na 9,0 pri = 10 mM, AG sa zmení z 6,17 na 9,29 kcal/mol (pozri).

Zmena voľnej energie pri prenose dvoch elektronických ekvivalentov po CPE z NAD-H na 02 je určená rozdielom redoxných potenciálov 0,82 - (-0,32) = = 1,14 V, t.j.

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

To poskytuje nadbytočnú syntézu 3 mólov ATP z ADP a Fn. Účinnosť procesu je vyjadrená ako 21,9/52,7, t.j. približne rovná 40 %.

Energetický význam dýchania je syntéza ATP. Energiu uloženú v ATP bunka využíva na vykonávanie všetkých druhov svojej práce.

Objav chémie biologickej oxidácie je najväčším úspechom biochémie. Uvádzame len niektoré z najdôležitejších informácií, podrobnú úvahu o komplexnom biochemickom systéme oxidácie obsahuje odborná literatúra (pozri).

Charakteristickým znakom systému oxidačnej fosforylácie, ktorý ho odlišuje od množstva enzymatických reakcií prebiehajúcich v roztoku, je prísna priestorová lokalizácia väzieb viacstupňového procesu. Oxidačná fosforylácia je lokalizovaná v mitochondriách a priamo súvisí s transportnou a mechanochemickou funkčnosťou ich membrán. Očividne áno komplexný systém biochemické reakcie zásadne vyžadujú priestorovú heterogenitu a nemohli by sa realizovať v homogénnom prostredí.

Dešifrovanie tu stručne opísaných redoxných reakcií sa dosiahlo použitím jemných chemických a fyzikálnych metód. Tu najmä
Významnú úlohu zohrala práca Chaisa venovaná spektroskopii nosičov elektrónov (NAD, FP, cytochrómy) v intaktných mitochondriách. Tieto nosiče majú charakteristické absorpčné pásy vo viditeľnej a blízkej ultrafialovej oblasti spektra a rozdielne spektrá umožňujú študovať kinetiku ich oxidácie a redukcie. Na odstránenie špecifických n enzýmov z mitochondrií sa použili rôzne metódy. čím sa zachovajú len určité odkazy

Ryža. 6.6. Distribúcia proteínov CPE komplexmi I, II, III, IV.

A, b, s. Cі, dі-\u003e ntochrómy, Cu - proteíny obsahujúce meď, (Fe -be) - nehémové železo, fs - sukcinátdehydrogenáza, iq-NAD H-dehydrogenáza.

Proces. Mitochondrie boli vypreparované, komplexy respiračných enzýmov zbavené štruktúrne proteíny. Ukázalo sa, že takéto komplexy je možné vyčistiť a podrobne študovať. Boli uskutočnené úspešné experimenty na obnovenie CPE z izolovaných prípravkov a rozpustných enzýmov. Napokon veľmi cenné informácie sa získali pri experimentoch o inhibícii jednotlivých stupňov procesu a o rozpojení oxidačnej fosforylácie a prenosu elektrónov (pozri § 6.5).

Možno považovať za preukázané, že nosiče CPE sú zoskupené do štyroch komplexov nazývaných Greenove komplexy (pozri). Zodpovedajúca schéma je znázornená na obr. 6.6. Molekulová hmotnosť každého komplexu je približne 3 – 105. Obsahuje približne 64 % bielkovín a 36 % lipidov. Elektrónový nosič
komplex je definovaný ako najmenšia jednotka CPE, ktorá si zachováva schopnosť prenášať elektrón rýchlosťou porovnateľnou s rýchlosťou v intaktných mitochondriách.

Štúdium biologickej oxidácie spĺňa potrebu vyriešiť množstvo fyzické problémy týkajúce sa rôznych úrovní organizácie a fungovania systému.

Štruktúra a funkcie molekulových nosičov elektrónov sú stále nedostatočne študované. V § 6.7 sú uvažované moderné údaje týkajúce sa štruktúry a vlastností cytochrómu c. Cytochróm c bol študovaný veľmi podrobne, ale jeho dynamické vlastnosti nemožno považovať za úplne preukázané a vysvetlené.

