Основные пути использования кислорода в клетке

Размещено на http://www.allbest.ru/

ФГБОУ ВО ОрГМУ МИНЗДРАВА РОССИИ

КАФЕДРА ХИМИИ

Эссе

«Основные пути использования кислорода в клетке»

Выполнила:

студентка 221 гр.

лечебного факультета

Жигалина У.М.

Проверила:

Карнаухова И.В.

Оренбург, 2019

Кислород - элемент жизни

… Дыхание - это синоним жизни, а источник жизни на Земле - кислород.

Кислород -- основной биогенный элемент, входящий в состав молекул всех важнейших веществ, обеспечивающих структуру и функции клеток -- белков, нуклеиновых кислот, углеводов, липидов, а также множества низкомолекулярных соединений. В каждом растении или животном кислорода гораздо больше, чем любого другого элемента (в среднем около 70%). Мышечная ткань человека содержит 16% кислорода, костная ткань -- 28.5%; всего в организме среднего человека (масса тела 70 кг) содержится 43 кг кислорода. В организм животных и человека кислород поступает в основном через органы дыхания (свободный кислород) и с водой (связанный кислород). Потребность организма в кислороде определяется уровнем (интенсивностью) обмена веществ, который зависит от массы и поверхности тела, возраста, пола, характера питания, внешних условий и др.

Кислород играет ключевую роль в энергетике большинства живых существ. Он служит окислителем питательных веществ при дыхании животных, растений, грибов и бактерий. Без кислорода обходятся лишь сравнительно немногочисленные виды, обитающие в бескислородных (анаэробных) условиях и покрывающие свои энергетические потребности за счет брожения. Очевидно преимущество кислородного (аэробного) типа энергетики перед анаэробиозом.

Количество энергии, выделяющейся при окислении данного питательного вещества кислородом, в несколько раз превышает энергию, выделяющуюся при его окислении, например, пировиноградной кислотой, используемой в качестве окислителя при таком распространенном типе брожения, как гликолиз.

Весьма полезным для организма, клетки которого (особенно биологические мембраны) построены из разнообразного в физическом и химическом отношении материала, является и растворимость кислорода как в водной, так и в липидной фазе. Это дает возможность ему относительно легко диффундировать к любым структурным образованиям клеток и участвовать в окислительных реакциях.

Каждая клетка нашего организма требует бесперебойной доставки кислорода, где он используется в различных обменных реакциях. Для того чтобы доставить и рассортировать его по клеткам, нужен довольно мощный транспортный аппарат.

В обычном состоянии клеткам организма каждую минуту требуется поставлять около 200--250 мл кислорода. Нетрудно подсчитать, что в сутки потребность в нем составляет немалую величину (порядка 300 литров). При тяжелой работе эта потребность возрастает в десятки раз.

Представления о биологическом окислении

Изучение окисления в организме было начато в 18 в. А. Лавуазье; в дальнейшем значительный вклад в исследование БО (его локализация в живых клетках, связь с др. процессами обмена веществ, механизмы ферментативных окислительно-восстановительных реакций, аккумуляция и превращение энергии и др.) внесли О. Варбург, Г. Виланд (Германия), Д. Кейлин, Х. Кребс, П. Митчелл (Великобритания), Д. Грин, А. Ленинджер, Б. Чанс, Э. Рэкер (США), а в СССР - А. Н. Бах, В. И. Палладин, В. А. Энгельгардт, С. Е. Северин, В. А. Белицер, В. П. Скулачев и др.

В 1777г французский химик Антуан Лоран Лавуазье (1743-1794), впервые правильно истолковал явление горения как процесс соединения веществ с О₂. Так как горение и дыхание сопровождаются потреблением О₂ и выделение СО₂, он предположил что, в их основе лежит один процесс. Однако у дыхания были существенные отличия от горения: оно шло при низкой температуре, без пламени и в присутствии воды.

