GESCHICHTE DER STUDIEN ZUR BIOLOGISCHEN OXIDATION.

Die ersten Ideen zur biologischen Oxidation wurden von Lavoisier geäußert, der sagte, dass die biologische Oxidation eine langsame Verbrennung ist. Chemisch gesehen ist die Verbrennung die Wechselwirkung von Kohlenstoff mit Sauerstoff zu CO2. Aber im Körper erfolgt die Bildung von CO2 durch DECARBOXYLATION, und die biologische Oxidation findet bei niedrigen Temperaturen statt, nicht durch die Bildung von CO2 in Gegenwart von Wasser und ohne Flammenbildung.

Auf dieser Grundlage wurden die folgenden wirklichen Ideen über das Biologische vorgebracht. Oxidation im frühen 20. Jahrhundert.

1. Die Theorie der "Aktivierung" des Sauerstoffs von Akademiker BACH. Er stellte die Bildung von PEROXIDEN als die führende Rolle im Prozess der biologischen Oxidation dar.

Diese Ansichten wurden von Botanikern unterstützt, weil. Pflanzen haben viele PEROXIDASEN, und Wissenschaftler, die tierisches Gewebe untersuchten, unterstützten diese Ansichten nicht, weil PEROXIDASEN werden in ihnen nicht gefunden.

2. Die Theorie der Wasserstoffaktivierung von Akademiker PALLADIN. Er ging davon aus, dass in tierischen Geweben viel Enzym - DG - vorhanden ist.

Wasser ist das Endprodukt der biologischen Oxidation. Die Ansichten von BACH und PALLADIN wurden gewandelt. Derzeit wird angenommen, dass DG und OXIDASEN an der biologischen Oxidation teilnehmen.

MODERNE KONZEPTE ZUR BIOLOGISCHEN OXIDATION.

1. Die biologische Oxidation ist, wie die Oxidation im Allgemeinen, ein Prozess der Elektronenübertragung. Der Stoff, der Elektronen abgibt, wird oxidiert, der, den wir erhalten, wird reduziert. Wenn der Elektronenakzeptor Sauerstoff ist, wird dieser Vorgang als Gewebeatmung bezeichnet. Biologische Oxidation beinhaltet DEHYDRATION unter Bildung von Wasser.

R-H2 ---DG----> R + KoH2

KoH2 + 1/2 O2.------> Ko + H2O

Wenn Wasserstoff mit Sauerstoff außerhalb des Körpers Wasser bildet, dann geht dies mit einer Explosion einher. Die biologische Oxidation ist ein mehrstufiger Prozess - eine mehrstufige Übertragung von Elektronen mit allmählicher Energiefreisetzung, die eine Explosion ausschließt. Die biologische Oxidation ist ein Prozess, der viele Enzyme erfordert. Dass. Die biologische Oxidation ist ein mehrstufiger Prozess des Elektronentransports, der von einem Komplex von Enzymen durchgeführt wird. Dieser Enzymkomplex wird als ELECTRON TRANSPORT CHAIN ​​​​(ETC) oder ELECTRON TRANSPORT CHAIN ​​​​(CPE) oder Atmungskette bezeichnet. ETC ist eine Art FÖRDERER für die Übertragung von Elektronen und Protonen vom Substrat auf Sauerstoff.

BESTANDTEILE DER ATEMKETTE.

1. NIKOTINABHÄNGIGE DG, d.h. enthält Coenzyme - OVER, NADP

2. FLAVIN-ABHÄNGIGE DGs, d. h. enthält Coenzyme - FMN, FAD.

3. UBIQUINON (Co-Q)

4. ZYTOCHROME: c, c, c1, a, a3.

Fast alle diese Komponenten, mit Ausnahme der ersten, sind in die innere Membran von MITOCHONDRIA eingebaut. In der Leber gibt es bis zu 5.000 solcher Atmungsketten, im Herzen bis zu 20.000.

STRUKTUR DER KOMPONENTEN DER ATEMKETTE.

1. In NAD und NADP ist der Arbeitsteil Vitamin PP - NICOTINAMIDE.

2. In FAD und FMN ist der Arbeitsteil FLAVIN (ein Bestandteil von Vitamin B2)

3. UBIQUINON wandelt sich leicht in die reduzierte Form KOQ + 2H + 2e = KOQ*H2 um

4. ZYTOCHROME sind HETEROPROTEINE. Ihr Proteinteil ist HEM, dessen Struktur aus 4 PYRROL-Ringen und einem Eisenatom besteht, das leicht die Wertigkeit ändert. Kann auch Kupfer enthalten.

ENZYME DER ATEMKETTE.

1. DG-Substrate befinden sich im Zytoplasma der Zelle, könnten in der MITOCHONDRIALEN MATRIX sein.

2. NADH-DG (FMN).

4. Q*H2 - DG (ZYTOCHROME c, c1).

5.CYTOCHROM C.

6.CYTOCHROMOXIDASE ist an der Übertragung von Elektronen auf Sauerstoff beteiligt (einschließlich CYTOCHROME a, a3).

FUNKTION DER ATEMKETTE.

Voll usw - Wechselwirkung des Substrats mit NAD. Abgekürzt ETC - die Wechselwirkung des Substrats mit FAD und der anschließende Transport von Elektronen und Protonen unmittelbar zu COENZYME Q.

Die Reihenfolge der Komponenten der Atmungskette wird durch die Größe ihrer d-oh-Potentiale bestimmt und variiert von -0,32 V bis + 0,81 V. -0,32 ist typisch für NADH2, +0,81 ist typisch für O2.

OXIDATIVE PHOSPHORYLIERUNG.

In der Atmungskette werden Bedingungen für die Synthese von ATP geschaffen, d.h. Es wird genügend Energie freigesetzt.

biologische Oxidation

Biologische Oxidation (Zell- oder Gewebeatmung) - Redoxreaktionen in den Körperzellen, bei denen komplexe organische Substanzen unter Beteiligung bestimmter Enzyme mit vom Blut geliefertem Sauerstoff oxidiert werden. Die Endprodukte der biologischen Oxidation sind Wasser und Kohlendioxid. Die bei der biologischen Oxidation freigesetzte Energie wird teilweise in Form von Wärme freigesetzt, der Hauptteil davon geht jedoch in die Bildung von Molekülen komplexer Organophosphorverbindungen (hauptsächlich Adenosintriphosphat - ATP), die für die notwendige Energiequelle sind Leben des Körpers.

In diesem Fall besteht der Oxidationsprozess in der Entfernung von Elektronen und einer gleichen Anzahl von Protonen aus der oxidierten Substanz (Substrat). Substrate der biologischen Oxidation sind Umwandlungsprodukte von Fetten, Proteinen und Kohlenhydraten. Die biologische Oxidation von Substraten zu Endprodukten erfolgt durch eine Kette aufeinanderfolgender Reaktionen, zu deren Zwischenprodukten Tricarbonsäuren gehören - Zitronen-, Cisaconit- und Isocitronensäure, daher wird die gesamte Reaktionskette als Tricarbonsäurezyklus oder Krebszyklus bezeichnet (nach dem Forscher, der diesen Zyklus etabliert hat).