Štruktúra a funkčná organizácia mitochondrií boli predmetom intenzívneho štúdia. Mnohé z najdôležitejších otázok, ktoré s tým súvisia, však stále zostávajú nezodpovedané. Špecifická membránová štruktúra migochondrií, prítomnosť autonómneho programu na syntézu proteínov (DNA) v nich a mechanochemická aktivita mitochondrií priamo súvisia s ich úlohou ako „elektrární“ bunky. Ďalší vývoj mitochondriálna fyzika si vyžaduje holistický prístup.

Intenzívne sa rozvíja všeobecná teória transportu elektrónov v lokalizovanom systéme biologickej oxidácie. Boli navrhnuté zmysluplné kinetické modely, začali sa teoretické štúdie založené na zvažovaní elektronicko-konformačných interakcií. Tieto problémy sú pre biofyziku mimoriadne zaujímavé.

Je potrebné stanoviť molekulárnu povahu biologickej oxidácie, ktorá sa uskutočňuje ako výsledok konjugácie enzymatických, transportných a mechanochemických procesov. Mitochondrie sú miestom pre integráciu širokého spektra molekulárno-biologických javov, integrálnym systémom, ktorý si vyžaduje komplexné štúdium – teoretické a experimentálne rozoberanie a montáž „čiernej skrinky“.

Podľa zdrojov energie využívanej pre život sa všetky živé organizmy delia na autotrofy (využívajúce energiu slnečné svetlo) a heterotrofy (využívajúce energiu chemických väzieb). Energia sa v bunkách heterotrofných organizmov získava oxidáciou zložitých organických zlúčenín: sacharidov, tukov, bielkovín, ktoré organizmy prijímajú z vonkajšieho prostredia, t.j. vo forme svojich chemických väzieb spotrebúvajú živočíchy energiu z prostredia. Tieto látky sú energetickými zdrojmi buniek heterotrofných organizmov.

Prideliť tri stupne extrakcie energie z nich (obr. 1):

1. Štiepenie molekúl polyméru na monoméry. V tomto štádiu nedochádza k uvoľňovaniu biologicky užitočnej energie. Asi 1 % energie sa uvoľní a rozptýli ako teplo.

2. Štiepenie monomérov za vzniku hlavných medziproduktov - pyruvátu, acetyl-CoA. Tu sa uvoľní 20% energie s jej uložením v makroergických väzbách ATP a čiastočným rozptýlením vo forme tepla.

3. Oxidácia acetyl-CoA v cykle trikarboxylových kyselín na CO 2 a H 2 O a uvoľnenie atómových vodíkov, po ktorých nasleduje ich oxidácia kyslíkom v dýchacom reťazci enzýmov, spojená so syntézou ATP. Tu sa uvoľní 80% energie, z čoho väčšina (asi 60%) je uložená vo forme ATP.

Ryža. 1. Hlavné štádiá biologickej oxidácie spojené s fosforyláciou.

Klasifikácia biologických oxidačných procesov.

Biologické oxidačné procesy možno rozdeliť do dvoch hlavných typov:

1.voľná oxidácia- oxidácia, pri ktorej sa všetka energia oxidačnej reakcie uvoľňuje výlučne vo forme tepla. Tieto procesy nie sú spojené so syntézou ATP; nedochádza k premene energie uvoľnenej pri oxidácii na energiu makroergických väzieb. Voľná ​​oxidácia hrá pomocnú úlohu – slúži na tvorbu tepla a detoxikáciu škodlivých produktov látkovej premeny.

Všetky oxygenázové reakcie sledujú typ voľnej oxidácie, všetky oxidačné reakcie urýchlené peroxidázami alebo sprevádzané tvorbou H 2 O 2, mnohé reakcie katalyzované oxidázami.

