Bioenergetski procesi koji vode do sinteze ATP-a, do punjenja "bioloških akumulatora", odvijaju se u specijalizovanim mitohondrijskim membranama. Ovdje su lokalizirani i prostorno organizirani molekularni sistemi odgovorni za energiju živih organizama. Sinteza ATP-a u mitohondrijima povezana je sa transportom elektrona i jona i sa mehanohemijskim fenomenima. Funkcije mitohondrijalnih membrana su vrlo složene i raznolike. Druga vrsta bioenergetskih konjugirajućih membrana - biljne hloroplastne membrane odgovorne za fotosintezu - razmatra se u 7. poglavlju.

Izvor energije koju ćelija troši za biosintezu, aktivni transport, mehanički i električni rad je disanje, odnosno oksidacija organskih jedinjenja atmosferskim kiseonikom. Godine 1780. Lavoisier je pokazao da su disanje i sagorijevanje iste prirode. Tokom sljedeća skoro dva stoljeća, istraživanja hemičara, biologa i fizičara dovela su do otkrivanja glavnih karakteristika biološke oksidacije - jednog od najvažnijih procesa (ili bolje rečeno, sistema procesa) koji se odvija u živoj prirodi.

Gorivo, odnosno tvari koje se mogu oksidirati, u organizam životinje ulaze s hranom u obliku masti, ugljikohidrata i bjelančevina. Masti su trigliceridi masnih kiselina, uglavnom polihidričnih kiselina. Oni se cijepaju, odnosno hidroliziraju u reakcijama koje kataliziraju posebni enzimi. Masne kiseline se aktiviraju uz učešće specifičnih enzima i ATP-a, pretvarajući se u acil derivate takozvanog koenzima A, Co A - SH, čija je struktura prikazana na Sl. 6.1. Oksidacija acilnog derivata Co A - SH odvija se u više faza, od kojih svaka formira ostatak masne kiseline koji sadrži dva atoma ugljika manje od prethodnog. Potpuna jednadžba za oksidaciju masne kiseline s parnim brojem atoma ugljika u acetil-S - Co A ima oblik

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

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

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

Ovdje je NAD koenzim nikotinamid adenin dinukleotid (Sl.

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

Rice. 6.1. Koenzim A.

TOC \ o "1-3" \ h \ z (slika 6.3), ADP i AMP - adenozin difosfat i adenozin mono - fosfat, Fn, FFN - neorganski mono - i difosfati. Skrenimo pažnju na općenitost i

Strukture ATP, CoA-SH, NAD i HB

FAD (vidi poglavlje 2). Kada se uništi - /\ / \

Nii mast na kraju obra - n | 9NH2

Acetil-CoA se naziva, kao i pro - n ^

PIONIL-KO A I GLYCERIN. - g_p_Q_QH

Cepanje i oksidacija ugljika - í | |

Voda (posebno škrob) na - \ C ^ n n ^ C dovodi do stvaranja trioze fosfata - í |> c "isg I NH

Tov i pirogrožđana kiselina I n L L n I 2

(piruvat). n°-rG° 0N 0N „ /h

Uz uništavanje proteina, zajedno sa / C N

Sa individualnom aminokiselinom - \ NSch J I

Mi koristimo u sintezi proteina - CH2 0 \

Kov de novo nastaje acetil-N

Co A, oksalacetat, a-ketoglutarat, INc^c/I

Fumarat i sukcinat. Ovi procesi nisu

Metabolizam je detaljno proučavan u OH

Moderna biohemija (vidi). Rice. c-2-nikotinamid adenin-

Glavni proizvodi cijepanja su dinukleotidi (NAD),

Niya i oksidacija masti, ugljikohidrata

A proteini prolaze dalje transformacije u cikličnom sistemu reakcija zvanom ciklus limunske kiseline ili Krebsov ciklus. Ovaj sistem je lokalizovan u mitohondrijima. Krebsov ciklus, „figurativno rečeno, ta glavna osovina oko koje se vrti metabolizam gotovo svih postojećih ćelija...

Krebs je "fokalna tačka" u kojoj se konvergiraju svi metabolički putevi.

Krebsov ciklus je prikazan na sl. 6.4. Za jedan krug ciklusa, koji se sastoji od osam reakcija, označenih na slici brojevima u krugovima, razgradi se jedan molekul acetil-CoA

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

A/\A/NH he he

H, C V N C s H II

Rice. 6.3. Flavia adenin dinukleotid (FAD).

Ili jedan molekul piruvata do CO2 i H20, odnosno "sagorevanja" ovih molekula. Odgovarajuće ukupne reakcije imaju oblik

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

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

(Zagrade pokazuju da je FAD čvrsto vezan za protein.)

Iz Krebsovog ciklusa proizlaze putevi mnogih biosintetskih reakcija - putevi za sintezu ugljikohidrata, lipida, purina, pirimidija i porfirina. Sinteza proteina je također povezana s ciklusom u kojem se stvaraju prekursori određenog broja aminokiselina. Istovremeno, kao što ćemo vidjeti, biološka oksidacija je izvor energije pohranjene u ATP-u i neophodna za biosintetske procese.

U reakcijama ciklusa pojavljuju se joni CO2 i H+. Istovremeno se obnavljaju koenzimi NAD i FAD. Za kontinuiranu i potpunu biološku oksidaciju, ove koferme moraju biti ponovo oksidirane. Oksidacija se provodi kombinacijom nosača elektrona koji formiraju lanac transporta elektrona (ECC) fiksiran u mitohondrijima. CPE pruža sljedeće reakcije:

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

(FAD-H) + 0,5 O, - (FAD) + H20 - 36,2 kcal / mol.

Reakcija acetil-CoA ima oblik

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

CPE, inače poznat kao respiratorni lanac, jeste

Ugljikohidrati-*- CH-CDC07 str

Piruvat u masnom

U v4 * - "Acetil-CoC CO2 2H ■

^ c \u003d o (T) r "

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

Tre-"bA.-izocitrati

A-ketoglutarap

NO-CH S02 fiOj (2)

"CH2 oksalacetat citrat

FQ) l-tlat \ Vz

Polienzimski sistem koji prihvata elektrone iz Krebsovog ciklusa i ciklusa oksidacije masnih kiselina.

Elektron se prenosi duž sledećeg lanca: Sukcinat - FP3 1

Supstrat -*■ PREKO -»- FP0 ->■ Citokrom b ->- -*■ Citokrom C) -» Citokrom c -»- Citokromi a + az -*■ 02.

Flavoproteini su specifični enzimi koji sadrže flavin koenzime-FAD (vidi sliku 6.3) i flavin mononukleotid - FMN, riboflavin-5"-fosfat. Citohromi sadrže hem grupu čiji atom gvožđa podleže oksidaciji i redukciji tokom rada lanca:

Fe2+ ​​Fe3+ - f e~.

Prijenos elektrona u gornjem lancu odvija se s lijeva na desno, završavajući redukcijom kisika, koji se spaja sa vodonikom u vodu. Elektron oslobođen tokom oksidacije povezan je sa sledećom karikom u lancu. Prijenos elektrona je praćen promjenom slobodne energije, kako se elektroni kreću kroz kaskadu rastućih redoks potencijala. Njihove vrijednosti su date u tabeli. 6.1.

Tabela 6.1

Redox potencijali nekih sistema

Prijenos elektrona duž respiratornog lanca povezan je sa skladištenjem energije u makroergijskim molekulima ATP-a. Drugim riječima, oslobođena slobodna energija se pretvara u kemijsku energiju ATP-a. Dolazi do oksidativne fosforilacije.

Ovaj najvažniji fenomen prvi je otkrio Engelhardt 1930. godine. Belitzer i Tsybakova su detaljno proučavali stehiometrijske odnose između oksidacije i fosforilacije, izvršili prva određivanja koeficijenta Fn O, tj. omjera broja molekula esterificiranog anorganskog
fosfata na broj atoma apsorbovanog kiseonika, i pokazao da vrednost ovog koeficijenta nije manja od 2. U radu su date termodinamičke procene koje su pokazale da je energija prenosa elektrona na kiseonik dovoljna za formiranje dva ili više ATP-a. molekula po atomu apsorbiranog kisika. Kalkar je otkrio da je aerobna fosforilacija povezana s disanjem i ne ovisi o glikolitičkoj fosforilaciji. Ochoa je precizirao kvantitativne omjere. Koeficijent Fn:O za oksidativne reakcije Krebsovog ciklusa i reakcije koje uključuju NAD je 3. Leninger je prvi ustanovio da su procesi oksidativne fosforilacije lokalizirani upravo u mitohondrijima.

Direktne strelice pokazuju ulazne tačke za elektrone. FP,. FP, ...-flavoproteini.

KoQ - koenzim Q.

10], a u radovima njegove laboratorije pronađene su čvorne tačke respiratornog lanca u kojima dolazi do fosforilacije. Navedena vrijednost Fn: O slijedi iz jednačine

NAD-H + ​​H+ + Z ADP + 3 Fn + V2O2 - NAD+ + 4 H20 + 3 ATP. Ova jednadžba sažima eksergoničku reakciju NAD-H + ​​H+ + V2O2 -> NAD+ + H20 + 52,7 kcal/mol

I endergonična reakcija

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

Fosforilacija ADP -\u003e ATP događa se na tri ključne točke - u dijelu NAD-H lanca - flavoprotein, u dijelu citokroma b citokroma cí i u dijelu citokroma c - * citokroma a + a3.

Opća shema konjugacije oksidacije s fosforilacijom prikazana je na sl. 6.5.

Napišimo ponovo grubu jednačinu fosforilacije

PiruWat^ Sushchinagp

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

Gdje je AG promjena slobodne energije. Imamo

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

AG = AG" + RT IP. (6.1)

AG0 - standardna promjena slobodne energije u kalorijama, odnosno vrijednost AG na pH 7,0, 25°C i koncentracija svih komponenti jednaka 1,0 M. Kao što je poznato,

AG0 = - RT u K, (6.2)

gdje je K konstanta ravnoteže reakcije. Za fosforilaciju AG0 = 7,3 kcal/mol. Uočena vrijednost AG in vivo ovisi o koncentraciji protona na obje strane membrane i, prema tome, o razlici membranskog potencijala. AG također ovisi o koncentraciji Mg++ jona. Kada se pH promijeni sa 6,0 na 9,0 pri = 10 mM, AG se mijenja sa 6,17 na 9,29 kcal/mol (vidi).

Promena slobodne energije tokom prenosa dva elektronska ekvivalenta duž CPE od NAD-H do 02 određena je razlikom redoks potencijala 0,82 - (-0,32) = = 1,14 V, tj.

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

Ovo osigurava višak sinteze 3 mola ATP-a iz ADP-a i Fn. Efikasnost procesa se izražava kao 21,9/52,7, odnosno približno jednaka 40%.

Energetski smisao disanja je sinteza ATP-a. Energiju pohranjenu u ATP-u ćelija koristi za obavljanje svih vrsta svog rada.

Otkriće hemije biološke oksidacije najveće je dostignuće biohemije. Ovdje su predstavljene samo neke od najvažnijih informacija, a detaljno razmatranje složenog biohemijskog sistema oksidacije sadržano je u posebnoj literaturi (vidi).

Karakteristika sistema oksidativne fosforilacije, koja ga razlikuje od brojnih enzimskih reakcija koje se odvijaju u rastvoru, je striktna prostorna lokalizacija karika višestepenog procesa. Oksidativna fosforilacija je lokalizovana u mitohondrijima i direktno je povezana sa transportom i mehanohemijskom funkcionalnošću njihovih membrana. Očigledno, tako složen sistem biohemijskih reakcija u osnovi zahteva prostornu heterogenost i ne može se realizovati u homogenom mediju.

Dešifrovanje redoks reakcija koje su ovde ukratko opisane dobijeno je primenom suptilnih hemijskih i fizičkih metoda. Ovdje, posebno,
Važnu ulogu odigrao je Chaisov rad posvećen spektroskopiji nosača elektrona (NAD, FP, citohromi) u intaktnim mitohondrijama. Ovi nosači imaju karakteristične apsorpcione trake u vidljivom i bliskom ultraljubičastom području spektra, a spektri razlike omogućavaju proučavanje kinetike njihove oksidacije i redukcije. Korištene su različite metode za uklanjanje specifičnih n enzima iz mitohondrija. čime se čuvaju samo određene veze

Rice. 6.6. Distribucija proteina po CPE kompleksima I, II, III, IV.

A, b, s. Cí, dí-\u003e ntohromi, Cu - proteini koji sadrže bakar, (Fe -be) - ne-hem željezo, fs - sukcinat dehidrogenaza, iq-NAD H-dehidrogenaza.

Proces. Mitohondrije su secirane, a iz submitohondrijalnih čestica izolovani su kompleksi respiratornih enzima bez strukturnih proteina. Pokazalo se da je takve komplekse moguće pročistiti i detaljno proučiti. Izvedeni su uspješni eksperimenti za obnavljanje CPE iz izolovanih preparata i rastvorljivih enzima. Konačno, vrlo vrijedne informacije su dobijene u eksperimentima o inhibiciji pojedinih faza procesa i o razdvajanju oksidativne fosforilacije i prijenosa elektrona (vidi § 6.5).

Može se smatrati utvrđenim da su CPE nosioci grupisani u četiri kompleksa, nazvana Greenovi kompleksi (vidi). Odgovarajuća šema je prikazana na sl. 6.6. Molekularna težina svakog kompleksa je oko 3-105. Sadrži oko 64% proteina i 36% lipida. Nosenje elektrona
kompleks je definiran kao najmanja CPE jedinica koja zadržava sposobnost prijenosa elektrona brzinom koja je uporediva sa onom u netaknutim mitohondrijama.

Proučavanje biološke oksidacije zadovoljava potrebe rješavanja niza fizičkih problema vezanih za različite nivoe organizacije i funkcionisanja sistema.

Struktura i funkcije molekularnih nosača elektrona još uvijek su nedovoljno proučene. U § 6.7 razmatraju se savremeni podaci koji se odnose na strukturu i svojstva citokroma c. Citokrom c je detaljno proučavan, ali se njegova dinamička svojstva ne mogu smatrati potpuno utvrđenim i objašnjenim.

Struktura i funkcionalna organizacija mitohondrija bili su predmet intenzivnog proučavanja. Međutim, mnogi kritična pitanja, vezano ovdje, još uvijek nemam odgovor. Specifična struktura membrane migohondrija, prisustvo u njima autonomnog programa za sintezu proteina (DNK) i mehanohemijska aktivnost mitohondrija direktno su povezani sa njihovom ulogom kao „elektrana“ ćelije. Dalji razvoj mitohondrijske fizike zahtijeva holistički pristup.

Intenzivno se razvija opšta teorija transporta elektrona u lokalizovanom sistemu biološke oksidacije. Predloženi su smisleni kinetički modeli, započeta su teorijske studije zasnovane na razmatranju elektronsko-konformacionih interakcija. Ovi problemi su od najvećeg interesa za biofiziku.

Potrebno je utvrditi molekularnu prirodu biološke oksidacije koja se odvija kao rezultat konjugacije enzimskih, transportnih i mehanohemijskih procesa. Mitohondrije su mesto za integraciju širokog spektra molekularno bioloških fenomena, integralni sistem koji zahteva sveobuhvatno proučavanje – teorijsko i eksperimentalno rastavljanje i sklapanje „crne kutije“.

URALSKA DRŽAVNA MEDICINSKA AKADEMIJA

Zavod za bioorgansku i biološku hemiju

KURSNI RAD NA TEMU:

biološka oksidacija.

umjetnici: studenti

pedijatrijski

fakultet 223 grupe

Zaruba N.S., Čaščina E.E.

Supervizor: docent,

dr Trubačev S.D.

Recenzent:

Jekaterinburg 2002.

I. Uvod…………………………………………………………………………….3

II. Opća predstavljanja o biološkoj oksidaciji.

Redox sistemi i potencijali……..3

III. Načini korištenja kiseonika u ćeliji…………………………………5

Oksidazni put za korištenje kisika. Mitohondrije.

Enzimi, njihova lokalizacija i značaj u oksidacionim procesima…….5

IV. Faze energetskog iskorišćavanja nutrijenata……………………6

V. Oksidativna fosforilacija……………………………………………………9

Mitchell-ova hemiosmotička teorija……..……….……..9

Redox - lanac oksidativne fosforilacije………………10

VI. Krebsov ciklus…………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………21

Otvaranje CTC-a…………………………………………………………………..22

Reakcije, enzimi. Uredba……………………………………………...23

VII. Makroergijska jedinjenja i veze……………………………………………29

VIII. Vitamin RR. Učešće u procesima oksidacije……………………………….30

IX. Mikrosomalna oksidacija……………………………………………31

Reakcije monooksigenaze…………………………………………31

Reakcije dioksigenaze…………………………………………….32

Citokromi……………………………………………………………………32

X. Peroksidazni put iskorištavanja kisika…………………..33

XI. Enzimska antioksidativna zaštita…………………………34

Superoksid dismutaza, katalaza, peroksidaza……….34

XII. Neenzimska antioksidativna zaštita…………………………………35

Vitamini C, E i P……………………………………………………………35

XIII. Zaključak……………………………………………………………………..38

XIV. Reference………………………………………………………..39

Uvod.

U hemiji, oksidacija se definira kao uklanjanje elektrona, dok se redukcija definira kao dodavanje elektrona; ovo se može ilustrirati primjerom oksidacije fero-iona u feri-ion:

Fe 2+ -e → Fe 3+

Otuda slijedi da je oksidacija uvijek praćena redukcijom akceptora elektrona. Ovaj princip redoks procesa je podjednako primjenjiv na biohemijske sisteme i karakterizira prirodu bioloških oksidacijskih procesa.

Iako neke bakterije (anaerobi) žive u nedostatku kisika, život viših životinja u potpunosti ovisi o opskrbi kisikom. Kiseonik se uglavnom koristi u procesu disanja – potonje se može definisati kao proces hvatanja ćelijske energije u obliku ATP-a tokom kontrolisanog dodavanja kiseonika sa vodonikom da bi se formirala voda. Osim toga, molekularni kisik je uključen u različite supstrate uz sudjelovanje enzima koji se nazivaju oksigenaze. Mnoge lijekove, tvari strane organizmu, karcinogene (ksenobiotike) napadaju enzimi ove klase, koji se zajedno nazivaju citokrom P 450.

Hipoksični poremećaji staničnog metabolizma zauzimaju vodeće mjesto u patogenezi kritičnih stanja. Glavna uloga u formiranju ireverzibilnosti patoloških procesa pripisuje se ekstremnim manifestacijama poremećaja staničnog metabolizma. Adekvatna opskrba ćelije kisikom glavni je uvjet za održavanje njene vitalnosti.

Uvođenje kisika može spasiti život pacijentima koji imaju poremećeno disanje ili cirkulaciju krvi. U nekim slučajevima, terapija kisikom se uspješno koristi pod visokog pritiska; međutim, treba napomenuti da intenzivna ili produžena terapija kisikom pod visokim pritiskom može uzrokovati toksičnost kisika.

Prilikom pisanja ovog rada, imali smo cilj: proučiti biološku oksidaciju i njen značaj u životu ćelije i organizma u cjelini. Za ovo smo razmotrili:

Upotreba kiseonika od strane ćelije;

Izvori energije ćelije - ciklus limunske kiseline (Krebsov ciklus), oksidativna fosforilacija;

mikrosomalna oksidacija;

Antioksidativna zaštita

Opće ideje o biološkoj oksidaciji.

Redox sistemi i potencijali.

Izvor energije koji se koristi za obavljanje svih vrsta rada (hemijskih, mehaničkih, električnih i osmotskih) je energija hemijskog vezivanja. Oslobađanje energije iz ugljikohidrata, masti, proteina i drugih organskih spojeva događa se tokom njihovog redoks raspadanja. Oslobođena energija se troši na sintezu ATP-a.

Promjena slobodne energije, koja karakterizira reakcije oksidacije i redukcije, proporcionalna je sposobnosti reaktanata da doniraju ili prihvate elektrone. Stoga se promjena slobodne energije redoks procesa može okarakterisati ne samo vrijednošću DG 0", već i vrijednošću redoks potencijala sistema (Eo). Obično je redoks potencijal sistema u poređenju s potencijalom vodikove elektrode, uzimajući potonje kao nula, 0V pri pH = 0. Međutim, za biološke sisteme je prikladnije koristiti redoks potencijal pri pH = 7,0 (Eo "); pri ovom pH, potencijal vodonične elektrode je -0,42V.

Koristeći tabelu 1, može se predvidjeti u kojem smjeru će ići tok elektrona kada se konjugira jedan redoks sistem.

Tabela 1. Standardni potencijali nekih redoks sistema.

Načini korištenja kisika u ćeliji.

Postoje tri načina korištenja kisika u ćeliji, koje karakteriziraju sljedeće reakcije:

1) oksidazni put (90% dolaznog kiseonika se redukuje na H 2 O uz učešće enzima citokrom oksidaze)

0 2 + 4e + 4H + → 2H 2 O

2) oksigenazni put (uključivanje u supstrat jednog atoma kiseonika - monooksigenazni put, dva atoma kiseonika - put diooksigenaze) - monooksigenazni put

Dioksigenazni put

3) slobodno-radikalni put (ide bez učešća enzima i ATP se ne formira).

Oksidazni put za korištenje kisika. Mitohondrije. Enzimi, njihova lokalizacija i značaj u procesu oksidacije.

Mitohondrije se s pravom nazivaju "energetskim stanicama" ćelije, jer se upravo u tim organelama uglavnom hvata energija dobijena oksidativnim procesima. Mitohondrijski sistem konjugacije oksidativnih procesa sa stvaranjem visokoenergetskog ATP intermedijera naziva se oksidativna fosforilacija.

Mitohondrije imaju vanjsku membranu koja je propusna za većinu metabolita i selektivno propusnu unutarnju membranu s mnogo nabora (krista) koji strše prema matriksu (unutrašnjem prostoru mitohondrija). Vanjska membrana se može ukloniti tretmanom digitoninom; karakteriše ga prisustvo monoamin oksidaze i nekih drugih enzima (npr. acil-CoA sintetaza, glicerofosfat aciltransferaza, monoacilglicerofosfat aciltransferaza, fosfolipaza A2). Intermembranski prostor sadrži adenilat kinazu i kreatin kinazu. Fosfolipidni kardiolipin je lokaliziran u unutrašnjoj membrani.

Matriks sadrži rastvorljive enzime ciklusa limunske kiseline i enzime b-oksidacije masnih kiselina, stoga postoji potreba za mehanizmima za transport metabolita i nukleotida kroz unutrašnju membranu. Sukcinat dehidrogenaza je lokalizovana na unutrašnjoj površini unutrašnje mitohondrijalne membrane, gde prenosi reduktivne ekvivalente respiratornog lanca na nivou ubikinona (zaobilazeći prvu redoks petlju). 3-hidroksibutirat dehidrogenaza je lokalizirana na matriksnoj strani unutrašnje mitohondrijalne membrane. Glicerol-3-fosfat dehidrogenaza nalazi se na vanjskoj površini unutrašnje membrane, gdje učestvuje u funkcionisanju glicerofosfatnog šatl mehanizma.

Faze energetskog iskorišćenja nutrijenata.

Energetska upotreba nutrijenata je složen proces koji se odvija u tri faze, prema sljedećoj shemi:

Shema 1. Faze katabolizma nutrijenata.

U fazi 1, veliki polimerni molekuli se razlažu na monomerne podjedinice: proteini u aminokiseline, polisaharidi u šećere, a masti u masne kiseline i kolesterol. Ovaj preliminarni proces, nazvan probava, provodi se uglavnom izvan ćelija djelovanjem enzima koji se izlučuju u šupljinu. probavni trakt. U fazi 2, formirane male molekule ulaze u ćelije i prolaze dalje cijepanje u citoplazmi. Većina atoma ugljika i vodika šećera pretvara se u piruvat, koji, prodirući u mitohondrije, formira tamo acetilnu grupu reaktivnog spoja acetil koenzima A (acetil-CoA). Velika količina acetil-CoA također nastaje tokom oksidacije masnih kiselina. U fazi 3, acetilna grupa acetil-CoA se potpuno cijepa na CO 2 i H 2 O. U ovoj završnoj fazi se formira većina ATP-a. U nizu spregnutih hemijskih reakcija više od polovine energije koja se, prema teoretskim proračunima, može izdvojiti iz ugljikohidrata i masti kada se oksidiraju u H 2 O i CO 2 koristi se za izvođenje energetski nepovoljne reakcije F n + ADP ® ATP. Pošto ostatak energije oslobođene tokom oksidacije oslobađa ćelija u obliku toplote, rezultat formiranja ATP-a je sveukupno povećanje nereda u svemiru, što je u potpunosti u skladu sa drugim zakonom termodinamike.

Kroz formiranje ATP-a, energija prvobitno ekstrahirana oksidacijom iz ugljikohidrata i masti pretvara se u pogodniji koncentrirani oblik kemijske energije. U otopini koja se nalazi u unutarćelijskom prostoru tipične ćelije nalazi se približno 1 milijarda ATP molekula, čija hidroliza na ADP i fosfat daje potrebnu energiju za mnoge energetski nepovoljne reakcije.

Najvažniji korak u fazi 2 katabolizma je glikoliza, slijed reakcija koje dovode do razgradnje glukoze. Tokom glikolize, molekul glukoze koji sadrži 6 atoma ugljika pretvara se u 2 molekula piruvata koji sadrže po 3 atoma ugljika. Za ovu transformaciju potrebno je 9 uzastopnih enzimskih reakcija, u kojima se formira niz intermedijarnih spojeva koji sadrže fosfate. (Vidi sliku 1.)

Logično, slijed reakcija glikolize može se podijeliti u tri faze: 1) u reakcijama 1-4 (vidi sliku 1), glukoza se pretvara u trougljični aldehid gliceraldehid-3-fosfat (za ovu transformaciju su potrebne dvije fosfatne grupe, a potrebna energija se oslobađa tokom hidrolize ATP-a); 2) u reakcijama 5-6 aldehidna grupa svakog molekula gliceraldehid-3-fosfata se oksidira u karboksil, a energija oslobođena u ovom slučaju se troši na sintezu ATP-a iz ADP-a i Fn; 3) u reakcijama 7-9, ona dva molekula fosfata koja su bila vezana za šećer u prvoj fazi se prenose nazad u ADP, usled čega nastaje ATP i troškovi ATP se nadoknađuju u 1. fazi.

Slika 1. Intermedijeri glikolize.

Ukupna izlazna energija tokom glikolize svodi se na sintezu dva molekula ATP-a (po jednom molekulu glukoze), koji su nastali u reakcijama 5 i 6. Stoga su ove reakcije od odlučujućeg značaja za glikolizu. Ove dvije reakcije su jedine u cijelom procesu u kojima se iz Fn formira visokoenergetska fosfatna veza. Kombinovani rezultat ove dvije reakcije je oksidacija aldehida šećera u fosfoglicerolnu kiselinu, prijenos Fn u ADP kako bi se formirala visokoenergetska ATP veza i redukcija NAD+ u NADH.

Za većinu životinjskih ćelija, glikoliza prethodi fazi 3 katabolizma, kao Mliječna kiselina nastala tokom glikolize brzo ulazi u mitohondrije, gdje se oksidira u CO 2 i H 2 O. Ipak, u anaerobnim organizmima i tkivima sposobnim za rad u anaerobnim uvjetima, glikoliza može postati glavni izvor ćelijskog ATP-a. U tim slučajevima, molekuli piruvata ostaju u citosolu i pretvaraju se u laktat, koji se zatim izlučuje iz ćelije. Potrebna je daljnja konverzija piruvata u ovim reakcijama koje proizvode energiju, zvanom fermentacija, kako bi se u potpunosti iskoristio redukcijski potencijal dobiven u reakciji 5 glikolize i tako regenerirao NAD + neophodan za daljnju provedbu glikolize.

oksidativna fosforilacija.

Oksidativna fosforilacija omogućava aerobnim organizmima da zahvate značajan dio potencijalno slobodne energije oksidacije supstrata. Moguće objašnjenje za mehanizam oksidativne fosforilacije nudi hemiosmotska teorija. Brojni lijekovi (npr. amobarbital) i otrovi (cijanid, ugljični monoksid) inhibiraju oksidativnu fosforilaciju, obično sa fatalnim posljedicama. Oksidativna fosforilacija je toliko vitalan proces da je poremećaj njegovog normalnog toka nespojiv sa životom. Ovo može objasniti zašto je pronađen samo mali broj genetskih poremećaja koji utiču na ovaj sistem.

Iako je ciklus limunske kiseline dio aerobnog metabolizma, nijedna od reakcija ovog ciklusa koje dovode do stvaranja NADH i FADH 2 nije direktno uključena u molekularni kisik; ovo se dešava samo u završnoj seriji kataboličkih reakcija koje se dešavaju na unutrašnjoj membrani. Gotovo sva energija dobivena u ranim fazama oksidacije sagorijevanjem ugljikohidrata, masti i drugih nutrijenata u početku se pohranjuje u obliku visokoenergetskih elektrona koje nose NADH i FADH. Ovi elektroni zatim stupaju u interakciju s molekularnim kisikom u respiratornom lancu. Budući da enzimi unutrašnje membrane koriste veliku količinu oslobođene energije za sintezu ATP-a iz ADP-a i Pn-a, ove posljednje reakcije se nazivaju oksidativna fosforilacija.

Sinteza ATP-a u reakcijama oksidativne fosforilacije koja se odvija u respiratornom lancu zavisi od hemiosmotski proces . Mehanizam ovog procesa, prvi put predložen 1961. godine, omogućio je rješavanje problema s kojim se dugo suočavala biologija ćelije.

Ranije se smatralo da se energija za sintezu ATP-a u respiratornom lancu osigurava istim mehanizmom kao u fosforilaciji supstrata: pretpostavljalo se da se energija oksidacije koristi za formiranje visokoenergetske veze između fosfatne grupe i nekog intermedijarnog jedinjenja. i da se konverzija ADP-a u ATP vrši na osnovu energije oslobođene kada se veza prekine. Međutim, uprkos intenzivnim pretragama, navodni međuproizvod nije pronađen.

Prema hemiosmotskoj hipotezi, umjesto energetski bogatih međuproizvoda, postoji direktna veza između hemijskih procesa („hemi...“) i transporta (osmotski, od grčkog osmos - potiskivanje, pritisak) - hemiosmotska sprega.

Hemiosmotska hipoteza, predložena ranih 1960-ih, uključivala je četiri nezavisna postulata o funkciji mitohondrija:

1. Mitohondrijski respiratorni lanac, koji se nalazi u unutrašnjoj membrani, u stanju je da pokreće protone; kada elektroni prolaze kroz respiratorni lanac, H + se „ispumpava“ iz matrice.

2. Kompleks mitohondrijalnog ATP sintetaze takođe pokreće protone kroz unutrašnju membranu. Budući da je ovaj proces reverzibilan, enzim ne samo da može koristiti energiju hidrolize ATP-a za transport H+ kroz membranu, već sa dovoljno velikim protonskim gradijentom, protoni počinju da „teku” kroz ATP sintetazu u obrnuti smjer koji je praćen sintezom ATP-a.

3. Unutrašnja membrana mitohondrija je nepropusna za H + , OH - i općenito sve anjone i katjone.

4. Unutrašnja mitohondrijalna membrana sadrži niz proteina nosača koji vrše transport neophodnih metabolita i neorganskih jona.

Prolaskom visokoenergetskih elektrona koje isporučuju NADH i FADH 2 kroz respiratorni lanac unutrašnje mitohondrijalne membrane od jednog nosača do drugog, oslobađa se energija koja se koristi za pumpanje protona (H +) preko unutrašnje membrane iz matriksa u intermembranskog prostora. (vidi sliku 2)

Slika 2. Transfer protona uz učešće ATP sintaznog sistema (Mitchell model).

Kao rezultat, na unutrašnjoj membrani se stvara elektrohemijski protonski gradijent; Energiju obrnute struje protona “dolje” duž ovog gradijenta koristi membranski vezan enzim ATP sintetaza, koji katalizira stvaranje ATP-a iz ADP-a i Pn, tj. završna faza oksidativne fosforilacije.

Redox lanac oksidativne fosforilacije.

Elektroni se prenose sa NADH na kiseonik pomoću tri velika kompleksa enzima respiratornog lanca. Iako su mehanizmi izdvajanja energije u respiratornom lancu i drugim kataboličkim reakcijama različiti, oni se temelje na zajedničkim principima. Reakcija H 2 + 1/2 O 2 ® H 2 O se razlaže na mnogo malih "koraka" tako da se oslobođena energija može pretvoriti u vezane oblike umjesto da se rasprši kao toplina. Kao i kod stvaranja ATP-a i NADH u glikolizi ili u ciklusu limunske kiseline, to je zbog upotrebe indirektan način. Ali jedinstvenost respiratornog lanca leži u činjenici da se ovdje prije svega atomi vodika dijele na elektrone i protone. Elektroni se prenose kroz niz nosača , ugrađen u unutrašnju mitohondrijalnu membranu. Kada elektroni dođu do kraja ovog lanca transporta elektrona, protoni su tu da neutraliziraju negativni naboj koji nastaje kada elektroni prijeđu do molekule kisika.

Pratimo proces oksidacije, počevši od formiranja NADH, glavnog akceptora reaktivnih elektrona ekstrahovanih tokom oksidacije molekula nutrijenata. Svaki atom vodika se sastoji od jednog elektrona i jednog protona. Svaki NADH molekul nosi hidridni ion (atom vodonika + dodatni elektron, H:-), a ne samo atom vodonika. Međutim, zbog prisustva slobodnih protona u okolnoj vodenoj otopini, prijenos hidridnog jona u sastavu NADH je ekvivalentan prijenosu dva atoma vodika ili molekule vodika (H: - + H + ® H 2) .

Prenos elektrona duž respiratornog lanca počinje uklanjanjem hidridnog jona (H: -) iz NADH; u ovom slučaju, NAD + se regeneriše, a hidridni ion se pretvara u proton i dva elektrona (H: - ® H + + 2e -). Ovi elektroni idu do prvog od preko 15 različitih nosača elektrona u respiratornom lancu. U ovom trenutku, elektroni imaju vrlo veliku količinu energije, čija se zaliha postepeno smanjuje kako prolaze kroz kolo. Najčešće se elektroni kreću od jednog metalnog atoma do drugog, pri čemu je svaki od ovih atoma čvrsto vezan za proteinski molekul, što utiče na njegov afinitet prema elektronu. Važno je napomenuti da su svi proteini nosači elektrona grupirani u tri velika kompleksa respiratornih enzima, od kojih svaki sadrži transmembranske proteine ​​koji čvrsto fiksiraju kompleks u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani. Svaki naredni kompleks ima veći afinitet za elektrone od prethodnog. Elektroni sukcesivno prelaze iz jednog kompleksa u drugi, sve dok konačno ne pređu do kiseonika, koji ima najveći afinitet prema elektronima.

Energija oslobođena tokom transporta elektrona duž respiratornog lanca pohranjuje se u obliku elektrohemijskog gradijenta protona preko unutrašnje mitohondrijalne membrane.