В конце XIX века русские исследователи А.Н. Бах и В.И. Палладин, работая независимо друг от друга, предложили 2 основные теории для объяснения процессов, протекающих в ходе биологического окисления.

В 1897г Алексей Николаевич Бах (1857-1946) сформулировал «перекисную теорию окисления», согласно которой молекула О₂ сначала активируется. Активация О₂ происходит в результате разрыва одной его связи (-О-О-) и присоединения к органическим веществам - оксидазам. Активированный О₂ при взаимодействии с окисляемым веществом образует перекись.

кислород клетка биологическое окисление

Теория «перекисного окисления» Баха нашла свое подтверждение, однако главный механизм БО оказался иным.

Важнейшая заслуга в развитии учения о БО принадлежит русскому ученому ботанику и биохимику В.И. Палладину (1859-1922), который создал теорию «активации водорода». Он предположил, что окисление субстратов может происходить в 2 фазы:

1). Анаэробная фаза. В этой фазе особые вещества хромогены (R) отщепляют Н от субстратов и восстанавливаются (RH₂).

2). Аэробная фаза. Восстановленные хромогены RH₂ передают Н на О₂.

В последствии теория В.И. Паладина подтвердилась для процессов митоходриального окисления, а хромогены, принимающие участие в отнятии водорода от субстратов, в настоящее время называются ферментами дегидрогеназами.

Современные представления о биологическом окислении

Согласно современной теории БО:

· Окисление происходит как в аэробных, так и в анаэробных условиях.

· В аэробных организмах существует несколько путей использования О₂.

· Реакции БО необходимы в первую очередь для получения энергии в форме АТФ, а также для синтеза новых веществ, разрушения ксенобиотиков и продуктов метаболизма.

· БО является сложным, многостадийным процессом, в котором ведущую роль играют ферменты оксидоредуктазы.

Этапы унифицирования энергии пищевых веществ и образования субстратов тканевого дыхания

Образование субстратов тканевого дыхания осуществляется в несколько этапов:

1. При переваривании в ЖКТ происходит гидролиз полимеров (белков, полисахаридов) и ТГ до мономеров, которые потом всасывающихся в кровь и включающихся в промежуточный обмен.

2. В ходе катаболизма мономеры (моносахара, жирные кислоты и аминокислоты) превращаются в универсальное вещество - Ацетил-КоА (исключение некоторые АК).

3. Ацетил-КоА поступает в ЦТК, где из него в последовательных реакциях образуются субстраты тканевого дыхания: изоцитрат, б-КГ, сукцинат и малат.

4. Окисление субстратов тканевого дыхания сопровождается восстановлением коферментов НАДН₂ и ФАДН₂, которые затем отдают протоны в редокс-цепь окислительного фосфорилирования.

Пути использования кислорода в клетке

В настоящее время выделено 4 основные пути использования кислорода в организме:

В соответствие с путями потребления кислорода и катализируемыми реакциями, все оксидоредуктазы разделены на 5 групп:

1). Оксидазы удаляют Н из субстрата (S), используя в качестве акцептора Н только О₂, продуктом реакции является вода. Все оксидазы содержат медь. Например, цитохромоксидаза, последний фермент дыхательной цепи.

SН₂ + ЅО₂ > S + Н₂О.

2). Аэробные дегидрогеназы, или ФАД зависимые оксидазы, относятся к металлофлавопротеинам (ФАД, ФМН, Fe, Cu, Mo), находятся в пероксисомах и наружной мембране митоходрий. Они отнимают Н от субстрата, и передают его на О₂ с образованием перекиси. Дегидрогеназа L-аминокислот (оксидаза L-аминокислот) в почках осуществляет окислительное дезаминирование. Ксантиндегидрогеназа (ксантиноксидаза) превращает пурины в мочевую кислоту. Моноаминоксидазы (МАО) окисляют гормон адреналин и некоторые биогенные амины. Диаминоксидазы (ДАО) окисляют гистамин и другие диамины и полиамины. Образующаяся перекись бактерицидное действие.