Procesy voľnej oxidácie sú sústredené v cytosóle, v membránach endoplazmatického retikula bunky, v membránach lyzozómov, peroxizómov a Golgiho aparátu, na vonkajších membránach mitochondrií a chloroplastov, v jadrovom aparáte bunky. .

2. Oxidácia konjugátu- oxidácia, pri ktorej sa energia oxidačnej reakcie využíva na syntézu ATP. Preto sa tento typ oxidácie nazýva oxidácia spojená s fosforyláciou ADP. Dá sa to urobiť dvoma spôsobmi.

Ak pri oxidácii substrátu vzniká makroergická zlúčenina, ktorej energia sa využíva na syntézu ATP, potom sa tento typ biologickej oxidácie nazýva tzv. fosforylácia substrátu alebo fosforylácia na úrovni substrátu alebo oxidácia spojená s fosforyláciou ADP na úrovni substrátu. Príkladom takýchto reakcií sú 2 glykolýzne reakcie: premena kyseliny 1,3-difosfoglycerovej na kyselinu 3-fosfoglycerínovú a fosfoenolpyruvátu (PEP) na pyruvát, ako aj reakcia Krebsovho cyklu - hydrolýza sukcinyl-CoA na sukcinát. Tieto reakcie prebiehajú v spojení so syntézou ATP.

Ak sú so syntézou ATP spojené oxidačné procesy prebiehajúce v dýchacom reťazci enzýmov na vnútornej membráne mitochondrií, kde dochádza k prenosu protónov a elektrónov z oxidovaného substrátu na kyslík, potom sa tento typ biologickej oxidácie nazýva tzv. Oxidačná fosforylácia alebo fosforylácia na úrovni elektrónového transportného reťazca.

Schéma klasifikácie biologickej oxidácie

biologická oxidácia

Voľná ​​oxidácia Konjugovaná oxidácia

Oxidačný substrát

fosforylácia fosforylácia

Oxidačná fosforylácia využíva dehydrogenačné reakcie oxidovaného substrátu s následným prenosom atómov vodíka (protónov a elektrónov) na kyslík za účasti oxidoreduktáz. K prenosu vodíka na kyslík dochádza prostredníctvom série redoxných systémov, ktoré sú usporiadané v prísnom poradí - v súlade s hodnotou ich potenciálu. Takáto sekvencia reakcií spojených s prenosom vodíka na kyslík za účasti špecifických nosičov elektrónov sa nazýva respiračný (alebo elektrónový transportný) reťazec. U zvierat a ľudí sa skladá zo štyroch hlavných typov nosičov, z ktorých každý je schopný podstúpiť reverzibilnú oxidáciu a redukciu v dôsledku straty a zisku elektrónov pri interakcii s iným nosičom.

Ryža. 2. Vzájomné usporiadanie zložiek dýchacieho reťazca s uvedením miest fosforylácie a špecifických inhibítorov.

biologická oxidácia

Biologická oxidácia (bunková resp tkanivové dýchanie) - redoxné reakcie vyskytujúce sa v bunkách tela, v dôsledku ktorých sa komplexné organické látky oxidujú za účasti špecifických enzýmov kyslíkom dodávaným krvou. Konečnými produktmi biologickej oxidácie sú voda a oxid uhličitý. Energia uvoľnená v procese biologickej oxidácie sa čiastočne uvoľňuje vo forme tepla, ale hlavná časť ide na tvorbu molekúl komplexných organofosforových zlúčenín (najmä adenozíntrifosfát - ATP), ktoré sú zdrojmi energie potrebnej pre život tela.

V tomto prípade proces oxidácie spočíva v odstránení elektrónov a rovnakého počtu protónov z oxidovanej látky (substrát). Substráty biologickej oxidácie sú produkty premien tukov, bielkovín a sacharidov. Biologická oxidácia substrátov na konečné produkty sa uskutočňuje reťazcom po sebe idúcich reakcií, medzi ktorých medziprodukty patria trikarboxylové kyseliny - kyselina citrónová, cisakonitová a izocitrónová, preto sa celý reťazec reakcií nazýva cyklus trikarboxylových kyselín alebo Krebsov cyklus. (po výskumníkovi, ktorý založil tento cyklus).