Oksidativna fosforilacija je moguća zbog bliske povezanosti nosača elektrona s proteinskim molekulima. Proteini usmjeravaju elektrone duž respiratornog lanca tako da oni uzastopno prolaze s jednog kompleksa enzima na drugi bez "skakanja" kroz međukarike. Posebno je važno da je prijenos elektrona povezan s alosteričnim promjenama pojedinih proteina molekula, uslijed čega energetski povoljan protok elektrona uzrokuje pumpanje protona (H+) kroz unutrašnju membranu iz matriksa u intermembranu. prostor i dalje izvan mitohondrija. Kretanje protona dovodi do dvije važne posljedice: 1) stvara se pH gradijent između dvije strane unutrašnje membrane – u matriksu je pH viši nego u citosolu, gdje je pH vrijednost obično blizu 7,0 (pošto mali molekuli slobodno prolaze kroz vanjsku membranu mitohondrija, pH u međumembranskom prostoru bit će isti kao u citosolu); 2) na unutrašnjoj membrani se stvara naponski gradijent (membranski potencijal), pri čemu je unutrašnja strana membrane negativno nabijena, a vanjska pozitivno. pH gradijent (DrN) dovodi do toga da se ioni H+ pomiču nazad u matriks, a OH ioni van matriksa, što pojačava efekat membranskog potencijala, pod čijim se uticajem na matriks privlači bilo koji pozitivan naboj, a svaki negativan. je istisnut iz toga. Kombinirano djelovanje ove dvije sile dovodi do pojave elektrohemijskog protonskog gradijenta. Elektrohemijski protonski gradijent stvara protonsku pokretačku silu, mjerenu u milivoltima (mV).

Energija elektrohemijskog protonskog gradijenta koristi se za sintezu ATP-a i transport metabolita i neorganskih jona u matriks.

Unutrašnju membranu mitohondrija karakteriše neuobičajeno visok sadržaj proteina - sadrži približno 70% proteina i 30% fosfolipida po težini. Mnogi od ovih proteina su dio lanca transporta elektrona koji održava gradijent protona kroz membranu. Još jedna važna komponenta - enzim ATP sintaza, koji katalizuje sintezu ATP-a. Ovo je veliki proteinski kompleks kroz koji se protoni vraćaju u matriks duž elektrohemijskog gradijenta. Poput turbine, ATP sintetaza pretvara jedan oblik energije u drugi, sintetizirajući ATP iz ADP-a i Pn u mitohondrijskom matriksu u reakciji spojenoj sa protokom protona u matriks (vidi sliku 3).

Slika 3. Opšti mehanizam oksidativne fosforilacije.

Ali sinteza ATP-a nije jedini proces koji se javlja zbog energije elektrohemijskog gradijenta. U matriksu, gdje se nalaze enzimi uključeni u ciklus limunske kiseline i druge metaboličke reakcije, potrebno je održavati visoke koncentracije različitih supstrata; posebno, ATP sintetaza zahtijeva ADP i fosfat. Zbog toga se kroz unutrašnju membranu moraju transportovati različiti supstrati koji nose naboj. To se postiže raznim transporterskim proteinima ugrađenim u membranu, od kojih mnogi aktivno pumpaju specifične molekule protiv njihovih elektrohemijskih gradijenta, tj. izvršiti proces koji zahtijeva energiju. Za većinu metabolita, izvor ove energije je konjugacija sa kretanjem nekih drugih molekula "dole" duž njihovog elektrohemijskog gradijenta. Na primjer, ADP-ATP antiport sistem je uključen u transport ADP: kada svaki ADP molekul uđe u matriks, jedan ATP molekul ga napusti duž njegovog elektrohemijskog gradijenta. Istovremeno, symport sistem spaja transfer fosfata u mitohondrije sa protokom H+ koji je tamo usmjeren: protoni ulaze u matriks duž svog gradijenta i istovremeno "vuku" fosfat sa sobom. Slično se prenosi na matriks i piruvat. Energija elektrohemijskog protonskog gradijenta se takođe koristi za prenos Ca 2+ jona u matriks, koji očigledno igraju važnu ulogu u regulaciji aktivnosti nekih mitohondrijalnih enzima.

Što se više energije elektrohemijskog gradijenta troši na prijenos molekula i iona do mitohondrija, to manje ostaje za sintezu ATP-a. Na primjer, ako se izolovani mitohondriji stave u okruženje sa visokim sadržajem Ca 2 +, oni će potpuno zaustaviti sintezu ATP-a; sva energija gradijenta će se potrošiti na transport Ca 2+ do matriksa. U nekim specijalizovanim ćelijama, elektrokemijski protonski gradijent je "šantirao" na takav način da mitohondrije proizvode toplotu umesto sinteze ATP-a. Očigledno je da ćelije mogu regulirati korištenje energije elektrohemijskog protonskog gradijenta i usmjeriti je na one procese koji su trenutno najvažniji.

Brza konverzija ADP u ATP u mitohondrijima omogućava održavanje visokog omjera koncentracija ATP/ADP u stanicama. Uz pomoć specijalnog proteina ugrađenog u unutrašnju membranu, ADP se transportuje u matriks u zamjenu za ATP prema principu antiporta. Kao rezultat toga, molekuli ADP-a koji se oslobađaju tokom hidrolize ATP-a u citosolu brzo ulaze u mitohondrije za “ponovno punjenje”, dok molekuli ATP-a formirani u matriksu tokom oksidativne fosforilacije također brzo izlaze u citosol gdje su potrebni. U ljudskom tijelu ATP molekula dnevno, što omogućava održavanje koncentracije ATP-a u ćeliji koja je više od 10 puta veća od koncentracije ADP-a.

U procesu oksidativne fosforilacije, svaki par NADH elektrona daje energiju za formiranje približno tri ATP molekula. Par FADH 2 elektrona, koji ima nižu energiju, daje energiju za sintezu samo dva ATP molekula. U prosjeku, svaki acetil-CoA molekul koji ulazi u ciklus limunske kiseline daje oko 12 ATP molekula. To znači da kada se oksidira jedan molekul glukoze, nastaje 24 molekula ATP-a, a kada se oksidira jedan molekul palmitata, masne kiseline sa 16 atoma ugljika, nastaje 96 molekula ATP-a. Ako se uzmu u obzir i egzotermne reakcije koje prethode stvaranju acetil-CoA, ispada da kompletnom oksidacijom jedne molekule glukoze nastaje oko 36 ATP molekula, dok potpunom oksidacijom palmitata nastaje oko 129 ATP molekula. Ovo su maksimalne vrijednosti, jer zapravo količina ATP-a sintetiziranog u mitohondrijima ovisi o tome koji dio energije gradijenta protona odlazi na sintezu ATP-a, a ne na druge procese. Ako uporedimo promjenu slobodne energije pri sagorijevanju masti i ugljikohidrata direktno na CO 2 i H 2 O sa ukupnom količinom energije pohranjene u fosfatnim vezama ATRP-a u procesima biološke oksidacije, ispada da je efikasnost pretvaranje energije oksidacije u energiju ATP često prelazi 50%. Pošto se sva neiskorištena energija oslobađa kao toplota, velikim organizmima bi trebalo više efikasne načine rasipanje toplote u okolinu.

Ogromna količina slobodne energije koja se oslobađa tokom oksidacije može se efikasno iskoristiti samo u malim porcijama. Složen proces oksidacije uključuje mnogo međuproizvoda, od kojih se svaki tek neznatno razlikuje od prethodnog. Zbog toga se oslobođena energija razlaže na manje količine, koje se pomoću spregnutih reakcija mogu efikasno pretvoriti u visokoenergetske veze molekula ATP i NADH.

1960. godine po prvi put je pokazano da se različiti membranski proteini uključeni u oksidativnu fosforilaciju mogu izolovati bez gubitka aktivnosti. Sa površine submitohondrijalnih čestica bilo je moguće odvojiti i pretvoriti u rastvorljiv oblik sićušne proteinske strukture koje ih prošaraju. Iako su submitohondrijske čestice bez ovih sfernih struktura nastavile da oksidiraju NADH u prisustvu kiseonika, do sinteze ATP-a nije došlo. S druge strane, izolovane strukture su djelovale kao ATPaze, hidrolizujući ATP u ADP i Pn. Kada su sferne strukture (zvane F1-ATPaze) dodate submitohondrijalnim česticama kojima nedostaju, preoblikovane čestice su ponovo sintetizirale ATP iz ADP i Fn.

F 1 - ATPaza je dio velikog, prodire u cijelu debljinu membranskog kompleksa, koji se sastoji od najmanje devet različitih polipeptidnih lanaca. Ovaj kompleks se naziva ATP sintetaza; čini oko 15% ukupnog proteina unutrašnje mitohondrijalne membrane. Vrlo slične ATP sintetaze nalaze se u membranama hloroplasta i bakterija. Takav proteinski kompleks sadrži transmembranske kanale za protone i javlja se samo kada protoni prolaze kroz te kanale niz njihov elektrohemijski gradijent.

ATP sintetaza može djelovati u suprotnom smjeru – cijepajući ATP i pumpajući protone. Djelovanje ATP sintetaze je reverzibilno: ona je u stanju da koristi i energiju hidrolize ATP-a za pumpanje protona kroz unutrašnju mitohondrijsku membranu, i energiju protoka protona duž elektrohemijskog gradijenta za sintezu ATP-a. Dakle, ATP sintetaza je reverzibilni konjugacijski sistem koji vrši međukonverziju energije elektrohemijskog gradijenta protona i hemijskih veza. Smjer njegovog djelovanja ovisi o odnosu između strmine gradijenta protona i lokalne vrijednosti DG za hidrolizu ATP-a.

ATP sintetaza je dobila ime zbog činjenice da, u normalnim uslovima, npotonnoro gradijent koji održava respiratorni lanac sintetiše većina ukupni ćelijski ATP. Broj protona potrebnih za sintezu jednog ATP molekula nije tačno poznat. Kada protoni prođu kroz ATP sintetazu, sintetiše se jedan ATP molekul.

Kako će ATP sintetaza djelovati u datom trenutku – u smjeru sinteze ili hidrolize ATP-a – ovisi o tačnoj ravnoteži između promjena slobodne energije za prolazak tri protona kroz membranu u matriks i za sintezu ATP-a u matrica. Kao što je već spomenuto, DG vrijednost sin.ATP-a određena je koncentracijama tri supstance u mitohondrijskom matriksu - ATP, ADP i Fn. Uz konstantnu proton-motivnu silu, ATP sintetaza će sintetizirati ATP sve dok odnos ATP-a prema ADP-u i Fn ne dostigne vrijednost pri kojoj DG vrijednost sin.ATP-a postane tačno +15,2 kcal/mol. U takvim uslovima, sinteza ATP-a će biti precizno izbalansirana njegovom hidrolizom.

Pretpostavimo da je zbog reakcija koje troše energiju velika količina ATP-a iznenada hidrolizirana u citosolu, što je dovelo do pada omjera ATP:ADP u mitohondrijskom matriksu. U ovom slučaju DG synth. će se smanjiti i ATP sintetaza će se ponovo prebaciti na ATP sintezu sve dok se početni odnos ATP:ADP ne vrati. Ako se proton-motorna sila naglo smanji i održava na konstantnom nivou, tada će ATP sintetaza početi cijepati ATP, a ova reakcija će se nastaviti sve dok omjer između koncentracija ATP-a i ADP-a ne dostigne neku novu vrijednost (na kojoj se DG sintetizira. ATP = +13,8 kcal/mol) i tako dalje.

Ako ATP sintetaza normalno ne prenosi H+ iz matriksa, tada respiratorni lanac koji se nalazi u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani u normalnim uslovima transportuje protone kroz ovu membranu, stvarajući tako elektrohemijski protonski gradijent koji isporučuje energiju za sintezu ATP-a.

Većina nosača elektrona koji čine respiratorni lanac apsorbiraju svjetlost, a njihova oksidacija ili redukcija je praćena promjenom boje. Obično su apsorpcijski spektar i reaktivnost svakog nosača prilično karakteristični, što omogućava praćenje promjena u njegovim stanjima pomoću spektroskopije čak iu sirovom ekstraktu. To je omogućilo da se takvi nosioci izoluju mnogo prije nego što je njihova prava funkcija postala jasna. Na primjer, citokromi su otkriveni 1925. godine kao spojevi koji se brzo oksidiraju i redukuju u organizmima raznolikim poput kvasca, bakterija i insekata. Posmatranjem ćelija i tkiva spektroskopom bilo je moguće identifikovati tri tipa citohroma, koji su se razlikovali po spektru apsorpcije i nazvani su citohromi a, b i c. . Ćelije sadrže nekoliko tipova citokroma svakog tipa, a klasifikacija po tipu ne odražava njihovu funkciju.

Najjednostavniji nosač elektrona je mali hidrofobni molekul rastvoren u lipidnom dvosloju i nazvan ubikinon ili koenzim Q. On je u stanju da prihvati ili donira jedan ili dva elektrona i privremeno hvata proton iz medija sa svakim prenosom elektrona.

Slika 4. Struktura ubikinona.

Dišni lanac sadrži tri velika enzimska kompleksa ugrađena u unutrašnju membranu

Membranske proteine ​​je teško izolovati kao netaknute komplekse jer su netopivi u većini vodenih otopina, a tvari kao što su deterdženti i urea potrebne za njihovu solubilizaciju mogu ometati normalne interakcije protein-protein. Međutim, početkom 1960-ih. otkriveno je da relativno blagi jonski deterdženti kao što je deoksiholat mogu rastvoriti određene komponente unutrašnje membrane mitohondrija u prirodnom obliku. Ovo je omogućilo da se identifikuju i izoluju tri glavna kompleksa respiratornih enzima povezana sa membranom na putu od NADH do kiseonika.

Slika 5. Kompleksi respiratornih enzima.

1. NADH - kompleks dehidrogenaze, najveći od kompleksa respiratornih enzima, ima molekularnu težinu od preko 800 000 i sadrži više od 22 polipeptidna lanca. Prihvata elektrone iz NADH i propušta ih kroz flavin i najmanje pet gvožđe-sumpornih centara do ubikinona - mali molekul rastvorljiv u mastima koji donira elektrone drugom kompleksu respiratornih enzima, b-c 1 kompleksu.

2. Kompleks b-c 1 sastoji se od najmanje 8 različitih polipeptidnih lanaca i vjerovatno postoji kao dimer sa molekulskom težinom od 500 000. Svaki monomer sadrži tri teme vezane za citokrom i protein gvožđe-sumpor. Kompleks prihvata elektrone iz ubikinona i prenosi ih na citokrom c, mali protein periferne membrane, koji ih zatim prenosi u kompleks citokrom oksidaze.

3. Kompleks citokrom oksidaze (citokrom aa 3) je najviše proučavan od tri kompleksa. Sastoji se od najmanje osam različitih polipeptidnih lanaca i izolovan je kao dimer sa molekulskom težinom od 300.000; svaki monomer sadrži dva citokroma i dva atoma bakra.Ovaj kompleks prihvata elektrone iz citokroma c i prenosi ih na kiseonik.

Citokromi, gvožđe-sumporni centri i atomi bakra su sposobni da nose samo jedan elektron u isto vreme. U međuvremenu, svaki NADH molekul donira dva elektrona i svaki O 2 molekul mora prihvatiti 4 elektrona da bi formirao molekul vode. Postoji nekoliko sekcija za prikupljanje i distribuciju elektrona u lancu transporta elektrona, gdje se koordinira razlika u broju elektrona. Na primjer, kompleks citokrom oksidaze prima 4 elektrona iz molekula citokroma c pojedinačno i na kraju ih prenosi na jednu vezanu molekulu O2, što dovodi do formiranja dva molekula vode. U srednjim koracima ovog procesa, dva elektrona ulaze u citokrom a hem i atom bakra vezan za proteine, Cu a, prije nego što se pomaknu na mjesto vezanja kisika. Zauzvrat, mjesto vezivanja kisika sadrži još jedan atom bakra i citokrom 3 hema. Međutim, mehanizam za formiranje dva molekula vode kao rezultat interakcije vezane molekule O 2 sa četiri protona nije tačno poznat.

U većini stanica, oko 90% cjelokupnog apsorbiranog kisika stupa u interakciju s citokrom oksidazom. Toksičnost otrova poput cijanida i azida povezana je s njihovom sposobnošću da se čvrsto vežu za kompleks citokrom oksidaze i na taj način blokiraju sav transport elektrona.

Dvije komponente koje prenose elektrone između tri glavna enzimska kompleksa respiratornog lanca, ubikinona i citokroma c, brzo se kreću difuzijom u ravnini membrana.

Sudari između ovih mobilnih nosača i enzimskih kompleksa dovoljni su da objasne uočenu brzinu prenosa elektrona (svaki kompleks donira i prihvata jedan elektron svakih 5-10 milisekundi). Stoga, nema potrebe da se pretpostavi strukturni poredak u lancu proteina nosača u lipidnom dvosloju; u stvari, enzimski kompleksi očigledno postoje u membrani kao nezavisne komponente, a uređen transfer elektrona je obezbeđen samo specifičnošću funkcionalnih interakcija između komponenti lanca.

Tome u prilog govori i činjenica da su različite komponente respiratornog lanca prisutne u potpuno različitim količinama. Na primjer, u mitohondrijima srca, za svaki molekul kompleksa NADH-dehidrogenaze, postoje 3 molekula | kompleks b-c 1 kompleks, 7 molekula kompleksa citokrom oksidaze, 9 molekula citokroma c i 50 molekula ubikinona; vrlo različiti omjeri ovih proteina pronađeni su u nekim drugim stanicama.

Značajan redoks pad kroz svaki od tri kompleksa respiratornog lanca isporučuje energiju potrebnu za pumpanje protona .

Par kao što su H 2 O i ½ O 2 (ili NADH i NAD +) naziva se konjugirani redoks par, jer se jedan od njegovih članova pretvara u drugi ako se dodaju jedan ili više elektrona i jedan ili više protona (ovi posljednji su uvijek dovoljni u bilo kojoj vodenoj otopini). Tako, na primjer, ½O 2 + 2e + 2H + ® H 2 O

Dobro je poznato da 50:50 mješavina spojeva koji formiraju konjugirani kiselinsko-bazni par djeluje kao pufer za održavanje određenog "protonskog pritiska" (pH), čija je vrijednost određena konstantom disocijacije kiseline. Na potpuno isti način, 50:50 mješavina komponenata para održava određeni "pritisak elektrona", ili redoks potencijal (redox potencijal) E, koji služi kao mjera afiniteta molekula nosača za elektrone.

Postavljanjem elektroda u otopinu s odgovarajućim redoks parovima, može se izmjeriti redoks potencijal svakog nosača elektrona uključenog u biološke redoks reakcije. Parovi spojeva s najnegativnijim vrijednostima redoks potencijala imaju najmanji afinitet prema elektronu, tj. sadrže nosioce sa najmanjom tendencijom da prihvate elektrone i najvećom tendencijom da ih doniraju. Na primjer, mješavina NADH i NAD+ (50:50) ima redoks potencijal od -320 mV, što ukazuje na vrlo izraženu sposobnost NADH da donira elektrone, dok redoks potencijal mješavine jednakih količina H 2 O a ½O 2 je +820 mV, što znači jaku tendenciju 0 2 da prihvati elektrone.

Oštar pad se dešava unutar svakog od tri glavna respiratorna kompleksa. Razlika potencijala između bilo koje_dva nosača elektrona je direktno proporcionalna energiji koja se oslobađa kada elektron prijeđe s jednog nosača na drugi. Svaki kompleks djeluje kao uređaj za pretvaranje energije, usmjeravajući ovu slobodnu energiju da pomiče protone kroz membranu, što rezultira stvaranjem elektrokemijskog gradijenta protona dok elektroni prolaze kroz kolo.

Da bi mehanizam pretvaranja energije koji je u osnovi oksidativne fosforilacije funkcionisao, neophodno je da svaki enzimski kompleks respiratornog lanca bude orijentisan u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani na određeni način – tako da se svi protoni kreću u jednom pravcu, tj. van matriksa. . Ova vektorska organizacija membranskih proteina je demonstrirana korištenjem posebnih sondi koje ne prolaze kroz membranu, a koje označavaju kompleks samo s jedne strane membrane. Specifična orijentacija u dvosloju karakteristična je za sve membranske proteine ​​i veoma je važna za njihovu funkciju.

Mehanizmi pumpanja protona komponentama respiratornog lanca.

U procesu oksidativne fosforilacije, kada se oksidira jedan NADH molekul (tj. kada dva elektrona prođu kroz sva tri enzimska kompleksa), ne nastaju više od tri ATP molekula. Ako pretpostavimo da obrnuti prolazak tri protona kroz ATP sintetazu obezbeđuje sintezu jednog ATP molekula, biće moguće zaključiti da je u proseku prenos jednog elektrona svakim kompleksom praćen kretanjem jednog i pola protona (drugim riječima, tokom transporta jednog elektrona, neki kompleksi prenose jedan proton, dok drugi - dva protona). Vjerovatno različite komponente respiratornog lanca imaju različite mehanizme konjugacije transporta elektrona sa kretanjem protona. Alosterične promjene u konformaciji proteinske molekule povezane s transportom elektrona mogu, u principu, biti praćene "pumpanjem" protona, baš kao što se protoni kreću kada je djelovanje ATP sintetaze obrnuto. Sa prijenosom svakog elektrona, kinon hvata proton iz vodenog medija, koji ga zatim odaje kada se elektron oslobodi. Budući da se ubikinon slobodno kreće u lipidnom dvosloju, može prihvatiti elektrone blizu unutrašnje površine membrane i prenijeti ih u b-c 1 kompleks blizu njegove vanjske površine, pomičući jedan proton kroz dvosloj za svaki preneseni elektron. Koristeći složenije modele, može se objasniti i kretanje dva protona po elektronu od strane b-c 1 kompleksa, uz pretpostavku da ubikinon više puta prolazi kroz b-c 1 kompleks u određenom smjeru.

Nasuprot tome, molekuli koji doniraju elektrone kompleksu citokrom oksidaze ne izgledaju kao transporteri protona, u kom slučaju je transport elektrona vjerovatno povezan s određenom alosteričnom promjenom konformacije proteinskih molekula, uslijed čega neki dio samog proteinskog kompleksa prenosi protone.

Akcija disruptora.

Od 1940-ih godina poznat je niz lipofilnih slabih kiselina koje mogu djelovati kao sredstva za razdvajanje, tj. ometaju spregu transporta elektrona sa sintezom ATP-a. Kada se ova niskomolekularna organska jedinjenja dodaju ćelijama, mitohondrije zaustavljaju sintezu ATP-a, dok nastavljaju da apsorbuju kiseonik. U prisustvu agensa za odvajanje, brzina transporta elektrona ostaje visoka, ali se ne stvara protonski gradijent. Ovo je jednostavno objašnjenje za ovaj efekat: sredstva za razdvajanje (npr. dinitrofenol, tiroksin) djeluju kao H+ nosači (H+-jonofori) i otvaraju dodatni put- više ne preko ATP sintetaze - za protok H + kroz unutrašnju mitohondrijalnu membranu.

Kontrola disanja.

Kada se ćelijama doda agens za razdvajanje, kao što je dinitrofenol, unos kiseonika u mitohondrije se znatno povećava kako se povećava brzina prenosa elektrona. Ovo ubrzanje je povezano s postojanjem kontrole disanja. Vjeruje se da se ova kontrola zasniva na direktnom inhibitornom efektu elektrohemijskog gradijenta protona na transport elektrona. Kada elektrohemijski gradijent nestane u prisustvu rastavljača, nekontrolisani transport elektrona dostiže najveća brzina. Povećanje gradijenta usporava respiratorni lanac, a transport elektrona usporava. Štoviše, ako se u eksperimentu na unutarnjoj membrani umjetno stvori neobično visok elektrokemijski gradijent, tada će normalan transport elektrona potpuno prestati, a u nekim dijelovima respiratornog lanca bit će moguće otkriti obrnuti tok elektrona. . Ovo sugerira da respiratorna kontrola odražava jednostavnu ravnotežu između promjene slobodne energije tokom kretanja protona povezanih s transportom elektrona i promjene slobodne energije tokom samog transporta elektrona.Veličina elektrohemijskog gradijenta utiče i na brzinu i smjer elektrona. prijenosa, kao i na smjer djelovanja ATP sintetaze.

Kontrola disanja je samo dio složenog sistema međusobno povezanih regulatornih mehanizama koji koordiniraju brzinu glikolize, razgradnju masnih kiselina, reakcije ciklusa limunske kiseline i transport elektrona. Brzine svih ovih procesa zavise od odnosa ATP:ADP - one se povećavaju kada se ovaj odnos smanji kao rezultat povećane upotrebe ATP-a. Na primjer, ATP sintetaza unutrašnje mitohondrijalne membrane radi brže kada se povećaju koncentracije njenih supstrata, tj. ADP i Pn. Što je veća brzina ove reakcije, više protona teče u matricu, čime se elektrohemijski gradijent brže rasipa; a smanjenje gradijenta, zauzvrat, dovodi do ubrzanja transporta elektrona.

Mitohondrije u smeđem masnom tkivu su generatori toplote.

Svim kralježnjacima u mladosti je potreban termogeni uređaj za stvaranje topline, pored mehanizma mišićnog tremora. Takav uređaj je posebno važan za životinje koje prezimljuju. Mišići u tremoru se kontrahiraju čak i u odsustvu vježbanja, koristeći kontraktilne proteine ​​za hidrolizu ATP-a na uobičajen način za mišićne stanice i oslobađajući u obliku topline svu energiju koja je potencijalno dostupna hidrolizom ATP-a. Potreba za posebnim termogenim uređajem određena je snažnom spregnutom oksidativnom fosforilacijom normalnih mitohondrija. Kada bi se ovaj proces mogao odvojiti, kao što se dešava u prisustvu dinitrofenola, mogao bi poslužiti kao adekvatan uređaj za proizvodnju toplote; ovako se to dešava u mitohondrijama smeđe masti. Iako ovi mitohondriji imaju konvencionalnu reverzibilnu ATPazu, oni također imaju transmembransku protonsku translokazu, kroz koju se protoni mogu vratiti u matriks i električno šansirati aktivnost ATPaze. Ako je ovaj proces dovoljan da održi redoks potencijal vodonika znatno ispod 200 mV, sinteza ATP-a postaje nemoguća i proces oksidacije se odvija slobodno, što rezultira da se sva energija oslobađa kao toplina.

Ciklus limunske kiseline (ciklus trikarboksilne kiseline, Krebsov ciklus).

Ciklus limunske kiseline je niz reakcija koje se odvijaju u mitohondrijima tokom kojih se acetilne grupe kataboliziraju i oslobađaju ekvivalenti vodika; tokom oksidacije potonjeg, opskrbljuje se slobodna energija gorivih resursa tkiva. Acetilne grupe nalaze se u acetil-CoA (aktivnom acetatu), tioesteru koenzima A.

Glavna funkcija ciklusa limunske kiseline je da je to uobičajeni konačni put za oksidaciju ugljikohidrata, proteina i masti, jer se glukoza, masne kiseline i aminokiseline metaboliziraju u acetil-CoA ili međuprodukte ciklusa. Ciklus limunske kiseline također igra važnu ulogu u procesima glukoneogeneze, transaminacije, deaminacije i lipogeneze.Iako se veliki broj ovih procesa odvija u mnogim tkivima, jetra je jedini organ u kojem se odvijaju svi ovi procesi. Stoga oštećenje velikog broja ćelija jetre ili njihova zamjena vezivnim tkivom izaziva ozbiljne posljedice. O vitalnoj ulozi ciklusa limunske kiseline svjedoči i činjenica da kod ljudi gotovo da nema poznatih genetskih promjena u enzimima koji katalizuju reakcije ciklusa, budući da je prisustvo takvih poremećaja nespojivo sa normalnim razvojem.

Otvaranje CTC-a.

Postojanje takvog ciklusa za oksidaciju piruvata u životinjskim tkivima prvi je predložio Hans Krebs 1937. godine. Ovu ideju rodio je kada je proučavao utjecaj anjona raznih organskih kiselina na brzinu apsorpcije kisika suspenzijama zgnječenih prsnih mišića goluba, u kojima je oksidirao piruvat. Prsne mišiće karakteriše izuzetno visok intenzitet disanja, što ih čini posebno pogodnim objektom za proučavanje oksidativne aktivnosti. Krebs je također potvrdio da druge organske kiseline koje su se ranije nalazile u životinjskim tkivima (jantarna, jabučna, fumarna i oksalooctena) stimuliraju oksidaciju piruvata. Osim toga, otkrio je da oksidaciju piruvata u mišićnom tkivu stimuliraju šestougljične trikarboksilne kiseline - limunska, cis-akonitna i izocitritna, kao i a-ketoglutarna kiselina sa pet ugljika. Nekoliko drugih organskih kiselina koje se pojavljuju u prirodi je testirano, ali nijedna od njih nije pokazala sličnu aktivnost. Sama priroda stimulativnog djelovanja aktivnih kiselina privukla je pažnju: čak i mala količina bilo koje od njih bila je dovoljna da izazove višestruku oksidaciju. više piruvat.

Jednostavni eksperimenti kao i logično zaključivanje omogućili su Krebsu da sugerira da je ciklus, koji je nazvao ciklus limunske kiseline, glavni put za oksidaciju ugljikohidrata u mišićima. Nakon toga, ciklus limunske kiseline pronađen je u gotovo svim tkivima viših životinja i biljaka i u mnogim aerobnim mikroorganizmima. Za ovo važno otkriće, Krebs je nagrađen 1953. godine nobelova nagrada. Eugene Kennedy i Albert Lehninger su kasnije pokazali da se sve reakcije ciklusa limunske kiseline odvijaju u mitohondrijima životinjskih ćelija. U izolovanim mitohondrijama jetre štakora nisu pronađeni samo svi enzimi i koenzimi ciklusa limunske kiseline; ovdje su, kako se ispostavilo, svi enzimi i proteini koji su potrebni za posljednju fazu disanja, tj., lokalizirani. za prijenos elektrona i oksidativnu fosforilaciju. Stoga se mitohondrije s pravom nazivaju "elektranama" ćelije.

Katabolička uloga ciklusa limunske kiseline

Ciklus počinje interakcijom molekula acetil-CoA sa oksaloacetatom (oksaloacetatom), što rezultira stvaranjem trikarboksilne kiseline sa šest ugljika koja se zove limunska kiselina. Nakon toga slijedi niz reakcija tokom kojih se oslobađaju dva CO2 molekula i regeneriše oksaloacetat. Budući da je količina oksaloacetata potrebna za pretvaranje velikog broja acetilnih jedinica u CO 2 vrlo mala, možemo pretpostaviti da oksaloacetat ima katalitičku ulogu.

Ciklus limunske kiseline je mehanizam koji hvata većinu slobodne energije oslobođene tokom oksidacije ugljikohidrata, lipida i proteina. Prilikom oksidacije acetil-CoA, zbog aktivnosti niza specifičnih dehidrogenaza, dolazi do stvaranja redukcijskih ekvivalenata u obliku vodonika ili elektrona. Potonji ulaze u respiratorni lanac; tokom funkcioniranja ovog lanca dolazi do oksidativne fosforilacije, odnosno sintetizira se ATP.

Enzimi ciklusa limunske kiseline su lokalizovani u mitohondrijskom matriksu, gde se nalaze ili u slobodnom stanju ili na unutrašnjoj površini unutrašnje mitohondrijalne membrane; u potonjem slučaju, olakšan je prijenos redukcijskih ekvivalenata na enzime respiratornog lanca lokalizirane u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani.

CTC reakcije.

Inicijalnu reakciju, kondenzaciju acetil-CoA i oksaloacetata, katalizira kondenzacijski enzim, citrat sintetaza, a ugljik-ugljik se formira između metilnog ugljika acetil-CoA i karbonilnog ugljika oksaloacetata. Reakciju kondenzacije koja dovodi do stvaranja citril-CoA prati hidroliza tioeterske veze, praćena gubitkom velike količine slobodne energije u obliku topline; ovo određuje tok reakcije s lijeva na desno dok se ne završi:

Acetil-CoA + oksaloacetat + H 2 O → citrat + CoA-SH

Pretvorbu citrata u izocitrat katalizira akonitaza koja sadrži željezo. Ova reakcija se odvija u dvije faze: prvo dolazi do dehidracije sa stvaranjem cis-akonitata (njegov dio ostaje u kompleksu s enzimom), a zatim do hidratacije i stvaranja izocitrata:

Citrat ↔ cis-Aconitate ↔ Izocitrat - H 2 O

Reakcija je inhibirana fluoroacetatom, koji se prvo pretvara u fluoroacetil-CoA; potonji se kondenzira sa oksaloacetatom u fluorocitrat. Fluorocitrat je direktni inhibitor akonitaze; citrat se akumulira nakon inhibicije.

Eksperimenti s intermedijerima pokazuju da akonitaza asimetrično stupa u interakciju s citratom: uvijek djeluje na dio molekula citrata koji je nastao iz oksaloacetata. Moguće je da cis-akonitat nije obavezni intermedijer između citrata i izocitrata i da se formira na sporednoj grani glavnog puta.

Nadalje, izocitrat dehidrogenaza katalizira dehidrogenaciju sa stvaranjem oksalosukcinata. Tri raznih oblika izocitrat dehidrogenaza. Jedan od njih, NAD zavisan, nalazi se samo u mitohondrijima. Druga dva oblika su zavisna od NADP-a, od kojih se jedan također nalazi u mitohondrijima, a drugi u citosolu. Oksidaciju izocitrata, povezanu s radom respiratornog lanca, provodi gotovo isključivo enzim zavisan od NAD:

Izocitrat + NAD + ↔ Oksalosukcinat (u kompleksu sa enzimom) ↔ alfa-ketoglutarat + CO 2 + NADH 2

Slika 5. Reakcije Krebsovog ciklusa.

Nakon toga slijedi dekarboksilacija sa stvaranjem alfa-ketoglutarata, koji je također kataliziran izocitrat dehidrogenazom. Važna komponenta reakcije dekarboksilacije su joni Mg 2+ (ili Mn 2+). Sudeći prema dostupnim podacima, oksalosukcinat nastao u međufazi reakcije ostaje u kompleksu sa enzimom.

Alfaketoglutarat, zauzvrat, podliježe oksidativnoj dekarboksilaciji sličnoj onoj kod piruvata: u oba slučaja supstrat je alfaketokiselina. Reakcija se katalizira kompleksom alfa-ketoglutarat dehidrogenaze i zahtijeva učešće istog skupa kofaktora - tiamin difosfat, lipoat, NAD+, FAD i CoA; kao rezultat toga nastaje sukcinil-CoA - tioeter koji sadrži vezu visoke energije.

α-ketoglutorat + NAD + + CoA-SH → sukcinil-CoA + CO 2 + NADH + H +

Ravnoteža reakcije je toliko snažno pomaknuta prema stvaranju sukcinil-CoA da se može smatrati fiziološki jednosmjernom. Kao i kod oksidacije piruvata, reakciju inhibira arsenat, što dovodi do nakupljanja supstrata (alfa-ketoglutarat).

