Водещата роля на енергията по метаболитния път зависи от процеса, чиято същност е окислителното фосфорилиране. Хранителните вещества се окисляват, за да образуват енергия, която тялото съхранява в митохондриите на клетките като АТФ. Всяка форма на земния живот има свои любими хранителни вещества, но АТФ е универсално съединение и енергията, която произвежда окислителното фосфорилиране, се съхранява, за да се използва за метаболитни процеси.

Бактерии

Преди повече от три и половина милиарда години на нашата планета се появиха първите живи организми. Животът възниква на Земята поради факта, че бактериите, които се появиха - прокариотни организми (без ядро), бяха разделени на два типа според принципа на дишането и храненето. Чрез дишане - към аеробни и анаеробни, и чрез хранене - към хетеротрофни и автотрофни прокариоти. Това напомняне едва ли ще бъде излишно, тъй като окислителното фосфорилиране не може да се обясни без основни понятия.

И така, прокариотите по отношение на кислорода (физиологична класификация) са разделени на аеробни микроорганизми, които са безразлични към свободния кислород, и аеробни, чиято жизнена активност зависи изцяло от неговото присъствие. Те осъществяват окислително фосфорилиране, като са в среда, наситена със свободен кислород. Това е най -разпространеният метаболитен път с висока енергийна ефективност в сравнение с анаеробната ферментация.

Митохондрии

Друга основна концепция: Това е енергийната батерия на клетката. Митохондриите се намират в цитоплазмата и има невероятно много от тях - в мускулите на човек или в черния му дроб, например, клетките съдържат до една и половина хиляди митохондрии (точно там, където се осъществява най -интензивният метаболизъм). И когато в "ръчната работа" на митохондриите настъпи окислително фосфорилиране, те също съхраняват и разпределят енергия.

Митохондриите дори не зависят от клетъчното делене, те са много подвижни, движат се свободно в цитоплазмата, когато имат нужда от това. Те имат собствена ДНК и затова се раждат и умират сами. Независимо от това животът на клетката зависи изцяло и изцяло от тях, без митохондриите тя не функционира, тоест животът е наистина невъзможен. Мазнините, въглехидратите, протеините се окисляват, което води до образуването на атоми и електрони на еквиваленти на редукция на водород, които следват по -нататък по дихателната верига. Ето как се случва окислителното фосфорилиране, механизмът му изглежда прост.

Не е толкова лесно

Енергията, произведена от митохондриите, се преобразува в друга, която е енергията на електрохимичния градиент, особено за протоните, които се намират на вътрешната мембрана на митохондриите. Именно тази енергия е необходима за синтеза на АТФ. И точно това е окислителното фосфорилиране. Биохимията е сравнително млада наука, едва в средата на деветнадесети век в клетките са открити митохондриални гранули, а процесът на получаване на енергия е описан много по -късно. Беше проследено как триозите, образувани от гликолизата (и най -важното, пировиновата киселина), предизвикват по -нататъшно окисляване в митохондриите.

Триозите използват енергията на разцепване, от която се отделя CO2, консумира се кислород и се синтезира огромно количество АТФ (аденозин трифосфорна киселина и какво е това - хората, които обичат културизма, знаят особено добре). Всички горепосочени процеси са тясно свързани с окислителните цикли, както и с дихателната верига, която носи електрони. Така в клетките настъпва окислително фосфорилиране, синтезиращо за тях "гориво" - молекули АТФ.

Окислителни цикли и дихателна верига

В окислителния цикъл трикарбоксилните киселини освобождават електрони, които започват своето пътуване по електронната транспортна верига: първо към молекулите на коензимите, тук NAD е основното (никотинамид аденин динуклеотид), а след това електроните се прехвърлят към ETC (електротранспортна верига ), докато се комбинират с молекулен кислород и не образуват водна молекула. Окислителното фосфорилиране, чийто механизъм е описан накратко по -горе, се прехвърля на друго място на действие. Това са протеинови комплекси, вградени във вътрешната мембрана на митохондриите.

Именно тук настъпва кулминацията - преобразуването на енергията чрез последователността на окисляване и редукция на елементите. Има три основни точки на интерес във веригата на електротранспорта, където се случва окислително фосфорилиране. Биохимията разглежда този процес много задълбочено и внимателно. Може би някой ден оттук ще се роди нов лек за стареене. И така, в три точки на тази верига, АТФ се образува от фосфат и ADP (аденозин дифосфат - който се състои от рибоза, аденин и две порции фосфорна киселина). Ето защо процесът получи своето име.

Клетъчно дишане

Клетъчното (иначе тъканно) дишане и окислителното фосфорилиране са етапи на един и същ процес в съвкупност. Въздухът се използва във всяка клетка от тъкани и органи, където продуктите на разграждане (мазнини, въглехидрати, протеини) се разграждат и по време на тази реакция се образува енергия, съхранявана под формата на нормално белодробно дишане, различаваща се от тъканното дишане по този кислород влиза в тялото и въглеродният диоксид се отстранява от него ...