Počiatočnou reakciou Krebsovho cyklu je kondenzácia oxalátu octová kyselina s aktivovanou formou kyseliny octovej (acetát), čo je zlúčenina s acetylačným koenzýmom - acetyl-CoA. Výsledkom reakcie je vznik kyseliny citrónovej, ktorá po štvornásobnej dehydrogenácii (odstránenie 2 atómov vodíka z molekuly) a dvojnásobnej dekarboxylácii (eliminácia molekuly CO2) vytvorí kyselinu oxaloctovú. Zdrojmi acetyl-CoA využívanými v Krebsovom cykle sú kyselina octová, kyselina pyrohroznová - jeden z produktov glykolýzy (pozri), mastné kyseliny (pozri) atď. Spolu s oxidáciou acetyl-CoA v Krebsovom cykle vznikajú ďalšie látky môžu byť tiež oxidované, schopné premeny na medziprodukty tohto cyklu, napríklad mnohé aminokyseliny vznikajúce pri rozklade bielkovín. Vďaka reverzibilite väčšiny reakcií Krebsovho cyklu môžu byť produkty rozkladu bielkovín, tukov a uhľohydrátov (medziproduktov) v ňom nielen oxidované, ale aj získané počas jeho obehu. Takto sa uskutočňuje vzťah medzi metabolizmom tukov, bielkovín a sacharidov.

Oxidačné reakcie vyskytujúce sa v Krebsovom cykle nie sú spravidla sprevádzané tvorbou energeticky bohatých zlúčenín. Výnimkou je premena sukcinyl-CoA na sukcinát (pozri Kyselina jantárová), ktorá je sprevádzaná tvorbou guanozíntrifosfátu. Väčšina ATP sa tvorí v reťazci respiračných enzýmov (pozri), kde je prenos elektrónov (a v skorých štádiách aj protónov) na kyslík sprevádzaný uvoľňovaním energie.

Reakcie eliminácie vodíka sú uskutočňované enzýmami triedy dehydrogenázy a atómy vodíka (t.j. protóny + elektróny) sú pripojené ku koenzýmom: nikotínamid adenín dinukleotid (NAD), nikotínamid adenín dinukleotid fosfát (NADP), flavín adenín dinukleotid (FAD), atď.

Procesy biologickej oxidácie spojené s Krebsovým cyklom a reťazcom respiračných enzýmov sa vyskytujú najmä v mitochondriách a sú lokalizované na ich membránach.

Procesy biologickej oxidácie spojené s Krebsovým cyklom sú teda dôležité tak pri tvorbe energeticky bohatých zlúčenín, ako aj pri prepojení metabolizmu sacharidov, tukov a bielkovín. Zdá sa, že iné typy biologickej oxidácie majú užší význam, ako napríklad zásobovanie buniek energiou. Ide o fázu glykolýzy, ktorá spočíva v oxidácii množstva zlúčenín fosforu so súčasnou redukciou NAD a tvorbou ATP alebo reakciou pentózového cyklu (t.j. oxidatívna premena glukóza-6-fosfátu), sprevádzané tvorbou fosfopentózy a zníženým NADP. Pentózový cyklus hrá dôležitú úlohu v tkanivách charakterizovaných intenzívnou syntézou nukleových kyselín, mastných kyselín, cholesterolu atď. Pozri tiež Metabolizmus a energia.