Ciklus se nastavlja konverzijom sukcinil-CoA u sukcinat, kataliziran sukcinat tiokinazom (sukcinil-CoA sintetaza):

Sukcinil-CoA + P H + GDP↔ Sukcinat + GTP + CoA-SH

Jedan od supstrata reakcije je GDP (ili IDP), iz kojeg nastaje GTP (ITP) u prisustvu neorganskog fosfata. Ovo je jedini korak u ciklusu limunske kiseline koji stvara visokoenergetsku fosfatnu vezu na nivou supstrata; u oksidativnoj dekarboksilaciji α-ketoglutarata, potencijalna količina slobodne energije je dovoljna za formiranje NADH i visokoenergetske fosfatne veze. U reakciji koju katalizira fosfokinaza, ATP se može formirati iz GTP i ITP. Na primjer:

GTP+ADP «GDP+ATP.

U alternativnoj reakciji koja se javlja u ekstrahepatičnim tkivima i katalizirana sukcinil-CoA-acetoacetat-CoA-transferazom, sukcinil-CoA se pretvara u sukcinat zajedno sa konverzijom acetoacetata u acetoacetil-CoA. U jetri postoji aktivnost diacilaze, koja osigurava hidrolizu dijela sukcinil-CoA sa stvaranjem sukcinata i CoA.

Sukcinat + FAD « Fumarat + FADH 2

Prvu dehidrogenaciju katalizira sukcinat dehidrogenaza vezana za unutrašnju površinu unutrašnje mitohondrijalne membrane. Ovo je jedina dehidrogenazna reakcija CTK, tokom koje se odvija direktan transfer sa supstrata na flavoprotein bez učešća NAD+. Enzim sadrži FAD i protein željezo-sumpor. Kao rezultat dehidrogenacije nastaje fumarat. Eksperimenti sa izotopom su pokazali da je enzim stereospecifičan za trans vodikove atome metilenskih grupa sukcinata. Dodatak malonata ili oksaloacetata inhibira sukcinat dehidrogenazu, što dovodi do akumulacije sukcinata.

Fumaraza (fumarat hidrotaza) katalizira dodavanje vode fumaratu kako bi se formirao malat:

Fumarat + H 2 O "L-malat

Fumaraza je specifična za L-izomer malata; katalizuje dodavanje komponenti molekula vode na dvostruku vezu fumarata u trans konfiguraciji. Malat dehidrogenaza katalizira konverziju malata u oksaloacetat, reakcija se odvija uz sudjelovanje NAD +:

L-malat + NAD + "0ksaloacetat + NADH 2

Iako je ravnoteža ove reakcije snažno pomjerena u smjeru malata, ona se zapravo odvija u smjeru oksaloacetata, budući da se on, zajedno s NADH, stalno troši u drugim reakcijama.

Enzimi ciklusa limunske kiseline, sa izuzetkom alfa-ketoglutarat i sukcinat dehidrogenaze, također se nalaze izvan mitohondrija. Međutim, neki od ovih enzima (npr. malat dehidrogenaza) se razlikuju od odgovarajućih mitohondrijalnih enzima.

Energetika ciklusa limunske kiseline.

Kao rezultat oksidacije koju kataliziraju TCA dehidrogenaze, za svaki acetil-CoA molekul koji se katabolizira tokom jednog ciklusa, formiraju se tri NADH molekula i jedna FADH 2 molekula. Ovi redukcioni ekvivalenti se prenose u respiratorni lanac koji se nalazi u mitohondrijalnoj membrani. Dok prolaze kroz lanac, NADH reducirajući ekvivalenti stvaraju tri visokoenergetske fosfatne veze kroz formiranje ATP-a iz ADP-a kroz oksidativnu fosforilaciju. FADH 2 stvara samo dvije visokoenergetske fosfatne veze jer FADH 2 prenosi reducirajuće ekvivalente na koenzim Q i stoga zaobilazi prvi krak lanca oksidativne fosforilacije u respiratornom lancu. Još jedan visokoenergetski fosfat se stvara na jednom od mjesta ciklusa limunske kiseline, odnosno na nivou supstrata, kada se sukcinil-CoA pretvara u sukcinat. Tako se tokom perioda svakog ciklusa formira 12 novih visokoenergetskih fosfatnih veza.

Regulacija ciklusa limunske kiseline.

Glavni procesi koji opskrbljuju i skladište energiju u ćelijama mogu se sažeti na sljedeći način:

glukoza piruvat® acetil-CoA masne kiseline

Regulacija ovog sistema bi, između ostalog, trebala osigurati stalnu opskrbu ATP-om srazmjerno trenutnim energetskim potrebama, osigurati da se višak ugljikohidrata pretvara u masne kiseline putem piruvata i acetil-CoA, i istovremeno kontrolirati ekonomičnu upotrebu masnih kiselina putem acetila -CoA kao ključni ulazni proizvod u ciklus limunske kiseline.

Ciklus limunske kiseline dovodi elektrone u sistem za transport elektrona u kojem je tok elektrona povezan sa sintezom ATP-a i, u manjoj mjeri, dovodi reducirajuće ekvivalente srednjim biosintetičkim sistemima. U principu, ciklus se ne može odvijati brže nego što to dozvoljava korištenje generiranog ATP-a. Kada bi se sav ćelijski ADP pretvorio u ATP, ne bi moglo biti daljeg protoka elektrona iz NADH koji se akumulira u 0 2 . Zbog odsustva NAD+, neophodnog učesnika u procesima dehidrogenacije ciklusa, ovaj bi prestao da funkcioniše. Postoje suptilniji regulatorni uređaji koji moduliraju djelovanje enzima u samom ciklusu limunske kiseline.

Sukcinat dehidrogenaza se nalazi u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani. Svi ostali enzimi su otopljeni u matriksu koji ispunjava unutrašnjost mitohondrija. Mjerenja relativnih količina ovih enzima i koncentracije njihovih supstrata u mitohondrijima pokazuju da se svaka reakcija odvija istom brzinom. Jednom kada piruvat (ili drugi potencijalni izvor acetil-CoA) uđe u mitohondrijski matriks, cijeli ciklus se odvija unutar ovog odjeljka.

Na nekim mjestima, stimulacija ili inhibicija je određena relativnim koncentracijama NADH/NAD, ATP/ADP ili AMP, acetil-CoA/CoA ili sukcinil-CoA/CoA. Kada su ovi omjeri visoki, ćelija je dovoljno opskrbljena energijom i protok kroz ciklus je usporen; kada su niske, ćeliji je potrebna energija i protok kroz ciklus se ubrzava.

Kao ireverzibilna reakcija koja povezuje metabolizam ugljikohidrata s ciklusom limunske kiseline, reakcija piruvat dehidrogenaze mora biti dobro kontrolirana. To se postiže na dva načina. Prvo, enzim, koji je aktiviran od strane nekoliko posrednika glikolize, kompetitivno je inhibiran vlastitim proizvodima, NADH i acetil-CoA. Ceteris paribus, povećanje omjera NADH/NAD + sa 1 na 3 uzrokuje smanjenje brzine reakcije za 90%, a povećanje omjera acetil-CoA/CoA dovodi do kvantitativno sličnog efekta. Efekat se odmah pokazuje. Efekti drugog regulatornog uređaja se javljaju sporije, ali traju duže. Oko pet molekula piruvat dehidrogenaze kinaze povezano je sa jezgrom svakog molekula dihidrolipoiltransacetilaze, koja zbog ATP-a katalizira fosforilaciju serinskog ostatka u a-lancu komponente piruvat dehidrogenaze. Budući da je fosforiliran, enzim nije u stanju da dekarboksilira piruvat.

Kada dođe do oksidacije masnih kiselina, piruvat dehidrogenaza je značajno inhibirana. Očigledno, ovaj fenomen se objašnjava visokim koncentracijama ATP-a, acetil-CoA i NADH koji prate proces oksidacije. Većina tkiva sadrži višak piruvat dehidrogenaze, tako da se nakon hranjenja u jetri, kao iu mišićnom i masnom tkivu životinja u mirovanju, samo 40, 15 i 10% piruvat dehidrogenaze nalazi u aktivnom, nefosforiliranom obliku. . Kada se poveća potreba za ATP, povećavaju se koncentracije NAD+, CoA i ADP zbog upotrebe NADH, acetil-CoA i ATP, a kinaza se inaktivira. Međutim, fosfataza nastavlja funkcionirati reaktivirajući dehidrogenazu. Povećanje Ca 2+ može aktivirati mitohondrijalnu fosfatazu.

Sinteza citrata je korak koji ograničava brzinu ciklusa limunske kiseline. Regulacija ove faze je zbog male, ali značajne inhibicije citrat sintetaze NADH i sukcinil-CoA. Glavni utjecaj na brzinu sinteze citrata ima zaliha supstrata.

Aktivnost izocitrat dehidrogenaze se reguliše u zavisnosti od koncentracija Mg 2+, izocitrata, NAD+, NADH i AMP. Osim mjesta vezanja supstrata za NAD+, izocitrat i Mg2+, enzim također ima pozitivna i negativna efektorska mjesta. Izocitrat je pozitivan efektor; njegovo vezivanje je kooperativno, tj. vezivanje na jednom mjestu olakšava vezivanje na drugim. Oba mjesta vezivanja za AMP stimuliraju aktivnost enzima.

Dakle, enzimska aktivnost je određena omjerima NAD+/NADH i AMP/ATP.

AMP je pozitivan efektor kompleksa α-ketoglutarat dehidrogenaze, koji u tom pogledu podsjeća na izocitrat dehidrogenazu. U rasponu fizioloških koncentracija, i sukcinil-CoA i NADH imaju inhibitorni učinak, a čini se da je koncentracija sukcinil-CoA glavni faktor koji kontrolira brzinu procesa. Sukcinat dehidrogenaza podsjeća na izocitrat dehidrogenazu po tome što supstrat (sukcinat) funkcionira kao pozitivan alosterički efektor. Oksaloacetat je snažan inhibitor, međutim nije jasno da li ova kontrola djeluje u normalnim uvjetima.

U ciklusu limunske kiseline, četiri u vodi rastvorljiva vitamina B obavljaju specifične funkcije. Riboflavin je dio FAD-a, koji je kofaktor kompleksa alfa-ketoglutarat dehidrogenaze i sukcinat dehidrogenaze. Niacin je dio NAD, koji je koenzim tri ciklusa dehidrogenaze: izocitrat dehidrogenaze, alfa-ketoglutorat dehidrogenaze i malat dehidrogenaze. Tiamin (vitamin B 1) je dio tiamin difosfata, koji je koenzim alfa-ketoglutarat dehidrogenaze. Pantotenska kiselina je dio koenzima A, koji je kofaktor koji veže aktivne acilne ostatke.

Makroergijska jedinjenja i makroergijske veze.

U ćelijama, koje se oslobađaju kao rezultat kataboličkih procesa razgradnje nutrijenata, slobodna energija se može koristiti za izvođenje mnogih hemijskih reakcija koje zahtevaju energiju. Skladištenje energije odvija se u obliku energetski bogatih hemijskih veza posebne klase spojeva, od kojih su većina fosforni anhidridi (nukleozid trifosfati).

Postoje visokoenergetski i niskoenergetski fosfati. Uslovna granica za ove dvije grupe spojeva je vrijednost slobodne energije hidrolize fosfatne veze. Stoga, visokoenergetski fosfati imaju energetski bogatu visokoenergetsku (makroergijsku) vezu.

Energija veze se definira kao razlika između slobodne energije spojeva koji sadrže ovu vezu i jedinjenja koja su rezultat njenog pucanja. Makroergijskim (energijskim bogatim) vezama smatraju se one veze, pri čijoj hidrolizi su promjene slobodne energije sistema veće od 21 kJ/mol.

Centralnu ulogu u energetskoj razmjeni ćelija svih tipova ima sistem adenin nukleotida, koji uključuje ATP, ADP i AMP, kao i neorganske jone fosfata i magnezijuma. ATP je termodinamički nestabilna molekula i hidrolizira stvarajući ADP i AMP. Upravo ta nestabilnost omogućava ATP-u da funkcionira kao prijenosnik kemijske energije potrebne za zadovoljavanje većine energetskih potreba stanica. Jedinjenja s vezom bogatom energijom, osim ATP-a, također uključuju UTP, CTP, GTP, TTP, kreatin fosfat, pirofosfat, neke tioetere (na primjer, acetil-CoA), fosfoenolpiruvat, 1,3-bifosfoglicerat i brojne druga jedinjenja.

Tokom hidrolize ATP-a u standardnim uslovima, promena slobodne energije je -30,4 kJ/mol. U fiziološkim uslovima, stvarna slobodna energija hidrolize terminalne fosfatne veze ATP-a biće drugačija i približava se -50,0 kJ/mol.

Postoji nekoliko opcija za oslobađanje energije ATP fosfatnih veza. Glavna opcija je cijepanje terminalnog fosfata ATP-a (ATP + H 2 O ® ADP + H 3 RO 4). Druga opcija je pirofosfatno cijepanje ATP-a (ATP + H20 ® AMP + H 4 P 2 O 7). Ova vrsta reakcije se mnogo rjeđe koristi u biohemijskim procesima.

Akumulacija energije u specifičnim fosfatnim vezama ATP-a je u osnovi mehanizma prijenosa energije u živoj ćeliji. Postoji razlog za vjerovanje da postoje tri glavna tipa prijenosa energije ATP-a u ćeliji:

u energiju hemijskih veza, u toplotnu energiju i energiju koja se troši na obavljanje rada (osmotska, električna, mehanička itd.).

Vitamin PP .

Vitamin PP (nikotinska kiselina, nikotinamid, niacin) naziva se antipelagričnim vitaminom (od italijanskog Preventive pellagra - "sprečavanje pelagre"), jer je njegov nedostatak uzrok bolesti koja se zove pelagra.

Nikotinska kiselina je poznata od davnina, ali ju je tek 1937. godine izolovao K. Elveheim iz ekstrakta jetre i pokazalo se da unošenje nikotinske kiseline (ili njenog amida – nikotinamida) ili preparata jetre onemogućava razvoj ili liječi pelagra.

Nikotinska kiselina je piridinsko jedinjenje koje sadrži karboksilnu grupu (nikotinamid se razlikuje po prisustvu amidne grupe).

Vitamin PP je slabo rastvorljiv u vodi (oko 1%), ali je veoma rastvorljiv u vodenim rastvorima alkalija. Nikotinska kiselina kristališe kao bijele iglice.

Najkarakterističniji znaci pelagre (od italijanskog pelle agra - gruba koža) su lezije kože (dermatitis), gastrointestinalnog trakta (proljev) i poremećaji nervne aktivnosti (demencija).

Dermatitis je najčešće simetričan i zahvaća ona područja kože koja su izložena direktnoj sunčevoj svjetlosti: stražnji dio šaka, vrat, lice; koža postaje crvena, zatim smeđa i hrapava. Intestinalne lezije se izražavaju u razvoju anareksije, mučnine i bolova u abdomenu, dijareje. Proljev dovodi do dehidracije. Sluzokoža debelog crijeva prvo postaje upaljena, a zatim ulcerirana. Specifični za pelagru su stomatitis, gingivitis, lezije jezika sa otokom i pukotinama. Lezije mozga se izražavaju u glavoboljama, vrtoglavicama, razdražljivosti, depresiji i drugim simptomima, uključujući psihoze, psihoneuroze, halucinacije i druge. Simptomi pelagre posebno su izraženi kod pacijenata sa nedovoljnom proteinskom ishranom. Utvrđeno je da je to zbog nedostatka triptofana, koji je prekursor nikotinamida, djelimično sintetiziranog u ljudskim i životinjskim tkivima, kao i zbog nedostatka niza drugih vitamina.

Vitamin PP igra ulogu koenzima u NAD-ovisnim dehidrogenazama (učesnici u tkivnom disanju), metabolizmu ugljikohidrata i aminokiselina, NADP-ovisnim enzimima (pentozni šant i sinteza lipida), HMH-ovisnim enzimima (alkohol dehidrogenaza i jabučni enzim). Ništa manje važna je njegova uloga kao supstrata za poli-ADP-ribozilaciju. Ovaj proces je uključen u umrežavanje hromozomskih prekida i u radu sistema reparaze, a takođe je (u nedostatku NAD) od ključnog značaja u mehanizmu nekrobioze i apoptoze ćelija, posebno onih visoko aerobnih.

Pokazalo se da određeni broj dehidrogenaza koristi samo NAD ili NADP, dok druge mogu katalizirati redoks reakcije u prisustvu bilo koje od njih. U procesu biološke oksidacije, NAD i NADP djeluju kao srednji nosači elektrona i protona između oksidiranog supstrata i flavin enzima.

Glavni izvori nikotinske kiseline i njenog amida su pirinač, hleb, krompir, meso, jetra, bubrezi, šargarepa i druga hrana.

mikrozomalna oksidacija.

monooksigenazne reakcije.

Živi organizmi sadrže grupu brojnih i raznolikih enzima zvanih monooksigenaze. U tipičnom slučaju, jedan atom molekule kiseonika nalazi se u novoj hidroksidnoj grupi supstrata, drugi se redukuje u vodu tokom reakcije. Prema tome, reakcija se mora odvijati uz učešće enzima, supstrata, kiseonika i nekog redukcionog sredstva.

Dopamin-b-monooksigenaza, prisutna u mozgu i hromafinskom tkivu, katalizira hidroksilaciju 3,4-dioksifeniletilamina u norepinefrin.

Fenolne monooksigenaze se nalaze u bakterijama, biljkama, insektima, a takođe i u jetri i koži sisara. Polimerizacija o-kinona, nastala kao rezultat lanca reakcija kataliziranih ovim enzimima, leži u osnovi stvaranja melanina.

reakcije dioksigenaze.

Enzimi koji kataliziraju reakcije u kojima su oba molekularna atoma kisika ugrađena u produkte reakcije nazivaju se diooksigenaze. Trenutno poznati enzimi ove grupe mogu sadržavati hem ili ne-hem željezo kao aktivnu grupu, a neki zahtijevaju α-ketoglutarat za svoje djelovanje.

Gvožđe-a-ketoglutarat dioksigenaze su enzimi zavisni od gvožđa koji kataliziraju hidroksilaciju supstrata tokom procesa u kojem a-ketoglutarat prolazi kroz oksidativnu dekarboksilaciju u sukcinat: M + O2 + a-ketoglutarat M-OH + sukcinat + CO2

Citohromi su enzimi redoks lanca.

Dalji prenos elektrona sa KoQH2 na O2 vrši se citokromskim sistemom. Ovaj sistem se sastoji od niza proteina koji sadrže hem (hemproteina), koje je 1886. otkrio K. McMunn. Svi oni imaju protetsku hem grupu blisku hemu hemoglobina. Citohromi se međusobno razlikuju ne samo po prostetičkoj grupi, već i po proteinskim komponentama. Svi citohromi, posebno u redukovanom obliku, imaju karakteristične apsorpcione spektre, vrednosti redoks potencijala takođe nisu iste.

U široko korištenom mehanizmu hidroksilacije uvođenjem jednog atoma kisika, funkcionalni atom željeza nalazi se u hem grupi citokroma, citokromu P450. Ovi citokromi se nalaze u membranama jetrenog ER, u mitohondrijama kore nadbubrežne žlijezde, u bubrežnoj granici četkice i u plazma membrane razne bakterije. Katalizirana reakcija je ista kao i za sve druge monooksigenaze.

MH + O2 + 2e + 2H + ®MON + H2O

Citokromi P450 iz jetre spadaju među inducibilne enzime; to znači da se količina prisutnog enzima može povećati 25 puta primjenom jednog od mnogih stranih spojeva kao što su fenobarbital ili metilholantren. Citokromi neutraliziraju ksenobiotike, a također ograničavaju vrijeme tokom kojeg neki lijekovi mogu ostati aktivni. Liječenje nekih oblika akutne intoksikacije može se olakšati primjenom induktora, koji je u ovom slučaju općenito bezopasan.

Citohromi P450 korteksa nadbubrežne žlijezde nalaze se u mitohondrijalnoj membrani, gdje dva odvojena enzima kataliziraju, respektivno, cijepanje bočnih lanaca kolesterola do pregnenolona i reakcije hidroksilacije različitih steroida.

Citokrom P450 katalizuje stvaranje hidroksilnih grupa tokom sinteze žučnih kiselina, steroidnih hormona, tokom katabolizma niza supstanci i razmene stranih jedinjenja.

Prvi sistem koji nosi elektrone pronađen u mikrosomima je sistem redukcije citokroma b5 zbog NADH; citokrom b5 reducira NADH-citokrom b5-reduktaza, koja sadrži jedan FAD po molekulu, što čini ciklične prijelaze između potpuno reduciranih i oksidiranih oblika. Citokrom b5 je snažno povezan sa ER svojom ekstenzivnom hidrofobnom regijom. Iako je vanjska površina heme regije citokroma hidrofilna, ona leži u dubokoj hidrofobnoj praznini, s karboksilnim grupama propionske kiseline orijentirane prema van. Redukovani citokrom b5 polako se samooksidira i formira superoksidni anion. Ovaj mehanizam može biti glavni generator superoksida u ćelijama jetre.

Peroksidazni način korištenja kisika.

Molekularni kiseonik je paramagnetičan jer sadrži dva nesparena elektrona sa paralelnim spinovima. Ovi elektroni su na različitim orbitalama jer dva elektrona ne mogu zauzeti istu orbitalu osim ako su njihovi spinovi suprotni. Shodno tome, redukcija kiseonika direktnim uvođenjem para elektrona u njegove delimično popunjene orbitale je nemoguća bez „preokretanja“ spina jednog od dva elektrona. Spin inhibicija redukcije može se prevladati uzastopnim dodavanjem pojedinačnih elektrona. Potpuna redukcija O2 u 2H2O zahtijeva 4 elektrona; u redukciji s jednim elektronom, superoksid, vodikov peroksid i hidroksidni radikal se pojavljuju kao međuproizvodi. Ovi proizvodi su vrlo reaktivni i njihovo prisustvo može predstavljati prijetnju integritetu živih sistema. Zapravo, OH, najmutageniji proizvod jonizujućeg zračenja, izuzetno je moćno oksidaciono sredstvo koje može napasti sva organska jedinjenja. Redukcija kisika jednim elektronom pokreće lanac reakcija koje dovode do stvaranja OH:

O2 + e ® O2 (1)

O2 + H ®HO2 (2)

O2 + HO2 + H ® H2O2 + O2 (3)

Superoksidni anion nastao u reakciji (1) može se protonirati u hidroperoksidni radikal (2). Reakcija (3) je spontana dismutacija koja dovodi do stvaranja H2O2 + O2. Sveukupnost ovih reakcija sugerira da će svaki sistem koji proizvodi O2 uskoro sadržavati i H2O2.

Ksantin oksidaza, aldehid oksidaza i brojni flavoproteini formiraju O2 i H2O2, što se javlja i prilikom spontane oksidacije hemoglobina, feredoksina, hidrokinona redukovanih citokromom b5, tetrahidropteridina i adrenalina. Prijetnja stanicama koja proizlazi iz reaktivnosti O2 i H2O2 eliminiše se djelovanjem enzima koji efikasno neutraliziraju ova jedinjenja.

Enzimska antioksidativna zaštita.

Superoksid dismutaza kataliziraju reakciju

O2 + O2+ 2H® H2O2 + O2

Ovi enzimi se nalaze u svim stanicama koje dišu, kao iu raznim fakultativnim anaerobnim bakterijama. Superoksid dismutaze su metaloenzimi. Njihov katalitički ciklus uključuje redukciju i oksidaciju iona metala, kao što su Cu, Mn ili Fe, na aktivnom mjestu.

Aktivnost katalaze uočena je u gotovo svim životinjskim stanicama i organima. Jetra, crvena krvna zrnca i bubrezi su bogati izvori katalaze. Ova aktivnost se također nalazi u svim biljnim materijalima i u većini mikroorganizama osim obveznih anaerobnih. U svakom slučaju, katalaza vjerovatno sprečava nakupljanje štetnog H2O2 koji nastaje tokom aerobne oksidacije redukovanih flavoproteina i iz O2. Jedan molekul katalaze može razgraditi 44.000 molekula H2O2 u sekundi. U stvari, enzim ne zahtijeva gotovo nikakvu aktivacijsku energiju, a brzina reakcije je u potpunosti određena difuzijom. Katalaza reaguje sa H2O2 i formira relativno stabilan kompleks enzim-supstrat.

Iako su peroksidaze relativno rijetke u životinjskim tkivima, slaba aktivnost peroksidaze je pronađena u jetri i bubrezima. Leukociti sadrže verdoperoksidazu, koja je odgovorna za peroksidazno djelovanje gnoja. Ćelije fagocita sadrže mijeloperoksidazu, koja oksidira ione halogena, kao što je I, u slobodni halogen, efikasno baktericidno sredstvo.

Reakcije katalaze i peroksidaze mogu se zapisati na sljedeći način:

ALI OH O

Neenzimska antioksidativna zaštita.

Askorbinska kiselina (vitamin C).

Vitamin C se lako oksidira u dehidroaskorbinsku kiselinu, koja je nestabilna u alkalnoj sredini, u kojoj se laktonski prsten hidrolizira u diketogulonsku kiselinu.

Askorbinska kiselina je neophodna za različite biološke oksidativne procese. Vitamin aktivira oksidaciju n-hidroksifenilpirogrožđane kiseline homogenatima jetre. U prisustvu kiseonika, rastvori koji sadrže fero-ione i askorbat katalizuju hidroksilaciju brojnih jedinjenja. Vitamin je antioksidans, učestvuje u metabolizmu fenilalanina, tirozina, peptidnih hormona, u sintezi masti i proteina, neophodan je za stvaranje kolagena, pomaže u održavanju integriteta vezivnog i osteoidnog tkiva, ima antikancerogeno dejstvo, sprečava stvaranje kancerogenih nitrozamina, učestvuje u distribuciji i akumulaciji gvožđa.

vitamin E.

Vitamin je izolovan iz ulja pšeničnih klica 1936. godine i nazvan je tokoferol. Sedam tokoferola dobijenih iz matičnog jedinjenja tokola nalazi se u prirodnim izvorima; među njima, a-tokoferol ima najveću rasprostranjenost i najveću biološku aktivnost. Tokoferoli su označeni grčkim slovima: alfa, beta, gama i delta.

Vitamin štiti stanične strukture od uništavanja slobodnim radikalima, učestvuje u biosintezi hema, sprečava trombozu, učestvuje u sintezi hormona, podržava imunitet, ima antikancerogeno dejstvo i obezbeđuje normalno funkcionisanje mišića.

Slika 6. Mehanizam djelovanja vitamina.

Tkiva životinja s nedostatkom vitamina E, posebno srčani i skeletni mišići, troše kisik brže od tkiva normalnih životinja. a-tokoferol nije lako podvrgnut reverzibilnoj oksidaciji. Povećana potrošnja kisika u mišićima u nedostatku vitamina očito je povezana s peroksidnom oksidacijom nezasićenih masnih kiselina. U drugim tkivima, kao što je jetra, to dovodi do poremećaja mitohondrijalne strukture i smanjenog disanja. Postoje dokazi da peroksidna oksidacija nezasićenih masnih kiselina u endoplazmatskom retikulumu mišićnih stanica dovodi do oslobađanja lizosomalnih hidrolaza, što rezultira mišićnom distrofijom. Sve manifestacije nedostatka vitamina su sekundarni fenomeni zbog nedostatka inhibicije peroksidne oksidacije polinezasićenih masnih kiselina.

Neplodnost je klasična manifestacija nedostatka vitamina E kod laboratorijskih životinja. Kod muškaraca, najraniji uočljivi znak nedostatka je nepokretnost spermatozoida. Uočava se i niz drugih promjena: degeneracija epitela bubrežnih tubula, depigmentacija prednjih zuba. Druga manifestacija nedostatka vitamina E je hemoliza eritrocita in vitro u prisustvu peroksida ili derivata aloksana. Kod štakora s dugotrajnim nedostatkom vitamina razvija se mišićna distrofija sa simptomima progresivne paralize stražnjih udova, smanjuje se sadržaj kreatina u mišićima, javlja se kreatinurija, a izlučivanje kreatinina blago se smanjuje. Nedostatak vitamina A može se razviti i zbog oksidativne degradacije potonjeg zbog nedostatka vitamina s antioksidativnim svojstvima u ishrani. Simptomi hipervitaminoze su mučnina, vrtoglavica i tahikardija.

Vitamin R.

Vitamin P (rutin, citrin) izolovao je 1936. A. Szent-Györgyi iz limunove kore. Pojam "vitamin P" kombinuje grupu supstanci sa sličnom biološkom aktivnošću: katehini, halkoni, flavini, itd. Svi oni imaju aktivnost P-vitamina i njihova struktura je zasnovana na difenilpropanskom ugljeničnom "kosturu" hromona ili flavona ( zajednički naziv je "bioflavonoidi").

Bioflavonoidi stabilizuju osnovnu supstancu vezivnog tkiva inhibicijom hijaluronidaze, što potvrđuju podaci o pozitivnom dejstvu P-vitaminskih preparata, kao i askorbinske kiseline, na prevenciju i lečenje skorbuta, reume, opekotina i dr. Ovi podaci ukazuju na blisku funkcionalnu vezu između vitamina C i P u oksidativno-oporavačkim procesima organizma.

U slučaju insuficijencije bioflavonoida ili njihovog izostanka u hrani, povećava se propusnost krvnih žila, praćena krvarenjima i krvarenjima, primjećuje se i opšta slabost, umor i bol u udovima.

Glavni izvori vitamina su biljna hrana (posebno povrće i voće), koja sadrži dosta vitamina C. Industrija vitamina proizvodi niz preparata sa P-vitaminskim djelovanjem: katehini čaja, rutin, hesperidin, naringin i drugi.

Zaključak.

Problem koji je istaknut u ovom radu danas je veoma važan dio biohemije, gdje, uprkos postignutom napretku, ostaju mnoga pitanja i praznine.

Poznavanje problema bioorganske hemije neophodno je i važno u praksi svakog lekara, jer aktivan razvoj farmakologije i pojava mnogih novih lekova omogućava, poznavajući biohemiju procesa koji se dešavaju u telu, da utiče na njih i leči mnoge bolesti na ćelijskom nivou, stimulišući energetske procese na nivou mitohondrija.

Svaka iznenadna smrt povezana je s hipoksijom, koja je praćena nakupljanjem velike količine mliječne kiseline u tijelu zbog supresije funkcije šatl mehanizama, a kao rezultat toga nastaje acidoza. Tokom hipoksije, slobodni radikali se stvaraju neograničeno i lipidna peroksidacija se odvija intenzivno, praćena nepovratnim oštećenjem ćelija. Proučavanje kršenja mehanizama biološke oksidacije i metoda korekcije važno je u liječenju patologija kardiovaskularnog i respiratornog sistema, starosnih patologija i upala. Ova saznanja su od posebnog značaja u reanimaciji, tokom anestezije, budući da se nivo mliječne kiseline značajno povećava tokom operacija pod anestezijom, na primjer, ketaminom ili etranom, pod utjecajem narkotičnih supstanci, procesi oksidacije i fosforilacije se nespoje. Zato je toliko važno da imate na raspolaganju najpotpunije znanje i informativne podatke, čija procjena može pružiti maksimalne mogućnosti za predviđanje toka bolesti.

Bibliografija:

1. Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts K., Watson J. Molekularna biologija ćelije: U 3 sveska, 2. izdanje, per. T.1. Per. sa engleskog. - M.: Mir, 1994. - 517 str., ilustr.

2. Byshevsky A.Sh., Tersenov O.A. Biohemija za doktora. Jekaterinburg: Izdavačko-štamparsko preduzeće "Uralski radnik". - 1994 - 384 str.

3. Vinogradov A.D. Mitohondrijska mašina za sintezu ATP-a: petnaest godina kasnije.//Biohemija. - 1999. - T.64. Broj 11 - str.1443-1456

4. Galkin M.A., Syroeshkin A.V. Kinetički mehanizam reakcije sinteze ATP-a katalizirane mitohondrijskom F 0 -F 1 -ATPazom.//Biohemija. - 1999. - T. 64. Broj 10 - str.1393-1403

5. Grinstein B., Grinstein A. Visual biochemistry. - M.: "Medicina" 2000 - str.68-69, 84-85

6. Zaichik A.Sh., Churilov L.P. Osnove opće patologije. Dio 2. Osnove patohemije. - St. Petersburg. – 2000. – 384 str.

7. Kozinec G.I. Fiziološki sistemi čovjeka. - M.: "Triada-X" - 2000. - str.156-164

8. Korovina N.A., Zakharova I.N., Zaplatnikov A.L. Prevencija nedostatka vitamina i mikroelemenata kod dece (referentni vodič za lekare). – Moskva, 2000

9. Lehninger A. Osnove biohemije. - M.: Mir - 1991 - 384 str.

10. Murray R., Grenner D., Meyes P., Rodwell V. Human biochemistry: V2 vol.

11. Nikolaev A.Ya. Biološka hemija. Proc. za med. specijalista. Univerziteti - M .: Viša škola. - 1989 - 495s.

12. Ryabov G.A. Hipoksija kritičnih stanja. – M.: Medicina. - 1992 - 288 str.

13. Samartsev V.N. Masne kiseline kao razdvojioci oksidativne fosforilacije // Biokemija. - 2000 - T.65. Broj 9 - str.1173-1189

14. Skulachev V.P. Kiseonik u živoj ćeliji: dobro i zlo.// Soros Educational Journal. - 1996 - br. 3 - str.4-10

15. Skulachev V.P. Evolucija bioloških mehanizama skladištenja energije.// Soros obrazovni časopis. - 1997 - br. 5 - str.11-19

16. Skulachev V.P. Strategije evolucije i kiseonik.// Priroda. - 1998 - br. 12 - str.11-20

17. Tuteljan V.A., Alekseeva I.A. Antioksidativni vitamini: opskrba stanovništva i značaj u prevenciji kroničnih bolesti.// Klinička farmakologija i terapija. – 1995. - №4 (1) – str.90-95

18. Shilov P.I., Yakovlev T.N. Osnove kliničke vitaminologije. - L.: Medicina - 1989 - 343 str.

U procesu metabolizma prehrambeni proizvodi (ugljikohidrati, lipidi) prolaze kroz katabolizam.

katabolizam- to je proces cijepanja visokomolekularnih supstanci na niskomolekularne tvari, koji ide uz oslobađanje energije. U procesu katabolizma, struktura makromolekularnih supstanci je pojednostavljena.

Energija koja se oslobađa u procesu katabolizma koristi se za sintezu novih supstanci, tj. tokom anabolizma.

Interakcija transformacije materije i energije naziva se metabolizam.

Oksidacijski procesi se odvijaju u tijelu i izvan tijela. Ovi procesi imaju sličnosti i razlike.

Sličnosti između oksidacije u tijelu i izvan tijela.

1. Kao rezultat oksidacije nastaju isti krajnji proizvodi CO 2 i H 2 O.
2. Oslobađa se ista količina energije.

Razlike između oksidacije u tijelu i izvan tijela.