Тялото е винаги активно, енергията му се изразходва за движение и растеж, за самовъзпроизвеждане, за раздразнителност и за много други процеси. Именно за това в митохондриите се случва окислително фосфорилиране. могат да бъдат разделени на три нива: окислително образуване на АТФ от пировиновата киселина, както и аминокиселини и мастни киселини; ацетилните остатъци се разрушават от трикарбоксилни киселини, след което се отделят две молекули въглероден диоксид и четири двойки водородни атоми; електроните и протоните се прехвърлят в молекулен кислород.

Допълнителни механизми

Дишането на клетъчно ниво осигурява образуването и попълването на ADP директно в клетките. Въпреки че тялото може да се попълни по друг начин. За това съществуват допълнителни механизми и, ако е необходимо, са включени, макар и не толкова ефективни.

Това са системи, в които настъпва аноксично разграждане на въглехидратите - гликогенолиза и гликолиза. Това вече не е окислително фосфорилиране, реакциите са малко по -различни. Но клетъчното дишане не може да спре, тъй като в неговия процес се образуват много необходими молекули на най -важните съединения, които се използват за различни биосинтези.

Форми на енергия

Когато електроните се прехвърлят в митохондриалната мембрана, където настъпва окислително фосфорилиране, дихателната верига от всеки от нейните комплекси насочва освободената енергия за преместване на протони през мембраната, тоест от матрицата в пространството между мембраните. Тогава се образува потенциална разлика. Протоните са положително заредени и се намират в междумембранното пространство, докато отрицателно заредените действат от митохондриалната матрица.

Когато се достигне определена потенциална разлика, протеиновият комплекс връща протоните обратно в матрицата, превръщайки получената енергия в напълно различна, където окислителните процеси са съчетани със синтетично фосфорилиране на АДФ. През цялото време на окисляване на субстратите и изпомпване на протони през митохондриалната мембрана синтезът на АТФ не спира, тоест окислително фосфорилиране.

Два вида

Окислителното и субстратното фосфорилиране са коренно различни един от друг. Според съвременните представи най -древните форми на живот са били в състояние да използват само реакциите на субстратно фосфорилиране. За това съществуващите във външната среда органични съединения бяха използвани по два канала - като източник на енергия и като източник на въглерод. Такива съединения в околната среда обаче постепенно изсъхват и вече появилите се организми започват да се адаптират, да търсят нови източници на енергия и нови източници на въглерод.

Така те се научиха да използват енергията на светлината и въглеродния диоксид. Но докато това не се случи, организмите освобождават енергия от окислителните процеси на ферментация и също я съхраняват в молекулите на АТФ. Това се нарича субстратно фосфорилиране, когато се използва метод за катализиране с разтворими ензими. Ферментиращият субстрат образува редуциращ агент, който прехвърля електрони до желания ендогенен акцептор - ацетон, ацеталхид, пируват и други подобни, или се отделя Н2 -водороден газ.

Сравнителни характеристики

В сравнение с ферментацията, окислителното фосфорилиране има много по -висок енергиен добив. Гликолизата дава общ добив на АТФ в две молекули и в хода на процеса се синтезира от тридесет до тридесет и шест. Има движение на електрони до акцепторни съединения от донорни съединения посредством окислителни и редукционни реакции, които образуват енергия, съхранявана като АТФ.

Еукариотите осъществяват тези реакции с комплекси протеини, които са локализирани вътре в митохондриалната мембрана на клетката, а прокариотите работят отвън - в нейното междумембранно пространство. Именно този комплекс от свързани протеини съставлява ETC (електронна транспортна верига). Еукариотите имат само пет протеинови комплекси в състава си, докато прокариотите имат много и всички те работят с различни донори на електрони и техните акцептори.

Свързва се и се прекъсва

Процесът на окисляване създава електрохимичен потенциал и с процеса на фосфорилиране този потенциал се използва. Това означава, че се осигурява конюгиране, в противен случай - свързването на фосфорилирането и окислителните процеси. Оттук и името - окислително фосфорилиране. Електрохимичният потенциал, необходим за конюгиране, се създава от три комплекса от дихателната верига - първи, трети и четвърти, които се наричат ​​конюгационни точки.

Ако вътрешната мембрана на митохондрията е повредена или нейната пропускливост се увеличи от активността на разединителите, това със сигурност ще доведе до изчезване или намаляване на електрохимичния потенциал, последвано от разделяне на процесите на фосфорилиране и окисляване, тоест прекратяване на Синтез на АТФ. Това е явлението, когато електрохимичният потенциал изчезне, се нарича отделяне на фосфорилирането и дишането.