Biologická oxidácia - súbor redoxných reakcií vyskytujúcich sa v biologických objektoch. Oxidačným procesom sa rozumie strata elektrónov alebo elektrónov a protónov súčasne látkou (strata atómov vodíka) alebo pridaním kyslíka. Reakcie opačného smeru charakterizujú proces obnovy. Redukčné činidlá sú látky, ktoré strácajú elektróny, oxidačné činidlá sú látky, ktoré elektróny získavajú. Biologická oxidácia je základom tkanivového alebo bunkového dýchania (proces, ktorým tkanivá a bunky absorbujú kyslík a uvoľňujú ho oxid uhličitý a voda) - hlavný zdroj energie pre telo. Látkou, ktorá prijíma (prijíma) elektróny, t.j. redukuje, je molekulárny kyslík, ktorý sa mení na kyslíkový anión O -. Atómy vodíka odštiepené z organickej hmoty - substrátu oxidácie (SH2), sa pri strate elektrónov premenia na protóny alebo kladne nabité katióny vodíka:

SH2 -> S -> 2H; 2N—>2H++ 2e: 1/202—>0; О→2е→O -- ; 2H+ + O -- → H20 + 55 kcal. V dôsledku reakcie medzi vodíkovými katiónmi a kyslíkovými aniónmi vzniká voda a reakcia je sprevádzaná uvoľnením značného množstva energie na každých 18 g vody). Oxid uhličitý vzniká ako vedľajší produkt biologickej oxidácie. Niektoré reakcie O. viesť k tvorbe peroxidu vodíka pod vplyvom katalázy rozkladajúcej sa na H2O a O2.

Dodávateľmi energie v ľudskom tele sú potraviny – bielkoviny, tuky a sacharidy. Tieto látky však nemôžu slúžiť ako substráty O.. Predbežne sa štiepia v tráviacom trakte, kde z bielkovín vznikajú aminokyseliny, z tukov mastné kyseliny a glycerol a z komplexných sacharidov monosacharidy, predovšetkým hexózy. Všetky tieto zlúčeniny sú absorbované a dodávané (priamo alebo cez lymfatický systém) do krvi. Spolu s podobnými látkami vznikajúcimi v orgánoch a tkanivách tvoria „metabolický fond“, z ktorého telo čerpá materiál na biosyntézu a na uspokojenie energetických potrieb. O. hlavné substráty. sú produkty tkanivového metabolizmu aminokyselín, sacharidov a tukov, nazývané látky „cyklu kyseliny citrónovej“. Patria sem kyseliny:

citrónová, cisakonitová, izocitrónová, oxaljantárová, α-ketoglutarová, jantárová, fumarová, jablčná, oxaloctová.

Kyselina pyrohroznová CH3-CO-COOH sa priamo nezúčastňuje na cykle kyseliny citrónovej, ale zohráva v ňom významnú úlohu, rovnako ako produkt jej dekarboxylácie - aktívna forma kyseliny octovej CH3COCoA (acetyl-koenzým A).

Procesy zahrnuté v „cykle kyseliny citrónovej“ („Krebsov cyklus“, „cyklus kyseliny trikarboxylovej“) prebiehajú pôsobením enzýmov obsiahnutých v bunkových organelách nazývaných mitochondrie. Elementárnym aktom oxidácie akejkoľvek látky zaradenej do cyklu kyseliny citrónovej je odstránenie vodíka z tejto látky, t.j. akt dehydrogenácie v dôsledku aktivity zodpovedajúceho špecificky pôsobiaceho enzýmu dehydrogenázy (obr. 1).

Ryža. 1. Schéma Krebsovho cyklu kyseliny citrónovej.