1. Izvan tijela energija se oslobađa zbog oksidacije atoma ugljika, a u tijelu zbog oksidacije atoma vodika.

1. Izvan tijela kisik se spaja sa oksidiranim supstratom. U tijelu se kisik ne spaja sa supstratom.
2. Izvan tijela energija se istovremeno oslobađa i ne akumulira, tj. ne vrši zalihe. U tijelu se energija oslobađa u porcijama, "kaskadno" se akumulira (pohranjuje). "Kaskadno" oslobađanje energije štiti ćeliju od pregrijavanja.
3. Glavna reakcija oksidacije u tijelu je reakcija dehidrogenacije, tj. eliminacija vodonika (protona). Pomoćne reakcije su reakcije dehidracije i dekarboksilacije.
4. Proces oksidacije u tijelu je višestepeni, enzimski proces.

Proces oksidacije supstrata u biološkim objektima naziva se biološka oksidacija.

Vrste biološke oksidacije.

1. tkivno disanje
2. oksidacija supstrata

Tkivno disanje je višestepeni enzimski proces u kojem je kisik konačni akceptor elektrona.

U procesu tkivnog disanja uključeni su enzimi - oksidoreduktaze, koje formiraju respiratorni lanac.

Respiratorni lanac je kompleks oksidoreduktaza uključenih u prijenos protona i elektrona sa oksidiranog supstrata na kisik.

Dišni lanac se nalazi u mitohondrijskim kristama.

Struktura respiratornog lanca.

Dišni lanac uključuje 4 grupe enzima:

1. Piridin zavisne dehidrogenaze - koenzim je NAD, NADP.

2. Flavin zavisne dehidrogenaze - koenzim je FAD, FMN.

3. Koenzim Q ili ubikinon.

4. Citohromi b, c, a, a 3.

Citohromi su proteini hema, koji sadrže hem kao neproteinski dio. Hem sadrži atom željeza, koji može promijeniti svoje oksidacijsko stanje sa +3 na +2 dobivanjem ili doniranjem elektrona.

Dišni lanac se sastoji od dva dijela:

1. Mjesto uključujući piridin zavisne dehidrogenaze - koenzim Q osigurava prijenos protona i elektrona. Na nivou koenzima Q, protoni odlaze u okolinu mitohondrija, jer Citohromi su strukturno sposobni da nose samo elektrone.

2. Dio citokroma koji osigurava prijenos samo elektrona.

Glavni značaj citokromskog sistema je prijenos elektrona sa oksidiranog supstrata na molekularni kisik uz stvaranje vode:

Šema transporta elektrona i protona duž respiratornog lanca.

Dva protona i dva elektrona prenose se duž respiratornog lanca od oksidiranog supstrata do kisika.

Koenzimi respiratornog lanca, prihvatajući protone i elektrone, prelaze u redukovani oblik, a doniranje ih ponovo prelazi u oksidirani oblik.

Pokretačka sila koja osigurava prijenos protona i elektrona sa supstrata na kisik je razlika u redoks potencijalima. U respiratornom lancu dolazi do povećanja redoks potencijala (od -0,32 do +0,81 u O 2)

Za sintezu jedne makroergijske veze ATP-a, razlika redoks potencijala između sekcija respiratornog lanca iznosi približno 0,22 V po paru prenesenih elektrona.

Dužina respiratornog lanca (broj enzima) može biti različita i ovisi o prirodi oksidiranog supstrata.

Za ćeliju je važno da se molekul kisika, dodavši 4 elektrona, potpuno obnovi na dva molekula vode. U slučaju nepotpune redukcije kisika, u slučaju dodavanja dva elektrona, nastaje vodikov peroksid, a u slučaju dodavanja jednog elektrona superoksidni radikal. Vodikov peroksid i superoksidni radikal su toksični za ćeliju, jer oštećenja ćelijske membrane, u interakciji sa ostacima nezasićenih masnih kiselina membranskih lipida.

Aerobne ćelije štite se od djelovanja peroksida i superoksida uz pomoć dva enzima: superoksid dismutaze i katalaze.

Načini korištenja energije prijenosa elektrona.

Kada se par elektrona prenese, dolazi do promjene slobodne energije i ta energija se koristi na dva načina:

1. Energija prijenosa elektrona koristi se za sintezu ATP-a.

2. Energija prijenosa elektrona koristi se za stvaranje topline.

Kada se par elektrona prenese duž respiratornog lanca, dolazi do promjene slobodne energije, jednake 52,6 kcal. Ova energija je dovoljna za sintezu 3 ATP molekula. Sinteza tri molekula ATP-a u standardnim uslovima zahtijeva utrošak kcal.

Na tri tačke prenosa elektrona dolazi do najveće promene slobodne energije i te tačke se nazivaju tačke konjugacije tkivnog disanja i oksidativne fosforilacije.

Oksidativna fosforilacija je proces resinteze ATP-a iz ADP-a i Fn, povezan s disanjem tkiva.

Tačke za uparivanje se nalaze u područjima:

1. PREKO/FAD

3. c a / a 3 O 2

Točke konjugacije su konstantne, ali njihov broj ovisi o prirodi oksidiranog supstrata.

Tokom oksidacije NAD - zavisnih supstrata, dešavaju se 3 tačke konjugacije, tj. 3ATP se oslobađa, kada se oksidiraju supstrati zavisni od FAD, dešavaju se 2 tačke konjugacije i oslobađaju se 3 ATP, kada se oksidiraju supstrati zavisni od citokroma, količina ATP-a ovisi o tome na koji se citokromski elektroni bacaju: kada se elektroni bacaju na citokrom b, 2ATP se oslobađa u procesu oksidativne fosforilacije, a na citokromu c - 1ATP.

Koeficijent fosforilacije je P/O odnos kao pokazatelj konjugacije disanja i fosforilacije.

Utvrđeno je da kada se apsorbuje jedan atom kiseonika (ili kada se par elektrona prenese sa supstrata na kiseonik), ne apsorbuje se jedan atom neorganskog fosfata, već oko tri, tj. P/O koeficijent je približno jednak 3. tj. postoje najmanje tri spojne tačke u respiratornom lancu gdje je anorganski fosfat uključen u formiranje ATP-a.

Proces biološke oksidacije možda neće biti praćen sintezom ATP-a.

Oksidacija koja nije praćena sintezom ATP-a naziva se slobodna oksidacija. U ovom slučaju energija se oslobađa u obliku topline. To se može primijetiti pod djelovanjem toksina i popraćeno je povećanjem tjelesne temperature.

Uzroci kršenja biološke oksidacije.

1. Nedostatak oksidacionih supstrata (ugljikohidrati, lipidi, tj. hrana).

2. Kršenje rada enzima u respiratornom lancu:

1. Apoenzimski defekt (poremećena je sinteza proteinskog dijela enzima).

2. Koenzimski defekt (poremećena sinteza koenzima zbog nedostatka vitamina B 2, B 5, K).

3. Nedostatak kiseonika.

4. Djelovanje inhibitora.

Aminobarbital inhibira prijenos protona i elektrona u NAD/FAD mjestu, zaustavlja se oksidacija NAD-ovisnih supstrata.

Antimicin inhibira prijenos elektrona na mjestu citokroma b, citokroma c.

Cijanade inhibiraju prijenos elektrona na mjestu citokrom oksidaze/kiseonika.

U većini fizioloških uslova, prijenos elektrona je povezan s oksidativnom fosforilacijom.

Brojni spojevi mogu uzrokovati prekid disanja tkiva i oksidativnu fosforilaciju. Razdvojivači ovih procesa su sljedeća jedinjenja: 2,4 - dinitrofenol, tiroidni hormon - tiroksin, dikumarin i njegovi derivati, masne kiseline.

Razdvajanje oksidativne fosforilacije i disanja tkiva može biti biološki korisno. Odvajanje je način stvaranja topline za održavanje tjelesne temperature kod životinja koje hiberniraju i sisara prilagođenih hladnoći. Masne kiseline, koje se akumuliraju u smeđem masnom tkivu, djeluju kao odspojnik. Novorođenčad ima i takvu smeđu masnoću, koja omogućava održavanje tjelesne temperature uz još nesavršen sistem termoregulacije.

Kod pacijenata sa hiperfunkcijom štitne žlijezde uočava se povećanje tjelesne temperature, što je posljedica prekida procesa tkivnog disanja i oksidativne fosforilacije uzrokovane tiroksinom.

Sa nedostatkom kiseonika u tkivima, proces tkivnog disanja je otežan i dolazi do oksidacije supstrata u tkivima.

Oksidacija supstrata je oksidacijski proces u kojem je konačni akceptor elektrona supstrat, a ne kisik.

Oksidacija supstrata je hitan izvor energije u nedostatku kiseonika.

Nedostatak kiseonika (hipoksija) nastaje u organizmu kada fizički rad, prilikom penjanja na planine, spuštanja pod vodu, kod oboljenja respiratornog, kardiovaskularnog i hematopoetskog sistema.

Oksidacija supstrata je energetski nepovoljnija od respiracije tkiva, jer redoks potencijali supstrata se neznatno razlikuju.

U tijelu, uz oksidativnu fosforilaciju, proces davanja energije je fosforilacija supstrata.

Fosforilacija supstrata je proces stvaranja makroergijskih spojeva zbog makroergijskih veza supstrata.

Najvažnije makroergijsko jedinjenje je ATP.

Energija makroergijskih veza akumulirana je u brojnim jedinjenjima: kreatin fosfatu, 1,3-difosfogliceratu, GTP itd.

biološka oksidacija

Disanje tkiva Slobodna oksidacija Oksidacija supstrata

Vezano za energiju

izlučuje oksidativno

fosforilacija kao toplota

Energija se oslobađa

u obliku ATP-a

Fosforilacija

Oksidativna fosforilacija Fosforilacija supstrata

povezane s mitohondrijskim membranama koje nisu povezane s membranama

mitohondrije

Nekada su neki agensi za odvajanje pokušali da se bore protiv gojaznosti smanjujući efikasnost sinteze ATP-a. Ali ove tvari su se pokazale izuzetno otrovne, pa je njihova upotreba napuštena.

Postoji još jedna grupa supstanci kao što su jonofori, tj. jonski nosači. To su tvari topljive u mastima koje mogu vezati određene ione i prenijeti ih kroz membranu. Jonofori se razlikuju od rastavljača po tome što jonofori ne prenose ione vodika kroz membranu, već neke druge katione. Na primjer, toksični antibiotik valinomicin stvara kompleks rastvorljiv u mastima sa K+ jonima, koji lako prolazi kroz unutrašnju mitohondrijalnu membranu, dok u nedostatku valinomicina K+ joni teško prodiru u nju. Gramicidin jonofor olakšava prodiranje K+ i Na+ jona.

Jonofori i odvajači suzbijaju oksidativnu fosforilaciju povećanjem propusnosti membrane za H+, K+ ili Na+ ione.

Oksidativna fosforilacija

CPE enzimi su fiksirani u mitohondrijalnoj membrani i njihovo djelovanje karakteriše ne samo veličina, već i prostorna orijentacija, tj. djelovati vektorski.

Manifestacija vektorizma je prijenos H+ jona sa unutrašnje strane membrane (sa strane matrice) na vanjsku. Iz NADH, elektroni prelaze u FMN, a protoni se oslobađaju iz unutrašnjosti membrane. Protoni potrebni za redukciju FMN dolaze iz matrice. U sljedećoj fazi, elektroni iz FMN H 2 prelaze u ubikinon, a protoni - u međumembranski prostor; ubikinon prima protone iz matrice, i tako dalje. CPE radi kao protonska pumpa, pumpajući H+ ione iz matrice na vanjsku stranu membrane. Kao rezultat, pojavljuje se razlika u koncentraciji protona na stranama membrane i, istovremeno, razlika u električnim potencijalima sa znakom + na vanjskoj površini.

Elektrohemijski potencijal uzrokuje da se protoni kreću u suprotnom smjeru - od vanjske površine prema unutra. Kretanje protona ide kroz protonske kanale, gdje se nalazi ATPaza, katalizujući reakciju:

ADP + H 3 RO 4 \u003d ATP + H 2 O

ATP uz učešće translokaze dolazi iz matriksa na vanjsku stranu membrane, a zatim u citosol.

Mitchellova hipoteza

Prema ovoj hipotezi, lanac transporta elektrona je pumpa koja pumpa H+ ione. Energija oslobođena prijenosom elektrona koristi se za pomicanje H + jona iz mitohondrijalnog matriksa, što rezultira elektrohemijskim H + - gradijentom s višom koncentracijom H + jona u vanjskoj vodenoj fazi. Isti proces dovodi do pojave transmembranskog električnog potencijala - vanjska strana membrane ispada elektropozitivna. Joni H + iz okruženje ponovo juri unutra, tj. u mitohondrijski matriks, ovaj put uz elektrohemijski gradijent. Ovaj prijelaz H+ iona iz zone sa višom u zonu sa nižom koncentracijom praćen je oslobađanjem slobodne energije, zbog čega se sintetiše ATP.

Elektrohemijski H + -gradijent sa višom koncentracijom H + na spoljnoj membrani.

Transmembranski električni potencijal - vanjska membrana je pozitivno nabijena, a unutrašnja negativno.

H+ joni iz okoline idu unutar mitohondrija po električnom gradijentu, a ovaj proces je praćen oslobađanjem slobodne energije koja ide u sintezu ATP-a.

Razmjena ugljikohidrata.

Metabolizam ugljikohidrata u ljudskom tijelu sastoji se od sljedećih procesa:

1. Cepanje u gastrointestinalnom traktu na monosaharide od polisaharida iz hrane sa hranom od polisaharida i disaharida. Apsorpcija monosaharida iz crijeva u krv.

2. Sinteza i razgradnja glikogena.

3. Anaerobna oksidacija glukoze. U tkivima postoje dva glavna puta za razgradnju glukoze: anaerobni put glikolize, koji se odvija bez potrošnje kisika, i aerobni put direktne oksidacije glukoze ili pentozofosfatni put.

4. Aerobni metabolizam piruvata, uključujući oksidativnu dekarboksilaciju piruvata i konverziju acetil-CoA u TCA.

5. Glukogeneza, tj. stvaranje ugljikohidrata iz neugljikohidratnih proizvoda, kao što su piruvat, laktat, glicerol, aminokiseline.

Razmjena ugljikohidrata.

Vrijednost ugljenih hidrata u tijelu:

1. Ugljikohidrati su glavni energetski materijal.

2. Ugljikohidrati obavljaju plastičnu funkciju. To uključuje pentoze nukleotida i glikoproteina, heteropolisaharide međustanične tvari.

3. Ugljikohidrati se mogu pretvoriti u lipide i neke aminokiseline.

Izvor ugljikohidrata u tijelu su ugljikohidrati iz hrane – škrob, saharoza i laktoza. Osim toga, glukoza se u tijelu može formirati iz aminokiselina, glicerola.

Ugljikohidrati iz hrane u probavnom traktu se razlažu na monomere. Hidrolaze su uključene u probavu.

Specifične hidrolaze: maltazu, saharuzu, laktazu proizvode crijevne stanice i sadržane su u crijevnom soku.

Produkti potpune probave ugljikohidrata - glukoza, galaktoza i fruktoza - ulaze u krv kroz crijevne stanice. Kada se apsorbiraju iz crijeva u krv, monosaharidi prodiru kroz ćelijske membrane olakšanom difuzijom i aktivnim transportom. Aktivni transport omogućava transport monosaharida protiv gradijenta koncentracije i stoga može funkcionirati kada je koncentracija glukoze ili galaktoze u crijevima niska.

Najvažniji šećeri portalna vena ući u jetru gdje dolazi do transformacije fru i gal u glu.

Glikoliza.

Glikoliza (od grčkog glykys - slatko, lysis - raspadanje) je jedan od centralnih puteva katabolizma glukoze.

Glikoliza razgrađuje molekulu piruvata sa šest ugljika. Prvih pet faza čine pripremnu fazu glikolize. Produkt prve faze glikolize je gliceraldehid-3-fosfat. Pripremni korak glikolize služi za pretvaranje ugljičnih lanaca svih metaboliziranih heksoza u jedan zajednički proizvod, gliceraldehid-3-fosfat.

Druga faza glikolize, koja se također sastoji od 5 enzimskih reakcija, praćena je stvaranjem energije.

faze glikolize.

I. 1. Fosforilacija glukoze: reakcija se odvija nepovratno, katalizira je heksokinaza i zahtijeva potrošnju ATP-a:

Ireverzibilne reakcije su reakcije koje se odvijaju u smjeru naprijed pod djelovanjem jednog enzima, a u obrnutom smjeru pod djelovanjem drugog.

Vezivanje heksogenaze za heksozu odvija se prema vrsti inducirane korespondencije: molekul enzima prolazi kroz konformacijske promjene. Glu-6-fosfat inhibira aktivnost heksokinaze.

Drugi oblik enzima, glukokinaza, prisutan je u jetri. Glukokinaza je specifična za D-glukozu. Glukokinaza jetre djeluje kada se koncentracija glukoze poveća, na primjer nakon obroka bogatog ugljikohidratima.

Glikoliza uključuje 3 različite vrste hemijskih transformacija:

1. Razgradnja ugljičnog skeleta glukoze sa stvaranjem piruvata (put atoma ugljika).

2. Fosforilacija ADP-a pomoću visokoenergetskih fosforiliranih spojeva sa formiranjem ATP-a (put fosfatne grupe).

3. Transfer atoma vodonika ili elektrona.

Enzimi koji kataliziraju glikolizu lokalizirani su u citosolu.

Enzimi koji kataliziraju one faze oksidacije ugljikohidrata koji zahtijevaju prisustvo O 2 lokalizirani su u mitohondrijskim membranama.

U tim uslovima, glukokinaza deluje na višak glukoze u krvi i pretvara ga u glukoza-6-fosfat za skladištenje u obliku glikogena.

Mišićnom tkivu nedostaje glukokinaza.

2. Pretvaranje Glu-6-F u Fru-6-F

3. fosforilacija fru-6-f u fru-1,6-df

4. Cepanje fru-1,6-dp u trioze:

Gliceraldehid-3-p, koji nastaje kao rezultat izomerizacije dihidroksiaceton fosfata, učestvuje u daljim transformacijama:

Dihidroksiaceton fosfat gliceraldehid-3-fosfat

Kvantitativno se stvara više dihidroksiaceton fosfata.

II. Energija se skladišti u drugoj fazi glikolize.

Od jednog molekula Glu formiraju se dva molekula gliceraldehid-3-fosfata koji su uključeni u daljnje transformacije.

1. Oksidacija gliceraldehid-3-fosfata u 1,3-fosfogliceroilfosfat: difosfoglicerinska kiselina (glikolitička oksidoredukcija)

CH 2 ORO 3 H 2 CH 2 ORO 3 H 2

| gliceraldehid- 2 |

CHOH fosfat dehidrogenaza CHOH

| |

| 2NAD + +Fn 2NADH+N + |

3-PGA 1,3-fosfoglicerat fosfat

Koenzim gliceraldehid fosfat dehidrogenaze je NAD+. Mehanizam djelovanja ovog enzima je vrlo složen.

2. Formiranje 3-fosfoglicerata:

3. Formiranje 2-fosfoglicerata:

4. Formiranje fosfoenolpiruvata - fosforilacija supstrata:

Visokoenergetski fosforilirani spoj fosfoenolpiruvat.

5. Formiranje piruvata:

U anaerobnim uslovima, kao što su skeletni mišići koji naporno rade. Piruvat se pretvara u laktat:

U tim uslovima, NADH formiran tokom glikolize se regeneriše zbog piruvata, a d se redukuje u laktat.

Elektroni koji su prvi došli iz gliceraldehid-3-fosfata u NAD + prenose se u obliku NADH u piruvat. Smanjenje NAD katalizira LDH.

Uz nakupljanje laktata u skeletnim mišićima, povezan je i osjećaj umora. LDH je predstavljen sa 5 različitih izoenzima. LDH srčanog mišića ima nizak Km za piruvat, dok LDH mišića ima veći Km za piruvat.

Ukupna reakcija:

Glu + 2ADP + 2Fn 2Lak + 2 ATP

Tokom anaerobne glikolize nastaju 4 molekula ATP-a, ali se oslobađaju samo 2 molekula, jer. 2 ATP molekula se troše u procesu fosforilacije.

Značaj anaerobne glikolize:

Oksidacija Glu u uslovima nedostatka kiseonika u tkivima omogućava ćeliji da dobije energiju tokom hipoksije, koja može biti uzrokovana fizičkom aktivnošću, kao i poremećajima kardiovaskularnog i respiratornog sistema. Kod IHD se opaža anaerobna glikoliza, jer. poremećen je rad respiratornog lanca nedostatkom O 2, a samim tim i oksidacija glu i masnih kiselina, koji su glavni izvori energije.

II. Uz dovoljan sadržaj O 2 u ćeliji, glu se oksidira do krajnjih proizvoda - CO 2, H 2 O, a ovaj proces se naziva aerobna oksidacija glu.

Krajnji proizvod aerobne glikolize je piruvat, a energetski bilans se sastoji od 3 molekule ATP nastalih kao rezultat fosforilacije supstrata i još 2 molekule reduciranog NADH čija koncentracija određuje aktivnost procesa. Za nastavak procesa potrebno je osloboditi H 2 enzimima respiratornog lanca, ali sama molekula NADH ne može prodrijeti u mitohondrijalnu membranu, za to se koriste nosači i prijenos se vrši pomoću 2 mehanizma:

1. Glicerofosfatni šatl mehanizam;

2. Malat-aspartat shuttle mehanizam.

Glicerofosfatni shuttle mehanizam.

Mali šatl mehanizam.

U procesu glikolize nastaje redukovani oblik NADH, koji ne može direktno prenositi vodonik u respiratorni lanac, jer mitohondrijalna membrana je nepropusna za NADH. Prijenos vodika iz citosolnog NADH u mitohondrije odvija se uz sudjelovanje posebnih mehanizama koji se nazivaju šatl mehanizmi. Suština mehanizama je da NADH u citosolu obnavlja neki spoj koji može prodrijeti u mitohondrije; u mitohondrijima, ovo jedinjenje se oksidira, obnavljajući intramitohondrijski NAD, i ponovo prelazi u citosol.

Balans aerobne glikolize:

1. Anaerobna glikoliza - fosforilacija supstrata - 2ATP

2. 2Pyr 2 CH 3 COSKOA - oksidativna dekarboksilacija 2 NADH-6ATP

3. Regeneracija 2 NADH u šatlu - 6 ATP

4. CTC 2 CH 3 COSKOA CO 2 24 ATP

ŠEMA GLIKOLIZE.

Uključivanje u glikolizu drugih monosaharida.

Osim glukoze, u glikolizu su uključeni i drugi monosaharidi. Kao što su D-fruktoza, manoza i galaktoza.

Fruktoza i manoza se fosforilišu nespecifičnom heksokinazom kako bi se formirao fruktoza-6-fosfat i metabolit je glikolize. Manoza-6-fosfat se izomerizira fosfomanozom izomerazom u fruktozo-6-fosfat.

Postoji još jedan način uključivanja fruktoze u glikolizu. Fruktoza se pretvara u fruktokinazu jetre u fruktozo-1-fosfat, a aldolazom se razlaže na dihidroksiaceton fosfat i gliceraldehid.

Galaktozu prvo fosforiliše u jetri galaktokinaza: D-galaktoza + ATPgalaktoza-1-P + ADP. Zatim se galaktoza-1-fosfat pretvara u glukoza-1-fosfat. Ova reakcija izomerizacije zahtijeva uridin difosfat-glukozu (UDP-glukozu) i enzim galaktoza-1-fosfat-uridiltransferazu:

Galaktoza-1-fosfat + UDP-glukozaUDP-galaktoza + Glukoza-1-fosfat

Glukoza-1-fosfat je povezan sa glikolizom, a UDP-galaktoza se pretvara u UDP-glukozu pomoću UDP-glukozne epimeraze.

Pentozofosfatni (apotamski) put oksidacije glukoze.

Većina glukoze se razgrađuje u tkivima duž glikolitičkog puta uz stvaranje piruvata. Zauzvrat, većina piruvata se oksidira kroz ciklus limunske kiseline. Glavna svrha razgradnje glukoze tokom glikolize je da obezbijedi ćeliju energijom u obliku ATP-a. Uz to, međutim, postoje i drugi načini katabolizma glukoze koji imaju posebnu svrhu. Ovi putevi proizvode posebne proizvode koji su potrebni ćeliji.

Pentozofosfatni ili fosfoglukonatni put je izvor posebnih proizvoda u tijelu:

Značenje:

1. NADPH, d se koristi kao izvor redukcijskih ekvivalenata u biosintezi masnih kiselina i steroida.

2. Riboza-5-fosfat (pentoza), d se koristi za sintezu nukleinskih kiselina.

3. Formiranje ATP-a.

Drugim sekundarnim putem katabolizma glukoze u životinjskim tkivima nastaju dva specijalizirana proizvoda: D-glukonat, čija je važna uloga povezana s neutralizacijom i eliminacijom stranih organskih tvari iz organizma, i L-askorbinska kiselina (vitamin C).

Reakcije pentozofosfatnog puta odvijaju se u citosolu.

Odnos između pentoznog puta i glikolize.

Razmjena glikogena.

Glukoza, kao monosaharid, slobodno difundira kroz membranu ćelija jetre, ne može služiti kao rezerva ugljikovodika u jetri. Budući da fosfatni estri glukoze i fruktoze ne prolaze lako kroz membrane, fosforilacija ovih šećera stvara neku vrstu zamke za njih, efektivno izolujući reakcije glikolize i fosfoglukonatni put unutar intracelularnog odjeljka. Međutim, šećerni fosfati se ne mogu akumulirati u velikim količinama u jetri, jer će zbog osmoze povećanje njihovih rezervi biti praćeno nakupljanjem velikih količina vode.

U jetri se višak ugljikohidrata pretvara u netopivi polimer - glikogen. Ovaj rezervni oblik glukoze može činiti jednu desetinu ukupne mase jetre. Tokom gladovanja, zalihe glikogena su gotovo potpuno iscrpljene.

Metabolizam glikogena uključuje 2 procesa: glikogenezu ili sintezu glikogena i glikogenolizu ili razgradnju glikogena.

Glikogeneza Sinteza glikogena je anabolički proces koji zahtijeva energiju u obliku ATP-a i uridin trifosfata (UTP). Početni izvor za sintezu glikogena je glu, d se pretvara u glu-6-fosfat djelovanjem glukokinaze.

Glu-6-p zauzima ključnu poziciju kao uobičajeni međuproizvod brojnih procesa metabolizma ugljikohidrata: sposoban je za reverzibilnu konverziju u piruvat glikolizom ili glukoneogenezom, kao i za ireverzibilnu konverziju u pentoze tokom fosfoglukonatnog puta. Glu-6-p se može reverzibilno pretvoriti u glikogen.

Tada se glu-6-p pretvara u glu-1-p. Uridinski nukleotidi su uključeni u proces aktivacije Glu-1-P. Tokom ovog procesa, dva terminalna fosforna ostatka UDP se oslobađaju u obliku neorganskog pirofosfata, ostatak UMP se kombinuje sa glu-1-p, formirajući UDP-glukozu.

Izvor glu u sintezi glikogena je UDP-glu, d se formira od glukoze-1-p i UTP:

Glu-1-f + UTP UDP \u003d glu + H 4 P 2 O 7

U sljedećoj fazi, prijenos ostatka gluka sa UDP-glu u sjeme glikogena uz pomoć glikogen sintetaze:

UDP-glu + (glu) n UDP + (glu) n +1

Glikogen sintetaza katalizira stvaranje samo -1,4-glikozidnih veza. Enzim "grananja" formira -1-6 glikozidnih S (tačke grananja).

Glikogenoliza- razgradnja glikogena se dešava fosforolizom.

biosinteza ugljikohidrata.

Glikoliza, pentozofosfatni put, glikogenoliza su katabolički putevi koji se konvergiraju u ciklusu limunske kiseline kako bi prenijeli svoje energetski bogate elektrone u respiratorni lanac. Krećući se duž respiratornog lanca do kiseonika, ovi elektroni snabdevaju energijom za sintezu ATP-a. Sada moramo pogledati anaboličke puteve. U ovim putevima, hemijska energija u obliku ATP i NADPH se koristi za sintezu ćelijskih komponenti iz jednostavnih prekursora.

Organizacioni principi biosinteze.

1. Putevi biosinteze i putevi cijepanja pojedinih biomolekula, po pravilu, nisu identični. Ovi putevi mogu uključivati ​​neke uobičajene reverzibilne reakcije, ili čak nekoliko takvih reakcija, ali uvijek imaju barem jedan enzimski korak u kojem se razlikuju.

2. Biosintetski putevi i njihovi odgovarajući katabolički putevi su kontrolirani različitim regulatornim enzimima. Obično se regulacija odgovarajućih biosintetskih i kataboličkih puteva odvija koordinirano, recipročno, tako da je stimulacija biosintetskog puta praćena supresijom kataboličkog puta i obrnuto. Osim toga, biosintetski putevi se obično reguliraju u jednoj od prvih faza. Ovo štedi ćeliju od otpada: ne koristi prekursore za sintetizaciju onih međuproizvoda koji joj nisu potrebni.

3. Energetski zahtjevni biosintetski procesi su nužno povezani sa razgradnjom ATP-a koji opskrbljuje energiju, zbog čega je cijeli proces praktično nepovratan, kao što je katabolizam općenito nepovratan. Dakle, ukupna količina ATP-a (ili NADH) koja se koristi u datom biosintetskom putu uvijek premašuje minimalnu količinu slobodne energije koja je potrebna za pretvaranje prekursora u biosintetski proizvod.

Centralni biosintetski put je stvaranje glukoze iz prekursora koji nisu ugljikohidrati. Kod svih viših životinja i ljudi, biosinteza glukoze je apsolutno neophodan proces. Glukoza u krvi služi kao jedini ili glavni izvor energije za nervni sistem (uključujući mozak), kao i za bubrege, testise, crvena krvna zrnca i za sva tkiva embriona. Kod ljudi, samo mozak troši 120 g glukoze dnevno.

Stvaranje glukoze iz neugljikohidratnih prekursora naziva se glukoneogeneza (formiranje novog šećera).

Tokom glukoneogeneze, glukoza se sintetiše iz laktata, piruvata, glicerola i većine aminokiselina, iz međuprodukata u ciklusu limunske kiseline.

Glukoneogeneza se javlja u jetri i mnogo manje intenzivno u kortikalnoj tvari bubrega.

Glikoliza pretvara glukozu u piruvat, dok glukoneogeneza pretvara piruvat u glukozu. Glukoneogeneza nije poništavanje glikolize, kao Postoje 3 ireverzibilna koraka u glikolizi koju kataliziraju heksokinaza, fosfofruktokinaza i piruvat kinaza.

Putevi glukoneogeneze zaobilaze ove 3 ireverzibilne reakcije glikolize sa sljedećim novim koracima:

1. Fosfoenolpiruvat nastaje iz piruvata preko oksaloacetata.

Prvi korak u bypass reakcijskoj sekvenci katalizira mitohondrijska piruvat karboksilaza. Ovaj enzim ovisan o biotinu katalizira stvaranje oksaloacetata iz piruvata:

Piruvat + CO 2 + ATPoksaloacetat + ADP + Rn

Piruvat karboksilaza je regulatorni enzim; u nedostatku acetil-CoA, koji mu služi kao pozitivan regulator, gotovo je potpuno lišen aktivnosti.

Oksaloacetat, nastao u mitohondrijima iz piruvata, reverzibilno se reducira NADH u malat:

Mitoch. NADH + H + + Oksaloacetat NAD + malat

Malat iz mitohondrija ulazi u citosol. U citosolu, malat se pretvara u oksaloacetat djelovanjem citosolne NAD zavisne malat dehidrogenaze:

Citosol malat + NAD + oksaloacetat + NADH + H +

Oksoloacetat + GTFFEP + CO 2 + HDF

Donor fosfata u ovoj reakciji je GTP, gvanozin trifosfat.

2. Druga reakcija glikolize koja se ne može koristiti za glukoneogenezu je reakcija fosforilacije fru-6-f katalizirana fosfofruktokinazom.

U glukoneogenezi postoji obilazni put koji uključuje fruktozu difosfatazu, koja katalizira ireverzibilnu hidrolizu fru-1,6-dp u formiranje fru-6-p

Fru-1,6-df fru-6-f

Fruktoza difosfataza je regulatorni enzim kojem su potrebni Mg 2+ joni. AMP je inhibiran, ATP je aktiviran.

3. Treća bypass reakcija u sintezi glukoze je defosforilacija Glu-6-P da bi se formirao Glu.

Defosforilacija se odvija pod dejstvom glukoza-6-fosfataze:

Glu-6-fglu

Glukoneogeneza zahtijeva značajan utrošak energije. Koraci glukoneogeneze koji troše energiju:

Pyr + CO 2 + ATPoksaloacetat + ADP + Fn

Oksaloacetat + GTFFEP + CO 2 + GDP

3FGK1,3FGK

Za svaki Glu molekul potrebno je 6 visokoenergetskih fosfatnih grupa - 4 iz ATP-a i 2 iz GTP-a.

Osim toga, 2 NADH molekule su potrebne za korake oporavka:

1.3 DFHA + NADH + H + 3PHA + NAD +

Ukupna reakcija:

2Pyr + 4 ATP + 2 GTP + 2 NADH + 2 H + + 4 H 2 O Glu + 2 NAD + + 4 ADP + 2 GDP + 6 Rn

Citrat, izocitrat, α-ketoglutarat, sukcinat, fumarat i malat igraju glavnu ulogu među TCA metabolitima koji se koriste u glukoneogenezi.

Važno je napomenuti da se acetil-CoA obično ne koristi kao prekursor Glu, jer se ne može pretvoriti u piruvat.

Glukogene aminokiseline se mogu pretvoriti u glukozu: alanin, glutamat, aspartat, koji se pretvaraju u piruvat, oksaloacetat i -ketoglutarat, respektivno:

Glukogen aminokiseline

Pretvorite se u gozbu: ala, ser, cis, gli

Pretvoreno u oksaloacetat: asp, asn

Transformirati u sukcinil-CoA: val, tre, met

Pretvore se u -ketoglutarat: glu, hln, pro, arg, gis.

Oni opskrbljuju atome ugljika za sintezu glu i ketonskih tijela: fen, tir, izol, lys, tri

Sinteza gluta iz malih molekula prekursora događa se u periodu nakon oporavka od mišićne vježbe, na primjer, nakon trčanja na sto metara. U ovom slučaju, gly služi kao izvor energije, koji se oksidira u lak i oslobađa ATP. Jer nema dovoljno kiseonika u tkivima, laktat se ne može dalje transformisati i ulazi u krv.

Sprinter koji završi trku na 100 metara u početku teško diše, ali se postepeno disanje ujednačava i postaje normalno. Do tog perioda, sadržaj laka se također vraća u normalu. Tokom perioda oporavka (do 30 minuta), laktat se uklanja iz krvi u jetru i pretvara u glukozu u krvi tokom glukoneogeneze. Gluk u krvi se vraća u mišiće:

Alkohol inhibira glukoneogenezu.