Die Anfangsreaktion des Krebszyklus ist die Kondensation von Oxalessigsäure mit einer aktivierten Form von Essigsäure (Acetat), die eine Verbindung mit dem Acetylierungs-Coenzym Acetyl-CoA ist. Als Ergebnis der Reaktion entsteht Citronensäure, die nach vierfacher Dehydrierung (Abspaltung von 2 Wasserstoffatomen aus dem Molekül) und zweifacher Decarboxylierung (Abspaltung des CO2-Moleküls) Oxalessigsäure bildet. Die im Krebszyklus verwendeten Acetyl-CoA-Quellen sind Essigsäure, Brenztraubensäure - eines der Produkte der Glykolyse (siehe), Fettsäuren (siehe) usw. Neben der Oxidation von Acetyl-CoA im Krebszyklus andere Es können auch Stoffe oxidiert werden, die in Zwischenprodukte dieses Zyklus umgewandelt werden können, beispielsweise viele der beim Eiweißabbau entstehenden Aminosäuren. Aufgrund der Reversibilität der meisten Reaktionen des Krebszyklus können die darin enthaltenen Abbauprodukte von Proteinen, Fetten und Kohlenhydraten (Zwischenprodukten) nicht nur oxidiert, sondern auch während seines Kreislaufs gewonnen werden. So wird die Beziehung zwischen dem Stoffwechsel von Fetten, Proteinen und Kohlenhydraten durchgeführt.

Im Krebszyklus auftretende Oxidationsreaktionen gehen normalerweise nicht mit der Bildung energiereicher Verbindungen einher. Eine Ausnahme bildet die Umwandlung von Succinyl-CoA zu Succinat (siehe Bernsteinsäure), die mit der Bildung von Guanosintriphosphat einhergeht. Der größte Teil des ATP wird in der Kette der Atmungsenzyme gebildet (siehe), wo die Übertragung von Elektronen (und in den frühen Stadien und Protonen) auf Sauerstoff mit der Freisetzung von Energie einhergeht.

Wasserstoff-Eliminierungsreaktionen werden von Enzymen der Dehydrogenase-Klasse durchgeführt, und Wasserstoffatome (d. h. Protonen + Elektronen) werden an Coenzyme gebunden: Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD), Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid-Phosphat (NADP), Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD), etc.

Die Prozesse der biologischen Oxidation, die mit dem Krebszyklus und der Kette der Atmungsenzyme verbunden sind, finden hauptsächlich in Mitochondrien statt und sind auf deren Membranen lokalisiert.

Somit sind die mit dem Krebszyklus verbundenen Prozesse der biologischen Oxidation sowohl für die Bildung energiereicher Verbindungen als auch für die Verbindung des Kohlenhydrat-, Fett- und Proteinstoffwechsels wichtig. Andere Arten der biologischen Oxidation scheinen eine engere Bedeutung zu haben, wie etwa die Energieversorgung von Zellen. Dies ist die Stufe der Glykolyse, die in der Oxidation einer Reihe von Phosphorverbindungen unter gleichzeitiger Reduktion von NAD und Bildung von ATP oder der Reaktion des Pentosezyklus (dh der oxidativen Umwandlung von Glucose-6-Phosphat) besteht. begleitet von der Bildung von Phosphopentose und reduziertem NADP. Der Pentosezyklus spielt eine wichtige Rolle in Geweben, die durch eine intensive Synthese von Nukleinsäuren, Fettsäuren, Cholesterin usw. gekennzeichnet sind. Siehe auch Stoffwechsel und Energie.

Biologische Oxidation - eine Reihe von Redoxreaktionen, die in biologischen Objekten auftreten. Unter Oxidation versteht man die Abgabe von Elektronen oder Elektronen und Protonen gleichzeitig durch einen Stoff (Abgabe von Wasserstoffatomen) oder die Zugabe von Sauerstoff. Gegenläufige Reaktionen charakterisieren den Erholungsprozess. Reduktionsmittel sind Stoffe, die Elektronen abgeben, Oxidationsmittel sind Stoffe, die Elektronen aufnehmen. Die biologische Oxidation ist die Grundlage der Gewebe- oder Zellatmung (der Prozess, bei dem Gewebe und Zellen Sauerstoff aufnehmen und Kohlendioxid und Wasser freisetzen) – die Hauptenergiequelle für den Körper. Die Substanz, die Elektronen aufnimmt (aufnimmt), d. h. reduziert wird, ist molekularer Sauerstoff, der sich in ein Sauerstoffanion O - verwandelt. Aus organischer Materie - dem Substrat der Oxidation (SH2) - abgespaltene Wasserstoffatome werden bei Abgabe von Elektronen in Protonen oder positiv geladene Wasserstoffkationen umgewandelt:

SH2→S→2H; 2Н→2H + + 2e: ½O2→О; О→2е→O -- ; 2H + + O -- → H2O + 55 kcal. Als Ergebnis der Reaktion zwischen Wasserstoffkationen und Sauerstoffanionen wird Wasser gebildet, und die Reaktion wird von der Freisetzung einer erheblichen Energiemenge pro 18 g Wasser begleitet). Kohlendioxid entsteht als Nebenprodukt der biologischen Oxidation. Einige Reaktionen von O. führen zur Bildung von Wasserstoffperoxid, das unter dem Einfluss von Katalase in H2O und O2 zerfällt.

Energielieferanten im menschlichen Körper sind Lebensmittel – Proteine, Fette und Kohlenhydrate. Diese Substanzen können jedoch nicht als Substrate von O. dienen. Sie werden im Verdauungstrakt vorgespalten, wo aus Proteinen Aminosäuren, aus Fetten Fettsäuren und Glycerin, aus komplexen Kohlenhydraten Monosaccharide, vor allem Hexosen, gebildet werden. Alle diese Verbindungen werden absorbiert und gelangen (direkt oder über das Lymphsystem) ins Blut. Zusammen mit ähnlichen Stoffen, die in Organen und Geweben gebildet werden, bilden sie einen "Stoffwechselfonds", aus dem der Körper Material für die Biosynthese und zur Deckung des Energiebedarfs bezieht. O.s Hauptsubstrate. sind Produkte des Gewebestoffwechsels aus Aminosäuren, Kohlenhydraten und Fetten, sogenannte Substanzen des „Zitronensäurezyklus“. Dazu gehören Säuren:

Zitronensäure, Cisaconit, Isocitronensäure, Bernsteinsäure, Oxalsäure, α-Ketoglutarsäure, Bernsteinsäure, Fumarsäure, Äpfelsäure, Oxalessigsäure.

Die Brenztraubensäure CH3-CO-COOH ist nicht direkt am Zitronensäurezyklus beteiligt, spielt jedoch eine bedeutende Rolle darin, ebenso wie das Produkt ihrer Decarboxylierung - die aktive Form der Essigsäure CH3COCoA (Acetyl-Coenzym A).

Die im „Zitronensäurezyklus“ („Krebs-Zyklus“, „Tricarbonsäurezyklus“) enthaltenen Prozesse laufen unter der Wirkung von Enzymen ab, die in den Mitochondrien genannten Zellorganellen enthalten sind. Der elementare Oxidationsvorgang eines jeden im Citronensäurezyklus enthaltenen Stoffes ist die Wasserstoffentfernung aus diesem Stoff, d.h. der Vorgang der Dehydrierung durch die Aktivität des entsprechenden spezifisch wirkenden Enzyms Dehydrogenase (Abb. 1).

Reis. 1. Schema des Krebs-Zitronensäurezyklus.