Ak proces začína kyselinou pyrohroznovou, potom sa eliminácia dvoch atómov vodíka (2H) v Krebsovom cykle opakuje 5-krát a je sprevádzaná tromi po sebe nasledujúcimi stupňami dekarboxylácie. Prvý akt - dehydrogenácia - nastáva, keď sa kyselina pyrohroznová premení na acetyl-CoA, ktorý kondenzuje s kyselinou oxaloctovou na kyselinu citrónovú. Druhá dehydrogenácia vedie k tvorbe kyseliny oxalosukcínovej z kyseliny izocitrónovej. Tretí dej - odštiepenie dvoch atómov vodíka - je spojené s premenou kyseliny ketoglutarovej na sukcinyl-CoA; štvrtý - s dehydrogenáciou kyseliny jantárovej a nakoniec piaty - s premenou kyseliny jablčnej na kyselinu oxaloctovú, ktorá môže opäť kondenzovať s acetyl-CoA a poskytnúť tvorbu kyseliny citrónovej. Pri rozklade sukcinyl-CoA vzniká energeticky bohatá väzba (~ P) - ide o takzvanú substrátovú fosforyláciu: Sukcinyl-CoA + H3PO4 + ADP → kyselina jantárová + CoA + ATP.

Ryža. 2. Schéma dehydrogenácie substrátov cyklu kyseliny citrónovej špecifickými enzýmami pozostávajúcimi z disociujúcich komplexov: proteíny - b1, b2, b3 a b4 s NAD a NADH2 a proteín b5, ktorý tvorí komplex s FAD (sukcindehydrogenáza); CAA je kyselina cisakonitová.

Štyri z týchto aktov dehydrogenácie sa uskutočňujú za účasti špecifických dehydrogenáz, ktorých koenzýmom je nikotínamid adenín dinukleotid (NAD). Jeden akt - premena kyseliny jantárovej na fumarovú - nastáva pod vplyvom sukcindehydrogenázy - flavoproteínu I. V tomto prípade je koenzýmom flavínadeníndinukleotid (FAD). Výsledkom piatich opakovaných úkonov dehydrogenácie (obr. 2) je, že reakcie prebiehajúce v cykle kyseliny citrónovej vedú k tvorbe redukovaných foriem koenzýmov: 4-NADH2 1-FADH2. K flavínovým enzýmom patrí aj redukovaná NAD dehydrogenáza, teda prijímanie vodíka z NADH2 - ide o flavoproteín II. Od sukcindehydrogenázy sa však líši štruktúrou proteínovej aj flavínovej zložky. K ďalšej oxidácii redukovaných foriem flavoproteínov I a II obsahujúcich FADH2 dochádza za účasti cytochrómov (pozri), čo sú komplexné proteíny – chromoproteíny, obsahujúce porfyríny železa – hemy.

Keď je FADH2 oxidovaný, dráhy protónu a elektrónov sa rozchádzajú: protóny vstupujú do životné prostredie vo forme vodíkových iónov a elektróny cez sériu cytochrómov (obr. 3) sa prenesú na kyslík, čím sa zmení na kyslíkový anión O -. Medzi FADH2 a cytochrómovým systémom sa zjavne podieľa ďalší faktor – koenzým Q. Každý ďalší článok v dýchacom reťazci od NADH2 po kyslík sa vyznačuje vyšším redoxným potenciálom (pozri). V celom dýchacom reťazci z NADH2 na ½O2 sa potenciál mení o 1,1 V (z -0,29 V na + 0,81 V). O úplná oxidácia napríklad kyselina pyrohroznová, sprevádzaná päťnásobnou elimináciou vodíka, energetická účinnosť procesu bude asi 275 kcal (55X5). Táto energia nie je úplne rozptýlená ako teplo; približne 50 % z neho sa akumuluje vo forme bohatej na energiu

zlúčeniny fosforu, najmä adenozíntrifosfát (ATP).

Proces transformácie oxidačnej energie na energeticky bohaté väzby (~P) konečného fosfátového zvyšku molekuly ATP je lokalizovaný vo vnútorných mitochondriálnych membránach a je spojený s určitými štádiami prenosu vodíka a elektrónov pozdĺž dýchacieho reťazca (obr. 4). Všeobecne sa uznáva, že prvá fosforylácia je spojená s transportom vodíka z NADH2 do FAD, druhá je spojená s prenosom elektrónov na cytochróm c1 a napokon tretia, najmenej študovaná, sa nachádza medzi cytochrómami c a a .