Konzumacija velikih količina alkohola naglo inhibira glukoneogenezu u jetri, zbog čega se smanjuje sadržaj glukoze u krvi, tj. dolazi do hipoglikemije. To je posebno istinito nakon teškog fizičkog napora i na prazan želudac, razina Glu može pasti na 40, pa čak i 30% norme. Hiperglikemija nije dobra za funkciju mozga. Posebno je opasan za ona područja mozga koja kontroliraju tjelesnu temperaturu. Tjelesna temperatura može pasti za 2 0 C. Stari običaj, koji propisuje davanje votke gladnim ili iscrpljenim ljudima spašenim na moru ili u pustinji, fiziološki je neopravdan, pa čak i opasan; u takvim slučajevima treba dati Glu.

Oksidativna dekarboksilacija piruvata.

Javlja se u mitohondrijskom matriksu i povezuje glikolizu sa ciklusom trikarboksilne kiseline.

Pretvaranje piruvata u acetil-CoA je nepovratan proces i katalizira ga kompleks piruvat dehidrogenaze. Kompleks piruvat dehidrogenaze sastoji se od tri enzima i sadrži pet koenzima: NAD, FAD, TPP, amid lipoične kiseline, CoA. Ovaj proces uključuje 4 reakcije, ukupna jednačina se piše na sljedeći način:

ciklus trikarboksilne kiseline.

Ciklus počinje kondenzacijom oksaloacetata (AAA) sa acetil-CoA da bi se formirao citrat i CoA. Reakciju katalizira citrat sintetaza. Nadalje, citrat se izomerizira u izocitrat, kroz fazu formiranja cis-akonitata. Izocitrat se pod dejstvom izocitrat dehidrogenaze pretvara u -ketoglutorat (2-oksoglutarat). Koenzim izocitrat dehidrogenaze je NAD. Nadalje, β-ketoglutarat, pod djelovanjem kompleksa β-ketoglutarat dehidrogenaze koji sadrži NAD, FAD, CoA, TPP i amid lipoične kiseline kao koenzime, pretvara se u sukcinil-CoA. U ovoj fazi dolazi do oksidativne dekarboksilacije. Sukcinil-CoA ima vezu bogatu energijom. Hidrolizom sukcinil-CoA proizvodi se oko 8 kcal/mol, što je uporedivo s količinom energije potrebnom za sintezu ATP-a (~7,3 kcal/mol).

Cepanje tioeterske veze sukcinil-CoA povezano je sa fosforilacijom gvanozin difosfata (GDP). Ovo je reakcija fosforilacije supstrata koja proizvodi 1 mol ATP-a. Ovo je jedina TCA reakcija koja rezultira stvaranjem visokoenergetske fosfatne veze. Oksidativna fosforilacija je povezana s Krebsovim ciklusom, gdje je stvaranje ATP-a povezano s oksidacijom NAD ili FAD pod djelovanjem kisika.

Sukcinat se zatim pretvara u fumarat djelovanjem sukcinat dehidrogenaze koja sadrži FAD kao koenzim. U sljedećem koraku, fumarat prolazi kroz reakciju hidratacije kako bi se formirao malat (jabučna kiselina). Malat se pretvara u oksaloacetat pomoću NAD-zavisne malat dehidrogenaze. Posljedično, oksaloacetat se regeneriše u ciklusu, što osigurava funkcioniranje TCA.

3 NADH i FADH 2 formirani u ciklusu trikaboične kiseline oksidiraju se u respiratornom lancu (ili u lancu transporta elektrona). Generisanje ATP-a nastaje tokom transporta elektrona sa ovih nosača na O 2 . Za svaki NADH molekul u mitohondrijima formiraju se 3 ATP, a za svaki FADH 2 molekul, 2 ATP molekula. Dakle, u procesu oksidativne fosforilacije nastaje 11 ATP.

Molekularni kiseonik nije direktno uključen u ciklus trikarboksilne kiseline. Međutim, ciklus funkcioniše samo u aerobnim uslovima, jer NAD + i FAD mogu da se generišu u mitohondrijama samo kada se elektroni prenesu na molekularni kiseonik.

Vrijednost CTC-a

1. * Krebsov ciklus je glavni put cijepanja koji osigurava stvaranje ATP-a.

2. Amfibolični - dvostruka funkcija.

Katabolički - razgradnja acetilnih ostataka

Za sintezu se koriste supstrati anaboličkog – Krebsovog ciklusa.

3. Energetska funkcija - 1 ATP

4. Funkcija donora vodonika - regenerator vodonika za respiratorni lanac.

* Integrativna funkcija - kombinovanje razmene ugljenih hidrata, lipida i proteina.

Patologija metabolizma ugljikohidrata.

Poremećaji metabolizma glukoze manifestiraju se kao hiperglikemija, glukozurija i hipoglikemija. poseban oblik predstavljaju poremećaje energetskog metabolizma u hipoksičnim stanjima.

Hiperglikemiju karakterizira povećanje razine glukoze iznad 6 mmol/l. Postoje fiziološka i patološka hiperglikemija. U fiziološke hiperglikemije spadaju alimentarne, koje nastaju kada se istovremeno uzimaju velike količine ugljikohidrata, te neurogene, na primjer, u stresnim situacijama kao rezultat oslobađanja velike količine adrenalina u krv. Fiziološke hiperglikemije su prolazne i brzo nestaju.

Patološka hiperglikemija je uzrokovana kršenjem optimalnog omjera između lučenja hormona hipo- i hiperglikemijskog djelovanja. Najčešći uzrok patološke hiperglikemije je dijabetes melitus, povezan s nedostatkom lučenja inzulina od strane gušterače. Osim dijabetesa, hiperglikemija prati i bolesti hipofize, praćene pojačanim lučenjem somatotropnog hormona i ACTH (akromegalija, tumori hipofize), tumori medule nadbubrežne žlijezde, kod kojih dolazi do stvaranja kateholamina i kortikalnog sloja nadbubrežne žlijezde sa povećanom proizvodnjom glukokortikoida, hipertireoze, nekih oboljenja jetre (infektivni hepatitis, ciroza jetre).

Dijabetes- povezan je s nedostatkom inzulina koji proizvode β-ćelije pankreasa. Razvoju dijabetesa doprinosi prekomjerna potrošnja ugljikohidrata i masti, sjedilački način života, stresne situacije.

Dijabetes melitus se zasniva na sljedećim molekularnim defektima:

1. Kršenje konverzije proinzulina u inzulin kao rezultat mutacija koje utiču na aminokiselinske ostatke u spoju A-lanca (ili B-lanca) sa C-peptidom u proinzulinu. Kod takvih pacijenata, krv sadrži visok sadržaj proinzulina, lišen hormonske aktivnosti.

2. Kršenje molekularne strukture inzulina. Zamjena fena za kosu s leuom prati 10-struko smanjenje hormonske aktivnosti.

3. Defekt insulinskih receptora. Kod određenog broja pacijenata luči se normalan inzulin, ali je njegovo vezivanje za ciljne stanice poremećeno kao rezultat defekta inzulinskih receptora u plazma membranama.

4. Kršenje uparivanja insulinskih receptora. Kod određenog broja pacijenata se luči normalan inzulin, ciljne ćelije sadrže uobičajeni broj receptora, ali ne postoji interfejs između kompleksa insulin-receptor i sledeće komponente u lancu transdukcije hormonskog signala.

Najvažniji biohemijski znakovi dijabetesa su:

1. Hiperglikemija. Kao rezultat nedostatka inzulina, prodiranje glukoze u tkiva je poremećeno i glukoza se akumulira u krvi. Kao odgovor na nedostatak glukoze u stanicama jetre, povećava se razgradnja glikogena i oslobađanje slobodne glukoze u krv, što pogoršava hiperglikemiju. Postoji mogućnost razvoja hiperglikemijske kome.

2. Glukozurija i poliurija. Kada glukoza u krvi premaši sposobnost bubrežnih tubula da reapsorbuju glukozu, ona se izlučuje urinom. Zajedno s glukozom oslobađa se mnogo vode i pacijent osjeća glad i žeđ.

3. Ketonemija i ketourija. Zbog nedostatka glukoze u tkivima, ćelije počinju da koriste masti kao energiju. Prilikom oksidacije masnih kiselina nastaje acetil-CoA, koji ne sagorijeva u potpunosti s TCA, a iz njega se sintetiziraju ketonska tijela: acetosirćetna, -hidroksimaslačna kiselina i aceton. Povećanje koncentracije ketonskih tijela u krvi - ketonemija i izlučivanje ketonskih tijela u urinu - ketonurija.

4. Kršenje acido-bazne ravnoteže sa razvojem ketoacidoze.

Ketonska tijela pomjeraju pH krvi i tkivne tekućine na kiselu stranu. U početku, puferski sistemi kompenzuju pH pomak – kompenzovanu acidozu. U teškim stanjima može doći do nekompenzirane acidoze.

Metode za dijagnosticiranje dijabetes melitusa.

1. Određivanje glukoze u krvi natašte.

2. Metoda opterećenja šećerom (test tolerancije na glukozu).

3. Dijagnoza hitnih stanja - određivanje glukoze i acetona u urinu pomoću dijagnostičkih papirnih traka - glukotesta i ketotesta.

Način punjenja šećera.

Pacijentu se uzima krv na prazan želudac, a zatim se daje da pije sirup koji sadrži 50 g glukoze u 200-250 ml vode. Zatim se nakon 30, 60, 150' uzima krv i određuje glukoza. Kod zdrave osobe (1) početni nivo šećera u krvi je normalan (< 5ммоль/л). После приема глюкозы в течении часа содержание глюкозы умеренно возрастает. В ответ на гипергликемию усиливается секреция инсулина, глюкоза переходит в ткани и ее содержание через 3 часа снижается до N и даже ниже.

Kod bolesnika sa latentnim dijabetesom melitusom (2) sadržaj glukoze je na gornjoj granici normale (5,7 mmol/l). Nakon vježbanja porast šećera u krvi je izraženiji i do 3 sata ne dostiže N zbog nedostatka inzulina.

Kod bolesnika sa evidentnim dijabetesom melitusom (3) hiperglikemija (9 mmol/l) se utvrđuje na prazan želudac. Do 1 sat nivo Glu dostiže 15 mmol/l, a do 3 sata pad je neznatan, zbog nedostatka insulina. Klinički simptomi: pojačan apetit, osjećaj žeđi, koji je praćen poliurijom. Kasni simptomi: slabost mišića, konvulzije pri fizičkom naporu, polineuritis - jer. poremećena je upotreba glukoze od strane nervnih ćelija.

Karakteristike metabolizma glukoze u ćelijama su bile otečene.

U tumorskim stanicama bilježi se povećana aktivnost heksokinaze, što dovodi do brzog preuzimanja i oksidacije glukoze. Tumorska stanica je pumpa koja pumpa glukozu iz krvotoka. U uslovima brzorastućeg tumora, sistem krvnih sudova zaostaje za rastom tumora i u takvim ćelijama dolazi do anaerobne glikolize koja daje energiju za rast ćelija. Izlaz energije iz anaerobne glikolize je 2 mola ATP-a, i stoga se proces mora odvijati velikom brzinom kako bi se tumorske ćelije opskrbile energijom. Zbog brze oksidacije glukoze dolazi do hipoglikemije. Pojava hipoglikemije uzrokuje ubrzanje glukoneogeneze i glukoza počinje da se sintetizira iz aminokiselina. Posljedica sinteze glukoze iz aminokiselina je gubitak težine kod pacijenata i razvija se kancerogena kaheksija.

1. Membranska heksokinaza - radi kao pumpa.

2. Hipoglikemija.

3. Anaerobna glikoliza.

4. "Prisilna" glukoneogeneza.

5. Kaheksija raka.

Glikogenoze.

Glikogenoze su nasljedne bolesti koje karakteriziraju prekomjerno taloženje glikogena.

Glikogenozu tipa I (Girkeova bolest) karakterizira defekt enzima glukoza-6-fosfataze.

Znakovi glikogenoze: nizak nivo glukoze u krvi natašte, u teškim slučajevima napadi, usporavanje rasta zbog supresije proizvodnje inzulina. Akumulacija glikogena zbog velikih količina glukoza-6-fosfata i aktivacije glikogen sintetaze. Povećanje jetre, smrt hepatocita, nizak rast, acidoza (laktat, pirvat).

Glikogenoza tip VI (Hersova bolest).

Defekt fosforilaze. Akumulacija glikogena, simptomi tipa I su tipični, ali manje izraženi (glukoza ulazi u krvotok).

Mišićne glikogenoze

Glikogenoza tipa V je defekt ili odsustvo fosforilaze u mišićima. Grčevi mišića tokom vježbanja, slabost mišića, nedostatak hipoglikemije. Sinteza ATP-a se povećava oksidacijom masnih kiselina.

Glikogenoza tipa VII je defekt samo u fosfofruktosintetazi. Podnose samo umjerenu fizičku aktivnost. Razvija se hemolitička anemija.

Glikogenoza tipa III (Corijeva bolest) je defekt ili odsustvo glikogen-6-glubkonohidrolaze. Povećan sadržaj glikogena u jetri. Glikogen se sastoji od kratkih lanaca.

Glikogenoza IV (Andersonova bolest) - nedostatak "granatog" enzima. Akumulacija glikogena sa abnormalno dugim lancima. razvija se ciroza jetre.

Aglikogenoza je defekt glikogen sintetaze. Nedostatak glikogena ili vrlo malo, konvulzije, hipoglikemija.

Hemolitička anemija.

Glikoliza u eritrocitima i transport kiseonika povezani su sa učešćem 2,3-difosfoglicerata u oba procesa. 2,3-difosfoglicerat smanjuje afinitet hemoglobina prema kiseoniku

2,3-DFGK smanjuje afinitet Hb na O2

Nedostatak glukoze-6-fosfotdehidrogenaze je uzrok hemolitičke anemije izazvane lijekovima.

Kod jednog broja pacijenata sa malarijom, upotreba antimalarijskog lijeka pamakina prati hemolitička anemija. 30 godina nakon početka primjene lijeka razjašnjen je uzrok anemije. Utvrđeno je da je pojava anemije povezana s nedostatkom glukoza-6-fosfat dehidrogenaze u eritrocitima. Kao rezultat nedostatka enzima, poremećeno je formiranje NADPH u pentozofosfatnom putu. Glavna uloga NADPH u eritrocitima je redukcija disulfidnog oblika glutationa u sulfhidrilni oblik.

G-S-S-G + NADPH + H + G-SH + NADP +

Redukovani oblik glutationa osigurava neutralizaciju peroksida i organskih peroksida:

2 G-SH + R-O-OHG-S-S-G + H 2 O + ROH

Ćelije sa smanjenim sadržajem redukovanog glutationa imaju povećanu osjetljivost na hemolizu. Moguće je da u nedostatku reduciranog glutationa pamakin i niz drugih lijekova uzrokuju promjene na površini membrane eritrocita zbog stvaranja toksičnih peroksida.

Nedostatak glukoza-6-fosfat dehidrogenaze u eritrocitima, očigledno, uzrokuje otpornost na tropsku malariju, tk. rast patogena zahtijeva normalno funkcioniranje pentoznog puta i smanjenog glutationa. Defekt enzima je čest u zemljama u kojima je malarija česta. Ovaj naslijeđeni nedostatak enzima može biti relativno bezopasan, sve dok se ne primjenjuju određeni lijekovi.

Osobine metabolizma ugljikohidrata u različitim organima i tkivima.

1. Metabolizam ugljikohidrata u jetri.

Jedna od najvažnijih funkcija jetre u metaboličkim procesima je njeno učešće u održavanju konstantnog nivoa glukoze u krvi (glukostatska funkcija): glukoza, isporučena u višku, prelazi u rezervni oblik, koji se koristi u periodu kada hrana isporučuje se u ograničenim količinama.

Energetske potrebe same jetre, kao i drugih tjelesnih tkiva, podmiruju se intracelularnim katabolizmom pristigle glukoze. U jetri je katabolizam glukoze predstavljen sa 2 procesa: 1) glikolitičkim putem pretvaranja 1 mol glukoze u 2 mola laktata sa stvaranjem 2 mola ATP-a i 2) fosfoglukonatnim putem pretvaranja 1 mol glukoze u 6 mola glukoze. mol CO 2 sa stvaranjem 12 mola NADP. N. Oba procesa se odvijaju u anaerobnim uslovima, oba enzimska sistema su sadržana u rastvorljivom delu citoplazme, oba puta zahtevaju preliminarnu fosforilaciju glukoze.

Glikoliza daje energiju za reakcije ćelijske fosforilacije, sintezu proteina; pentozofosfatni put služi kao izvor energije za oporavak za sintezu masnih kiselina i steroida.

U aerobnim uslovima dolazi do kombinacije glikolize koja se odvija u citoplazmi i ciklusa limunske kiseline sa oksidativnom fosforilacijom u mitohondrijima, postiže se maksimalni energetski prinos od 38 ATP po 1 molu glukoze. Fosfotrioze nastale tokom glikolize mogu se koristiti za sintezu β-glicerofosfata, koji je neophodan za sintezu masti. Piruvat, koji nastaje tokom glikolize, može se koristiti za sintezu alanina, aspartata i drugih jedinjenja, kroz fazu formiranja oksaloacetata. U jetri se reakcije glikolize mogu odvijati u suprotnom smjeru i tada se glukoza sintetizira glukoneogenezom. U pentozofosfatnom putu nastaju pentoze koje su neophodne za sintezu NA. Za razliku od glikolize, fosfoglukonatni put je nepovratan i ovdje se 1/3 glukoze oksidira, 2/3 glukoze oksidira duž glikolitičkog puta.

Glikogeneza i glikogenoliza se odvijaju u jetri. Ovi procesi su međusobno povezani i regulirani intra- i ekstracelularnim odnosima između unosa i potrošnje glukoze.

Uloga jetre u metabolizmu ugljikohidrata.

Metabolizam ugljikohidrata u mišićima.

Jetra uzima u obzir zahtjeve drugih organa i tkiva u pogledu metabolizma ugljikohidrata. U mišićima se metabolizam ugljikohidrata odvija po principu samoposluživanja.

Cilj mišićne ćelije je da najefikasnije iskoristi ulaznu glukozu za formiranje ATP-a koji je neophodan za obavljanje mehaničkog rada – kontrakcije. U mirovanju, značajne količine glukoze se pohranjuju u obliku glikogena. Citoplazma mišićnih stanica sadrži glikolitičke enzime u visokim koncentracijama, a obilje mitohondrija osigurava efikasnu razgradnju produkata glikolize kroz put limunske kiseline i lanac transporta elektrona. Samo u uslovima ekstremnog umora ovi aerobni procesi ne uspevaju da se izbore sa akumulacijom laktata.

Glikogeneza se odvija u mišićima, mišić obavlja samo nekoliko sintetičkih funkcija. Ključni enzimi glukoneogeneze u mišićima su odsutni, a glukoneogeneza se ne javlja. Za restorativne sinteze u mišićima NADP-a. H nije potreban i fosfoglukonatni put je gotovo nefunkcionalan.

Metabolizam ugljikohidrata u mišićima osigurava stvaranje rezervi tkivnog glikogena u mirovanju i korištenje tih rezervi, kao i priliv glukoze tokom napornog rada; osnovne energetske potrebe svih vrsta mišića zadovoljavaju se uglavnom zahvaljujući oksidaciji produkata metabolizma masti. Ni spori glatki mišić ni srčani mišić ne troše mnogo glukoze. Tokom napornog rada, srce se snabdijeva laktatom za oksidaciju.

Metabolizam ugljikohidrata u mišićima.

Fosforilacija glukoze u mišićima nastaje pod djelovanjem heksokinaze, u jetri ovaj proces katalizira glukokinaza. Ovi enzimi se razlikuju u km. Km heksokinaze je znatno niži od Km glukokinaze. Enzim mišića - heksokinaza je uključen u intracelularnu regulaciju, tj. ovaj enzim će samo fosforilirati glukozu sve dok se glukoza-6-p koristi u mišićima za glikolizu ili stvaranje glikogena.

Druga velika razlika između jetre i mišićnog tkiva je odsustvo enzima glukoza-6-fosfataze u mišićima.

Metabolizam ugljikohidrata u mozgu.

U poređenju sa svim organima u tijelu, funkcije mozga najviše zavise od metabolizma ugljikohidrata. Ako u krvi koja ulazi u mozak, koncentracija glukoze postane napola normalna, tada u roku od nekoliko sekundi dolazi do gubitka svijesti, a nakon nekoliko minuta - smrti. Kako bi se osiguralo oslobađanje dovoljno energije, katabolizam glukoze se mora provoditi u skladu s aerobnim mehanizmima; čak i veća osjetljivost mozga na hipoksiju nego na hipoglikemiju svjedoči o tome. Metabolizam glukoze u mozgu osigurava sintezu neurotransmitera, aminokiselina, lipida i komponenti nukleinskih kiselina. Fosfoglukonatni put funkcionira u maloj mjeri, osiguravajući NADP. H za neke od ovih sinteza. Glavni katabolizam glukoze u moždanom tkivu odvija se glikolitičkim putem.

Heksokinaza mozga ima visok afinitet za glukozu, što osigurava efikasnu upotrebu glukoze u mozgu. Aktivnost enzima glikolize je visoka.

Visoka aktivnost mitohondrijalnih enzima ciklusa limunske kiseline sprečava nakupljanje laktata u moždanim tkivima

ENERGETSKA RAZMJENA

Živi organizmi su u stalnoj i neraskidivoj vezi sa okolinom. Ova veza se ostvaruje u procesu metabolizma. Metabolizam obuhvata 3 faze: unos supstanci u organizam, metabolizam i izlučivanje krajnjih produkata iz organizma.

Unos tvari u organizam nastaje kao rezultat disanja (kiseonika) i ishrane. U probavnom traktu hrana se vari (razlaže na jednostavne tvari). Tokom varenja, polimeri (proteini, polisaharidi i druge složene organske supstance) se hidroliziraju u monomere koji se apsorbiraju u krv i uključuju u međurazmjenu.

Intermedijarni metabolizam (intracelularni metabolizam) uključuje 2 vrste reakcija: katabolizam i anabolizam (slika 6-1).

katabolizam- proces cijepanja organskih molekula do konačnih proizvoda. Krajnji produkti transformacije organskih supstanci kod životinja i ljudi su CO 2 , H 2 O i urea. Procesi katabolizma uključuju metabolite koji nastaju kako tokom probave, tako i prilikom razgradnje strukturnih i funkcionalnih komponenti ćelija.

Reakcije katabolizma praćene su oslobađanjem energije (eksergonske reakcije).

Anabolizam kombinuje biosintetske procese u kojima se jednostavni gradivni blokovi kombinuju u složene makromolekule neophodne organizmu. Anaboličke reakcije koriste energiju oslobođenu tokom katabolizma (endergonske reakcije).

I. BIOLOŠKA OKSIDACIJA

Procesi katabolizma u životinjskim stanicama praćeni su potrošnjom kisika koji je neophodan za oksidacijske reakcije. Kao rezultat ovih reakcija oslobađa se energija koja je potrebna organizmima u procesima života za obavljanje različitih vrsta poslova. Nebiološki sistemi mogu raditi zahvaljujući toplotnoj energiji, biološki sistemi rade u izotermnom režimu i za implementaciju

Rice. 6-1. Opća shema metabolizma i energije. 1 - probava; 2 - katabolizam; 3 - anabolizam; 4 - dezintegracija strukturnih i funkcionalnih komponenti ćelija; 5 - eksergoničke reakcije; 6,7 - endergonske reakcije; 8 - izlučivanje iz organizma.

životni procesi koriste hemijsku energiju. Bioenergetika, ili biohemijska termodinamika, bavi se proučavanjem energetskih transformacija koje prate hemijske reakcije.

A. Slobodna energija i zakoni termodinamike

Sa stanovišta termodinamike, živi organizmi su otvoreni sistemi. Moguća je razmjena energije između sistema i okoline, koja se odvija u skladu sa zakonima termodinamike.

1. Zakoni termodinamike

Prvi zakon je zakon održanja energije; može se formulisati na sledeći način: ukupna energija sistema i okoline je konstantna vrednost.

Unutar sistema koji se razmatra, energija može prelaziti iz jednog njegovog dijela u drugi ili se transformirati iz jednog oblika u drugi.

Drugi zakon kaže da svi fizički i hemijski procesi u sistemu imaju tendenciju da nepovratno pretvore korisnu energiju u haotičan, nekontrolisani oblik. Mera tranzicije ili poremećaja sistema je vrednost koja se zove entropija (S), ona dostiže maksimum kada sistem dođe u pravu ravnotežu sa okruženjem.

2. Besplatna energija

Svako organsko jedinjenje koje ulazi u tijelo izvana ili je dio žive tvari ima određenu količinu unutrašnje energije (E). Dio ove unutrašnje energije može se iskoristiti za obavljanje korisnog rada. Ova energija sistema naziva se slobodna energija (G).

Pri konstantnoj temperaturi i pritisku, odnos između promjene slobodne energije sistema (ΔG) i promjene entropije (ΔS) može se predstaviti sljedećom jednadžbom:

ΔG \u003d ΔH - T × S, gdje je ΔH promjena entalpije (unutrašnja energija ili sadržana toplina

u sistemu); T je apsolutna temperatura. Pod uslovima pod kojima se odvijaju biohemijske reakcije, ΔH je približno jednak ΔE (promena unutrašnje energije sistema kao rezultat reakcije). Za biološke sisteme, merenje slobodne energije se obično vrši u standardnim uslovima, kada je pH 7,0, temperatura 25°C, svi rastvori su u koncentraciji od G mol/l, a svi gasovi na pritisku od 1 atm.

Pod standardnim uslovima, sve funkcije su označene kao ΔG 0 ", ΔS 0" i ΔN 0 ". Promjena standardne slobodne energije (AG0") može se izračunati znajući konstantu ravnoteže (K "eq) kemijske reakcije.

3. Endergonske i eksergonske reakcije

Smjer kemijske reakcije određen je vrijednošću ΔG. Ako je ova vrijednost negativna, tada se reakcija odvija spontano i praćena je smanjenjem slobodne energije. Takve reakcije se nazivaju eksergonijskim. Ako je u ovom slučaju apsolutna vrijednost ΔG velika, tada reakcija ide gotovo do kraja i može se smatrati nepovratnom.

Ako je ΔG pozitivan, tada će se reakcija odvijati samo kada se slobodna energija dovodi izvana; takve reakcije se nazivaju endergonijskim.

Ako je apsolutna vrijednost ΔG velika, onda je sistem stabilan i u ovom slučaju reakcija se praktično ne događa. Kada je ΔG nula, sistem je u ravnoteži (Tabela 6-1).

4. Konjugacija eksergonskog
i endergonski procesi u organizmu

U biološkim sistemima termodinamički nepovoljne (endergonske) reakcije mogu se odvijati samo zahvaljujući energiji eksergoničkih reakcija. Takve reakcije se nazivaju energetski spregnute. Mnoge od ovih reakcija nastaju uz sudjelovanje adenozin trifosfata (ATP), koji igra ulogu konjugirajućeg faktora.

Razmotrimo detaljnije energiju konjugiranih reakcija na primjeru fosforilacije glukoze.

Reakcija fosforilacije glukoze sa slobodnim fosfatom da bi se formirao glukoza-6-fosfat je endergonska:

(1) Glukoza + H 3 PO 4 → Glukoza-6-fosfat + H 2 O (ΔG = +13,8 kJ / mol).

Da bi takva reakcija nastavila prema stvaranju glukoza-6-fosfata, ona mora biti spojena s drugom reakcijom, čija je slobodna energija veća od one potrebne za fosforilaciju glukoze.

(2) ATP → ADP + H 3 RO 4
(ΔG = -30,5 kJ/mol).

Kada su procesi (1) i (2) spojeni u reakciji koju katalizira heksokinaza (vidi Odjeljak 7), fosforilacija glukoze se odvija lako u fiziološkim uslovima; Ravnoteža reakcije je snažno pomaknuta udesno i praktički je nepovratna:

(3) Glukoza + ATP → Glukoza-6-fosfat + ADP (ΔG = -16,7 kJ/mol).

B. Karakterizacija visokoenergetskih fosfata. ATP-ADP ciklus

U živim organizmima postoji čitava grupa organskih fosfata čija hidroliza dovodi do oslobađanja velike količine slobodne energije. Takva jedinjenja nazivaju se visokoenergetski fosfati (Tabela 6-2).

Tabela 6-1. Odnos između vrijednosti K "eq i ΔG 0" i smjera kemijskih reakcija

K"eq	∆G0"	Smjer reakcije pri početnim koncentracijama komponenti 1 M
>1,0	negativan	S lijeva na desno
1,0	Jednako nuli	Stanje ravnoteže
	Pozitivno	S desna na lijevo

Tabela 6-2. Slobodna energija hidrolize nekih organskih fosfata

Compound	produkti reakcije	- ΔG 0 ", kcal/mol	- ΔG 0 ", kJ/mol
Fosfoenolpiruvat	Piruvat + H 3 RO 4	14,8	61,86
1,3-bisfosfoglicerat	3-fosfoglicerat + H 3 RO 4	13,0	54,34
Carbamoyl Phosphate	Karbamat + H 3 RO 4	12,0	51,83
kreatin fosfat	Kreatin + H 3 RO 4	10,3	43,05
acetil fosfat	Sirćetna kiselina + H 3 RO 4	10,3	43,05
ATP	ADP + H 3 RO 4	7,3	30,51
ADP	AMP + H 3 RO 4	6,6	27,59
difosfat (H 4 P 2 O 7)	2 H 3 P0 4	6,6	27,59
Glukoza-1-fosfat	Glukoza + H 3 RO 4	5,0	20,90
Fruktoza 6-fosfat	Fruktoza + H 3 RO 4	3,8	15,88
Glukoza-6-fosfat	Glukoza + H 3 RO 4	3,3	13,79
Glicerol fosfat	Glicerin + H 3 RO 4	2,2	8,36

Kao što se vidi iz tabele. 6-2, različita fosforilirana jedinjenja imaju različite rezerve slobodne energije. Grupa visokoenergetskih fosfata, pored ATP-a, uključuje enol fosfate, anhidride i fosfogvanidine. Jedinjenja koja se nalaze na dnu tabele čine grupu niskoenergetskih fosfata. Centralno među ovim jedinjenjima je ATP" (slika 6-2).

ATP- molekul bogat energijom, budući da sadrži dvije fosfoanšdridne veze (β, γ). Nakon hidrolize terminalne fosfoanhidridne veze, ATP se pretvara u ADP i ortofosfat P i. U ovom slučaju promjena slobodne energije je -7,3 kcal/mol. U uslovima koji postoje u normalnoj ćeliji (pH 7,0, temperatura 37°C), stvarna vrijednost ΔG 0" za proces hidrolize je oko -12 kcal/mol. Slobodna energija hidrolize ATP-a omogućava njegovo formiranje. iz ADP-a zbog prijenosa fosfatnog dijela iz visokoenergetskih fosfata kao što je fosfoenolpiruvat

Rice. 6-2. Adenozin trifosforna kiselina (ATP). U molekulu ATP-a postoje dvije visokoenergetske (makroergijske) veze β i γ, koje su na slici označene znakom ~ (tilda).

ili 1,3-bisfosfoglicerat; zauzvrat, ATP može sudjelovati u takvim endergonskim reakcijama kao što je fosforilacija glukoze ili glicerola. ATP djeluje kao donator energije u endergonskim reakcijama mnogih anaboličkih procesa. Neke biosintetske reakcije u tijelu mogu se odvijati uz sudjelovanje drugih nukleozid trifosfata, analoga ATP-a; to uključuje gvanozin trifosfat (GTP), uridin trifosfat (UTP) i citidin trifosfat (CTP). Svi ovi nukleotidi, zauzvrat, nastaju upotrebom slobodne energije terminalne fosfatne grupe ATP-a. Konačno, zbog slobodne energije ATP-a, obavljaju se različite vrste poslova koji su u osnovi života tijela, poput mišićne kontrakcije ili aktivnog transporta tvari.

Dakle, ATP je glavni direktno korišteni donator slobodne energije u biološkim sistemima. U ćeliji se molekula ATP-a troši u roku od jedne minute nakon formiranja. Kod ljudi se količina ATP-a jednaka tjelesnoj težini formira i uništava svaka 24 sata.

Upotreba ATP-a kao izvora energije moguća je samo pod uslovom kontinuirane sinteze ATP-a iz ADP-a zahvaljujući energiji oksidacije organskih jedinjenja (Sl. 6-3). ATP-ADP ciklus je glavni mehanizam za razmjenu energije u biološkim sistemima, a ATP je univerzalna "energetska valuta".

B. Redox reakcije. Redox potencijal

Oksidacija je uklanjanje elektrona, dok je redukcija dodavanje elektrona. Oksidacija donora elektrona uvijek je praćena redukcijom akceptora elektrona. Ovaj princip redoks procesa primjenjiv je i na biohemijske sisteme. U bilo kojoj redoks reakciji su uključeni akceptor elektrona (oksidacijski agens) i donor elektrona (reduktor). Na primjer:

(1) Su + O → Su 2+ O 2- .

Ukupna reakcija (1) se uslovno može podijeliti na 2 polureakcije (2), (3):

(2) Su - 2e → Su 2+ .
(3) O + 2e → O 2-.

Svaki od njih uključuje oksidirani i redukovani oblik jednog spoja; oni se nazivaju konjugirani par ili redoks par.

Tabela 6-3. Standardni redoks potencijali nekih konjugiranih parova

redoks par	E 0 ",V
2H + /H 2	-0,42
NAD+/NADH	-0,32
NADP+/NADPH	-0,32
NADH dehidrogenaza (FMN oblik)	-0,30
NADH-dehidrogenaza (oblik FMNH 2)
FAD protein/FADH 2 protein	-0,05
Sukcinat/fumarat	+0,03
Ubikinon/ubikinol	+0,04
cit. b Fe 3+ /cit. b Fe2+	+0,07
cit. c 1 Fe 3+ /cit. c 1 Fe 2+	+0,23
cit. sa Fe 3+ /cit. sa Fe 2+	+0,25
cit. i Fe 3+ /cit. a Fe 2+	+0,29
cit. a3 Fe 3+ /cit. a 3 Fe 2+	+0,55
½ O 2 + 2H + + 2e / H 2 0	+0,82

Različiti redoks parovi imaju različite afinitete prema elektronima. Oni sa manjim afinitetima doniraju elektron onima sa više. Mjera afiniteta redoks para za elektron je redoks potencijal, ili redoks potencijal (E 0"), čija je vrijednost direktno povezana sa promjenom slobodne energije. Vrijednost E º" izražava se u voltima ; što je manji (negativan), to je manji afinitet supstance za elektrone. Što je veći afinitet, veći je i potencijal redukcije.

Redox potencijali E 0" povezani su sa promjenom slobodne energije pomoću Nernstove jednadžbe:

ΔG 0 ´ = - nFΔE º ´

gdje je n broj elektrona prenesenih u reakciji; F - Faradejeva konstanta (23 061 kcal B -1 mol -1); ΔE o " - razlika između redoks potencijala parova elektron-donator i elektron-akceptor.

Vrijednost ΔE o" je standardna vrijednost redoks potencijala; određuje se u standardnim uvjetima, kada su koncentracije svih supstanci 1 M, tlak plina 1 atm, a pH 7,0 (Tabela 6-3) .