Wenn der Prozess mit Brenztraubensäure beginnt, wird die Eliminierung von zwei Wasserstoffatomen (2H) im Krebszyklus fünfmal wiederholt und von drei aufeinanderfolgenden Decarboxylierungsstufen begleitet. Der erste Akt – die Dehydrierung – findet statt, wenn Brenztraubensäure in Acetyl-CoA umgewandelt wird, das mit Oxalessigsäure zu Zitronensäure kondensiert. Die zweite Dehydrierung führt zur Bildung von Oxalobernsteinsäure aus Isocitronensäure. Der dritte Akt – die Abspaltung von zwei Wasserstoffatomen – ist mit der Umwandlung von Ketoglutarsäure zu Succinyl-CoA verbunden; der vierte - mit der Dehydrierung von Bernsteinsäure und schließlich der fünfte - mit der Umwandlung von Apfelsäure in Oxalessigsäure, die wiederum mit Acetyl-CoA kondensieren und die Bildung von Zitronensäure liefern kann. Beim Abbau von Succinyl-CoA entsteht eine energiereiche Bindung (~ P) – das ist die sogenannte Substratphosphorylierung: Succinyl-CoA + H3PO4 + ADP → Bernsteinsäure + CoA + ATP.

Reis. 2. Schema der Dehydrierung von Substraten des Zitronensäurezyklus durch spezifische Enzyme, die aus dissoziierenden Komplexen bestehen: Proteine ​​- b1, b2, b3 und b4 mit NAD und NADH2 und Protein b5, das einen Komplex mit FAD (Succin-Dehydrogenase) bildet; CAA ist Cisaconitsäure.

Vier dieser Dehydrierungsvorgänge werden unter Beteiligung spezifischer Dehydrogenasen durchgeführt, deren Coenzym Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid (NAD) ist. Ein Akt - die Umwandlung von Bernsteinsäure in Fumarsäure - erfolgt unter dem Einfluss von Succindehydrogenase - Flavoprotein I. In diesem Fall ist das Coenzym Flavin-Adenin-Dinukleotid (FAD). Als Ergebnis von fünf wiederholten Dehydrierungsvorgängen (Abb. 2) führen die im Zitronensäurezyklus ablaufenden Reaktionen zur Bildung von reduzierten Formen von Coenzymen: 4-NADH2 1-FADH2. Zu den Flavinenzymen gehört auch die reduzierte NAD-Dehydrogenase, also die Aufnahme von Wasserstoff aus NADH2 – das ist Flavoprotein II. Es unterscheidet sich jedoch von Succindehydrogenase in der Struktur sowohl der Protein- als auch der Flavinkomponente. Die weitere Oxidation der reduzierten Formen der Flavoproteine ​​​​I und II, die FADH2 enthalten, erfolgt unter Beteiligung von Cytochromen (siehe), bei denen es sich um komplexe Proteine ​​handelt - Chromoproteine, die Eisenporphyrine - Häme enthalten.

Wenn FADH2 oxidiert wird, trennen sich die Wege des Protons und der Elektronen: Protonen treten in Form von Wasserstoffionen in die Umgebung ein, und Elektronen werden durch eine Reihe von Cytochromen (Abb. 3) auf Sauerstoff übertragen und verwandeln ihn in ein Sauerstoffanion O - . Zwischen FADH2 und dem Cytochromsystem ist offenbar ein weiterer Faktor beteiligt - Coenzym Q. Jedes nächste Glied in der Atmungskette von NADH2 bis Sauerstoff ist durch ein höheres Redoxpotential gekennzeichnet (siehe). In der gesamten Atmungskette von NADH2 bis ½O2 ändert sich das Potential um 1,1 V (von -0,29 V auf + 0,81 V). Bei vollständiger Oxidation von beispielsweise Brenztraubensäure, begleitet von einer fünffachen Wasserstoffabspaltung, beträgt die Energieeffizienz des Verfahrens etwa 275 kcal (55X5). Diese Energie wird nicht vollständig als Wärme abgeführt; ca. 50 % davon fallen in Form von energiereichem an

Phosphorverbindungen, hauptsächlich Adenosintriphosphat (ATP).

Der Prozess der Umwandlung von Oxidationsenergie in energiereiche Bindungen (~P) des letzten Phosphatrests des ATP-Moleküls ist in den inneren Mitochondrienmembranen lokalisiert und mit bestimmten Stufen des Wasserstoff- und Elektronentransfers entlang der Atmungskette verbunden (Abb. 4). Es ist allgemein anerkannt, dass die erste Phosphorylierung mit dem Transport von Wasserstoff von NADH2 zu FAD verbunden ist, die zweite mit der Übertragung von Elektronen auf Cytochrom c1 und schließlich die dritte, am wenigsten untersuchte, zwischen den Cytochromen c und a lokalisiert ist .

Der Mechanismus zur Bildung energiereicher Bindungen ist noch nicht entschlüsselt. Es wurde jedoch festgestellt, dass der Prozess aus mehreren Zwischenreaktionen besteht (in Abb. 4 - von J ~ X zu ATP), von denen nur die letzte die Bildung eines energiereichen Phosphatrests von ATP ist. Die energiereiche Bindung der endständigen Phosphatgruppe in ATP wird auf 8,5 kcal pro Grammmolekül (unter physiologischen Bedingungen etwa 10 kcal) geschätzt. Während der Übertragung von Wasserstoff und Elektronen durch die Atmungskette, beginnend mit NADH2 und endend mit der Bildung von Wasser, werden 55 kcal freigesetzt und in Form von ATP mindestens 25,5 kcal (8,5X3) angesammelt. Daher beträgt die Energieeffizienz des biologischen Oxidationsprozesses etwa 50 %.

Reis. 3. Schema der Übertragung von Wasserstoff und Elektronen durch die Atmungskette; E0 - Redoxpotential.

Reis. 5. Schema der Nutzung der Energie von ATP-Phosphatbindungen (AMP-R~R) für verschiedene physiologische Funktionen.

Die biologische Bedeutung der phosphorylierenden Oxidation ist klar (Abb. 5): Alle lebenswichtigen Prozesse (Muskelarbeit, Nerventätigkeit, Biosynthese) erfordern Energieaufwand, die Kanten werden durch das Aufbrechen energiereicher Phosphatbindungen (~P) bereitgestellt. Die biologische Bedeutung der nicht phosphorylierenden – freien – Oxidation zeigt sich in zahlreichen Oxidationsreaktionen, die nicht mit dem Zitronensäurezyklus und der Übertragung von Wasserstoff und Elektronen entlang der Atmungskette zusammenhängen. Dazu gehören beispielsweise alle nicht-mitochondrialen Oxidationsprozesse, oxidative Entfernung toxischer Wirkstoffe und viele Regulationsvorgänge des Mengengehalts biologisch aktiver Verbindungen (bestimmte Aminosäuren, biogene Amine, Adrenalin, Histidin, Serotonin etc., Aldehyde). usw.) durch mehr oder weniger starke Oxidation. Das Verhältnis von freier und phosphorylierender Oxidation ist auch eine der Möglichkeiten der Thermoregulation bei Menschen und Warmblütern. Siehe auch Stoffwechsel und Energie.

Ohne Energie kann kein Lebewesen existieren. Schließlich benötigt jede chemische Reaktion, jeder Prozess seine Anwesenheit. Es ist für jeden leicht zu verstehen und zu fühlen. Wenn Sie den ganzen Tag nichts essen, beginnen am Abend und möglicherweise sogar früher Symptome erhöhter Müdigkeit, Lethargie und die Kraft nimmt erheblich ab.

Wie haben sich verschiedene Organismen angepasst, um Energie zu gewinnen? Woher kommt es und welche Prozesse laufen in der Zelle ab? Versuchen wir es in diesem Artikel herauszufinden.

Energiegewinnung durch Organismen

Egal wie die Lebewesen Energie verbrauchen, es liegen immer unterschiedliche Beispiele zugrunde. Die Gleichung der Photosynthese, die von grünen Pflanzen und einigen Bakterien durchgeführt wird, ist ebenfalls OVR. Natürlich unterscheiden sich die Prozesse, je nachdem, um welches Lebewesen es sich handelt.