Mechanizmus vzniku energeticky bohatých väzieb ešte nebol rozlúštený. Zistilo sa však, že proces pozostáva z niekoľkých medzireakcií (na obr. 4 - z J ~ X na ATP), z ktorých len posledná je tvorba energeticky bohatého fosfátového zvyšku ATP. Energeticky bohatá väzba koncovej fosfátovej skupiny v ATP sa odhaduje na 8,5 kcal na grammolekulu (za fyziologických podmienok asi 10 kcal). Pri prenose vodíka a elektrónov cez dýchací reťazec, počnúc NADH2 a končiac tvorbou vody, sa uvoľní 55 kcal a nahromadí sa vo forme ATP najmenej 25,5 kcal (8,5X3). Preto je energetická účinnosť procesu biologickej oxidácie asi 50%.

Ryža. 3. Schéma prenosu vodíka a elektrónov cez dýchací reťazec; E0 - redoxný potenciál.

Ryža. 5. Schéma využitia energie ATP fosfátových väzieb (AMP-R~R) pre rôzne fyziologické funkcie.

Biologický význam fosforylujúcej oxidácie je jasný (obr. 5): všetky životne dôležité procesy (svalová práca, nervová činnosť, biosyntéza) si vyžadujú energetický výdaj, okraje zabezpečuje rozbitie energeticky bohatých fosfátových väzieb (~P). Biologický význam nefosforylujúcej - voľnej - oxidácie možno vidieť v početných oxidačných reakciách, ktoré nie sú spojené s cyklom kyseliny citrónovej a prenosom vodíka a elektrónov pozdĺž dýchacieho reťazca. Patria sem napríklad všetky nemitochondriálne oxidačné procesy, oxidačné odstraňovanie toxických účinných látok a mnohé akty regulácie kvantitatívneho obsahu biologicky aktívnych látok (niektoré aminokyseliny, biogénne amíny, adrenalín, histidín, serotonín atď., aldehydy , atď.) viac či menej intenzívnou oxidáciou. Pomer voľnej a fosforylujúcej oxidácie je tiež jedným zo spôsobov termoregulácie u ľudí a teplokrvných živočíchov. Pozri tiež Metabolizmus a energia.

Živé organizmy nemôžu existovať bez energie. Vyžaduje si to každý proces, každý chemická reakcia. Mnoho živých bytostí, vrátane ľudí, môže získať energiu z potravy. Stojí za to podrobne pochopiť, odkiaľ energia pochádza a aké reakcie v tomto čase prebiehajú v bunkách živých organizmov.

Význam biologickej oxidácie a história jej výskumu

Základom výroby energie je proces biologickej oxidácie. Teraz to bolo študované, dokonca bola vytvorená celá veda, ktorá sa zaoberá všetkými jemnosťami a mechanizmami procesu - biochémia. Biologická oxidácia je súbor redoxných premien látok na živé organizmy. Redoxné reakcie sa nazývajú reakcie, ktoré sa vyskytujú pri zmene oxidačného stavu atómov v dôsledku prerozdelenia elektrónov medzi nimi.

Prvé predpoklady vedcov, že vo vnútri každého živého organizmu prebiehajú zložité procesy, boli vyslovené v 18. storočí. Problémom sa zaoberal francúzsky chemik Antoine Lavoisier, ktorý upozornil na skutočnosť, že procesy spaľovania a biologickej oxidácie sú si navzájom podobné.

Vedec sledoval cestu kyslíka, ktorý absorbuje živý organizmus pri dýchaní, a dospel k záveru, že v tele prebieha oxidačný proces, ktorý sa podobá procesu spaľovania, ale prebieha pomalšie. Lavoisier zistil, že molekuly kyslíka (oxidant) interagujú Organické zlúčeniny obsahujúce uhlík a vodík. Výsledkom je absolútna hodnota, pri ktorej sa zlúčeniny rozkladajú.