D. Glavne faze energetske transformacije kataboličkih procesa

Energija se oslobađa tokom enzimske oksidacije metabolita specifičnim dehidrogenazama. U reakcijama dehidrogenacije, elektroni i protoni se prenose sa organskih supstrata na koenzime NAD- i FAD-ovisnih dehidrogenaza. Elektroni sa visokim energetskim potencijalom prenose se sa redukovanih koenzima NADH i FADH 2 na kiseonik kroz lanac nosača lokalizovanih u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani. Obnavljanje molekule O 2 nastaje kao rezultat prijenosa 4 elektrona. Sa svakim dodavanjem 2 elektrona kiseoniku, koji do njega dolaze kroz lanac nosača, 2 protona se apsorbuju iz matrice, što rezultira formiranjem molekula H 2 O.

Oksidacija organskih materija u ćelijama, praćena potrošnjom kiseonika i sintezom vode, naziva se tkivno disanje, a lanac transporta elektrona (ECC) naziva se respiratorni lanac.

Elektroni koji ulaze u CPE gube svoju slobodnu energiju dok se kreću s jednog nosača na drugi. Značajan dio te energije pohranjuje se u obliku ATP-a, a dio energije se raspršuje u obliku topline. Osim toga, elektroni s visokim energetskim potencijalom koji proizlaze iz oksidacije različitih supstrata mogu se koristiti u biosintetskim reakcijama koje zahtijevaju redukcijske ekvivalente pored ATP-a, kao što je NADPH.

D. Enzimi i koenzimi uključeni u redoks reakcije

Prijenos elektrona sa supstrata koji se mogu oksidirati na kisik odvija se u nekoliko faza. Uključuje veliki broj srednjih nosača, od kojih je svaki u stanju da prikači elektrone iz prethodne komponente i prenese na sljedeću. Tako nastaje lanac redoks reakcija koje rezultiraju redukcijom O 2 i sintezom H 2 O. Veliki broj nosača ulazi u respiratorni lanac mitohondrija (Sl. 6-4).

Sa izuzetkom ubikinona (KoQ), sve komponente CPE su proteini. Ovi proteini sadrže različite neproteinske komponente: FMN, Fe u sastavu gvožđe-sumpornih proteina iu sastavu porfirinskih prstenova, Cu jone.

Rice. 6-4. Mitohondrijski lanac transporta elektrona. Kompleks I sadrži FMN i najmanje pet gvožđe-sumpornih proteina (FeS). Kompleks III uključuje dva različita oblika citokroma b (sa apsorpcijskim maksimumom 562 i 566), jedan FeS protein i citokrom c 1. Kompleks IV sadrži citohrom a 1 i a 3 i dva jona bakra. Kompleks II (sukcinat dehidrogenaza) nije prikazan na slici (vidi sliku 6-13), kompleks V je ATP sintaza.

1. Primarni akceptori vodonika

Primarni akceptori vodonika redoks reakcija su klasifikovani kao 2 tipa dehidrogenaza: nikotin zavisne, koje sadrže derivate nikotinske kiseline kao koenzime, i flavin zavisne, koje sadrže derivate riboflavina (videti Odeljak 2).

Nikotinamid zavisne dehidrogenaze sadrže NAD + ili NADP + kao koenzime (videti odeljak 2). NAD+ i NADP+ su derivati ​​vitamina PP. Ovi koenzimi su dio aktivnih centara dehidrogenaza, ali se mogu reverzibilno odvojiti od kompleksa s apoenzimima i uključeni su u enzim tokom reakcije. Supstrati NAD- i NADP-zavisnih dehidrogenaza nalaze se u mitohondrijskom matriksu iu citosolu. Radni dio nikotinamidnih koenzima je nikotinamid (slika 6-5).

Većina dehidrogenaza koje opskrbljuju elektrone CPE sadrže NAD+. Oni kataliziraju reakcije kao što su:

R-CHOH-R 1 + NAD + ↔ R-CO-R 1 + NADH + H + .

Dakle, NAD+, prihvatanjem protona i elektrona iz različitih supstrata, služi kao glavni sakupljač energije oksidiranih supstanci i glavni izvor elektrona sa visokim energetskim potencijalom za CPE.

NADPH nije direktni donor elektrona u CPE, ali se koristi gotovo isključivo u reduktivnim biosintezama (vidi Odjeljak 8). Međutim, ugradnja elektrona iz NADPH u CPE je moguća zbog djelovanja piridin nukleotid transhidrogenaze, koja katalizira reakciju:

NADPH + NAD + ↔ NADP + + NADH.

Rice. 6-5. Strukturne formule radnog dijela NAD+ i NADP+ koenzima. U oksidiranom obliku, nikotinamidni koenzimi se nazivaju NAD + i NADP + jer nose pozitivan naboj na atomu dušika piridinskog prstena. U reakcijama dehidrogenacije iz dva atoma vodika odcijepljenih od oksidiranog supstrata, nikotinamidni prsten dodaje ion vodonika i dva elektrona u obliku hidridnog jona (: H -). Drugi ion prelazi u medij. AT povratna reakcija NADH (NADPH) djeluju kao donori elektrona i protona.

Flavin dehidrogenaze sadrže FAD ili FMN kao koenzime. Ovi koenzimi se formiraju u ljudskom tijelu iz vitamina B 2 (vidjeti dio 2). Flavin koenzimi su snažno povezani sa apoenzimima. Radni deo FAD-a i FMN-a je izoaloksazin konjugovani prstenasti sistem (slika 6-6).

FAD služi kao akceptor elektrona sa mnogih supstrata u reakcijama kao što su:

R-CH 2 -CH 2 -R 1 + E (FAD) ↔ R-CH \u003d CH-R 1 + E (FADH 2),

gdje je E proteinski dio enzima.

Većina FAD-ovisnih dehidrogenaza su topljivi proteini lokalizirani u mitohondrijskom matriksu. Izuzetak je sukcinat dehidrogenaza, koja se nalazi u unutrašnjoj membrani mitohondrija. Enzimi koji sadrže FMN uključuju NADH dehidrogenazu, koja je također lokalizirana u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani; oksidira NADH proizveden u mitohondrijskom matriksu.

2. Lanac transporta elektrona iz NADH
i FADH 2 za kiseonik

Prijenos elektrona sa NADH na O 2 uključuje niz nosača koji su lokalizirani u unutrašnjoj membrani mitohondrija. Sa izuzetkom ubikinona i citokroma C, ovo su kompleksni proteinski kompleksi.

NADH-dehidrogenaza (NADH-Q-reduktaza, kompleks I) sastoji se od nekoliko polipeptidnih lanaca. Ulogu protetske grupe ima FMN. Jedini supstrat enzima je NADH, iz kojeg se 2 elektrona i proton prenose na FMN i formiraju FMNH 2 . Drugi proton se apsorbuje iz matrice. Reakcija se odvija prema jednadžbi:

NADH + H + + E (FMN) → NAD + + E (FMNH 2)

Iz FMNH 2, elektroni se zatim prenose na brojne željezo-sumporne proteine ​​(FeS), koji igraju ulogu druge prostetske grupe u molekulu NADH-dehidrogenaze. Atomi gvožđa u ovim proteinima (ne-hem gvožđe) sastavljeni su u nekoliko grupa, takozvanih gvožđe-sumpornih centara. FeS centri su dio mnogih proteina (flavoproteina, citokroma) uključenih u redoks reakcije. Poznata su tri tipa FeS centara (FeS, Fe 2 S 2 , Fe 4 S 4), u kojima je atom željeza vezan za atom sumpora cisteina ili neorganskih ostataka sumpora. Struktura centara željezo-sumpor prikazana je na sl. 6-7.

NADH-dehidrogenaza sadrži nekoliko centara tipa Fe 2 S 2 i Fe 4 S 4. Atomi željeza u takvim centrima mogu naizmjenično prihvatiti i donirati elektrone, prelazeći u fero- (Fe 2+) i feri- (Fe 3+) stanja. Iz gvožđe-sumpornih centara, elektroni se prenose na koenzim Q (ubikinon) (sl. 6-8).

Oznaka za ovaj kinon topiv u masti dolazi od prvog slova engleskog naziva za kinon ( kinon), a naziv ubikinon odražava njegovu široku rasprostranjenost u prirodi ( sveprisutan- sveprisutan). Molekuli ubikinona, u zavisnosti od izvora iz kojeg su izolovani, razlikuju se po dužini ugljikovodičnog lanca, koji kod sisara sadrži 10 izoprenoidnih jedinica i označava se kao Q 10 . U procesu prijenosa elektrona sa NADH dehidrogenaze preko FeS u ubikinon, on se reverzibilno pretvara u hidrokinon. Ubikinon obavlja funkciju sakupljanja tako što prihvata elektrone iz NADH dehidrogenaze i drugih dehidrogenaza zavisnih od flavina, posebno iz sukcinat dehidrogenaze. Ubikinon je uključen u reakcije kao što su:

E (FMNH 2) + Q → E (FMN) + QH 2.

Rice. 6-6. Strukturne formule radnog dijela koenzima FAD i FMN. Tokom reakcije, FAD i FMN dobijaju 2 elektrona i, za razliku od NAD+, oba gube proton iz supstrata.

Rice. 6-7. Struktura gvožđe-sumpornih centara. I - FeS centar; atom željeza je vezan koordinacijskim vezama za četiri atoma sumpora koji pripadaju četiri cisteinska ostatka u proteinu. II - Fe 2 S 2 -centar; svaki od dva atoma željeza je koordiniran sa dva neorganska atoma sumpora i dva cisteinska ostatka u proteinu; III - Fe 4 S 4 centar; četiri atoma željeza su vezana za četiri atoma sumpora i četiri cisteinska ostatka u proteinu. Atomi željeza u FeS centrima mogu biti u oksidiranom (Fe 3+) ili reduciranom (Fe 2+) stanju.

Rice. 6-8. Struktura ubikinona (koenzim Q). n je broj izoprenoidnih jedinica. Ubikinon može prihvatiti jedan elektron i pretvoriti se u semikinon, ili 2 elektrona i biti potpuno reduciran u hidrokinon (ubikinol).

Citohromi ili hemoproteini prisutni su u svim vrstama organizama. U eukariotskim stanicama, oni su lokalizirani u mitohondrijskim membranama i u ER. Poznato je oko 30 različitih citokroma. Svi citokromi sadrže hem kao prostetičku grupu (vidjeti dio 1). Njihova raznolikost je zbog:

• razlika u bočnim lancima u strukturi teme;
• razlika u strukturi polipeptidnih lanaca;
• razlika u načinu na koji se polipeptidni lanci vezuju za hem.

Ovisno o sposobnosti apsorpcije svjetlosti u određenom dijelu spektra, svi citohromi se dijele u grupe a, b, c. Unutar svake grupe određene vrste sa jedinstvenim spektralnim svojstvima označeni su numeričkim indeksima (b, b 1 , b 2 itd.).

Strukturne karakteristike različitih tipova citokroma određuju razliku u njihovim redoks potencijalima. U CPE je uključeno 5 tipova citokroma (a, a 3, b, c, c 1). Sa izuzetkom citokroma c, svi citohromi se nalaze u unutrašnjoj membrani mitohondrija u obliku kompleksnih proteinskih kompleksa (tabela 6-4).

QH 2 -dehidrogenaza (koenzim Q-citokrom c-reuktaza, kompleks III) sastoji se od 2 tipa citokroma (b 1 i b 2) i citokroma c 1. QH 2-dehidrogenaza prenosi elektrone sa ubikvinola na citokrom c. Unutar kompleksa III, elektroni se prenose sa citokroma b na FeS centre, na citokrom c1, a zatim na citokrom c. Grupe tema, poput FeS centara, prenose samo po jedan elektron. Dakle, 2 elektrona se prenose sa QH 2 molekula na 2 molekula citokroma b. Kao međuprodukt u ovim reakcijama prijenosa elektrona, moguće je formiranje slobodnog radikala semikinona. U citohromima tipa b, hem nije kovalentno vezan za protein, ali u citohromima c 1 i c, vezan je za protein pomoću tioetarskih veza (slika 6-9). Ove veze nastaju dodavanjem 2 cisteinskih ostataka hem vinilnim grupama.

Citokrom c je periferni membranski protein rastvorljiv u vodi sa molekulskom težinom od 12 500 D, koji ima jedan polipeptidni lanac od 100 aminokiselinskih ostataka i molekul hema kovalentno povezan sa polipeptidom.

Citokrom oksidaza (kompleks IV) sastoji se od 2 aa 3 citokroma, od kojih svaki ima mjesto za vezivanje kisika. Citohromi a i a 3 imaju karakterističnu protetičku grupu gvožđa porfirina koja se zove hem A i razlikuje se od hema citohroma c i c 1 (sl. 6-10). Sadrži formilnu grupu umjesto jedne od metilnih grupa i ugljikovodični lanac umjesto jedne od vinilnih grupa.

Još jedna karakteristika a-a 3 kompleksa je prisustvo u njemu iona bakra povezanih sa proteinom

Rice. 6-9. Struktura hema citohroma b, c, c 1.

dijelom u takozvanim CuA-centrima. Prenos elektrona kompleks a-a 3 uključuje reakcije:

Cu + ↔ Cu 2+ + e,
Fe 2+ ↔ Fe 3+ + e.

Kompleks citokroma a-a 3 direktno reaguje sa molekularnim kiseonikom. Neke karakteristike CPE komponenti su date u tabeli. 6-4.

E. Organizacija respiratornog lanca u mitohondrijima

Glavni nosači elektrona ugrađeni su u unutrašnju membranu mitohondrija i organizovani su u 4 kompleksa raspoređena u određenom nizu (vektoru). U ovom nizu, njihovi standardni redoks potencijali postaju pozitivniji kako se približavaju kiseoniku (tabela 6-3, slika 6-11).

Svaka karika u ovom lancu je specifična u odnosu na donora i akceptora elektrona.

U prvoj fazi, dehidrogenaze kataliziraju eliminaciju vodika iz različitih supstrata. Ako su supstrati α-hidroksi kiseline malat, izocitrat, 3-hidroksibutirat, vodonik se prenosi u NAD+. Nastali NADH u respiratornom lancu se zauzvrat oksidira NADH dehidrogenazom (kompleks I).

Tabela 6-4. Komponente mitohondrijalnog lanca transporta elektrona

Naziv komponente	Protetička grupa	Donator e	Acceptor e
NADH dehidrogenaza, kompleks I	FMN, FeS	NADH	KoQ
Koenzim Q, ubikinon		NADH	Kompleks III (pr.n.e. 1)
pH 2 -dehidrogenaza, kompleks III	FeS, heme b 1 (562), heme b 2 (566), heme c 1	QH 2	Citokrom c
Citokrom c	Gem with	Kompleks III	Kompleks IV
Citokrom oksidaza, kompleks IV	Gem A Su 2+	Citokrom c	O2
Sukcinat dehidrogenaza, kompleks II	FAD, FeS	Succinate	KoQ

Rice. 6-11. Promjena slobodne energije tokom prijenosa elektrona duž CPE. E-FMN - kompleks I; E-FAD - kompleks II; b-c 1 - kompleks III; aa 3 - kompleks IV.

Ako spojevi kao što su sukcinat ili glicerol-3-fosfat služe kao supstrat, dehidrogenaze zavisne od FAD služe kao akceptor vodonika. Od NADH i FADH 2, elektroni i protoni se prenose na ubikinon i dalje kroz lanac citokroma do molekulskog kiseonika.

Još uvijek se ne zna tačno kako se nalaze svi nosači elektrona respiratornog lanca. Međutim, utvrđeno je da postoji određena asimetrija u rasporedu respiratornih kompleksa: neki od proteina nosača su bliže strani unutrašnje membrane koja je okrenuta prema matriksu, dok su drugi na suprotnoj strani; neki proteini prodiru kroz membranu (vidi sliku 6-4).

Inhibitori respiratornog lanca

Proučavanje redoslijeda prijenosa elektrona olakšano je proučavanjem djelovanja specifičnih inhibitora koji blokiraju određene faze ovog procesa (sl. 6-12). Nosioci elektrona u lancu neposredno prije blokirane faze postaju sve reduciraniji, a oni nakon ove faze postaju više oksidirani. To se može otkriti pomoću spektrofotometra, jer oksidirani i reducirani oblici nosača imaju različite spektre apsorpcije.

Rice. 6-12. Mjesta djelovanja CPE inhibitora. Inhibitori NADH-dehidrogenaze: rotenon je visoko toksična supstanca koja se nalazi u nekim algama i otrovna je za ribe; amytal je lijek iz grupe barbiturata. QH 2 inhibitor dehidrogenaze - antimicin A, toksični antibiotik koji proizvodi jedan od sojeva Streptomyces. Inhibitori citokrom oksidaze - cijanid, CO, H 2 S. Cijanid je najtoksičniji za ljude; vezuje se za Fe 3+ citokrom oksidaze i blokira prijenos elektrona na kisik.

URALSKA DRŽAVNA MEDICINSKA AKADEMIJA

Zavod za bioorgansku i biološku hemiju

KURSNI RAD NA TEMU:

biološka oksidacija.

umjetnici: studenti

pedijatrijski

fakultet 223 grupe

Zaruba N.S., Čaščina E.E.

Supervizor: docent,

dr Trubačev S.D.

Recenzent:

Jekaterinburg 2002.

I. Uvod…………………………………………………………………………….3

II. Opće ideje o biološkoj oksidaciji.

Redox sistemi i potencijali……..3

III. Načini korištenja kiseonika u ćeliji…………………………………5

Oksidazni put za korištenje kisika. Mitohondrije.

Enzimi, njihova lokalizacija i značaj u oksidacionim procesima…….5

IV. Faze energetskog iskorišćavanja nutrijenata……………………6

V. Oksidativna fosforilacija……………………………………………………9

Mitchell-ova hemiosmotička teorija……..……….……..9

Redox - lanac oksidativne fosforilacije………………10

VI. Krebsov ciklus…………………………………………………………………………………………………………………………………………………… ………………21

Otvaranje CTC-a…………………………………………………………………..22

Reakcije, enzimi. Uredba……………………………………………...23

VII. Makroergijska jedinjenja i veze……………………………………………29

VIII. Vitamin RR. Učešće u procesima oksidacije……………………………….30

IX. Mikrosomalna oksidacija……………………………………………31

Reakcije monooksigenaze…………………………………………31

Reakcije dioksigenaze…………………………………………….32

Citokromi……………………………………………………………………32

X. Peroksidazni put iskorištavanja kisika…………………..33

XI. Enzimska antioksidativna zaštita…………………………34

Superoksid dismutaza, katalaza, peroksidaza……….34

XII. Neenzimska antioksidativna zaštita…………………………………35

Vitamini C, E i P……………………………………………………………35

XIII. Zaključak……………………………………………………………………..38

XIV. Reference………………………………………………………..39

Uvod.

U hemiji, oksidacija se definira kao uklanjanje elektrona, dok se redukcija definira kao dodavanje elektrona; ovo se može ilustrirati primjerom oksidacije fero-iona u feri-ion:

Fe 2+ -e → Fe 3+

Otuda slijedi da je oksidacija uvijek praćena redukcijom akceptora elektrona. Ovaj princip redoks procesa je podjednako primjenjiv na biohemijske sisteme i karakterizira prirodu bioloških oksidacijskih procesa.

Iako neke bakterije (anaerobi) žive u nedostatku kisika, život viših životinja u potpunosti ovisi o opskrbi kisikom. Kiseonik se uglavnom koristi u procesu disanja – potonje se može definisati kao proces hvatanja ćelijske energije u obliku ATP-a tokom kontrolisanog dodavanja kiseonika sa vodonikom da bi se formirala voda. Osim toga, molekularni kisik je uključen u različite supstrate uz sudjelovanje enzima koji se nazivaju oksigenaze. Mnoge lijekove, tvari strane organizmu, karcinogene (ksenobiotike) napadaju enzimi ove klase, koji se zajedno nazivaju citokrom P 450.

Hipoksični poremećaji staničnog metabolizma zauzimaju vodeće mjesto u patogenezi kritičnih stanja. Glavna uloga u formiranju ireverzibilnosti patoloških procesa pripisuje se ekstremnim manifestacijama poremećaja staničnog metabolizma. Adekvatna opskrba ćelije kisikom glavni je uvjet za održavanje njene vitalnosti.

Uvođenje kisika može spasiti život pacijentima koji imaju poremećeno disanje ili cirkulaciju krvi. Terapija kiseonikom pod visokim pritiskom se uspešno koristila u nekim slučajevima; međutim, treba napomenuti da intenzivna ili produžena terapija kisikom pod visokim pritiskom može uzrokovati toksičnost kisika.

Prilikom pisanja ovog rada, imali smo cilj: proučiti biološku oksidaciju i njen značaj u životu ćelije i organizma u cjelini. Za ovo smo razmotrili:

Upotreba kiseonika od strane ćelije;

Izvori energije ćelije - ciklus limunske kiseline (Krebsov ciklus), oksidativna fosforilacija;

mikrosomalna oksidacija;

Antioksidativna zaštita

Opće ideje o biološkoj oksidaciji.

Redox sistemi i potencijali.

Izvor energije koji se koristi za obavljanje svih vrsta rada (hemijskih, mehaničkih, električnih i osmotskih) je energija hemijskog vezivanja. Oslobađanje energije iz ugljikohidrata, masti, proteina i drugih organskih spojeva događa se tokom njihovog redoks raspadanja. Oslobođena energija se troši na sintezu ATP-a.

Promjena slobodne energije, koja karakterizira reakcije oksidacije i redukcije, proporcionalna je sposobnosti reaktanata da doniraju ili prihvate elektrone. Stoga se promjena slobodne energije redoks procesa može okarakterisati ne samo vrijednošću DG 0", već i vrijednošću redoks potencijala sistema (Eo). Obično je redoks potencijal sistema u poređenju s potencijalom vodikove elektrode, uzimajući potonje kao nula, 0V pri pH = 0. Međutim, za biološke sisteme je prikladnije koristiti redoks potencijal pri pH = 7,0 (Eo "); pri ovom pH, potencijal vodonične elektrode je -0,42V.

Koristeći tabelu 1, može se predvidjeti u kojem smjeru će ići tok elektrona kada se konjugira jedan redoks sistem.

Tabela 1. Standardni potencijali nekih redoks sistema.

Načini korištenja kisika u ćeliji.

Postoje tri načina korištenja kisika u ćeliji, koje karakteriziraju sljedeće reakcije:

1) oksidazni put (90% dolaznog kiseonika se redukuje na H 2 O uz učešće enzima citokrom oksidaze)

0 2 + 4e + 4H + → 2H 2 O

2) oksigenazni put (uključivanje u supstrat jednog atoma kiseonika - monooksigenazni put, dva atoma kiseonika - put diooksigenaze) - monooksigenazni put

Dioksigenazni put

3) slobodno-radikalni put (ide bez učešća enzima i ATP se ne formira).

Oksidazni put za korištenje kisika. Mitohondrije. Enzimi, njihova lokalizacija i značaj u procesu oksidacije.

Mitohondrije se s pravom nazivaju "energetskim stanicama" ćelije, jer se upravo u tim organelama uglavnom hvata energija dobijena oksidativnim procesima. Mitohondrijski sistem konjugacije oksidativnih procesa sa stvaranjem visokoenergetskog ATP intermedijera naziva se oksidativna fosforilacija.

Mitohondrije imaju vanjsku membranu koja je propusna za većinu metabolita i selektivno propusnu unutarnju membranu s mnogo nabora (krista) koji strše prema matriksu (unutrašnjem prostoru mitohondrija). Vanjska membrana se može ukloniti tretmanom digitoninom; karakteriše ga prisustvo monoamin oksidaze i nekih drugih enzima (npr. acil-CoA sintetaza, glicerofosfat aciltransferaza, monoacilglicerofosfat aciltransferaza, fosfolipaza A2). Intermembranski prostor sadrži adenilat kinazu i kreatin kinazu. Fosfolipidni kardiolipin je lokaliziran u unutrašnjoj membrani.

Matriks sadrži rastvorljive enzime ciklusa limunske kiseline i enzime b-oksidacije masnih kiselina, stoga postoji potreba za mehanizmima za transport metabolita i nukleotida kroz unutrašnju membranu. Sukcinat dehidrogenaza je lokalizovana na unutrašnjoj površini unutrašnje mitohondrijalne membrane, gde prenosi reduktivne ekvivalente respiratornog lanca na nivou ubikinona (zaobilazeći prvu redoks petlju). 3-hidroksibutirat dehidrogenaza je lokalizirana na matriksnoj strani unutrašnje mitohondrijalne membrane. Glicerol-3-fosfat dehidrogenaza nalazi se na vanjskoj površini unutrašnje membrane, gdje učestvuje u funkcionisanju glicerofosfatnog šatl mehanizma.

Faze energetskog iskorišćenja nutrijenata.

Energetska upotreba nutrijenata je složen proces koji se odvija u tri faze, prema sljedećoj shemi:

Shema 1. Faze katabolizma nutrijenata.

U fazi 1, veliki polimerni molekuli se razlažu na monomerne podjedinice: proteini u aminokiseline, polisaharidi u šećere, a masti u masne kiseline i kolesterol. Ovaj preliminarni proces, nazvan probava, provodi se uglavnom izvan ćelija djelovanjem enzima koji se izlučuju u šupljinu probavnog trakta. U fazi 2, formirane male molekule ulaze u ćelije i prolaze dalje cijepanje u citoplazmi. Većina atoma ugljika i vodika šećera pretvara se u piruvat, koji, prodirući u mitohondrije, formira tamo acetilnu grupu reaktivnog spoja acetil koenzima A (acetil-CoA). Velika količina acetil-CoA također nastaje tokom oksidacije masnih kiselina. U fazi 3, acetilna grupa acetil-CoA se potpuno cijepa na CO 2 i H 2 O. U ovoj završnoj fazi se formira većina ATP-a. U nizu spregnutih hemijskih reakcija više od polovine energije koja se, prema teoretskim proračunima, može izdvojiti iz ugljikohidrata i masti kada se oksidiraju u H 2 O i CO 2 koristi se za izvođenje energetski nepovoljne reakcije F n + ADP ® ATP. Pošto ostatak energije oslobođene tokom oksidacije oslobađa ćelija u obliku toplote, rezultat formiranja ATP-a je sveukupno povećanje nereda u svemiru, što je u potpunosti u skladu sa drugim zakonom termodinamike.

Kroz formiranje ATP-a, energija prvobitno ekstrahirana oksidacijom iz ugljikohidrata i masti pretvara se u pogodniji koncentrirani oblik kemijske energije. U otopini koja se nalazi u unutarćelijskom prostoru tipične ćelije nalazi se približno 1 milijarda ATP molekula, čija hidroliza na ADP i fosfat daje potrebnu energiju za mnoge energetski nepovoljne reakcije.

Najvažniji korak u fazi 2 katabolizma je glikoliza, slijed reakcija koje dovode do razgradnje glukoze. Tokom glikolize, molekul glukoze koji sadrži 6 atoma ugljika pretvara se u 2 molekula piruvata koji sadrže po 3 atoma ugljika. Za ovu transformaciju potrebno je 9 uzastopnih enzimskih reakcija, u kojima se formira niz intermedijarnih spojeva koji sadrže fosfate. (Vidi sliku 1.)

Logično, slijed reakcija glikolize može se podijeliti u tri faze: 1) u reakcijama 1-4 (vidi sliku 1), glukoza se pretvara u trougljični aldehid gliceraldehid-3-fosfat (za ovu transformaciju su potrebne dvije fosfatne grupe, a potrebna energija se oslobađa tokom hidrolize ATP-a); 2) u reakcijama 5-6 aldehidna grupa svakog molekula gliceraldehid-3-fosfata se oksidira u karboksil, a energija oslobođena u ovom slučaju se troši na sintezu ATP-a iz ADP-a i Fn; 3) u reakcijama 7-9, ona dva molekula fosfata koja su bila vezana za šećer u prvoj fazi se prenose nazad u ADP, usled čega nastaje ATP i troškovi ATP se nadoknađuju u 1. fazi.

Slika 1. Intermedijeri glikolize.

Ukupna izlazna energija tokom glikolize svodi se na sintezu dva molekula ATP-a (po jednom molekulu glukoze), koji su nastali u reakcijama 5 i 6. Stoga su ove reakcije od odlučujućeg značaja za glikolizu. Ove dvije reakcije su jedine u cijelom procesu u kojima se iz Fn formira visokoenergetska fosfatna veza. Kombinovani rezultat ove dvije reakcije je oksidacija aldehida šećera u fosfoglicerolnu kiselinu, prijenos Fn u ADP kako bi se formirala visokoenergetska ATP veza i redukcija NAD+ u NADH.

Za većinu životinjskih ćelija, glikoliza prethodi fazi 3 katabolizma, kao Mliječna kiselina nastala tokom glikolize brzo ulazi u mitohondrije, gdje se oksidira u CO 2 i H 2 O. Ipak, u anaerobnim organizmima i tkivima sposobnim za rad u anaerobnim uvjetima, glikoliza može postati glavni izvor ćelijskog ATP-a. U tim slučajevima, molekuli piruvata ostaju u citosolu i pretvaraju se u laktat, koji se zatim izlučuje iz ćelije. Potrebna je daljnja konverzija piruvata u ovim reakcijama koje proizvode energiju, zvanom fermentacija, kako bi se u potpunosti iskoristio redukcijski potencijal dobiven u reakciji 5 glikolize i tako regenerirao NAD + neophodan za daljnju provedbu glikolize.

oksidativna fosforilacija.

Oksidativna fosforilacija omogućava aerobnim organizmima da zahvate značajan dio potencijalno slobodne energije oksidacije supstrata. Moguće objašnjenje za mehanizam oksidativne fosforilacije nudi hemiosmotska teorija. Brojni lijekovi (npr. amobarbital) i otrovi (cijanid, ugljični monoksid) inhibiraju oksidativnu fosforilaciju, obično sa fatalnim posljedicama. Oksidativna fosforilacija je toliko vitalan proces da je poremećaj njegovog normalnog toka nespojiv sa životom. Ovo može objasniti zašto je pronađen samo mali broj genetskih poremećaja koji utiču na ovaj sistem.

Iako je ciklus limunske kiseline dio aerobnog metabolizma, nijedna od reakcija ovog ciklusa koje dovode do stvaranja NADH i FADH 2 nije direktno uključena u molekularni kisik; ovo se dešava samo u završnoj seriji kataboličkih reakcija koje se dešavaju na unutrašnjoj membrani. Gotovo sva energija dobivena u ranim fazama oksidacije sagorijevanjem ugljikohidrata, masti i drugih nutrijenata u početku se pohranjuje u obliku visokoenergetskih elektrona koje nose NADH i FADH. Ovi elektroni zatim stupaju u interakciju s molekularnim kisikom u respiratornom lancu. Budući da enzimi unutrašnje membrane koriste veliku količinu oslobođene energije za sintezu ATP-a iz ADP-a i Pn-a, ove posljednje reakcije se nazivaju oksidativna fosforilacija.

Sinteza ATP-a u reakcijama oksidativne fosforilacije koja se odvija u respiratornom lancu zavisi od hemiosmotski proces . Mehanizam ovog procesa, prvi put predložen 1961. godine, omogućio je rješavanje problema s kojim se dugo suočavala biologija ćelije.

Ranije se smatralo da se energija za sintezu ATP-a u respiratornom lancu osigurava istim mehanizmom kao u fosforilaciji supstrata: pretpostavljalo se da se energija oksidacije koristi za formiranje visokoenergetske veze između fosfatne grupe i nekog intermedijarnog jedinjenja. i da se konverzija ADP-a u ATP vrši na osnovu energije oslobođene kada se veza prekine. Međutim, uprkos intenzivnim pretragama, navodni međuproizvod nije pronađen.

Prema hemiosmotskoj hipotezi, umjesto energetski bogatih međuproizvoda, postoji direktna veza između hemijskih procesa („hemi...“) i transporta (osmotski, od grčkog osmos - potiskivanje, pritisak) - hemiosmotska sprega.

Hemiosmotska hipoteza, predložena ranih 1960-ih, uključivala je četiri nezavisna postulata o funkciji mitohondrija:

1. Mitohondrijski respiratorni lanac, koji se nalazi u unutrašnjoj membrani, u stanju je da pokreće protone; kada elektroni prolaze kroz respiratorni lanac, H + se „ispumpava“ iz matrice.

2. Kompleks mitohondrijalnog ATP sintetaze takođe pokreće protone kroz unutrašnju membranu. Budući da je ovaj proces reverzibilan, enzim ne samo da može koristiti energiju hidrolize ATP-a za transport H+ preko membrane, već sa dovoljno velikim protonskim gradijentom protoni počinju da „teku” kroz ATP sintetazu u suprotnom smjeru, što je popraćeno sintezom ATP-a.

3. Unutrašnja membrana mitohondrija je nepropusna za H + , OH - i općenito sve anjone i katjone.

4. Unutrašnja mitohondrijalna membrana sadrži niz proteina nosača koji vrše transport neophodnih metabolita i neorganskih jona.

Prolaskom visokoenergetskih elektrona koje isporučuju NADH i FADH 2 kroz respiratorni lanac unutrašnje mitohondrijalne membrane od jednog nosača do drugog, oslobađa se energija koja se koristi za pumpanje protona (H +) preko unutrašnje membrane iz matriksa u intermembranskog prostora. (vidi sliku 2)

Slika 2. Transfer protona uz učešće ATP sintaznog sistema (Mitchell model).

Kao rezultat, na unutrašnjoj membrani se stvara elektrohemijski protonski gradijent; Energiju obrnute struje protona “dolje” duž ovog gradijenta koristi membranski vezan enzim ATP sintetaza, koji katalizira stvaranje ATP-a iz ADP-a i Pn, tj. završna faza oksidativne fosforilacije.

Redox lanac oksidativne fosforilacije.

Elektroni se prenose sa NADH na kiseonik pomoću tri velika kompleksa enzima respiratornog lanca. Iako su mehanizmi izdvajanja energije u respiratornom lancu i drugim kataboličkim reakcijama različiti, oni se temelje na zajedničkim principima. Reakcija H 2 + 1/2 O 2 ® H 2 O se razlaže na mnogo malih "koraka" tako da se oslobođena energija može pretvoriti u vezane oblike umjesto da se rasprši kao toplina. Kao i kod stvaranja ATP-a i NADH u glikolizi ili u ciklusu limunske kiseline, to je zbog upotrebe indirektnog puta. Ali jedinstvenost respiratornog lanca leži u činjenici da se ovdje prije svega atomi vodika dijele na elektrone i protone. Elektroni se prenose kroz niz nosača , ugrađen u unutrašnju mitohondrijalnu membranu. Kada elektroni dođu do kraja ovog lanca transporta elektrona, protoni su tu da neutraliziraju negativni naboj koji nastaje kada elektroni prijeđu do molekule kisika.