Also sind alle Tiere heterotroph. Das heißt, solche Organismen, die nicht in der Lage sind, selbstständig fertige organische Verbindungen für ihre weitere Spaltung und Freisetzung der Energie chemischer Bindungen in sich selbst zu bilden.

Pflanzen hingegen sind der stärkste Produzent organischer Stoffe auf unserem Planeten. Sie führen einen komplexen und wichtigen Prozess namens Photosynthese durch, der in der Bildung von Glukose aus Wasser und Kohlendioxid unter Einwirkung einer speziellen Substanz - Chlorophyll - besteht. Das Nebenprodukt ist Sauerstoff, der die Lebensquelle für alle aeroben Lebewesen ist.

Redoxreaktionen, deren Beispiele diesen Prozess veranschaulichen:

• 6CO 2 + 6H 2 O \u003d Chlorophyll \u003d C 6 H 10 O 6 + 6O 2;

• Kohlendioxid + unter dem Einfluss von Chlorophyllpigment (Reaktionsenzym) = Monosaccharid + freier molekularer Sauerstoff.

Es gibt auch solche Vertreter der Biomasse des Planeten, die die Energie chemischer Bindungen anorganischer Verbindungen nutzen können. Sie werden Chemotrophe genannt. Dazu gehören viele Arten von Bakterien. Zum Beispiel Wasserstoffmikroorganismen, die Substratmoleküle im Boden oxidieren. Der Prozess erfolgt nach der Formel: 2H 2 +0 2 \u003d 2H 2 0.

Geschichte der Entwicklung des Wissens über die biologische Oxidation

Der Prozess, der der Energiegewinnung zugrunde liegt, ist mittlerweile bekannt. Oxidation. Die Biochemie hat die Feinheiten und Mechanismen aller Wirkstadien so detailliert studiert, dass es fast keine Rätsel mehr gibt. Dies war jedoch nicht immer der Fall.

Die ersten Erwähnungen der komplexesten Transformationen, die im Inneren von Lebewesen stattfinden, die chemische Reaktionen in der Natur sind, erschienen um das 18. Jahrhundert. Zu dieser Zeit richtete Antoine Lavoisier, der berühmte französische Chemiker, seine Aufmerksamkeit darauf, wie ähnlich biologische Oxidation und Verbrennung sind. Er verfolgte den ungefähren Weg des beim Atmen aufgenommenen Sauerstoffs und kam zu dem Schluss, dass Oxidationsprozesse im Inneren des Körpers nur langsamer ablaufen als außerhalb bei der Verbrennung verschiedener Substanzen. Das heißt, das Oxidationsmittel - Sauerstoffmoleküle - reagiert mit organischen Verbindungen und insbesondere mit Wasserstoff und Kohlenstoff aus ihnen, und es findet eine vollständige Umwandlung statt, begleitet von einer Zersetzung der Verbindungen.

Doch obwohl diese Annahme an sich durchaus real ist, blieb vieles unverständlich. Zum Beispiel:

• da die Prozesse ähnlich sind, sollten die Bedingungen für ihr Auftreten identisch sein, aber die Oxidation tritt bei niedriger Körpertemperatur auf;
• die Aktion wird nicht von der Freisetzung einer kolossalen Menge an Wärmeenergie begleitet und es kommt zu keiner Flammenbildung;
• in Lebewesen mindestens 75-80% Wasser, was jedoch nicht das "Verbrennen" von Nährstoffen in ihnen verhindert.

Um all diese Fragen zu beantworten und zu verstehen, was eigentlich biologische Oxidation ausmacht, hat es mehr als ein Jahr gedauert.

Es gab verschiedene Theorien, die die Bedeutung der Anwesenheit von Sauerstoff und Wasserstoff im Prozess implizierten. Die häufigsten und erfolgreichsten waren:

• Bachs Theorie, genannt Peroxid;
• Palladins Theorie, basierend auf einem solchen Konzept wie "Chromogene".

In der Zukunft gab es viel mehr Wissenschaftler, sowohl in Russland als auch in anderen Ländern der Welt, die nach und nach Ergänzungen und Änderungen an der Frage vornahmen, was biologische Oxidation ist. Die moderne Biochemie kann dank ihrer Arbeit über jede Reaktion dieses Prozesses berichten. Zu den bekanntesten Namen in diesem Bereich gehören die folgenden:

• Mitchell;
• S. V. Severin;
• Warburg;
• V. A. Belitser;
• Lehninger;
• V. P. Skulachev;
• Krebs;
• Grün;
• V. A. Engelhardt;
• Kaylin und andere.

Arten der biologischen Oxidation

Es gibt zwei Haupttypen des betrachteten Prozesses, die unter unterschiedlichen Bedingungen ablaufen. Daher ist die häufigste Art der Umwandlung der aufgenommenen Nahrung in viele Arten von Mikroorganismen und Pilzen anaerob. Dies ist eine biologische Oxidation, die ohne Zugang zu Sauerstoff und ohne dessen Beteiligung in irgendeiner Form durchgeführt wird. Ähnliche Bedingungen entstehen dort, wo kein Zugang zur Luft besteht: unter der Erde, in zerfallenden Substraten, Schlicken, Tonen, Sümpfen und sogar im Weltraum.

Diese Art der Oxidation hat einen anderen Namen - Glykolyse. Es ist auch eine der Phasen eines komplexeren und mühsameren, aber energiereichen Prozesses - aerobe Transformation oder Gewebeatmung. Dies ist der zweite betrachtete Prozesstyp. Es kommt bei allen aeroben heterotrophen Lebewesen vor, die Sauerstoff zur Atmung verwenden.

Somit sind die Arten der biologischen Oxidation wie folgt.

1. Glykolyse, anaerober Weg. Erfordert keine Anwesenheit von Sauerstoff und endet mit verschiedenen Formen der Fermentation.
2. Gewebeatmung (oxidative Phosphorylierung) oder vom aeroben Typ. Erfordert die Anwesenheit von molekularem Sauerstoff.

Prozessbeteiligte

Wenden wir uns der Betrachtung der eigentlichen Merkmale zu, die die biologische Oxidation enthält. Wir definieren die Hauptverbindungen und ihre Abkürzungen, die wir in Zukunft verwenden werden.

1. Acetylcoenzym-A (Acetyl-CoA) ist ein Kondensat aus Oxal- und Essigsäure mit einem Coenzym, das in der ersten Stufe des Tricarbonsäurezyklus gebildet wird.
2. Der Krebszyklus (Zitronensäurezyklus, Tricarbonsäuren) ist eine Reihe komplexer aufeinanderfolgender Redoxumwandlungen, die von der Freisetzung von Energie, Wasserstoffreduktion und der Bildung wichtiger Produkte mit niedrigem Molekulargewicht begleitet werden. Es ist das Hauptglied im Kata- und Anabolismus.
3. NAD und NAD * H - Enzymdehydrogenase, entschlüsselt als Nicotinamid-Adenin-Dinukleotid. Die zweite Formel ist ein Molekül mit einem angehängten Wasserstoff. NADP - Nicotinamidadenindinukleotidphosphat.
4. FAD und FAD * H - Flavin-Adenin-Dinukleotid - Coenzym von Dehydrogenasen.
5. ATP ist Adenosintriphosphat.
6. PVA ist Brenztraubensäure oder Pyruvat.
7. Succinat oder Bernsteinsäure, H 3 RO 4 - Phosphorsäure.
8. GTP ist Guanosintriphosphat, eine Klasse von Purinnukleotiden.
9. ETC - Elektronentransportkette.
10. Prozessenzyme: Peroxidasen, Oxygenasen, Cytochromoxidasen, Flavindehydrogenasen, verschiedene Coenzyme und andere Verbindungen.