SН₂ + О₂ > S + Н₂О₂

3). Анаэробные дегидрогеназы многочисленная группа, содержат в качестве коферментов НАДН₂, НАДФН₂, ФАД, ФМН, цитохромы. Они удаляют Н из субстрата, не используя в качестве акцептора протона О₂. Анаэробные дегидрогеназы выполняют две главные функции: перенос Н с одного субстрата на другой в сопряженной ОВР и транспорт электронов в дыхательной цепи. Примеры ферментов: изоцитрат ДГ (НАДН₂), сукцинат ДГ (ФАДН₂), цитохромы в, с₁, с, а и а₃.

SН₂ + R > S + RН₂

4). Оксигеназы. Включают кислород в молекулу субстрата. Работают в составе мультиферментного комплекса, содержащего ФАД зависимую ДГ, Fe₂S₂-белок, цитохромы Р₄₅₀ или В₅. Этот комплекс встроен в мембрану ЭПР или внутреннюю мембрану митохондрий.

а) Монооксигеназы. Обеспечивают включение 1 атома кислорода в молекулу субстрата. В качестве восстановителей (R) используется НАДФН₂, НАДН₂ и аскорбат. Участвуют в синтезе стероидных гормонов, обезвреживании ксенобиотиков. Фен-4-монооксигеназа окисляет фен в тир. Пролингидроксилаза (аскорбат) гидроксилирует пролин в проколлагене.

SН + О₂ + RH₂ > SOH + Н₂О + R

б) Диоксигеназы. Обеспечивают включение молекулы кислорода в молекулу субстрата, окисляют циклические соединения с разрывом цикла. Например, триптофаноксигеназа, превращает триптофан в фенилкенуренин.

S + О₂ > SO₂

5). Гидроксипероксидазы разрушают перекиси водорода и органические перекиси. Ферменты пероксидаза и каталаза. Пероксидазы, содержат протогем, восстанавливают перекись до воды за счет хинонов, аскорбата или цитохрома с. Глутатионперосидаза, содержит селен, восстанавливает перекись до воды за счет глутатиона.

Н₂О₂ + RH₂ > 2Н₂О + R

Каталаза, гемопротеин, использует одну Н₂О₂ как донор е-, а вторую Н₂О₂ как акцептор е-, в результате образуется вода и молекула кислорода. Каталазы много в крови, костном мозге, слизистых оболочках, почках и печени.

2Н₂О₂ > 2Н₂О + О₂.

Оксидазный путь

Окислительное фосфорилирование. Протекает в митохондриях, является основным источником АТФ в аэробных тканях. Потребляет 90% кислорода.Данный путь обеспечивает процесс окислительного фосфорилирования.

Окислительным фосфорилированием называют синтез АТФ из АДФ и Н3РО4 за счет энергии движении электронов по дыхательной цепи. Окислительное фосфорилирование является основным источником АТФ в аэробных клетках.

Хемиосмотическая теория МитчеллаДля объяснения механизма окислительного фосфорилирования в 1961 году Митчеллом была предложена хемиосмотическая теория, которая включала четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий:

1. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для всех ионов.

2. Она содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и неорганических ионов.

3. При прохождении электронов по дыхательной цепи внутренней мембраны происходит перемещение Н+ из матрикса в межмембранное пространство.

4. При достаточно большом протонном градиенте протоны начи­нают «течь» через АТФ-синтетазу, что сопровождается синтезом АТФ.

Пероксидазный путь

Окисление субстрата путем дегидрирования. Два атома водорода переносятся на молекулу кислорода с образованием перекиси:

SН₂ + О₂ S + Н₂О₂

В этой реакции энергия окисления выделяется в виде тепла. Реакции этого типа катализируют ФАД-зависимые оксидазы (аэробные дегидрогеназы), содержащие в качестве простетической группы ФАД или ФМН. В клетке около 80 % этих ферментов сосредоточено в пероксисомах. Пероксидазный путь окисления активно протекает в лейкоцитах, макрофагах и других фагоцитирующих клетках. Образующийся пероксид водорода Н₂О₂ - сильный окислитель, обезвреживающий патогенные бактерии (защитная функция).