Pratimo proces oksidacije, počevši od formiranja NADH, glavnog akceptora reaktivnih elektrona ekstrahovanih tokom oksidacije molekula nutrijenata. Svaki atom vodika se sastoji od jednog elektrona i jednog protona. Svaki NADH molekul nosi hidridni ion (atom vodonika + dodatni elektron, H:-), a ne samo atom vodonika. Međutim, zbog prisustva slobodnih protona u okolnoj vodenoj otopini, prijenos hidridnog jona u sastavu NADH je ekvivalentan prijenosu dva atoma vodika ili molekule vodika (H: - + H + ® H 2) .

Prenos elektrona duž respiratornog lanca počinje uklanjanjem hidridnog jona (H: -) iz NADH; u ovom slučaju, NAD + se regeneriše, a hidridni ion se pretvara u proton i dva elektrona (H: - ® H + + 2e -). Ovi elektroni idu do prvog od preko 15 različitih nosača elektrona u respiratornom lancu. U ovom trenutku, elektroni imaju vrlo veliku količinu energije, čija se zaliha postepeno smanjuje kako prolaze kroz kolo. Najčešće se elektroni kreću od jednog metalnog atoma do drugog, pri čemu je svaki od ovih atoma čvrsto vezan za proteinski molekul, što utiče na njegov afinitet prema elektronu. Važno je napomenuti da su svi proteini nosači elektrona grupirani u tri velika kompleksa respiratornih enzima, od kojih svaki sadrži transmembranske proteine ​​koji čvrsto fiksiraju kompleks u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani. Svaki naredni kompleks ima veći afinitet za elektrone od prethodnog. Elektroni sukcesivno prelaze iz jednog kompleksa u drugi, sve dok konačno ne pređu do kiseonika, koji ima najveći afinitet prema elektronima.

Energija oslobođena tokom transporta elektrona duž respiratornog lanca pohranjuje se u obliku elektrohemijskog gradijenta protona preko unutrašnje mitohondrijalne membrane.

Oksidativna fosforilacija je moguća zbog bliske povezanosti nosača elektrona s proteinskim molekulima. Proteini usmjeravaju elektrone duž respiratornog lanca tako da oni uzastopno prolaze s jednog kompleksa enzima na drugi bez "skakanja" kroz međukarike. Posebno je važno da je prijenos elektrona povezan s alosteričnim promjenama pojedinih proteina molekula, uslijed čega energetski povoljan protok elektrona uzrokuje pumpanje protona (H+) kroz unutrašnju membranu iz matriksa u intermembranu. prostor i dalje izvan mitohondrija. Kretanje protona dovodi do dvije važne posljedice: 1) stvara se pH gradijent između dvije strane unutrašnje membrane – u matriksu je pH viši nego u citosolu, gdje je pH vrijednost obično blizu 7,0 (pošto mali molekuli slobodno prolaze kroz vanjsku membranu mitohondrija, pH u međumembranskom prostoru bit će isti kao u citosolu); 2) na unutrašnjoj membrani se stvara naponski gradijent (membranski potencijal), pri čemu je unutrašnja strana membrane negativno nabijena, a vanjska pozitivno. pH gradijent (DrN) dovodi do toga da se ioni H+ pomiču nazad u matriks, a OH ioni van matriksa, što pojačava efekat membranskog potencijala, pod čijim se uticajem na matriks privlači bilo koji pozitivan naboj, a svaki negativan. je istisnut iz toga. Kombinirano djelovanje ove dvije sile dovodi do pojave elektrohemijskog protonskog gradijenta. Elektrohemijski protonski gradijent stvara protonsku pokretačku silu, mjerenu u milivoltima (mV).

Energija elektrohemijskog protonskog gradijenta koristi se za sintezu ATP-a i transport metabolita i neorganskih jona u matriks.

Unutrašnju membranu mitohondrija karakteriše neuobičajeno visok sadržaj proteina - sadrži približno 70% proteina i 30% fosfolipida po težini. Mnogi od ovih proteina su dio lanca transporta elektrona koji održava gradijent protona kroz membranu. Još jedna važna komponenta - enzim ATP sintaza, koji katalizuje sintezu ATP-a. Ovo je veliki proteinski kompleks kroz koji se protoni vraćaju u matriks duž elektrohemijskog gradijenta. Poput turbine, ATP sintetaza pretvara jedan oblik energije u drugi, sintetizirajući ATP iz ADP-a i Pn u mitohondrijskom matriksu u reakciji spojenoj sa protokom protona u matriks (vidi sliku 3).

Slika 3. Opšti mehanizam oksidativne fosforilacije.

Ali sinteza ATP-a nije jedini proces koji se javlja zbog energije elektrohemijskog gradijenta. U matriksu, gdje se nalaze enzimi uključeni u ciklus limunske kiseline i druge metaboličke reakcije, potrebno je održavati visoke koncentracije različitih supstrata; posebno, ATP sintetaza zahtijeva ADP i fosfat. Zbog toga se kroz unutrašnju membranu moraju transportovati različiti supstrati koji nose naboj. To se postiže raznim transporterskim proteinima ugrađenim u membranu, od kojih mnogi aktivno pumpaju specifične molekule protiv njihovih elektrohemijskih gradijenta, tj. izvršiti proces koji zahtijeva energiju. Za većinu metabolita, izvor ove energije je konjugacija sa kretanjem nekih drugih molekula "dole" duž njihovog elektrohemijskog gradijenta. Na primjer, ADP-ATP antiport sistem je uključen u transport ADP: kada svaki ADP molekul uđe u matriks, jedan ATP molekul ga napusti duž njegovog elektrohemijskog gradijenta. Istovremeno, symport sistem spaja transfer fosfata u mitohondrije sa protokom H+ koji je tamo usmjeren: protoni ulaze u matriks duž svog gradijenta i istovremeno "vuku" fosfat sa sobom. Slično se prenosi na matriks i piruvat. Energija elektrohemijskog protonskog gradijenta se takođe koristi za prenos Ca 2+ jona u matriks, koji očigledno igraju važnu ulogu u regulaciji aktivnosti nekih mitohondrijalnih enzima.

Što se više energije elektrohemijskog gradijenta troši na prijenos molekula i iona do mitohondrija, to manje ostaje za sintezu ATP-a. Na primjer, ako se izolovani mitohondriji stave u okruženje sa visokim sadržajem Ca 2 +, oni će potpuno zaustaviti sintezu ATP-a; sva energija gradijenta će se potrošiti na transport Ca 2+ do matriksa. U nekim specijalizovanim ćelijama, elektrokemijski protonski gradijent je "šantirao" na takav način da mitohondrije proizvode toplotu umesto sinteze ATP-a. Očigledno je da ćelije mogu regulirati korištenje energije elektrohemijskog protonskog gradijenta i usmjeriti je na one procese koji su trenutno najvažniji.

Brza konverzija ADP u ATP u mitohondrijima omogućava održavanje visokog omjera koncentracija ATP/ADP u stanicama. Uz pomoć specijalnog proteina ugrađenog u unutrašnju membranu, ADP se transportuje u matriks u zamjenu za ATP prema principu antiporta. Kao rezultat toga, molekuli ADP-a koji se oslobađaju tokom hidrolize ATP-a u citosolu brzo ulaze u mitohondrije za “ponovno punjenje”, dok molekuli ATP-a formirani u matriksu tokom oksidativne fosforilacije također brzo izlaze u citosol gdje su potrebni. U ljudskom tijelu ATP molekula dnevno, što omogućava održavanje koncentracije ATP-a u ćeliji koja je više od 10 puta veća od koncentracije ADP-a.

U procesu oksidativne fosforilacije, svaki par NADH elektrona daje energiju za formiranje približno tri ATP molekula. Par FADH 2 elektrona, koji ima nižu energiju, daje energiju za sintezu samo dva ATP molekula. U prosjeku, svaki acetil-CoA molekul koji ulazi u ciklus limunske kiseline daje oko 12 ATP molekula. To znači da kada se oksidira jedan molekul glukoze, nastaje 24 molekula ATP-a, a kada se oksidira jedan molekul palmitata, masne kiseline sa 16 atoma ugljika, nastaje 96 molekula ATP-a. Ako se uzmu u obzir i egzotermne reakcije koje prethode stvaranju acetil-CoA, ispada da kompletnom oksidacijom jedne molekule glukoze nastaje oko 36 ATP molekula, dok potpunom oksidacijom palmitata nastaje oko 129 ATP molekula. Ovo su maksimalne vrijednosti, jer zapravo količina ATP-a sintetiziranog u mitohondrijima ovisi o tome koji dio energije gradijenta protona odlazi na sintezu ATP-a, a ne na druge procese. Ako uporedimo promjenu slobodne energije pri sagorijevanju masti i ugljikohidrata direktno na CO 2 i H 2 O sa ukupnom količinom energije pohranjene u fosfatnim vezama ATRP-a u procesima biološke oksidacije, ispada da je efikasnost pretvaranje energije oksidacije u energiju ATP često prelazi 50%. Budući da se sva neiskorištena energija oslobađa kao toplota, velikim organizmima bi bili potrebni efikasniji načini da odvode toplotu u okolinu.

Ogromna količina slobodne energije koja se oslobađa tokom oksidacije može se efikasno iskoristiti samo u malim porcijama. Složen proces oksidacije uključuje mnogo međuproizvoda, od kojih se svaki tek neznatno razlikuje od prethodnog. Zbog toga se oslobođena energija razlaže na manje količine, koje se pomoću spregnutih reakcija mogu efikasno pretvoriti u visokoenergetske veze molekula ATP i NADH.

1960. godine po prvi put je pokazano da se različiti membranski proteini uključeni u oksidativnu fosforilaciju mogu izolovati bez gubitka aktivnosti. Sa površine submitohondrijalnih čestica bilo je moguće odvojiti i pretvoriti u rastvorljiv oblik sićušne proteinske strukture koje ih prošaraju. Iako su submitohondrijske čestice bez ovih sfernih struktura nastavile da oksidiraju NADH u prisustvu kiseonika, do sinteze ATP-a nije došlo. S druge strane, izolovane strukture su djelovale kao ATPaze, hidrolizujući ATP u ADP i Pn. Kada su sferne strukture (zvane F1-ATPaze) dodate submitohondrijalnim česticama kojima nedostaju, preoblikovane čestice su ponovo sintetizirale ATP iz ADP i Fn.

F 1 - ATPaza je dio velikog, prodire u cijelu debljinu membranskog kompleksa, koji se sastoji od najmanje devet različitih polipeptidnih lanaca. Ovaj kompleks se naziva ATP sintetaza; čini oko 15% ukupnog proteina unutrašnje mitohondrijalne membrane. Vrlo slične ATP sintetaze nalaze se u membranama hloroplasta i bakterija. Takav proteinski kompleks sadrži transmembranske kanale za protone i javlja se samo kada protoni prolaze kroz te kanale niz njihov elektrohemijski gradijent.

ATP sintetaza može djelovati u suprotnom smjeru – cijepajući ATP i pumpajući protone. Djelovanje ATP sintetaze je reverzibilno: ona je u stanju da koristi i energiju hidrolize ATP-a za pumpanje protona kroz unutrašnju mitohondrijsku membranu, i energiju protoka protona duž elektrohemijskog gradijenta za sintezu ATP-a. Dakle, ATP sintetaza je reverzibilni konjugacijski sistem koji vrši međukonverziju energije elektrohemijskog gradijenta protona i hemijskih veza. Smjer njegovog djelovanja ovisi o odnosu između strmine gradijenta protona i lokalne vrijednosti DG za hidrolizu ATP-a.

ATP sintetaza je dobila ime zbog činjenice da u normalnim uslovima, npotonnoro gradijent koji održava respiratorni lanac sintetiše većinu ukupnog ATP ćelije. Broj protona potrebnih za sintezu jednog ATP molekula nije tačno poznat. Kada protoni prođu kroz ATP sintetazu, sintetiše se jedan ATP molekul.

Kako će ATP sintetaza djelovati u datom trenutku – u smjeru sinteze ili hidrolize ATP-a – ovisi o tačnoj ravnoteži između promjena slobodne energije za prolazak tri protona kroz membranu u matriks i za sintezu ATP-a u matrica. Kao što je već spomenuto, DG vrijednost sin.ATP-a određena je koncentracijama tri supstance u mitohondrijskom matriksu - ATP, ADP i Fn. Uz konstantnu proton-motivnu silu, ATP sintetaza će sintetizirati ATP sve dok odnos ATP-a prema ADP-u i Fn ne dostigne vrijednost pri kojoj DG vrijednost sin.ATP-a postane tačno +15,2 kcal/mol. U takvim uslovima, sinteza ATP-a će biti precizno izbalansirana njegovom hidrolizom.

Pretpostavimo da je zbog reakcija koje troše energiju velika količina ATP-a iznenada hidrolizirana u citosolu, što je dovelo do pada omjera ATP:ADP u mitohondrijskom matriksu. U ovom slučaju DG synth. će se smanjiti i ATP sintetaza će se ponovo prebaciti na ATP sintezu sve dok se početni odnos ATP:ADP ne vrati. Ako se proton-motorna sila naglo smanji i održava na konstantnom nivou, tada će ATP sintetaza početi cijepati ATP, a ova reakcija će se nastaviti sve dok omjer između koncentracija ATP-a i ADP-a ne dostigne neku novu vrijednost (na kojoj se DG sintetizira. ATP = +13,8 kcal/mol) i tako dalje.

Ako ATP sintetaza normalno ne prenosi H+ iz matriksa, tada respiratorni lanac koji se nalazi u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani u normalnim uslovima transportuje protone kroz ovu membranu, stvarajući tako elektrohemijski protonski gradijent koji isporučuje energiju za sintezu ATP-a.

Većina nosača elektrona koji čine respiratorni lanac apsorbiraju svjetlost, a njihova oksidacija ili redukcija je praćena promjenom boje. Obično su apsorpcijski spektar i reaktivnost svakog nosača prilično karakteristični, što omogućava praćenje promjena u njegovim stanjima pomoću spektroskopije čak iu sirovom ekstraktu. To je omogućilo da se takvi nosioci izoluju mnogo prije nego što je njihova prava funkcija postala jasna. Na primjer, citokromi su otkriveni 1925. godine kao spojevi koji se brzo oksidiraju i redukuju u organizmima raznolikim poput kvasca, bakterija i insekata. Posmatranjem ćelija i tkiva spektroskopom bilo je moguće identifikovati tri tipa citohroma, koji su se razlikovali po spektru apsorpcije i nazvani su citohromi a, b i c. . Ćelije sadrže nekoliko tipova citokroma svakog tipa, a klasifikacija po tipu ne odražava njihovu funkciju.

Najjednostavniji nosač elektrona je mali hidrofobni molekul rastvoren u lipidnom dvosloju i nazvan ubikinon ili koenzim Q. On je u stanju da prihvati ili donira jedan ili dva elektrona i privremeno hvata proton iz medija sa svakim prenosom elektrona.

Slika 4. Struktura ubikinona.

Dišni lanac sadrži tri velika enzimska kompleksa ugrađena u unutrašnju membranu

Membranske proteine ​​je teško izolovati kao netaknute komplekse jer su netopivi u većini vodenih otopina, a tvari kao što su deterdženti i urea potrebne za njihovu solubilizaciju mogu ometati normalne interakcije protein-protein. Međutim, početkom 1960-ih. otkriveno je da relativno blagi jonski deterdženti kao što je deoksiholat mogu rastvoriti određene komponente unutrašnje membrane mitohondrija u prirodnom obliku. Ovo je omogućilo da se identifikuju i izoluju tri glavna kompleksa respiratornih enzima povezana sa membranom na putu od NADH do kiseonika.

Slika 5. Kompleksi respiratornih enzima.

1. NADH - kompleks dehidrogenaze, najveći od kompleksa respiratornih enzima, ima molekularnu težinu od preko 800 000 i sadrži više od 22 polipeptidna lanca. Prihvata elektrone iz NADH i propušta ih kroz flavin i najmanje pet gvožđe-sumpornih centara do ubikinona - mali molekul rastvorljiv u mastima koji donira elektrone drugom kompleksu respiratornih enzima, b-c 1 kompleksu.

2. Kompleks b-c 1 sastoji se od najmanje 8 različitih polipeptidnih lanaca i vjerovatno postoji kao dimer sa molekulskom težinom od 500 000. Svaki monomer sadrži tri teme vezane za citokrom i protein gvožđe-sumpor. Kompleks prihvata elektrone iz ubikinona i prenosi ih na citokrom c, mali protein periferne membrane, koji ih zatim prenosi u kompleks citokrom oksidaze.

3. Kompleks citokrom oksidaze (citokrom aa 3) je najviše proučavan od tri kompleksa. Sastoji se od najmanje osam različitih polipeptidnih lanaca i izolovan je kao dimer sa molekulskom težinom od 300.000; svaki monomer sadrži dva citokroma i dva atoma bakra.Ovaj kompleks prihvata elektrone iz citokroma c i prenosi ih na kiseonik.

Citokromi, gvožđe-sumporni centri i atomi bakra su sposobni da nose samo jedan elektron u isto vreme. U međuvremenu, svaki NADH molekul donira dva elektrona i svaki O 2 molekul mora prihvatiti 4 elektrona da bi formirao molekul vode. Postoji nekoliko sekcija za prikupljanje i distribuciju elektrona u lancu transporta elektrona, gdje se koordinira razlika u broju elektrona. Na primjer, kompleks citokrom oksidaze prima 4 elektrona iz molekula citokroma c pojedinačno i na kraju ih prenosi na jednu vezanu molekulu O2, što dovodi do formiranja dva molekula vode. U srednjim koracima ovog procesa, dva elektrona ulaze u citokrom a hem i atom bakra vezan za proteine, Cu a, prije nego što se pomaknu na mjesto vezanja kisika. Zauzvrat, mjesto vezivanja kisika sadrži još jedan atom bakra i citokrom 3 hema. Međutim, mehanizam za formiranje dva molekula vode kao rezultat interakcije vezane molekule O 2 sa četiri protona nije tačno poznat.

U većini stanica, oko 90% cjelokupnog apsorbiranog kisika stupa u interakciju s citokrom oksidazom. Toksičnost otrova poput cijanida i azida povezana je s njihovom sposobnošću da se čvrsto vežu za kompleks citokrom oksidaze i na taj način blokiraju sav transport elektrona.

Dvije komponente koje prenose elektrone između tri glavna enzimska kompleksa respiratornog lanca, ubikinona i citokroma c, brzo se kreću difuzijom u ravnini membrana.

Sudari između ovih mobilnih nosača i enzimskih kompleksa dovoljni su da objasne uočenu brzinu prenosa elektrona (svaki kompleks donira i prihvata jedan elektron svakih 5-10 milisekundi). Stoga, nema potrebe da se pretpostavi strukturni poredak u lancu proteina nosača u lipidnom dvosloju; u stvari, enzimski kompleksi očigledno postoje u membrani kao nezavisne komponente, a uređen transfer elektrona je obezbeđen samo specifičnošću funkcionalnih interakcija između komponenti lanca.

Tome u prilog govori i činjenica da su različite komponente respiratornog lanca prisutne u potpuno različitim količinama. Na primjer, u mitohondrijima srca, za svaki molekul kompleksa NADH-dehidrogenaze, postoje 3 molekula | kompleks b-c 1 kompleks, 7 molekula kompleksa citokrom oksidaze, 9 molekula citokroma c i 50 molekula ubikinona; vrlo različiti omjeri ovih proteina pronađeni su u nekim drugim stanicama.

Značajan redoks pad kroz svaki od tri kompleksa respiratornog lanca isporučuje energiju potrebnu za pumpanje protona .

Par kao što su H 2 O i ½ O 2 (ili NADH i NAD +) naziva se konjugirani redoks par, jer se jedan od njegovih članova pretvara u drugi ako se dodaju jedan ili više elektrona i jedan ili više protona (ovi posljednji su uvijek dovoljni u bilo kojoj vodenoj otopini). Tako, na primjer, ½O 2 + 2e + 2H + ® H 2 O

Dobro je poznato da 50:50 mješavina spojeva koji formiraju konjugirani kiselinsko-bazni par djeluje kao pufer za održavanje određenog "protonskog pritiska" (pH), čija je vrijednost određena konstantom disocijacije kiseline. Na potpuno isti način, 50:50 mješavina komponenata para održava određeni "pritisak elektrona", ili redoks potencijal (redox potencijal) E, koji služi kao mjera afiniteta molekula nosača za elektrone.

Postavljanjem elektroda u otopinu s odgovarajućim redoks parovima, može se izmjeriti redoks potencijal svakog nosača elektrona uključenog u biološke redoks reakcije. Parovi spojeva s najnegativnijim vrijednostima redoks potencijala imaju najmanji afinitet prema elektronu, tj. sadrže nosioce sa najmanjom tendencijom da prihvate elektrone i najvećom tendencijom da ih doniraju. Na primjer, mješavina NADH i NAD+ (50:50) ima redoks potencijal od -320 mV, što ukazuje na vrlo izraženu sposobnost NADH da donira elektrone, dok redoks potencijal mješavine jednakih količina H 2 O a ½O 2 je +820 mV, što znači jaku tendenciju 0 2 da prihvati elektrone.

Oštar pad se dešava unutar svakog od tri glavna respiratorna kompleksa. Razlika potencijala između bilo koje_dva nosača elektrona je direktno proporcionalna energiji koja se oslobađa kada elektron prijeđe s jednog nosača na drugi. Svaki kompleks djeluje kao uređaj za pretvaranje energije, usmjeravajući ovu slobodnu energiju da pomiče protone kroz membranu, što rezultira stvaranjem elektrokemijskog gradijenta protona dok elektroni prolaze kroz kolo.

Da bi mehanizam pretvaranja energije koji je u osnovi oksidativne fosforilacije funkcionisao, neophodno je da svaki enzimski kompleks respiratornog lanca bude orijentisan u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani na određeni način – tako da se svi protoni kreću u jednom pravcu, tj. van matriksa. . Ova vektorska organizacija membranskih proteina je demonstrirana korištenjem posebnih sondi koje ne prolaze kroz membranu, a koje označavaju kompleks samo s jedne strane membrane. Specifična orijentacija u dvosloju karakteristična je za sve membranske proteine ​​i veoma je važna za njihovu funkciju.

Mehanizmi pumpanja protona komponentama respiratornog lanca.

U procesu oksidativne fosforilacije, kada se oksidira jedan NADH molekul (tj. kada dva elektrona prođu kroz sva tri enzimska kompleksa), ne nastaju više od tri ATP molekula. Ako pretpostavimo da obrnuti prolazak tri protona kroz ATP sintetazu obezbeđuje sintezu jednog ATP molekula, biće moguće zaključiti da je u proseku prenos jednog elektrona svakim kompleksom praćen kretanjem jednog i pola protona (drugim riječima, tokom transporta jednog elektrona, neki kompleksi prenose jedan proton, dok drugi - dva protona). Vjerovatno različite komponente respiratornog lanca imaju različite mehanizme konjugacije transporta elektrona sa kretanjem protona. Alosterične promjene u konformaciji proteinske molekule povezane s transportom elektrona mogu, u principu, biti praćene "pumpanjem" protona, baš kao što se protoni kreću kada je djelovanje ATP sintetaze obrnuto. Sa prijenosom svakog elektrona, kinon hvata proton iz vodenog medija, koji ga zatim odaje kada se elektron oslobodi. Budući da se ubikinon slobodno kreće u lipidnom dvosloju, može prihvatiti elektrone blizu unutrašnje površine membrane i prenijeti ih u b-c 1 kompleks blizu njegove vanjske površine, pomičući jedan proton kroz dvosloj za svaki preneseni elektron. Koristeći složenije modele, može se objasniti i kretanje dva protona po elektronu od strane b-c 1 kompleksa, uz pretpostavku da ubikinon više puta prolazi kroz b-c 1 kompleks u određenom smjeru.

Nasuprot tome, molekuli koji doniraju elektrone kompleksu citokrom oksidaze ne izgledaju kao transporteri protona, u kom slučaju je transport elektrona vjerovatno povezan s određenom alosteričnom promjenom konformacije proteinskih molekula, uslijed čega neki dio samog proteinskog kompleksa prenosi protone.

Akcija disruptora.

Od 1940-ih godina poznat je niz lipofilnih slabih kiselina koje mogu djelovati kao sredstva za razdvajanje, tj. ometaju spregu transporta elektrona sa sintezom ATP-a. Kada se ova niskomolekularna organska jedinjenja dodaju ćelijama, mitohondrije zaustavljaju sintezu ATP-a, dok nastavljaju da apsorbuju kiseonik. U prisustvu agensa za odvajanje, brzina transporta elektrona ostaje visoka, ali se ne stvara protonski gradijent. Ovo je jednostavno objašnjenje za ovaj efekat: agensi za odvajanje (npr. dinitrofenol, tiroksin) deluju kao H+ transporteri (H+ jonofori) i otvaraju dodatni put – više ne preko ATP sintetaze – za protok H+ kroz unutrašnju mitohondrijalnu membranu.

Kontrola disanja.

Kada se ćelijama doda agens za razdvajanje, kao što je dinitrofenol, unos kiseonika u mitohondrije se znatno povećava kako se povećava brzina prenosa elektrona. Ovo ubrzanje je povezano s postojanjem kontrole disanja. Vjeruje se da se ova kontrola zasniva na direktnom inhibitornom efektu elektrohemijskog gradijenta protona na transport elektrona. Kada elektrohemijski gradijent nestane u prisustvu rastavljača, nekontrolisani transport elektrona dostiže svoju maksimalnu brzinu. Povećanje gradijenta usporava respiratorni lanac, a transport elektrona usporava. Štoviše, ako se u eksperimentu na unutarnjoj membrani umjetno stvori neobično visok elektrokemijski gradijent, tada će normalan transport elektrona potpuno prestati, a u nekim dijelovima respiratornog lanca bit će moguće otkriti obrnuti tok elektrona. . Ovo sugerira da respiratorna kontrola odražava jednostavnu ravnotežu između promjene slobodne energije tokom kretanja protona povezanih s transportom elektrona i promjene slobodne energije tokom samog transporta elektrona.Veličina elektrohemijskog gradijenta utiče i na brzinu i smjer elektrona. prijenosa, kao i na smjer djelovanja ATP sintetaze.

Kontrola disanja je samo dio složenog sistema međusobno povezanih regulatornih mehanizama koji koordiniraju brzinu glikolize, razgradnju masnih kiselina, reakcije ciklusa limunske kiseline i transport elektrona. Brzine svih ovih procesa zavise od odnosa ATP:ADP - one se povećavaju kada se ovaj odnos smanji kao rezultat povećane upotrebe ATP-a. Na primjer, ATP sintetaza unutrašnje mitohondrijalne membrane radi brže kada se povećaju koncentracije njenih supstrata, tj. ADP i Pn. Što je veća brzina ove reakcije, više protona teče u matricu, čime se elektrohemijski gradijent brže rasipa; a smanjenje gradijenta, zauzvrat, dovodi do ubrzanja transporta elektrona.

Mitohondrije u smeđem masnom tkivu su generatori toplote.

Svim kralježnjacima u mladosti je potreban termogeni uređaj za stvaranje topline, pored mehanizma mišićnog tremora. Takav uređaj je posebno važan za životinje koje prezimljuju. Mišići u tremoru se kontrahiraju čak i u odsustvu vježbanja, koristeći kontraktilne proteine ​​za hidrolizu ATP-a na uobičajen način za mišićne stanice i oslobađajući u obliku topline svu energiju koja je potencijalno dostupna hidrolizom ATP-a. Potreba za posebnim termogenim uređajem određena je snažnom spregnutom oksidativnom fosforilacijom normalnih mitohondrija. Kada bi se ovaj proces mogao odvojiti, kao što se dešava u prisustvu dinitrofenola, mogao bi poslužiti kao adekvatan uređaj za proizvodnju toplote; ovako se to dešava u mitohondrijama smeđe masti. Iako ovi mitohondriji imaju konvencionalnu reverzibilnu ATPazu, oni također imaju transmembransku protonsku translokazu, kroz koju se protoni mogu vratiti u matriks i električno šansirati aktivnost ATPaze. Ako je ovaj proces dovoljan da održi redoks potencijal vodonika znatno ispod 200 mV, sinteza ATP-a postaje nemoguća i proces oksidacije se odvija slobodno, što rezultira da se sva energija oslobađa kao toplina.

Ciklus limunske kiseline (ciklus trikarboksilne kiseline, Krebsov ciklus).

Ciklus limunske kiseline je niz reakcija koje se odvijaju u mitohondrijima tokom kojih se acetilne grupe kataboliziraju i oslobađaju ekvivalenti vodika; tokom oksidacije potonjeg, opskrbljuje se slobodna energija gorivih resursa tkiva. Acetilne grupe nalaze se u acetil-CoA (aktivnom acetatu), tioesteru koenzima A.

Glavna funkcija ciklusa limunske kiseline je da je to uobičajeni konačni put za oksidaciju ugljikohidrata, proteina i masti, jer se glukoza, masne kiseline i aminokiseline metaboliziraju u acetil-CoA ili međuprodukte ciklusa. Ciklus limunske kiseline također igra važnu ulogu u procesima glukoneogeneze, transaminacije, deaminacije i lipogeneze.Iako se veliki broj ovih procesa odvija u mnogim tkivima, jetra je jedini organ u kojem se odvijaju svi ovi procesi. Stoga oštećenje velikog broja ćelija jetre ili njihova zamjena vezivnim tkivom izaziva ozbiljne posljedice. O vitalnoj ulozi ciklusa limunske kiseline svjedoči i činjenica da kod ljudi gotovo da nema poznatih genetskih promjena u enzimima koji katalizuju reakcije ciklusa, budući da je prisustvo takvih poremećaja nespojivo sa normalnim razvojem.

Otvaranje CTC-a.

Postojanje takvog ciklusa za oksidaciju piruvata u životinjskim tkivima prvi je predložio Hans Krebs 1937. godine. Ovu ideju rodio je kada je proučavao utjecaj anjona raznih organskih kiselina na brzinu apsorpcije kisika suspenzijama zgnječenih prsnih mišića goluba, u kojima je oksidirao piruvat. Prsne mišiće karakteriše izuzetno visok intenzitet disanja, što ih čini posebno pogodnim objektom za proučavanje oksidativne aktivnosti. Krebs je također potvrdio da druge organske kiseline koje su se ranije nalazile u životinjskim tkivima (jantarna, jabučna, fumarna i oksalooctena) stimuliraju oksidaciju piruvata. Osim toga, otkrio je da oksidaciju piruvata u mišićnom tkivu stimuliraju šestougljične trikarboksilne kiseline - limunska, cis-akonitna i izocitritna, kao i a-ketoglutarna kiselina sa pet ugljika. Nekoliko drugih organskih kiselina koje se pojavljuju u prirodi je testirano, ali nijedna od njih nije pokazala sličnu aktivnost. Sama priroda stimulativnog djelovanja aktivnih kiselina privukla je pažnju: čak i mala količina bilo koje od njih bila je dovoljna da izazove oksidaciju višestruko veće količine piruvata.

Jednostavni eksperimenti kao i logično zaključivanje omogućili su Krebsu da sugerira da je ciklus, koji je nazvao ciklus limunske kiseline, glavni put za oksidaciju ugljikohidrata u mišićima. Nakon toga, ciklus limunske kiseline pronađen je u gotovo svim tkivima viših životinja i biljaka i u mnogim aerobnim mikroorganizmima. Za ovo važno otkriće, Krebs je 1953. godine dobio Nobelovu nagradu. Eugene Kennedy i Albert Lehninger su kasnije pokazali da se sve reakcije ciklusa limunske kiseline odvijaju u mitohondrijima životinjskih ćelija. U izolovanim mitohondrijama jetre štakora nisu pronađeni samo svi enzimi i koenzimi ciklusa limunske kiseline; ovdje su, kako se ispostavilo, svi enzimi i proteini koji su potrebni za posljednju fazu disanja, tj., lokalizirani. za prijenos elektrona i oksidativnu fosforilaciju. Stoga se mitohondrije s pravom nazivaju "elektranama" ćelije.

Katabolička uloga ciklusa limunske kiseline

Ciklus počinje interakcijom molekula acetil-CoA sa oksaloacetatom (oksaloacetatom), što rezultira stvaranjem trikarboksilne kiseline sa šest ugljika koja se zove limunska kiselina. Nakon toga slijedi niz reakcija tokom kojih se oslobađaju dva CO2 molekula i regeneriše oksaloacetat. Budući da je količina oksaloacetata potrebna za pretvaranje velikog broja acetilnih jedinica u CO 2 vrlo mala, možemo pretpostaviti da oksaloacetat ima katalitičku ulogu.

Ciklus limunske kiseline je mehanizam koji hvata većinu slobodne energije oslobođene tokom oksidacije ugljikohidrata, lipida i proteina. Prilikom oksidacije acetil-CoA, zbog aktivnosti niza specifičnih dehidrogenaza, dolazi do stvaranja redukcijskih ekvivalenata u obliku vodonika ili elektrona. Potonji ulaze u respiratorni lanac; tokom funkcioniranja ovog lanca dolazi do oksidativne fosforilacije, odnosno sintetizira se ATP.

Enzimi ciklusa limunske kiseline su lokalizovani u mitohondrijskom matriksu, gde se nalaze ili u slobodnom stanju ili na unutrašnjoj površini unutrašnje mitohondrijalne membrane; u potonjem slučaju, olakšan je prijenos redukcijskih ekvivalenata na enzime respiratornog lanca lokalizirane u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani.

CTC reakcije.

Inicijalnu reakciju, kondenzaciju acetil-CoA i oksaloacetata, katalizira kondenzacijski enzim, citrat sintetaza, a ugljik-ugljik se formira između metilnog ugljika acetil-CoA i karbonilnog ugljika oksaloacetata. Reakciju kondenzacije koja dovodi do stvaranja citril-CoA prati hidroliza tioeterske veze, praćena gubitkom velike količine slobodne energije u obliku topline; ovo određuje tok reakcije s lijeva na desno dok se ne završi:

Acetil-CoA + oksaloacetat + H 2 O → citrat + CoA-SH

Pretvorbu citrata u izocitrat katalizira akonitaza koja sadrži željezo. Ova reakcija se odvija u dvije faze: prvo dolazi do dehidracije sa stvaranjem cis-akonitata (njegov dio ostaje u kompleksu s enzimom), a zatim do hidratacije i stvaranja izocitrata:

Citrat ↔ cis-Aconitate ↔ Izocitrat - H 2 O

Reakcija je inhibirana fluoroacetatom, koji se prvo pretvara u fluoroacetil-CoA; potonji se kondenzira sa oksaloacetatom u fluorocitrat. Fluorocitrat je direktni inhibitor akonitaze; citrat se akumulira nakon inhibicije.

Eksperimenti s intermedijerima pokazuju da akonitaza asimetrično stupa u interakciju s citratom: uvijek djeluje na dio molekula citrata koji je nastao iz oksaloacetata. Moguće je da cis-akonitat nije obavezni intermedijer između citrata i izocitrata i da se formira na sporednoj grani glavnog puta.

Nadalje, izocitrat dehidrogenaza katalizira dehidrogenaciju sa stvaranjem oksalosukcinata. Opisana su tri različita oblika izocitrat dehidrogenaze. Jedan od njih, NAD zavisan, nalazi se samo u mitohondrijima. Druga dva oblika su zavisna od NADP-a, od kojih se jedan također nalazi u mitohondrijima, a drugi u citosolu. Oksidaciju izocitrata, povezanu s radom respiratornog lanca, provodi gotovo isključivo enzim zavisan od NAD:

Izocitrat + NAD + ↔ Oksalosukcinat (u kompleksu sa enzimom) ↔ alfa-ketoglutarat + CO 2 + NADH 2

Slika 5. Reakcije Krebsovog ciklusa.