Alle diese Verbindungen sind direkt am Oxidationsprozess beteiligt, der in den Geweben (Zellen) lebender Organismen stattfindet.

Stufen der biologischen Oxidation: Tabelle

Bühne	Prozesse und Bedeutung
Glykolyse	Die Essenz des Prozesses liegt in der anoxischen Spaltung von Monosacchariden, die dem Prozess der Zellatmung vorausgeht und von einer Energieabgabe in Höhe von zwei ATP-Molekülen begleitet wird. Es wird auch Pyruvat gebildet. Dies ist das Anfangsstadium für jeden lebenden Organismus eines Heterotrophen. Bedeutung bei der Bildung von PVC, das in die Cristae der Mitochondrien eindringt und ein Substrat für die Gewebeoxidation durch Sauerstoff ist. Bei Anaerobiern beginnen nach der Glykolyse verschiedene Arten von Fermentationsprozessen.
Pyruvat-Oxidation	Dieser Prozess besteht in der Umwandlung von während der Glykolyse gebildetem PVC in Acetyl-CoA. Sie wird unter Verwendung eines spezialisierten Enzymkomplexes, der Pyruvatdehydrogenase, durchgeführt. Das Ergebnis sind Cetyl-CoA-Moleküle, die in den Prozess eintreten, NAD wird im selben Prozess zu NADH reduziert. Ort der Lokalisierung - Cristae von Mitochondrien.
Abbau von Beta-Fettsäuren	Dieser Prozess wird parallel zum vorherigen auf den Cristae der Mitochondrien durchgeführt. Seine Essenz besteht darin, alle Fettsäuren zu Acetyl-CoA zu verarbeiten und in den Tricarbonsäurezyklus einzubringen. Es stellt auch NADH wieder her.
Krebs Zyklus	Es beginnt mit der Umwandlung von Acetyl-CoA in Zitronensäure, die weiteren Umwandlungen unterliegt. Eine der wichtigsten Phasen, die die biologische Oxidation umfasst. Diese Säure unterliegt: Dehydrierung; Decarboxylierung; Regeneration. Jeder Vorgang wird mehrmals wiederholt. Ergebnis: GTP, Kohlendioxid, reduzierte Form von NADH und FADH 2 . Gleichzeitig befinden sich biologische Oxidationsenzyme frei in der Matrix der mitochondrialen Partikel.
Oxidative Phosphorylierung	Dies ist die letzte Stufe bei der Umwandlung von Verbindungen in eukaryotischen Organismen. Dabei wird Adenosindiphosphat in ATP umgewandelt. Die dafür benötigte Energie wird der Oxidation jener NADH- und FADH 2 -Moleküle entnommen, die in den vorangegangenen Stufen entstanden sind. Durch sukzessive Übergänge entlang der ETC und eine Abnahme der Potentiale wird Energie in makroerge Bindungen von ATP geschlossen.

Dies sind alles Prozesse, die die biologische Oxidation unter Beteiligung von Sauerstoff begleiten. Natürlich werden sie nicht vollständig beschrieben, sondern nur im Wesentlichen, da für eine detaillierte Beschreibung ein ganzes Kapitel des Buches benötigt wird. Alle biochemischen Prozesse lebender Organismen sind äußerst vielfältig und komplex.

Redox-Reaktionsprozess

Redoxreaktionen, von denen Beispiele die oben beschriebenen Prozesse der Substratoxidation veranschaulichen können, sind wie folgt.

1. Glykolyse: Monosaccharid (Glucose) + 2NAD + + 2ADP = 2PVK + 2ATP + 4H + + 2H 2 O + NADH.
2. Pyruvat-Oxidation: PVA + Enzym = Kohlendioxid + Acetaldehyd. Dann der nächste Schritt: Acetaldehyd + Coenzym A = Acetyl-CoA.
3. Viele aufeinanderfolgende Umwandlungen von Zitronensäure im Krebszyklus.

Diese Redoxreaktionen, von denen Beispiele oben angegeben sind, spiegeln das Wesen der ablaufenden Prozesse nur in allgemeiner Weise wieder. Es ist bekannt, dass die betreffenden Verbindungen entweder ein hohes Molekulargewicht haben oder ein großes Kohlenstoffgerüst haben, sodass es einfach nicht möglich ist, alles mit vollständigen Formeln darzustellen.

Energieabgabe der Gewebeatmung

Aus den obigen Beschreibungen ist klar, dass es nicht schwierig ist, die Gesamtenergieausbeute der gesamten Oxidation zu berechnen.

1. Durch Glykolyse werden zwei ATP-Moleküle produziert.
2. Pyruvatoxidation 12 ATP-Moleküle.
3. 22 Moleküle fallen auf den Tricarbonsäurezyklus.

Fazit: Die vollständige biologische Oxidation entlang des aeroben Wegs ergibt eine Energieabgabe, die 36 ATP-Molekülen entspricht. Die Bedeutung der biologischen Oxidation ist offensichtlich. Es ist diese Energie, die von lebenden Organismen zum Leben und Funktionieren sowie zum Erwärmen ihres Körpers, für Bewegung und andere notwendige Dinge verwendet wird.

Anaerobe Oxidation des Substrats

Die zweite Art der biologischen Oxidation ist anaerob. Das heißt, eine, die von allen durchgeführt wird, auf der jedoch Mikroorganismen bestimmter Arten aufhören. und gerade daraus lassen sich die Unterschiede in der weiteren Stoffumwandlung zwischen Aerobiern und Anaerobiern deutlich nachvollziehen.

Entlang dieses Weges gibt es wenige biologische Oxidationsschritte.

1. Glykolyse, also die Oxidation eines Glukosemoleküls zu Pyruvat.
2. Fermentation, die zur Regeneration von ATP führt.

Die Fermentation kann unterschiedlicher Art sein, abhängig von den Organismen, die sie durchführen.

Milchsäuregärung

Es wird von Milchsäurebakterien sowie einigen Pilzen durchgeführt. Das Endergebnis besteht darin, PVC wieder in Milchsäure umzuwandeln. Dieses Verfahren wird in der Industrie verwendet, um Folgendes zu erhalten:

• Milchprodukte;
• eingelegtes Gemüse und Obst;
• Tiersilos.

Diese Art der Fermentation ist eine der am häufigsten verwendeten in den menschlichen Bedürfnissen.

Alkoholische Gärung

Den Menschen seit der Antike bekannt. Das Wesentliche des Prozesses ist die Umwandlung von PVC in zwei Moleküle Ethanol und zwei Kohlendioxid. Aufgrund dieser Produktausbeute wird diese Art der Fermentation verwendet, um Folgendes zu erhalten:

• Brot;
• Schuld;
• Bier;
• Süßwaren und mehr.

Es wird von Pilzen, Hefen und Mikroorganismen bakterieller Natur durchgeführt.

Buttersäuregärung

Eine ziemlich eng spezifische Art der Fermentation. Durchgeführt von Bakterien der Gattung Clostridium. Das Endergebnis ist die Umwandlung von Pyruvat in Buttersäure, die Lebensmitteln einen unangenehmen Geruch und ranzigen Geschmack verleiht.