Разединители

Състоянието, когато окисляването на субстратите продължава, но не настъпва фосфорилиране (т.е. АТФ не се образува от Р и АДФ), е разединяването на фосфорилирането и окисляването. Това се случва, когато разклонителите пречат на процеса. Какви са те и към какви резултати се стремят? Да предположим, че синтезът на АТФ е силно намален, тоест той се синтезира в по -малко количество и дихателната верига функционира едновременно. Какво се случва с енергията? Изпъква като топлина. Всеки чувства това по време на заболяване с температура.

Да се ​​получи температурата? Това означава, че разединителите са работили. Например, антибиотици. Това са слаби киселини, които се разтварят в мазнините. Прониквайки в междумембранното пространство на клетката, те дифундират в матрицата, изтегляйки свързаните протони заедно със себе си. Например, хормоните, секретирани от щитовидната жлеза, които съдържат йод (трийодтиронин и тироксин), имат разцепващ ефект. Ако щитовидната жлеза е хиперфункционална, състоянието на пациентите е ужасно: липсва им АТФ енергия, те консумират много храна, тъй като тялото се нуждае от много субстрати за окисляване, но те губят тегло, тъй като по -голямата част от получената енергия се губи в формата на топлина.

Окислително фосфорилиране -това е основният път за синтеза на АТФ, поради енергията на окисляване на субстрата с кислород. Процесът на окислително фосфорилиране се осъществява в митохондриите. С право се наричат ​​митохондрии "Електроцентрали"клетки, тъй като улавят енергията на външни ресурси и я трансформират в други форми на енергия. Процесът на окислително фосфорилиране може условно да бъде разделен на 4 етапа.

1. Окисляване на енергийни субстрати в митохондриалната матрица.

2. Окисление на NADH и FADH 2 в митохондриалната дихателна верига.

З. Генериране на протонния потенциал ΔμH + поради енергията на окисляване на енергийните субстрати.

4. Синтез на АТФ поради енергията на протонния потенциал.

Окисляване на енергийни субстрати

В реакцията на дехидрогениране под действието на NAD + - и FAD -зависими дехидрогенази (DH) два водородни атома се отделят от енергийните субстрати. Ензимите са локализирани в митохондриалната матрица, с изключение на FAD-зависимата сукцинат дехидрогеназа, която е локализирана на повърхността на вътрешната митохондриална мембрана.

Пиридин-зависими дехидрогенази

PVC ацетил - CoA

DG изоцитрат α-KT
α-KT AH 2 A Сукцинил-S-CoA

Malat OAA

β-хидроксиацил-CoA NAD + NADH + H + β-кетоацил-CoA

Флавин-зависими дехидрогенази

Сукцинирайте DG Fumarate

Acyl-CoA AN 2 A Acylenoyl-CoA

FAD FADN 2

В редуцираните коензими 2ē са по -високи енергийно ниво, това са електрони с висока енергия.

NADH + H + ↔ 2H ↔ 2H + + 2ē

По този начин химическата енергия на субстратите (AN 2) се трансформира в енергията на електроните на водородните атоми (електрическа енергия).

Кофакторите на дехидрогеназите (NADH + H + - и FADH 2 -зависими) са носители на два водородни атома към друга ензимна система, а именно към дихателната верижна система.

2. Окисление на NADH + H + и FADN 2 в митохондриалната дихателна верига (CPE).

Окисляването на NADH + H + и FADH 2 се извършва с участието на редокс ензими на митохондриите в съответствие с реакцията

NADH + H + + 1/2 O 2→НАД + + H 2 O

Промяната в свободната енергия на този процес е: ΔG ° = -220 kJ / mol

(ΔG ° = - 52,6 kcal / mol).

Същността на окисляването е v последователно прехвърляне на електрони от NADH + H +и FADN 2 включен кислород с помощта на специални носители в електронно -транспортната верига.

Електронни носители във веригата за електронен транспорт

Редоксните носители са локализирани на повърхността или вградени във вътрешната митохондриална мембрана. Мярка за афинитета на редокс двойка към електроните е редокс потенциал E около,чиято стойност определя посоката на прехвърляне на електрони.

Видове вектори

FMN + 2H + + 2ē ↔ FMNN 2

Центрове за желязо-сяра

Това са протеинови не-хем железосъдържащи електронни носители. Има няколко вида центрове желязо -сяра: Fe -S, Fe 2 -S 2, Fe 4 -S 4. Железните атоми на комплексите могат да дават и получават електрони, като последователно преминават във феро- (Fe 2+)- и фери- (Fe 3+) - държави. Всички железо-серни центрове даряват електрони на убихинон.

Fe 3+ -S+ 2ē ↔ Fe 2+ -S

Убихинон, коензим-Q (KoQ)- единственият не-протеинов носител на електрони.