Nakon toga slijedi dekarboksilacija sa stvaranjem alfa-ketoglutarata, koji je također kataliziran izocitrat dehidrogenazom. Važna komponenta reakcije dekarboksilacije su joni Mg 2+ (ili Mn 2+). Sudeći prema dostupnim podacima, oksalosukcinat nastao u međufazi reakcije ostaje u kompleksu sa enzimom.

Alfaketoglutarat, zauzvrat, podliježe oksidativnoj dekarboksilaciji sličnoj onoj kod piruvata: u oba slučaja supstrat je alfaketokiselina. Reakcija se katalizira kompleksom alfa-ketoglutarat dehidrogenaze i zahtijeva učešće istog skupa kofaktora - tiamin difosfat, lipoat, NAD+, FAD i CoA; kao rezultat toga nastaje sukcinil-CoA - tioeter koji sadrži vezu visoke energije.

α-ketoglutorat + NAD + + CoA-SH → sukcinil-CoA + CO 2 + NADH + H +

Ravnoteža reakcije je toliko snažno pomaknuta prema stvaranju sukcinil-CoA da se može smatrati fiziološki jednosmjernom. Kao i kod oksidacije piruvata, reakciju inhibira arsenat, što dovodi do nakupljanja supstrata (alfa-ketoglutarat).

Ciklus se nastavlja konverzijom sukcinil-CoA u sukcinat, kataliziran sukcinat tiokinazom (sukcinil-CoA sintetaza):

Sukcinil-CoA + P H + GDP↔ Sukcinat + GTP + CoA-SH

Jedan od supstrata reakcije je GDP (ili IDP), iz kojeg nastaje GTP (ITP) u prisustvu neorganskog fosfata. Ovo je jedini korak u ciklusu limunske kiseline koji stvara visokoenergetsku fosfatnu vezu na nivou supstrata; u oksidativnoj dekarboksilaciji α-ketoglutarata, potencijalna količina slobodne energije je dovoljna za formiranje NADH i visokoenergetske fosfatne veze. U reakciji koju katalizira fosfokinaza, ATP se može formirati iz GTP i ITP. Na primjer:

GTP+ADP «GDP+ATP.

U alternativnoj reakciji koja se javlja u ekstrahepatičnim tkivima i katalizirana sukcinil-CoA-acetoacetat-CoA-transferazom, sukcinil-CoA se pretvara u sukcinat zajedno sa konverzijom acetoacetata u acetoacetil-CoA. U jetri postoji aktivnost diacilaze, koja osigurava hidrolizu dijela sukcinil-CoA sa stvaranjem sukcinata i CoA.

Sukcinat + FAD « Fumarat + FADH 2

Prvu dehidrogenaciju katalizira sukcinat dehidrogenaza vezana za unutrašnju površinu unutrašnje mitohondrijalne membrane. Ovo je jedina dehidrogenazna reakcija CTK, tokom koje se odvija direktan transfer sa supstrata na flavoprotein bez učešća NAD+. Enzim sadrži FAD i protein željezo-sumpor. Kao rezultat dehidrogenacije nastaje fumarat. Eksperimenti sa izotopom su pokazali da je enzim stereospecifičan za trans vodikove atome metilenskih grupa sukcinata. Dodatak malonata ili oksaloacetata inhibira sukcinat dehidrogenazu, što dovodi do akumulacije sukcinata.

Fumaraza (fumarat hidrotaza) katalizira dodavanje vode fumaratu kako bi se formirao malat:

Fumarat + H 2 O "L-malat

Fumaraza je specifična za L-izomer malata; katalizuje dodavanje komponenti molekula vode na dvostruku vezu fumarata u trans konfiguraciji. Malat dehidrogenaza katalizira konverziju malata u oksaloacetat, reakcija se odvija uz sudjelovanje NAD +:

L-malat + NAD + "0ksaloacetat + NADH 2

Iako je ravnoteža ove reakcije snažno pomjerena u smjeru malata, ona se zapravo odvija u smjeru oksaloacetata, budući da se on, zajedno s NADH, stalno troši u drugim reakcijama.

Enzimi ciklusa limunske kiseline, sa izuzetkom alfa-ketoglutarat i sukcinat dehidrogenaze, također se nalaze izvan mitohondrija. Međutim, neki od ovih enzima (npr. malat dehidrogenaza) se razlikuju od odgovarajućih mitohondrijalnih enzima.

Energetika ciklusa limunske kiseline.

Kao rezultat oksidacije koju kataliziraju TCA dehidrogenaze, za svaki acetil-CoA molekul koji se katabolizira tokom jednog ciklusa, formiraju se tri NADH molekula i jedna FADH 2 molekula. Ovi redukcioni ekvivalenti se prenose u respiratorni lanac koji se nalazi u mitohondrijalnoj membrani. Dok prolaze kroz lanac, NADH reducirajući ekvivalenti stvaraju tri visokoenergetske fosfatne veze kroz formiranje ATP-a iz ADP-a kroz oksidativnu fosforilaciju. FADH 2 stvara samo dvije visokoenergetske fosfatne veze jer FADH 2 prenosi reducirajuće ekvivalente na koenzim Q i stoga zaobilazi prvi krak lanca oksidativne fosforilacije u respiratornom lancu. Još jedan visokoenergetski fosfat se stvara na jednom od mjesta ciklusa limunske kiseline, odnosno na nivou supstrata, kada se sukcinil-CoA pretvara u sukcinat. Tako se tokom perioda svakog ciklusa formira 12 novih visokoenergetskih fosfatnih veza.

Regulacija ciklusa limunske kiseline.

Glavni procesi koji opskrbljuju i skladište energiju u ćelijama mogu se sažeti na sljedeći način:

glukoza piruvat® acetil-CoA masne kiseline

Regulacija ovog sistema bi, između ostalog, trebala osigurati stalnu opskrbu ATP-om srazmjerno trenutnim energetskim potrebama, osigurati da se višak ugljikohidrata pretvara u masne kiseline putem piruvata i acetil-CoA, i istovremeno kontrolirati ekonomičnu upotrebu masnih kiselina putem acetila -CoA kao ključni ulazni proizvod u ciklus limunske kiseline.

Ciklus limunske kiseline dovodi elektrone u sistem za transport elektrona u kojem je tok elektrona povezan sa sintezom ATP-a i, u manjoj mjeri, dovodi reducirajuće ekvivalente srednjim biosintetičkim sistemima. U principu, ciklus se ne može odvijati brže nego što to dozvoljava korištenje generiranog ATP-a. Kada bi se sav ćelijski ADP pretvorio u ATP, ne bi moglo biti daljeg protoka elektrona iz NADH koji se akumulira u 0 2 . Zbog odsustva NAD+, neophodnog učesnika u procesima dehidrogenacije ciklusa, ovaj bi prestao da funkcioniše. Postoje suptilniji regulatorni uređaji koji moduliraju djelovanje enzima u samom ciklusu limunske kiseline.

Sukcinat dehidrogenaza se nalazi u unutrašnjoj mitohondrijalnoj membrani. Svi ostali enzimi su otopljeni u matriksu koji ispunjava unutrašnjost mitohondrija. Mjerenja relativnih količina ovih enzima i koncentracije njihovih supstrata u mitohondrijima pokazuju da se svaka reakcija odvija istom brzinom. Jednom kada piruvat (ili drugi potencijalni izvor acetil-CoA) uđe u mitohondrijski matriks, cijeli ciklus se odvija unutar ovog odjeljka.

Na nekim mjestima, stimulacija ili inhibicija je određena relativnim koncentracijama NADH/NAD, ATP/ADP ili AMP, acetil-CoA/CoA ili sukcinil-CoA/CoA. Kada su ovi omjeri visoki, ćelija je dovoljno opskrbljena energijom i protok kroz ciklus je usporen; kada su niske, ćeliji je potrebna energija i protok kroz ciklus se ubrzava.

Kao ireverzibilna reakcija koja povezuje metabolizam ugljikohidrata s ciklusom limunske kiseline, reakcija piruvat dehidrogenaze mora biti dobro kontrolirana. To se postiže na dva načina. Prvo, enzim, koji je aktiviran od strane nekoliko posrednika glikolize, kompetitivno je inhibiran vlastitim proizvodima, NADH i acetil-CoA. Ceteris paribus, povećanje omjera NADH/NAD + sa 1 na 3 uzrokuje smanjenje brzine reakcije za 90%, a povećanje omjera acetil-CoA/CoA dovodi do kvantitativno sličnog efekta. Efekat se odmah pokazuje. Efekti drugog regulatornog uređaja se javljaju sporije, ali traju duže. Oko pet molekula piruvat dehidrogenaze kinaze povezano je sa jezgrom svakog molekula dihidrolipoiltransacetilaze, koja zbog ATP-a katalizira fosforilaciju serinskog ostatka u a-lancu komponente piruvat dehidrogenaze. Budući da je fosforiliran, enzim nije u stanju da dekarboksilira piruvat.

Kada dođe do oksidacije masnih kiselina, piruvat dehidrogenaza je značajno inhibirana. Očigledno, ovaj fenomen se objašnjava visokim koncentracijama ATP-a, acetil-CoA i NADH koji prate proces oksidacije. Većina tkiva sadrži višak piruvat dehidrogenaze, tako da se nakon hranjenja u jetri, kao iu mišićnom i masnom tkivu životinja u mirovanju, samo 40, 15 i 10% piruvat dehidrogenaze nalazi u aktivnom, nefosforiliranom obliku. . Kada se poveća potreba za ATP, povećavaju se koncentracije NAD+, CoA i ADP zbog upotrebe NADH, acetil-CoA i ATP, a kinaza se inaktivira. Međutim, fosfataza nastavlja funkcionirati reaktivirajući dehidrogenazu. Povećanje Ca 2+ može aktivirati mitohondrijalnu fosfatazu.

Sinteza citrata je korak koji ograničava brzinu ciklusa limunske kiseline. Regulacija ove faze je zbog male, ali značajne inhibicije citrat sintetaze NADH i sukcinil-CoA. Glavni utjecaj na brzinu sinteze citrata ima zaliha supstrata.

Aktivnost izocitrat dehidrogenaze se reguliše u zavisnosti od koncentracija Mg 2+, izocitrata, NAD+, NADH i AMP. Osim mjesta vezanja supstrata za NAD+, izocitrat i Mg2+, enzim također ima pozitivna i negativna efektorska mjesta. Izocitrat je pozitivan efektor; njegovo vezivanje je kooperativno, tj. vezivanje na jednom mjestu olakšava vezivanje na drugim. Oba mjesta vezivanja za AMP stimuliraju aktivnost enzima.

Dakle, enzimska aktivnost je određena omjerima NAD+/NADH i AMP/ATP.

AMP je pozitivan efektor kompleksa α-ketoglutarat dehidrogenaze, koji u tom pogledu podsjeća na izocitrat dehidrogenazu. U rasponu fizioloških koncentracija, i sukcinil-CoA i NADH imaju inhibitorni učinak, a čini se da je koncentracija sukcinil-CoA glavni faktor koji kontrolira brzinu procesa. Sukcinat dehidrogenaza podsjeća na izocitrat dehidrogenazu po tome što supstrat (sukcinat) funkcionira kao pozitivan alosterički efektor. Oksaloacetat je snažan inhibitor, međutim nije jasno da li ova kontrola djeluje u normalnim uvjetima.

U ciklusu limunske kiseline, četiri u vodi rastvorljiva vitamina B obavljaju specifične funkcije. Riboflavin je dio FAD-a, koji je kofaktor kompleksa alfa-ketoglutarat dehidrogenaze i sukcinat dehidrogenaze. Niacin je dio NAD, koji je koenzim tri ciklusa dehidrogenaze: izocitrat dehidrogenaze, alfa-ketoglutorat dehidrogenaze i malat dehidrogenaze. Tiamin (vitamin B 1) je dio tiamin difosfata, koji je koenzim alfa-ketoglutarat dehidrogenaze. Pantotenska kiselina je dio koenzima A, koji je kofaktor koji veže aktivne acilne ostatke.

Makroergijska jedinjenja i makroergijske veze.

U ćelijama, koje se oslobađaju kao rezultat kataboličkih procesa razgradnje nutrijenata, slobodna energija se može koristiti za izvođenje mnogih hemijskih reakcija koje zahtevaju energiju. Skladištenje energije odvija se u obliku energetski bogatih hemijskih veza posebne klase spojeva, od kojih su većina fosforni anhidridi (nukleozid trifosfati).

Postoje visokoenergetski i niskoenergetski fosfati. Uslovna granica za ove dvije grupe spojeva je vrijednost slobodne energije hidrolize fosfatne veze. Stoga, visokoenergetski fosfati imaju energetski bogatu visokoenergetsku (makroergijsku) vezu.

Energija veze se definira kao razlika između slobodne energije spojeva koji sadrže ovu vezu i jedinjenja koja su rezultat njenog pucanja. Makroergijskim (energijskim bogatim) vezama smatraju se one veze, pri čijoj hidrolizi su promjene slobodne energije sistema veće od 21 kJ/mol.

Centralnu ulogu u energetskoj razmjeni ćelija svih tipova ima sistem adenin nukleotida, koji uključuje ATP, ADP i AMP, kao i neorganske jone fosfata i magnezijuma. ATP je termodinamički nestabilna molekula i hidrolizira stvarajući ADP i AMP. Upravo ta nestabilnost omogućava ATP-u da funkcionira kao prijenosnik kemijske energije potrebne za zadovoljavanje većine energetskih potreba stanica. Jedinjenja s vezom bogatom energijom, osim ATP-a, također uključuju UTP, CTP, GTP, TTP, kreatin fosfat, pirofosfat, neke tioetere (na primjer, acetil-CoA), fosfoenolpiruvat, 1,3-bifosfoglicerat i brojne druga jedinjenja.

Tokom hidrolize ATP-a u standardnim uslovima, promena slobodne energije je -30,4 kJ/mol. U fiziološkim uslovima, stvarna slobodna energija hidrolize terminalne fosfatne veze ATP-a biće drugačija i približava se -50,0 kJ/mol.

Postoji nekoliko opcija za oslobađanje energije ATP fosfatnih veza. Glavna opcija je cijepanje terminalnog fosfata ATP-a (ATP + H 2 O ® ADP + H 3 RO 4). Druga opcija je pirofosfatno cijepanje ATP-a (ATP + H20 ® AMP + H 4 P 2 O 7). Ova vrsta reakcije se mnogo rjeđe koristi u biohemijskim procesima.

Akumulacija energije u specifičnim fosfatnim vezama ATP-a je u osnovi mehanizma prijenosa energije u živoj ćeliji. Postoji razlog za vjerovanje da postoje tri glavna tipa prijenosa energije ATP-a u ćeliji:

u energiju hemijskih veza, u toplotnu energiju i energiju koja se troši na obavljanje rada (osmotska, električna, mehanička itd.).

Vitamin PP .

Vitamin PP (nikotinska kiselina, nikotinamid, niacin) naziva se antipelagričnim vitaminom (od italijanskog Preventive pellagra - "sprečavanje pelagre"), jer je njegov nedostatak uzrok bolesti koja se zove pelagra.

Nikotinska kiselina je poznata od davnina, ali ju je tek 1937. godine izolovao K. Elveheim iz ekstrakta jetre i pokazalo se da unošenje nikotinske kiseline (ili njenog amida – nikotinamida) ili preparata jetre onemogućava razvoj ili liječi pelagra.

Nikotinska kiselina je piridinsko jedinjenje koje sadrži karboksilnu grupu (nikotinamid se razlikuje po prisustvu amidne grupe).

Vitamin PP je slabo rastvorljiv u vodi (oko 1%), ali je veoma rastvorljiv u vodenim rastvorima alkalija. Nikotinska kiselina kristališe kao bijele iglice.

Najkarakterističniji znaci pelagre (od italijanskog pelle agra - gruba koža) su lezije kože (dermatitis), gastrointestinalnog trakta (proljev) i poremećaji nervne aktivnosti (demencija).

Dermatitis je najčešće simetričan i zahvaća ona područja kože koja su izložena direktnoj sunčevoj svjetlosti: stražnji dio šaka, vrat, lice; koža postaje crvena, zatim smeđa i hrapava. Intestinalne lezije se izražavaju u razvoju anareksije, mučnine i bolova u abdomenu, dijareje. Proljev dovodi do dehidracije. Sluzokoža debelog crijeva prvo postaje upaljena, a zatim ulcerirana. Specifični za pelagru su stomatitis, gingivitis, lezije jezika sa otokom i pukotinama. Lezije mozga se izražavaju u glavoboljama, vrtoglavicama, razdražljivosti, depresiji i drugim simptomima, uključujući psihoze, psihoneuroze, halucinacije i druge. Simptomi pelagre posebno su izraženi kod pacijenata sa nedovoljnom proteinskom ishranom. Utvrđeno je da je to zbog nedostatka triptofana, koji je prekursor nikotinamida, djelimično sintetiziranog u ljudskim i životinjskim tkivima, kao i zbog nedostatka niza drugih vitamina.

Vitamin PP igra ulogu koenzima u NAD-ovisnim dehidrogenazama (učesnici u tkivnom disanju), metabolizmu ugljikohidrata i aminokiselina, NADP-ovisnim enzimima (pentozni šant i sinteza lipida), HMH-ovisnim enzimima (alkohol dehidrogenaza i jabučni enzim). Ništa manje važna je njegova uloga kao supstrata za poli-ADP-ribozilaciju. Ovaj proces je uključen u umrežavanje hromozomskih prekida i u radu sistema reparaze, a takođe je (u nedostatku NAD) od ključnog značaja u mehanizmu nekrobioze i apoptoze ćelija, posebno onih visoko aerobnih.

Pokazalo se da određeni broj dehidrogenaza koristi samo NAD ili NADP, dok druge mogu katalizirati redoks reakcije u prisustvu bilo koje od njih. U procesu biološke oksidacije, NAD i NADP djeluju kao srednji nosači elektrona i protona između oksidiranog supstrata i flavin enzima.

Glavni izvori nikotinske kiseline i njenog amida su pirinač, hleb, krompir, meso, jetra, bubrezi, šargarepa i druga hrana.

mikrozomalna oksidacija.

monooksigenazne reakcije.

Živi organizmi sadrže grupu brojnih i raznolikih enzima zvanih monooksigenaze. U tipičnom slučaju, jedan atom molekule kiseonika nalazi se u novoj hidroksidnoj grupi supstrata, drugi se redukuje u vodu tokom reakcije. Prema tome, reakcija se mora odvijati uz učešće enzima, supstrata, kiseonika i nekog redukcionog sredstva.

Dopamin-b-monooksigenaza, prisutna u mozgu i hromafinskom tkivu, katalizira hidroksilaciju 3,4-dioksifeniletilamina u norepinefrin.

Fenolne monooksigenaze se nalaze u bakterijama, biljkama, insektima, a takođe i u jetri i koži sisara. Polimerizacija o-kinona, nastala kao rezultat lanca reakcija kataliziranih ovim enzimima, leži u osnovi stvaranja melanina.

reakcije dioksigenaze.

Enzimi koji kataliziraju reakcije u kojima su oba molekularna atoma kisika ugrađena u produkte reakcije nazivaju se diooksigenaze. Trenutno poznati enzimi ove grupe mogu sadržavati hem ili ne-hem željezo kao aktivnu grupu, a neki zahtijevaju α-ketoglutarat za svoje djelovanje.

Gvožđe-a-ketoglutarat dioksigenaze su enzimi zavisni od gvožđa koji katalizuju hidroksilaciju supstrata tokom procesa u kojem a-ketoglutarat podleže oksidativnoj dekarboksilaciji u sukcinat: M + O2 + a-ketoglutarat

M-OH + sukcinat + CO2

Citohromi su enzimi redoks lanca.

Dalji prenos elektrona sa KoQH2 na O2 vrši se citokromskim sistemom. Ovaj sistem se sastoji od niza proteina koji sadrže hem (hemproteina), koje je 1886. otkrio K. McMunn. Svi oni imaju protetsku hem grupu blisku hemu hemoglobina. Citohromi se međusobno razlikuju ne samo po prostetičkoj grupi, već i po proteinskim komponentama. Svi citohromi, posebno u redukovanom obliku, imaju karakteristične apsorpcione spektre, vrednosti redoks potencijala takođe nisu iste.

U široko korištenom mehanizmu hidroksilacije uvođenjem jednog atoma kisika, funkcionalni atom željeza nalazi se u hem grupi citokroma, citokromu P450. Ovi citokromi se nalaze u membranama jetrenog EPS-a, u mitohondrijima korteksa nadbubrežne žlijezde, u bubrežnoj granici četkice i u plazma membranama različitih bakterija. Katalizirana reakcija je ista kao i za sve druge monooksigenaze.

MH + O2 + 2e + 2H + ®MON + H2O

Citokromi P450 iz jetre spadaju među inducibilne enzime; to znači da se količina prisutnog enzima može povećati 25 puta primjenom jednog od mnogih stranih spojeva kao što su fenobarbital ili metilholantren. Citokromi neutraliziraju ksenobiotike, a također ograničavaju vrijeme tokom kojeg neki lijekovi mogu ostati aktivni. Liječenje nekih oblika akutne intoksikacije može se olakšati primjenom induktora, koji je u ovom slučaju općenito bezopasan.

Citohromi P450 korteksa nadbubrežne žlijezde nalaze se u mitohondrijalnoj membrani, gdje dva odvojena enzima kataliziraju, respektivno, cijepanje bočnih lanaca kolesterola do pregnenolona i reakcije hidroksilacije različitih steroida.

Citokrom P450 katalizuje stvaranje hidroksilnih grupa tokom sinteze žučnih kiselina, steroidnih hormona, tokom katabolizma niza supstanci i razmene stranih jedinjenja.

Prvi sistem koji nosi elektrone pronađen u mikrosomima je sistem redukcije citokroma b5 zbog NADH; citokrom b5 reducira NADH-citokrom b5-reduktaza, koja sadrži jedan FAD po molekulu, što čini ciklične prijelaze između potpuno reduciranih i oksidiranih oblika. Citokrom b5 je snažno povezan sa ER svojom ekstenzivnom hidrofobnom regijom. Iako je vanjska površina heme regije citokroma hidrofilna, ona leži u dubokoj hidrofobnoj praznini, s karboksilnim grupama propionske kiseline orijentirane prema van. Redukovani citokrom b5 polako se samooksidira i formira superoksidni anion. Ovaj mehanizam može biti glavni generator superoksida u ćelijama jetre.

Peroksidazni način korištenja kisika.

Molekularni kiseonik je paramagnetičan jer sadrži dva nesparena elektrona sa paralelnim spinovima. Ovi elektroni su na različitim orbitalama jer dva elektrona ne mogu zauzeti istu orbitalu osim ako su njihovi spinovi suprotni. Shodno tome, redukcija kiseonika direktnim uvođenjem para elektrona u njegove delimično popunjene orbitale je nemoguća bez „preokretanja“ spina jednog od dva elektrona. Spin inhibicija redukcije može se prevladati uzastopnim dodavanjem pojedinačnih elektrona. Potpuna redukcija O2 u 2H2O zahtijeva 4 elektrona; u redukciji s jednim elektronom, superoksid, vodikov peroksid i hidroksidni radikal se pojavljuju kao međuproizvodi. Ovi proizvodi su vrlo reaktivni i njihovo prisustvo može predstavljati prijetnju integritetu živih sistema. Zapravo, OH, najmutageniji proizvod jonizujućeg zračenja, izuzetno je moćno oksidaciono sredstvo koje može napasti sva organska jedinjenja. Redukcija kisika jednim elektronom pokreće lanac reakcija koje dovode do stvaranja OH:

i H2O2, koji se takođe javlja prilikom spontane oksidacije hemoglobina, feredoksina, hidrokinona redukovanih citokromom b5, tetrahidropteridina i adrenalina. Prijetnja stanicama koja proizlazi iz reaktivnosti O2 i H2O2 eliminiše se djelovanjem enzima koji efikasno neutraliziraju ova jedinjenja.

Enzimska antioksidativna zaštita.

Superoksid dismutaza kataliziraju reakciju

+ O2+ 2H® H2O2 + O2

Ovi enzimi se nalaze u svim stanicama koje dišu, kao iu raznim fakultativnim anaerobnim bakterijama. Superoksid dismutaze su metaloenzimi. Njihov katalitički ciklus uključuje redukciju i oksidaciju iona metala, kao što su Cu, Mn ili Fe, na aktivnom mjestu.

Aktivnost katalaze uočena je u gotovo svim životinjskim stanicama i organima. Jetra, crvena krvna zrnca i bubrezi su bogati izvori katalaze. Ova aktivnost se također nalazi u svim biljnim materijalima i u većini mikroorganizama osim obveznih anaerobnih. U svakom slučaju, katalaza vjerovatno sprječava nakupljanje štetnog H2O2 koji nastaje tijekom aerobne oksidacije reduciranih flavoproteina i O2

. Jedan molekul katalaze može razgraditi 44.000 molekula H2O2 u sekundi. U stvari, enzim ne zahtijeva gotovo nikakvu aktivacijsku energiju, a brzina reakcije je u potpunosti određena difuzijom. Katalaza reaguje sa H2O2 i formira relativno stabilan kompleks enzim-supstrat.

Iako su peroksidaze relativno rijetke u životinjskim tkivima, slaba aktivnost peroksidaze je pronađena u jetri i bubrezima. Leukociti sadrže verdoperoksidazu, koja je odgovorna za peroksidazno djelovanje gnoja. Fagocitne ćelije sadrže mijeloperoksidazu, koja oksidira ione halogena, kao što je I

ALI OH O

Neenzimska antioksidativna zaštita.

Askorbinska kiselina (vitamin C).

Vitamin C se lako oksidira u dehidroaskorbinsku kiselinu, koja je nestabilna u alkalnoj sredini, u kojoj se laktonski prsten hidrolizira u diketogulonsku kiselinu.

Askorbinska kiselina je neophodna za različite biološke oksidativne procese. Vitamin aktivira oksidaciju n-hidroksifenilpirogrožđane kiseline homogenatima jetre. U prisustvu kiseonika, rastvori koji sadrže fero-ione i askorbat katalizuju hidroksilaciju brojnih jedinjenja. Vitamin je antioksidans, učestvuje u metabolizmu fenilalanina, tirozina, peptidnih hormona, u sintezi masti i proteina, neophodan je za stvaranje kolagena, pomaže u održavanju integriteta vezivnog i osteoidnog tkiva, ima antikancerogeno dejstvo, sprečava stvaranje kancerogenih nitrozamina, učestvuje u distribuciji i akumulaciji gvožđa.

vitamin E.

Vitamin je izolovan iz ulja pšeničnih klica 1936. godine i nazvan je tokoferol. Sedam tokoferola dobijenih iz matičnog jedinjenja tokola nalazi se u prirodnim izvorima; među njima, a-tokoferol ima najveću rasprostranjenost i najveću biološku aktivnost. Tokoferoli su označeni grčkim slovima: alfa, beta, gama i delta.

Vitamin štiti stanične strukture od uništavanja slobodnim radikalima, učestvuje u biosintezi hema, sprečava trombozu, učestvuje u sintezi hormona, podržava imunitet, ima antikancerogeno dejstvo i obezbeđuje normalno funkcionisanje mišića.

Slika 6. Mehanizam djelovanja vitamina.

Tkiva životinja s nedostatkom vitamina E, posebno srčani i skeletni mišići, troše kisik brže od tkiva normalnih životinja. a-tokoferol nije lako podvrgnut reverzibilnoj oksidaciji. Povećana potrošnja kisika u mišićima u nedostatku vitamina očito je povezana s peroksidnom oksidacijom nezasićenih masnih kiselina. U drugim tkivima, kao što je jetra, to dovodi do poremećaja mitohondrijalne strukture i smanjenog disanja. Postoje dokazi da peroksidna oksidacija nezasićenih masnih kiselina u endoplazmatskom retikulumu mišićnih stanica dovodi do oslobađanja lizosomalnih hidrolaza, što rezultira mišićnom distrofijom. Sve manifestacije nedostatka vitamina su sekundarni fenomeni zbog nedostatka inhibicije peroksidne oksidacije polinezasićenih masnih kiselina.

Neplodnost je klasična manifestacija nedostatka vitamina E kod laboratorijskih životinja. Kod muškaraca, najraniji uočljivi znak nedostatka je nepokretnost spermatozoida. Uočava se i niz drugih promjena: degeneracija epitela bubrežnih tubula, depigmentacija prednjih zuba. Druga manifestacija nedostatka vitamina E je hemoliza eritrocita in vitro u prisustvu peroksida ili derivata aloksana. Kod štakora s dugotrajnim nedostatkom vitamina razvija se mišićna distrofija sa simptomima progresivne paralize stražnjih udova, smanjuje se sadržaj kreatina u mišićima, javlja se kreatinurija, a izlučivanje kreatinina blago se smanjuje. Nedostatak vitamina A može se razviti i zbog oksidativne degradacije potonjeg zbog nedostatka vitamina s antioksidativnim svojstvima u ishrani. Simptomi hipervitaminoze su mučnina, vrtoglavica i tahikardija.

Vitamin R.

Vitamin P (rutin, citrin) izolovao je 1936. A. Szent-Györgyi iz limunove kore. Pojam "vitamin P" kombinuje grupu supstanci sa sličnom biološkom aktivnošću: katehini, halkoni, flavini, itd. Svi oni imaju aktivnost P-vitamina i njihova struktura je zasnovana na difenilpropanskom ugljeničnom "kosturu" hromona ili flavona ( zajednički naziv je "bioflavonoidi").

Bioflavonoidi stabilizuju osnovnu supstancu vezivnog tkiva inhibicijom hijaluronidaze, što potvrđuju podaci o pozitivnom dejstvu P-vitaminskih preparata, kao i askorbinske kiseline, na prevenciju i lečenje skorbuta, reume, opekotina i dr. Ovi podaci ukazuju na blisku funkcionalnu vezu između vitamina C i P u oksidativno-oporavačkim procesima organizma.

U slučaju insuficijencije bioflavonoida ili njihovog izostanka u hrani, povećava se propusnost krvnih žila, praćena krvarenjima i krvarenjima, primjećuje se i opšta slabost, umor i bol u udovima.

Glavni izvori vitamina su biljna hrana (posebno povrće i voće), koja sadrži dosta vitamina C. Industrija vitamina proizvodi niz preparata sa P-vitaminskim djelovanjem: katehini čaja, rutin, hesperidin, naringin i drugi.

Zaključak.

Problem koji je istaknut u ovom radu danas je veoma važan dio biohemije, gdje, uprkos postignutom napretku, ostaju mnoga pitanja i praznine.

Poznavanje problema bioorganske hemije neophodno je i važno u praksi svakog lekara, jer aktivan razvoj farmakologije i pojava mnogih novih lekova omogućava, poznavajući biohemiju procesa koji se dešavaju u telu, da utiče na njih i leči mnoge bolesti na ćelijskom nivou, stimulišući energetske procese na nivou mitohondrija.

Svaka iznenadna smrt povezana je s hipoksijom, koja je praćena nakupljanjem velike količine mliječne kiseline u tijelu zbog supresije funkcije šatl mehanizama, a kao rezultat toga nastaje acidoza. Tokom hipoksije, slobodni radikali se stvaraju neograničeno i lipidna peroksidacija se odvija intenzivno, praćena nepovratnim oštećenjem ćelija. Proučavanje kršenja mehanizama biološke oksidacije i metoda korekcije važno je u liječenju patologija kardiovaskularnog i respiratornog sistema, starosnih patologija i upala. Ova saznanja su od posebnog značaja u reanimaciji, tokom anestezije, budući da se nivo mliječne kiseline značajno povećava tokom operacija pod anestezijom, na primjer, ketaminom ili etranom, pod utjecajem narkotičnih supstanci, procesi oksidacije i fosforilacije se nespoje. Zato je toliko važno da imate na raspolaganju najpotpunije znanje i informativne podatke, čija procjena može pružiti maksimalne mogućnosti za predviđanje toka bolesti.

Bibliografija:

1. Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts K., Watson J. Molekularna biologija ćelije: U 3 sveska, 2. izdanje, per. T.1. Per. sa engleskog. - M.: Mir, 1994. - 517 str., ilustr.

2. Byshevsky A.Sh., Tersenov O.A. Biohemija za doktora. Jekaterinburg: Izdavačko-štamparsko preduzeće "Uralski radnik". - 1994 - 384 str.

3. Vinogradov A.D. Mitohondrijska mašina za sintezu ATP-a: petnaest godina kasnije.//Biohemija. - 1999. - T.64. Broj 11 - str.1443-1456

4. Galkin M.A., Syroeshkin A.V. Kinetički mehanizam reakcije sinteze ATP-a katalizirane mitohondrijskom F 0 -F 1 -ATPazom.//Biohemija. - 1999. - T. 64. Broj 10 - str.1393-1403

5. Grinstein B., Grinstein A. Visual biochemistry. - M.: "Medicina" 2000 - str.68-69, 84-85

6. Zaichik A.Sh., Churilov L.P. Osnove opće patologije. Dio 2. Osnove patohemije. - St. Petersburg. – 2000. – 384 str.

7. Kozinec G.I. Fiziološki sistemi čovjeka. - M.: "Triada-X" - 2000. - str.156-164

8. Korovina N.A., Zakharova I.N., Zaplatnikov A.L. Prevencija nedostatka vitamina i mikroelemenata kod dece (referentni vodič za lekare). – Moskva, 2000

9. Lehninger A. Osnove biohemije. - M.: Mir - 1991 - 384 str.

10. Murray R., Grenner D., Meyes P., Rodwell V. Human biochemistry: V2 vol.

11. Nikolaev A.Ya. Biološka hemija. Proc. za med. specijalista. Univerziteti - M .: Viša škola. - 1989 - 495s.

12. Ryabov G.A. Hipoksija kritičnih stanja. – M.: Medicina. - 1992 - 288 str.

13. Samartsev V.N. Masne kiseline kao razdvojioci oksidativne fosforilacije // Biokemija. - 2000 - T.65. Broj 9 - str.1173-1189

14. Skulachev V.P. Kiseonik u živoj ćeliji: dobro i zlo.// Soros Educational Journal. - 1996 - br. 3 - str.4-10

15. Skulachev V.P. Evolucija bioloških mehanizama skladištenja energije.// Soros obrazovni časopis. - 1997 - br. 5 - str.11-19

16. Skulachev V.P. Strategije evolucije i kiseonik.// Priroda. - 1998 - br. 12 - str.11-20

17. Tuteljan V.A., Alekseeva I.A. Antioksidativni vitamini: opskrba stanovništva i značaj u prevenciji kroničnih bolesti.// Klinička farmakologija i terapija. – 1995. - №4 (1) – str.90-95

18. Shilov P.I., Yakovlev T.N. Osnove kliničke vitaminologije. - L.: Medicina - 1989 - 343 str.