Daher werden auf diesem Weg ablaufende biologische Oxidationsreaktionen in der Industrie praktisch nicht eingesetzt. Diese Bakterien säen jedoch selbstständig Lebensmittel aus und verursachen Schäden, wodurch ihre Qualität verringert wird.

Während des Stoffwechsels unterliegen Lebensmittelprodukte (Kohlenhydrate, Lipide) einem Katabolismus.

Katabolismus- dies ist der Prozess der Spaltung hochmolekularer Substanzen in niedermolekulare Substanzen, der mit der Freisetzung von Energie einhergeht. Beim Katabolismus wird die Struktur makromolekularer Substanzen vereinfacht.

Die beim Katabolismus freigesetzte Energie wird für die Synthese neuer Substanzen, d.h. während des Anabolismus.

Das Zusammenspiel der Umwandlung von Materie und Energie wird Stoffwechsel genannt.

Oxidationsprozesse finden im Körper und außerhalb des Körpers statt. Diese Prozesse haben Ähnlichkeiten und Unterschiede.

Ähnlichkeiten zwischen Oxidation im Körper und außerhalb des Körpers.

1. Durch die Oxidation entstehen die gleichen Endprodukte CO 2 und H 2 O.
2. Die gleiche Menge an Energie wird freigesetzt.

Unterschiede zwischen Oxidation im Körper und außerhalb des Körpers.

1. Außerhalb des Körpers wird Energie durch die Oxidation von Kohlenstoffatomen und im Körper durch die Oxidation von Wasserstoffatomen freigesetzt.

1. Außerhalb des Körpers verbindet sich Sauerstoff mit dem oxidierten Substrat. Im Körper verbindet sich Sauerstoff nicht mit dem Substrat.
2. Außerhalb des Körpers wird gleichzeitig Energie freigesetzt und nicht akkumuliert, d.h. stockt nicht auf. Im Körper wird Energie portionsweise freigesetzt, „kaskadiert“ und akkumuliert (gespeichert). Die „Kaskaden“-Freisetzung von Energie schützt die Zelle vor Überhitzung.
3. Die Hauptoxidationsreaktion im Körper ist die Dehydrierungsreaktion, d.h. Abspaltung von Wasserstoff (Protonen). Hilfsreaktionen sind Dehydratisierungs- und Decarboxylierungsreaktionen.
4. Der Prozess der Oxidation im Körper ist ein mehrstufiger, enzymatischer Prozess.

Der Prozess der Oxidation von Substraten in biologischen Objekten wird als biologische Oxidation bezeichnet.

Arten der biologischen Oxidation.

1. Gewebeatmung
2. Substratoxidation

Die Gewebeatmung ist ein mehrstufiger enzymatischer Prozess, bei dem Sauerstoff der letzte Elektronenakzeptor ist.

An der Gewebeatmung sind Enzyme beteiligt - Oxidoreduktasen, die die Atmungskette bilden.

Die Atmungskette ist ein Komplex von Oxidoreduktasen, die an der Übertragung von Protonen und Elektronen vom oxidierten Substrat auf Sauerstoff beteiligt sind.

Die Atmungskette befindet sich in den mitochondrialen Cristae.

Die Struktur der Atmungskette.

Die Atmungskette umfasst 4 Gruppen von Enzymen:

1. Pyridin-abhängige Dehydrogenasen – das Coenzym ist NAD, NADP.

2. Flavin-abhängige Dehydrogenasen – das Coenzym ist FAD, FMN.

3. Coenzym Q oder Ubichinon.

4. Cytochrome b, c, a, a 3.

Cytochrome sind Häm-Proteine, die Häm als Nicht-Protein-Teil enthalten. Häm enthält ein Eisenatom, das seine Oxidationsstufe von +3 auf +2 ändern kann, indem es ein Elektron aufnimmt oder abgibt.

Die Atmungskette besteht aus zwei Abschnitten:

1. Eine Stelle, die Pyridin-abhängige Dehydrogenasen enthält - Coenzym Q sorgt für die Übertragung von Protonen und Elektronen. Auf der Ebene von Coenzym Q gehen Protonen in die Umgebung von Mitochondrien, weil Cytochrome sind strukturell in der Lage, nur Elektronen zu tragen.

2. Ein Abschnitt von Cytochromen, der nur die Übertragung von Elektronen gewährleistet.

Die Hauptbedeutung des Cytochromsystems ist die Übertragung von Elektronen von einem oxidierten Substrat auf molekularen Sauerstoff unter Bildung von Wasser:

Schema des Elektronen- und Protonentransports entlang der Atmungskette.

Entlang der Atmungskette werden zwei Protonen und zwei Elektronen vom oxidierten Substrat auf Sauerstoff übertragen.

Coenzyme der Atmungskette, die Protonen und Elektronen aufnehmen, gehen in eine reduzierte Form über und geben sie wieder in eine oxidierte Form um.

Die treibende Kraft, die für die Übertragung von Protonen und Elektronen vom Substrat auf Sauerstoff sorgt, ist die Differenz der Redoxpotentiale. In der Atmungskette kommt es zu einer Erhöhung des Redoxpotentials (von -0,32 auf +0,81 in O 2)

Für die Synthese einer makroergen Bindung von ATP beträgt eine Redoxpotentialdifferenz zwischen den Abschnitten der Atmungskette ungefähr 0,22 V pro übertragenem Elektronenpaar.

Die Länge der Atmungskette (Anzahl der Enzyme) kann unterschiedlich sein und hängt von der Art des oxidierten Substrats ab.

Für die Zelle ist es wichtig, dass das Sauerstoffmolekül, nachdem es 4 Elektronen hinzugefügt hat, vollständig zu zwei Wassermolekülen wiederhergestellt wird. Bei unvollständiger Sauerstoffreduktion entsteht bei Anlagerung von zwei Elektronen Wasserstoffperoxid und bei Anlagerung von einem Elektron Superoxidradikale. Wasserstoffperoxid und Superoxidradikale sind zelltoxisch, weil schädigen Zellmembranen durch Wechselwirkung mit ungesättigten Fettsäureresten von Membranlipiden.

Aerobe Zellen schützen sich vor der Wirkung von Peroxid und Superoxid mit Hilfe von zwei Enzymen: Superoxid-Dismutase und Katalase.

Wege zur Nutzung der Energie des Elektronentransfers.

Wenn ein Elektronenpaar übertragen wird, tritt eine Änderung der freien Energie auf und diese Energie wird auf zwei Arten verwendet:

1. Die Energie des Elektronentransfers wird für die Synthese von ATP verwendet.

2. Die Energie der Elektronenübertragung wird zur Wärmeerzeugung genutzt.

Wenn ein Elektronenpaar entlang der Atmungskette übertragen wird, tritt eine Änderung der freien Energie auf, die 52,6 kcal entspricht. Diese Energie reicht für die Synthese von 3 ATP-Molekülen aus. Die Synthese von drei ATP-Molekülen unter Standardbedingungen erfordert den Verbrauch von kcal.

An den drei Punkten des Elektronentransfers tritt die größte Änderung der freien Energie auf und diese Punkte werden Konjugationspunkte von Gewebeatmung und oxidativer Phosphorylierung genannt.

Oxidative Phosphorylierung ist der Prozess der ATP-Resynthese aus ADP und Fn, verbunden mit Gewebeatmung.

Pairing Points befinden sich in den Bereichen:

1. ÜBER/FAD

3. c a / a 3 O 2

Die Konjugationspunkte sind konstant, ihre Anzahl hängt jedoch von der Art des oxidierten Substrats ab.