KoQ (хинон) KoQ (полухинон) KoQH 2 (хидрохинон)

Когато се намали, убихинонът придобива не само електрони, но и протони. С редукция с един електрон се превръща в семихинон, органичен свободен радикал. E около = + 0,01

Цитохроми- протеинови носители на електрони, като протезна група, съдържаща хемово желязо. Функционирането на цитохромите се основава на промяна в окислителното състояние на железния атом Fe 3++ ē ↔ Fe 2+. Различните цитохроми са обозначени с буквени индекси: b, c 1, c, a, a 3.Цитохромите се различават по структурата на протеиновата част и страничните вериги на хема, в това отношение те също имат различни стойности на редокс потенциали (редокс потенциали). Цитохром "b" E o= +0,08, "c i" E o = +0,22, "c" E o = +0,25,« аа з» E o = +0,29.Отличителна черта цитохром с е, че тя е слабо свързана с външната повърхност на вътрешната митохондриална мембрана и лесно я напуска.

Всички тези електронни носители могат да бъдат групирани в четири ензимни комплекса, структурирани във вътрешната митохондриална мембрана, които са ензимен ансамбъл, наречен „дихателни ензими“, „цитохромна система“, „CPE“ (електронна транспортна верига).

Комплекс I. -NADH-дехидрогеназа (NADH-CoQ-редуктаза). Протезни групи - FMN, FeS. Електронен акцептор - KoQ.

Комплекс III - KoQH 2 -дехидрогеназа (KoQH 2-цит.c-редуктаза).Протезни групи: FeS, цитохроми b 1, b 2, c 1.Електронен акцептор - цитохром - c.

Комплекс IV - цитохром оксидаза.Протезни групи: цитохроми aa s, Cu 2+.Електронен акцептор - кислород.

Комплекс II-сукцинат дехидрогеназа (сукцинат-CoQ-редуктаза).Протезни групи FAD, FeS. Електронен акцептор - KoQ.

Електроните се транспортират между комплексите с помощта на мобилни носители - убихинони цитохром-c.

Редоксните носители в CPE са подредени в ред на увеличаване на стандартните окислителни потенциали, което осигурява спонтанен транспорт на два електрона по дихателната верига от NADH + H + до кислорода, крайния електронен акцептор. Прехвърлянето на два електрона по протежение на CPE е полезна работа и е придружено от постепенно освобождаване на свободна енергия на Гибс (ΔG), която след това се използва при синтеза на АТФ. Постепенното освобождаване на енергия води до факта, че електроните, които редуциращият кислород са на по -ниско енергийно ниво в сравнение с електроните, разположени в редуцирания NADH + H + в началото на веригата.

З. Генериране на протонния потенциал ΔμH +

Как се извършва конюгирането на транспорта на електрони по дихателната верига с трансформацията на освободената електрическа енергия в енергията на химическите връзки на АТФ? На този въпрос през 1961 г. отговаря английският учен Питър Мичъл. Неговата концепция беше, че движещата сила зад синтеза на АТФ е електрохимичен потенциал, протонен потенциал - ΔμH +. ΔμH +. = Δ pH + Δ φ

рН е градиентът на протоните, Δφ е разликата в електрическия потенциал. През 1978г

Награден е П. Мичъл Нобелова наградаи химиосмотичната теория стана общоприета.

Според теорията на П. Мичъл, енергията, отделяна на етапи по време на транспорта на електрони по дихателната верига, се използва за изпомпване на протони от митохондриалната матрица в междумембранното пространство. Транспортирането на 2Н + от митохондриалната матрица до междумембранното пространство създава градиент на концентрацията на протони - ΔpH и води до появата на отрицателен заряд на мембранната повърхност от страната на матрицата и положителен заряд от междумембранното пространство, като по този начин се създава електрическа потенциална разлика - Δφ. Източникът на протони в митохондриалната матрица е NADH + H +, FADH 2, вода. Възможността за генериране на протонен потенциал се осигурява от:

1) непроницаемостта на вътрешната митохондриална мембрана за йони като цяло и особено за протони.

2) отделен транспорт на протони и електрони по дихателната верига. Това се осигурява от наличието на носители от 2 типа: само за електрони и електрони и протони едновременно.

4. Синтез на АТФ поради протонния потенциал

Ензимната система Н +-АТФ-синтазен комплекс, АТФ-синтаза, АТФ-аза катализира реакцията на фосфорилиране на АДФ от неорганичен фосфат поради енергията, която се натрупва в електрохимичния потенциал.