Niektoré body v procese štúdia problému zostali pre vedcov nepochopiteľné:

• prečo dochádza k oxidácii pri nízkej telesnej teplote, na rozdiel od podobného spaľovacieho procesu;
• prečo oxidácia nie je sprevádzaná uvoľnením plameňa a nie veľkým uvoľnením uvoľnenej energie;
• ako môžu živiny v tele „spáliť“, ak telo tvorí asi 80 % vody.

Na zodpovedanie týchto a mnohých ďalších otázok, ako aj na pochopenie toho, čo je biologická oxidácia, trvalo vedcom viac ako jeden rok. Chemici doteraz študovali: vzťah dýchania s inými metabolickými procesmi, vr. proces fosforylácie. Okrem toho vedci skúmali vlastnosti enzýmov, ktoré katalyzujú biologické oxidačné reakcie; lokalizácia v bunke; mechanizmus akumulácie a premeny energie.

Zložitejším spôsobom premeny živín na energiu je aeróbna biologická oxidácia, čiže tkanivové dýchanie. Táto reakcia sa uskutočňuje vo všetkých aeróbnych organizmoch, ktoré využívajú kyslík v procese dýchania. Aeróbna metóda biologickej oxidácie nie je možná bez molekulárneho kyslíka.

Cesty biologickej oxidácie a účastníci procesu

Aby sme konečne pochopili, čo je proces biologickej oxidácie, mali by sme zvážiť jeho fázy.

glykolýza- ide o bezkyslíkové štiepenie monosacharidov, predchádzajúce procesu bunkové dýchanie a sprevádzané uvoľňovaním energie. Toto štádium je počiatočné pre každý heterotrofný organizmus. Po glykolýze začnú anaeróby proces fermentácie.

Oxidácia pyruvátu spočíva v premene kyseliny pyrohroznovej, získanej v procese glykolýzy, na acetylkoenzým. Reakcia prebieha pomocou enzýmového komplexu pyruvátdehydrogenázy. Lokalizácia - mitochondriálne cristae.

Rozklad beta mastných kyselín prebieha paralelne s oxidáciou pyruvátu na cristae mitochondrií. Cieľom je spracovanie všetkých mastných kyselín na acetylkoenzým a jeho vstup do cyklu trikarboxylových kyselín.

Krebsov cyklus: najprv sa acetylkoenzým premení na kyselinu citrónovú, potom podlieha následným premenám (dehydrogenácii, dekarboxylácii a regenerácii). Všetky procesy sa niekoľkokrát opakujú.

Oxidačná fosforylácia- konečné štádium premeny zlúčenín v eukaryotických organizmoch. Adenozíndifosfát sa premieňa na kyselinu adenozíntrifosforečnú. Energia potrebná na to pochádza z oxidácie molekúl enzýmu dehydrogenázy a koenzýmu dehydrogenázy vytvorených v predchádzajúcich štádiách. Potom je energia obsiahnutá v makroergických väzbách kyseliny adenozíntrifosforečnej.

ATP

Oxidácia látok sa teda uskutočňuje nasledujúcimi spôsobmi:

• eliminácia vodíka zo substrátu, ktorý sa oxiduje (dehydrogenačný proces);
• spätný ráz elektrónu substrátom;
• pridanie kyslíka do substrátu.

V bunkách živých organizmov sa nachádzajú všetky uvedené typy oxidačných reakcií, ktoré sú katalyzované príslušnými enzýmami - oxidoreduktázami. Oxidačný proces sa nevyskytuje izolovane, je spojený s redukčnou reakciou: súčasne sa vyskytujú vodíkové alebo elektrónové adičné reakcie, to znamená, že sa uskutočňujú redoxné reakcie. Oxidačný proces je každý, ktorý je sprevádzaný uvoľňovaním elektrónov s nárastom oxidačných stavov (oxidovaný atóm má vyšší oxidačný stav). Pri oxidácii látky môže dôjsť aj k obnove – prichyteniu elektrónov k atómom inej látky.