Bei der Oxidation von NAD - abhängigen Substraten finden 3 Konjugationspunkte statt, d.h. 3ATP wird freigesetzt, wenn FAD-abhängige Substrate oxidiert werden, finden 2 Konjugationspunkte statt und 3 ATP wird freigesetzt, wenn Cytochrom-abhängige Substrate oxidiert werden, hängt die Menge an ATP davon ab, auf welches Cytochrom-Elektronen abgeladen werden: wenn Elektronen auf Cytochrom abgeladen werden b, 2ATP wird im Prozess der oxidativen Phosphorylierung und auf Cytochrom c - 1ATP freigesetzt.

Der Phosphorylierungskoeffizient ist das P/O-Verhältnis als Indikator für die Konjugation von Atmung und Phosphorylierung.

Es wurde festgestellt, dass bei der Absorption eines Sauerstoffatoms (oder bei der Übertragung eines Elektronenpaars vom Substrat auf Sauerstoff) nicht ein Atom des anorganischen Phosphats absorbiert wird, sondern etwa drei, d.h. der P / O-Koeffizient ist ungefähr gleich 3. D.h. An mindestens drei Knotenpunkten in der Atmungskette ist anorganisches Phosphat an der Bildung von ATP beteiligt.

Der Prozess der biologischen Oxidation darf nicht von der Synthese von ATP begleitet werden.

Eine Oxidation, die nicht von der Synthese von ATP begleitet wird, wird als freie Oxidation bezeichnet. Dabei wird Energie in Form von Wärme freigesetzt. Dies kann unter Einwirkung von Toxinen beobachtet werden und geht mit einem Anstieg der Körpertemperatur einher.

Ursachen der Verletzung der biologischen Oxidation.

1. Mangel an Oxidationssubstraten (Kohlenhydrate, Lipide, d. h. Nahrung).

2. Verletzung der Arbeit von Enzymen in der Atmungskette:

1. Apoenzymdefekt (Synthese des Proteinteils des Enzyms ist gestört).

2. Coenzym-Defekt (gestörte Synthese von Coenzymen durch Mangel an Vitamin B 2, B 5, K).

3. Sauerstoffmangel.

4. Wirkung von Inhibitoren.

Aminobarbital hemmt den Transfer von Protonen und Elektronen in die NAD/FAD-Stelle, die Oxidation von NAD-abhängigen Substraten stoppt.

Antimycin hemmt den Elektronentransfer an der Stelle von Cytochrom b, Cytochrom c.

Cyanaden hemmen den Elektronentransfer an der Cytochromoxidase/Sauerstoff-Stelle.

Unter den meisten physiologischen Bedingungen ist Elektronentransfer mit oxidativer Phosphorylierung verbunden.

Eine Reihe von Verbindungen kann eine Entkopplung der Gewebeatmung und der oxidativen Phosphorylierung bewirken. Die Entkoppler dieser Prozesse sind die folgenden Verbindungen: 2,4 - Dinitrophenol, Schilddrüsenhormon - Thyroxin, Dicumarin und seine Derivate, Fettsäuren.

Die Entkopplung von oxidativer Phosphorylierung und Gewebeatmung kann biologisch vorteilhaft sein. Die Entkopplung ist eine Möglichkeit, Wärme zu erzeugen, um die Körpertemperatur bei überwinternden Tieren und kälteangepassten Säugetieren aufrechtzuerhalten. Als Entkoppler wirken Fettsäuren, die sich im braunen Fettgewebe anreichern. Neugeborene haben auch solches braunes Fett, das es ermöglicht, die Körpertemperatur mit einem noch unvollkommenen Thermoregulationssystem aufrechtzuerhalten.

Bei Patienten mit Überfunktion der Schilddrüse wird ein Anstieg der Körpertemperatur festgestellt, der auf die Entkopplung der durch Thyroxin verursachten Prozesse der Gewebeatmung und der oxidativen Phosphorylierung zurückzuführen ist.

Bei Sauerstoffmangel im Gewebe ist der Prozess der Gewebeatmung schwierig und es kommt zu einer Substratoxidation im Gewebe.

Die Substratoxidation ist ein Oxidationsprozess, bei dem der endgültige Elektronenakzeptor eher das Substrat als Sauerstoff ist.

Die Substratoxidation ist eine Notenergiequelle in Abwesenheit von Sauerstoff.

Sauerstoffmangel (Hypoxie) tritt im Körper bei körperlicher Arbeit, beim Bergsteigen, Absenken unter Wasser, bei Erkrankungen der Atemwege, des Herz-Kreislauf-Systems und des hämatopoetischen Systems auf.

Die Substratoxidation ist energetisch ungünstiger als die Gewebeatmung, da die Redoxpotentiale der Substrate unterscheiden sich nur unwesentlich.

Im Körper ist neben der oxidativen Phosphorylierung der energieliefernde Prozess die Substratphosphorylierung.

Substratphosphorylierung ist der Prozess der Bildung von makroergen Verbindungen aufgrund der makroergen Bindungen des Substrats.

Die wichtigste makroerge Verbindung ist ATP.

Die Energie makroerger Bindungen wird in einer Reihe von Verbindungen gespeichert: Kreatinphosphat, 1,3-Diphosphoglycerat, GTP usw.

biologische Oxidation

Gewebeatmung Freie Oxidation Substratoxidation

Bezogen auf Energie

oxidativ ausgeschieden

Phosphorylierung als Wärme

Energie wird freigesetzt

in Form von ATP

Phosphorylierung

Oxidative Phosphorylierung Substratphosphorylierung

assoziiert mit mitochondrialen Membranen, nicht assoziiert mit Membranen

URAL STAATLICHE MEDIZINISCHE AKADEMIE

Institut für Bioorganische und Biologische Chemie

KURSARBEIT ZUM THEMA:

biologische Oxidation.

Künstler: Studenten

Pädiatrie

Fakultät 223 Gruppen

Zaruba N.S., Chashchina E.E.

Aufsicht: AssistenzprofessorIn,

Promotion Trubatschow S.D.

Rezensent:

Jekaterinburg 2002.

I. Einführung…………………………………………………………………...3

II. Allgemeine Ideen zur biologischen Oxidation.

Redoxsysteme und Potentiale……..3

III. Möglichkeiten der Nutzung von Sauerstoff in der Zelle……………………………...5

Oxidase-Weg für die Verwendung von Sauerstoff. Mitochondrien.

Enzyme, ihre Lokalisation und Bedeutung bei Oxidationsprozessen…….5

IV. Phasen der energetischen Verwertung von Nährstoffen…………………...6

V. Oxidative Phosphorylierung…………………………………………9

Mitchells chemiosmotische Theorie……..……….………………..9

Redox - Kette der oxidativen Phosphorylierung………………10

VI. Krebs Zyklus……………………………………………………………………………………………………………………………… ………………21

Eröffnung des CTC……………………………………………………..22

Reaktionen, Enzyme. Verordnung …………………………………...23

VII. Makroerge Verbindungen und Bindungen……………………………...29

VIII. Vitamin RR. Beteiligung an Oxidationsprozessen…………………….30

IX. Mikrosomale Oxidation………………………………………………31

Monooxygenase-Reaktionen……………………………………………31

Dioxygenase-Reaktionen……………………………………………….32

Cytochrome……………………………………………………………32

X. Peroxidase-Weg der Sauerstoffverwertung…………………..33

XI. Enzymatischer antioxidativer Schutz…………………………34

Superoxiddismutase, Katalase, Peroxidase………………….34

XII. Nicht-enzymatischer antioxidativer Schutz………………………35

Vitamine C, E und P…………………………………………….…...35

XIII. Fazit …………………………………………………………..38

XIV. Referenzen………………………………………………………..39

Einführung.