Протонната АТФ синтаза се състои от 2 подкомплекса: F 1 и F o. F 1 - субединицата е представена от 5 вида полипептидни вериги и е отговорна за синтеза и хидролизата на АТФ. Той има формата на гъбена шапка, изпъкнала в митохондриалната матрица и е свързана с мембранната протеинова субединица F о. F o е хидрофобен сегмент от 4 полипептидни вериги, който прониква в цялата митохондриална мембрана и образува протонен канал в ензимния комплекс. Чрез протонните канали на АТФ синтазата се получава връщане на протоните обратно в митохондриалната матрица. Има предположение, че преминаването на протони е придружено от конформационни промени в активните центрове на АТФ синтаза, което стимулира синтеза на АТФ.

В съответствие с механизма на конюгиране на окислителното фосфорилиране, предложен от Мичъл, прехвърлянето на два протона през протонен канал на АТФ синтаза е придружено от синтеза на една молекула АТФ.

Окислителни реакции , катализирани от пиридин-зависими дехидрогенази, те са конюгирани с I-комплекса на CPE, следователно, освободената на етапи енергия осигурява транслокацията на три протонни двойки в междумембранното пространство и следователно синтеза на 3 молекули АТФ .

Окислителните реакции, катализирани от флавин-зависими дехидрогенази, се свързват с III-тия CPE комплекс и само две двойки протони се прехвърлят в междумембранното пространство, следователно се синтезира 2 АТФ .

Реакцията на окисление на аскорбиновата киселина е конюгирана на нивото на полухинон, следователно само една двойка протони се премества и се синтезира само 1 молекула АТФ.

Фигура 6-2. Схема на дихателната верига

Окислителното фосфорилиране е един от най -важните компоненти на клетъчното дишане, което води до производството на енергия под формата на АТФ.Субстратите на окислителното фосфорилиране са продукти от разграждането на органични съединения - протеини, мазнини и въглехидрати. Процесът на окислително фосфорилиране протича върху митохондриалните кристи.

Най -често като субстрат се използват въглехидратите, така че мозъчните клетки не могат да използват никакъв друг субстрат за хранене, освен въглехидратите.

Предварително сложните въглехидрати се разграждат до прости, до образуването на глюкоза. Глюкозата е универсален субстрат в процеса на клетъчно дишане. Окисляването на глюкозата е разделено на 3 етапа:

Гликолиза

Окислително декарбоксилиране и цикъл на Кребс

Окислително фосфорилиране.

Освен това гликолизата е често срещана фаза за аеробно и анаеробно дишане.

За синтеза на 1 молекула АТФ са необходими 3 протона

При животни, растения и гъби окислително фосфорилиране се среща в специализирани субклетъчни структури, митохондрии.

46. ​​Биохимични механизми на отделяне на окислението и фосфорилирането, фактори, които ги причиняват
Отделяне на дишането и фосфорилирането

Някои химикали (протонофори) могат да прехвърлят протони или други йони (йонофори) от междумембранното пространство през мембраната към матрицата, заобикаляйки протоновите канали на АТФ синтазата. В резултат на това електрохимичният потенциал изчезва и синтезът на АТФ спира. Това явление се нарича дисоциация на дишането и фосфорилиране. В резултат на отделянето количеството на АТФ намалява, а АДФ се увеличава. В този случай скоростта на окисляване на NADH и FADH2 се увеличава, количеството на абсорбирания кислород също се увеличава, но енергията се отделя под формата на топлина и съотношението Р / О рязко намалява. По правило разединителите са липофилни вещества, които лесно преминават през липидния слой на мембраната. Едно от тези вещества е 2,4-динитрофенол (фиг. 6-17), който лесно преминава от йонизираната форма към нейонизираната, като прикрепя протон в междумембранното пространство и го пренася в матрицата.

Примери за разединители могат да бъдат и някои лекарства, като дикумарол - антикоагулант (вж. Точка 14) или метаболити, които се образуват в организма, билирубин - продукт на катаболизъм (вж. Раздел 13), тироксин - хормон на щитовидната жлеза (виж раздел 11 ). Всички тези вещества проявяват разцепващ ефект само при високата им концентрация.

Изключването на фосфорилирането при изчерпване на ADP или неорганичен фосфат е придружено от инхибиране на дишането (ефектът от дихателния контрол). Голямо числоувреждането на митохондриалните мембранни въздействия нарушава свързването между окислението и фосфорилирането, което позволява прехвърлянето на електрони да продължи дори при липса на синтез на АТФ (ефект на отделяне)

1. Обща продукция:

За синтеза на 1 молекула АТФ са необходими 3 протона.

2. Инхибитори на окислителното фосфорилиране:

Инхибитори блок V комплекс:

Олигомицин - блокира протоновите канали на АТФ синтазата.

Атрактилозид, циклофилин - блокови транслокази.

3. Разделители на окислително фосфорилиране:

Разделителите са липофилни вещества, които са способни да приемат протони и да ги транспортират през вътрешната митохондриална мембрана, заобикаляйки V комплекса (неговия протонен канал). Разединители:

Естествени - продукти от липидна пероксидация, дълговерижни мастни киселини; големи дози хормони на щитовидната жлеза.