Реакция пероксидазного окисления протекает в 2 стадии:

1. Анаэробная - происходит дегидрирование восстановленного субстрата SH₂, при этом протоны и электроны переносятся на ФАД (ФАД + 2Н⁺ ? ФАДН₂).

2. Аэробная - происходит окисление фермента (ФАДН₂ ? ФАД) кислородом (самопроизвольный процесс).

Биологическая роль оксидазного типа окисления:

1. защитная функция - в лейкоцитах и других фагоцитирующих клетках;

2. катаболизм биогенных аминов (фермент - моноаминооксидаза);

3. метаболизм аминокислот (ферменты - оксидазы D- и L-аминокислот);

4. катаболизм пуринов (фермент - ксантиноксидаза);

5. катаболизм глюкозы в растительных клетках (фермент - глюкозооксидаза).

Монооксигеназный путь

Обеспечивает включение 1 атома кислорода в молекулу субстрата. Используется для синтеза новых веществ (стероидные гормоны), обезвреживания ксенобиотиков и токсических продуктов обмена в митохондриях и ЭПР.

Монооксигеназы (гидроксилазы) катализируют включение в субстрат одного атома молекулы кислорода. Другой атом кислорода восстанавливается до воды. Для работы монооксигеназной системы необходим кроме неполярного субстрата (SH) донор атомов водорода - косубстрат (НАДФН+Н⁺, ФАДН₂, аскорбиновая кислота):

SH + НАДФН+Н⁺+ О₂ SОН + НАДФ⁺ + Н₂О

Монооксигеназные реакции необходимы для:

1. специфических превращений аминокислот, например, для синтеза тирозина из фенилаланина (фермент - фенилаланингидроксилаза);

2. синтеза холестерола, желчных кислот в печени; стероидных гормонов в коре надпочечников, яичниках, плаценте, семенниках; витамина D₃ в почках;

3. обезвреживания чужеродных веществ (ксенобиотиков) в печени.

Ферменты монооксигеназного пути окисления локализованы в мембранах эндоплазматического ретикулума (при гомогенизации тканей эти мембраны превращаются в микросомы - мембранные пузырьки). Поэтому монооксигеназный путь окисления называют микросомальным окислением.

Микросомальное окисление представляет короткую электронтранспортную цепь, включающую НАДФ, ФАД, ФМН, цитохром Р₄₅₀.

Микросомальная система включает два фермента: цитохром Р₄₅₀ и НАДФН-цитохром-Р₄₅₀-редуктазу.

НАДФН-цитохром Р₄₅₀ - редуктаза - флавопротеин, в качестве простетической группы содержит два кофермента ФАД и ФМН.

Цитохром Р₄₅₀ - гемопротеин, содержит простетическую группу гем и участки связывания для кислорода и субстрата. Восстановленный цитохром Р₄₅₀ имеет максимум поглощения при 450 нм. Выполняет две функции: связывание окисляемого субстрата и активация молекулярного кислорода.

Схема микросомального окисления

В митохондриях содержится монооксигеназная система, которая выполняет биосинтетическую функцию: синтез холестерола; стероидных гормонов (кора надпочечников, яичники, плацента, семенники); желчных кислот (печень); образование витамина D₃ (почки).

Заключение

Тема, освещенная в моей работе, на сегодняшний день является очень важным разделом в биохимии, где, несмотря на достигнутые успехи, остается множество вопросов и пробелов.

Знание вопросов биоорганической химии является нужным и важным в практике каждого врача, так как активное развитие фармакологии и появление множества новых препаратов позволяет, зная биохимию процессов, протекающих в организме, воздействовать на них и лечить многие заболевания на клеточном уровне, стимулируя энергетические процессы на уровне митохондрий.

Размещено на Allbest.ru