Изкуствен - динитрофенол, етер, производни на витамин К, анестетици.

47. Механизми на образуване на свободни радикали. Антиоксидантни системи в клетките

Свободни радикалив химията, частици (обикновено нестабилни), съдържащи един или повече несдвоени електрони на външната електронна обвивка. Според друго определение, свободният радикал е вид молекула или атом, способен на независимо съществуване (тоест притежаващ относителна стабилност) и притежаващ един или два несдвоени електрона. Неспарен електрон заема само атомна или молекулна орбитала. По правило радикалите имат парамагнитни свойства, тъй като наличието на несдвоени електрони предизвиква взаимодействие с магнитно поле. В допълнение, наличието на недвоен електрон може значително да повиши реактивността, въпреки че това свойство на радикалите варира в широки граници.

Образование

В резултат на това може да се образува радикал загуби

или в получаванеедин електрон от нерадикална молекула:

Повечето радикали се образуват по време на химични реакции по време на хомолитична дисоциация на връзките. Те незабавно претърпяват допълнителни трансформации в по -стабилни частици:

Зараждането на радикална верига може да бъде инициирано от действието на тежки условия върху веществото ( високи температури, електромагнитно излъчване, радиация). Много пероксидни съединения също са добри свободни радикали.

Антиоксиданти(антиоксиданти, консерванти) - инхибитори на окисляването, естествени или синтетични вещества, способни да забавят окисляването (разглежда се главно в контекста на окисляването на органични съединения).

Основният вътрешен източник на опасност за клетъчната хомеостаза на анаеробните организми са междинните продукти, участващи в преноса на кислород и продуктите, образувани в резултат на кислородния метаболизъм. В хода на еволюцията анаеробните организми са разработили добре регулирани механизми за неутрализиране на окислителните ефекти на кислорода и неговите активни метаболити. Тези самоподдържащи се защитни компоненти се наричат ​​„антиоксидантни защитни системи“.

Механизми на действие

Окисляването на въглеводороди, алкохоли, киселини, мазнини и други вещества със свободен кислород е верижен процес. Верижните реакции на трансформации се извършват с участието на активни свободни радикали - пероксид (RO 2 *), алкокси (RO *), алкил (R *), както и реактивни кислородни форми (супероксиден анион, синглетен кислород). Реакциите на окисление с разклонена верига се характеризират с увеличаване на скоростта по време на трансформацията (автокатализа). Това се дължи на образуването на свободни радикали по време на разлагането на междинни продукти - хидропероксиди и др.

Механизмът на действие на най-често срещаните антиоксиданти (ароматни амини, феноли, нафтоли и др.) Се състои в прекъсване на реакционните вериги: антиоксидантните молекули взаимодействат с активните радикали, за да образуват ниско активни радикали. Окисляването също се забавя в присъствието на вещества, които разрушават хидропероксидите (диалкил сулфиди и др.). В този случай скоростта на образуване на свободни радикали намалява. Дори в малко количество (0,01-0,001%) антиоксидантите намаляват скоростта на окисляване, поради което за определен период от време (период на инхибиране, индукция) продуктите на окисляване не се откриват. В практиката на инхибиране на окислителните процеси явлението синергизъм е от голямо значение - взаимното повишаване на ефективността на антиоксидантите в смес или в присъствието на други вещества.

Оксидазен начин за използване на кислород в клетката

Причини и последствия от увреждане на митохондриите

Метаболитни и хомеостатични функции на митохондриите

Локализация на митохондриални ензими

1). Външна мембрана съдържа: а). елонгази, ензими, които разширяват молекулите на наситените мастни киселини; б). кинуренин хидроксилаза; v). моноаминооксидаза (маркер) и др.

2). Междумембранно пространство съдържа: а). аденилат циклаза; б). нуклеозид дифосфат киназа.

3). Вътрешна мембрана съдържа: а). ензими от окислителната верига на фосфорилиране, от които цитохром оксидазата е маркер; б). ЦУР в). β-хидроксибутират DH; Ж). карнитин ацилтрансфераза.

4). Матрица съдържа: а). ензими на ТСА; б). β-окислителни ензими на мастни киселини; v). аминотрансфераза AST, ALT; Ж). глутамат DG e). фосфоенолпируват карбоксилаза д). пируват DH.

Клетката съдържа от стотици до хиляди митохондрии, размерът им е 2-3 микрона на дължина и 1 микрон на ширина.

В митохондриите има: синтез на АТФ и производство на топлина в реакцията на окислително фосфорилиране; β-окисляване на мастни киселини; реакции на CTK, някои реакции на глюконеогенеза, трансаминиране, дезаминиране, липогенеза и синтез на хем протичат чрез CTK, осъществява се интеграция на протеиновия, липидния и въглехидратния метаболизъм.

Увреждането на вътрешната митохондриална мембрана от химични и физични фактори води до нарушаване на процеса на синтез на АТФ, инхибиране на анаболните реакции, междумембранния транспорт и всички видове метаболизъм.

- окислително фосфорилиране

Оксидазният начин на използване на кислород се състои от процесите на окисляване и фосфорилиране, които са конюгирани помежду си. Той включва около 40 различни протеини. Оксидазният път консумира 90% О 2 и е основният източник на АТФ в аеробните клетки.

Окислително фосфорилиране наречен синтез на АТФ от ADP и H 3 PO 4 поради енергията на електронен трансфер по протежение на CPE. По време на окисляването се отделя 220 kJ / mol свободна енергия. Синтезът на 3 АТФ се изразходва: 30,5 * 3 = 91,5 kJ / mol. Той се отделя под формата на топлина: 220-91,5 = 128,5 kJ / mol. Ефективност = 40%. НАД 2 + ½O 2 → НАД + + H 2 O + 220 kJ / mol ADP + H 3 PO 4 + 30,5 kJ / mol = ATP + H 2 O 1). Окислителна верига (дихателна верига) се състои от 4 протеинови комплекси, които са включени по определен начин във вътрешната мембрана на митохондриите и малки подвижни молекули убихинон и цитохром С, които циркулират в липидния слой на мембраната между протеиновите комплекси. Комплекс I - NADH 2 дехидрогеназен комплекс– най -големият от дихателните ензимни комплекси - има молекулно тегло над 800 KDa, състои се от повече от 22 полипептидни вериги, съдържа FMN и 5 железно -серни (Fe 2 S 2 и Fe 4 S 4) протеини като коензими. Комплекс II - ЦУР ... Съдържа FAD и желязо-сярен протеин като коензими. Комплекс III - Комплекс b -c 1 (ензим QH 2 DH) , има молекулно тегло 500 kDa, състои се от 8 полипептидни вериги и вероятно съществува като димер. Всеки мономер съдържа 3 хема, свързани с цитохроми b 562, b 566, c 1 и протеин от желязо-сяра. Комплекс IV - Цитохром оксидазен комплекс има молекулно тегло 300 kDa, състои се от 8 полипептидни вериги, съществува под формата на димер. Всеки мономер съдържа 2 цитохрома (а и а 3) и 2 медни атома. Коензим Q (убихинон). Липид, радикалът на който при бозайниците се образува от 10 изопреноидни единици (Q 10). Убихинонът прехвърля 2Н + и 2е - всеки. убихинон, семихинон, хидрохинон Цитохром c... Периферният водоразтворим мембранен протеин с маса 12,5 kDa, съдържа 1 полипептидна верига от 100 АА и молекула хем. Молекулните съотношения между компонентите на дихателната верига се различават по различни материи... Например, в миокарда има 3 молекули на 1 молекула NADH 2 дехидрогеназен комплекс сложен b-c 1, 7 молекули от комплекса цитохром оксидаза, 9 молекули цитохром С и 50 молекули убихинон. 2). Фосфорилиране осъществявано от АТФ -синтетаза (Н + -АТФ -аза) -интегрален протеин на вътрешната митохондриална мембрана. АТФ синтазата се състои от 2 протеинови комплекса, обозначени като F 0 и F 1. Хидрофобният комплекс F 0 е потопен в мембрана.

Живите организми са в постоянна и неразривна връзка с заобикаляща среда... Тази връзка се осъществява в процеса на метаболизма. Метаболизмът се състои от 3 етапа: прием на вещества в организма, метаболизъм и отделяне на крайните продукти от тялото.

Приемът на вещества в организма възниква в резултат на дишането (кислород) и храненето. Източникът на енергия за човек е разпадането на органични вещества в храната. Предимно протеини, полизахариди, мазнини идват с хранителни вещества, които се разграждат на по -малки молекули (глюкоза, аминокиселини, мастни киселини, глицерол) по време на храносмилането. В клетките тези вещества претърпяват трансформации, включително в метаболизъм(метаболизъм). Те могат да се използват за синтезиране на по -сложни молекули ( анаболизъм) или се разпадат до крайни продукти в процесите катаболизъм.

Катаболизъм- процесът на разграждане на органичните молекули до крайни продукти. Крайните продукти от трансформациите на органични вещества при животни и хора са CO 2, H 2 O и карбамид. Процесите на катаболизъм включват метаболити, образувани както по време на храносмилането, така и по време на разграждането на структурни и функционални компоненти на клетките.

Анаболизъмсъчетава биосинтетични процеси, при които прости градивни елементи се комбинират в сложни макромолекули, необходими за организма. Анаболните реакции използват енергията, отделена по време на катаболизма.

Биологично окисляване

Разграждането на веществата в тъканите е придружено от консумация на кислород и отделяне на CO 2. В същото време се освобождава енергията, необходима за функционирането на клетките. Вдишаният кислород се използва за синтез на метаболитна вода с участието на водород от окисляеми субстрати в процеса тъканно дишане.

SH 2 + ½ O 2 S + H 2 O + енергия

Например, окисляването на 1 mol глюкоза става с освобождаването на 2780 kJ енергия. Енергията на окисляващите вещества се използва от клетките за синтезиране на АТФ от АДФ. Фосфорилирането на ADP в клетките става чрез добавяне на Н3РО4. Реакцията идва с разход на енергия.

ATF- молекула, богата на енергия, тъй като съдържа две високоенергийни връзки. Някои биосинтетични реакции в организма могат да възникнат с участието на други нуклеозидни трифосфати, аналози на АТФ; те включват GTP, UTP и CTP. Всички тези нуклеотиди от своя страна се образуват чрез използване на свободната енергия на крайната фосфатна група на АТФ. И накрая, поради безплатната енергия на АТФ, се извършват различни видове работа, които стоят в основата на жизнената дейност на тялото, например мускулна контракция или активен транспорт на вещества.

Когато АТФ се използва като енергиен източник, най-често се случва хидролиза само на една високоенергийна връзка, докато се отделят около 50 kJ / mol енергия и отново се образува ADP. Съдържанието на АТФ в човешкото тяло е малко и е около 50 g, като се има предвид, че клетките не са в състояние да натрупват АТФ, а консумацията на енергия се случва постоянно, тялото също така непрекъснато синтезира АТФ от АДФ и неорганичен фосфат H 3 PO 4. В човешкото тяло на ден могат да се синтезират до 60 кг АТФ.

В зависимост от енергийния източник, осигуряващ прикрепването на фосфатния остатък, се разграничават два вида ADP фосфорилиране: окислително и субстратно.

Субстратно фосфорилиране на ADPидва за сметка на енергията на високоенергийните връзки на съединения (1,3-бисфосфоглицерат и фосфоенолпируват, сукцинил-КоА). Този процес може да възникне както в митохондриалния матрикс, така и в цитоплазмата на клетките, независимо от наличието на кислород.

Окислително фосфорилиране на ADP- превръщането на АДФ в АТФ става, като се използва енергията на електронен трансфер от органични вещества в кислород. Енергията за окислително фосфорилиране се доставя от ORP. Процесът може да се осъществи само при аеробни условия с участието на ензими от електронната транспортна верига (CPE) и АТФ синтаза.

Окислителното фосфорилиране на АДФ е основният механизъм на синтеза на АТФ в организма. Той се среща в митохондриите, които са основните доставчици на АТФ и могат да се считат за „електроцентрали“ на клетката.

Митохондриалните мембрани се различават значително по състав и функция. Външната мембрана е свободно пропусклива за много малки молекули до 5000 kDa. Пропускливостта на вътрешната мембрана е ограничена и се определя от наличието на протеини -носители. Вътрешната митохондриална мембрана е богата на протеини (80%). Той включва всички ензимни комплекси и компоненти на CPE, който е отговорен за окислителното фосфорилиране на ADP.

Един от най -големите протеини на вътрешната митохондриална мембрана е АТФ синтазата.

Това е протеин, състоящ се от два олигомерни комплекса (F 0 и F 1). F 0 се състои от 6 хидрофобни протомера от тип a, b, c, потопени във вътрешната мембрана на митохондриите и образуващи Н + - проводящ канал. 3 допълнителни субединици свързват комплекса F 0 с комплекса F 1. Комплексът F 1 се появява в митохондриалната матрица и образува "балон" на вътрешната повърхност на митохондриалната мембрана, който има активно място за свързване на ADP и H 3 PO 4. Това е фосфорилиране и образуване на АТФ.

Междумембранното пространство също играе роля в производството на АТФ, тъй като може да натрупва протони, които създават заряд на повърхността на вътрешната мембрана, необходим за активирането на АТФ синтазата.

Митохондриалният матрикс се състои от ензими, ДНК, РНК и рибозоми. ORP в клетката се среща в митохондриалния матрикс. Най -важните енергийни източници са реакциите на дехидрогениране. При реакциите на дехидрогениране електроните и протоните се прехвърлят от органични субстрати в коензими на NAD- и FAD-зависими дехидрогенази. Електроните с висок енергиен потенциал се пренасят от редуцираните коензими NADH и FADH 2 към кислорода чрез верига от носители, локализирани във вътрешната митохондриална мембрана. Възстановяването на молекулата О2 става в резултат на прехвърлянето на 4 електрона. При всяко добавяне на 2 електрона към кислорода, влизащ в него през носещата верига, 2 протона се абсорбират от матрицата, в резултат на което се образува молекула Н 2 О.