In der Chemie wird Oxidation als Entfernung von Elektronen definiert, während Reduktion als Hinzufügung von Elektronen definiert wird; dies kann am Beispiel der Oxidation eines Ferro-Ions zu einem Ferri-Ion verdeutlicht werden:

Fe 2+ -e → Fe 3+

Daraus folgt, dass die Oxidation immer von der Reduktion des Elektronenakzeptors begleitet ist. Dieses Prinzip der Redoxprozesse ist gleichermaßen auf biochemische Systeme anwendbar und charakterisiert die Natur biologischer Oxidationsprozesse.

Obwohl einige Bakterien (Anaerobier) ohne Sauerstoff leben, hängt das Leben höherer Tiere vollständig von der Sauerstoffversorgung ab. Sauerstoff wird hauptsächlich im Prozess der Atmung verwendet – letzterer kann als Prozess der Aufnahme von Zellenergie in Form von ATP während der kontrollierten Zugabe von Sauerstoff mit Wasserstoff zur Bildung von Wasser definiert werden. Darüber hinaus ist molekularer Sauerstoff in verschiedenen Substraten unter Beteiligung von Enzymen, den sogenannten Oxygenasen, enthalten. Viele Medikamente, körperfremde Stoffe, Karzinogene (Xenobiotika) werden von Enzymen dieser Klasse angegriffen, die zusammen als Cytochrom P 450 bezeichnet werden.

Hypoxische Störungen des Zellstoffwechsels nehmen einen führenden Platz in der Pathogenese kritischer Zustände ein. Die Hauptrolle bei der Bildung der Irreversibilität pathologischer Prozesse wird extremen Manifestationen von Störungen des Zellstoffwechsels zugeschrieben. Eine ausreichende Versorgung der Zelle mit Sauerstoff ist die wichtigste Voraussetzung für die Aufrechterhaltung ihrer Lebensfähigkeit.

Das Einbringen von Sauerstoff kann das Leben von Patienten mit eingeschränkter Atmung oder Durchblutung retten. Die Hochdrucksauerstofftherapie wurde in einigen Fällen erfolgreich eingesetzt; Es sollte jedoch beachtet werden, dass eine intensive oder längere Hochdruck-Sauerstofftherapie eine Sauerstofftoxizität verursachen kann.

Als wir diese Arbeit schrieben, hatten wir ein Ziel: die biologische Oxidation und ihre Bedeutung für das Leben der Zelle und des gesamten Organismus zu untersuchen. Dazu haben wir uns überlegt:

Die Verwendung von Sauerstoff durch die Zelle;

Zellenergiequellen - Zitronensäurezyklus (Krebs-Zyklus), oxidative Phosphorylierung;

mikrosomale Oxidation;

Antioxidativer Schutz

Allgemeine Ideen zur biologischen Oxidation.

Redoxsysteme und Potentiale.

Die Energiequelle für alle Arten von Arbeit (chemische, mechanische, elektrische und osmotische) ist die Energie der chemischen Bindung. Die Freisetzung von Energie aus Kohlenhydraten, Fetten, Proteinen und anderen organischen Verbindungen erfolgt während ihres Redoxzerfalls. Die freigesetzte Energie wird für die Synthese von ATP aufgewendet.

Die Änderung der freien Energie, die die Oxidations- und Reduktionsreaktionen charakterisiert, ist proportional zur Fähigkeit der Reaktanten, Elektronen abzugeben oder aufzunehmen. Daher kann die Änderung der freien Energie des Redoxprozesses nicht nur durch den Wert von DG 0 ", sondern auch durch den Wert des Redoxpotentials des Systems (Eo) charakterisiert werden. Üblicherweise ist das Redoxpotential des Systems verglichen mit dem Potential der Wasserstoffelektrode, wobei letzteres als Null angenommen wird, 0 V bei pH \u003d 0. Für biologische Systeme ist es jedoch bequemer, das Redoxpotential bei pH \u003d 7,0 (Eo ") zu verwenden; bei diesem pH-Wert beträgt das Potential der Wasserstoffelektrode -0,42 V.

Anhand von Tabelle 1 kann man vorhersagen, in welche Richtung der Elektronenfluss geht, wenn man ein Redoxsystem konjugiert.

Table 1. Standardpotentiale einiger Redoxsysteme.

Möglichkeiten der Verwendung von Sauerstoff in der Zelle.

Es gibt drei Möglichkeiten, Sauerstoff in der Zelle zu nutzen, die durch folgende Reaktionen gekennzeichnet sind:

1) Oxidase-Weg (90 % des einströmenden Sauerstoffs werden unter Beteiligung des Cytochrom-Oxidase-Enzyms zu H 2 O reduziert)

0 2 + 4e + 4H + → 2H 2 O

2) Oxygenase-Weg (Einschluss eines Sauerstoffatoms in das Substrat – Monooxygenase-Weg, zwei Sauerstoffatome – Dioxygenase-Weg) – Monooxygenase-Weg

Dioxygenase-Weg

3) Radikalweg (geht ohne Beteiligung von Enzymen und ATP wird nicht gebildet).

Oxidase-Weg für die Verwendung von Sauerstoff. Mitochondrien. Enzyme, ihre Lokalisierung und Bedeutung im Oxidationsprozess.

Mitochondrien werden zu Recht als „Energiestationen“ der Zelle bezeichnet, da in diesen Organellen hauptsächlich die durch oxidative Prozesse zugeführte Energie gespeichert wird. Das mitochondriale System der Konjugation oxidativer Prozesse mit der Erzeugung des energiereichen ATP-Zwischenprodukts wird als oxidative Phosphorylierung bezeichnet.

Mitochondrien haben eine äußere Membran, die für die meisten Metaboliten durchlässig ist, und eine selektiv durchlässige innere Membran mit vielen Falten (Cristae), die in Richtung der Matrix (dem Innenraum der Mitochondrien) vorstehen. Die äußere Membran kann durch Behandlung mit Digitonin entfernt werden; sie ist durch das Vorhandensein von Monoaminoxidase und einigen anderen Enzymen (z. B. Acyl-CoA-Synthetase, Glycerophosphat-Acyltransferase, Monoacylglycerophosphat-Acyltransferase, Phospholipase A2) gekennzeichnet. Der Intermembranraum enthält Adenylatkinase und Kreatinkinase. Das Phospholipid Cardiolipin ist in der inneren Membran lokalisiert.

Die Matrix enthält lösliche Enzyme des Zitronensäurezyklus und Enzyme der b-Oxidation von Fettsäuren, daher besteht ein Bedarf an Mechanismen für den Transport von Metaboliten und Nukleotiden durch die innere Membran. Succinatdehydrogenase ist auf der inneren Oberfläche der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert, wo sie die reduktiven Äquivalente der Atmungskette auf der Ebene von Ubichinon (unter Umgehung der ersten Redoxschleife) überträgt. 3-Hydroxybutyrat-Dehydrogenase ist auf der Matrixseite der inneren Mitochondrienmembran lokalisiert. Glycerol-3-Phosphat-Dehydrogenase befindet sich auf der äußeren Oberfläche der inneren Membran, wo sie an der Funktion des Glycerophosphat-Shuttle-Mechanismus beteiligt ist.

Stufen der energetischen Verwertung von Nährstoffen.

Die energetische Verwertung von Nährstoffen ist ein komplexer Prozess, der in drei Stufen nach folgendem Schema abläuft:

Schema 1. Stadien des Nährstoffkatabolismus.

In Stufe 1 zerfallen große Polymermoleküle in monomere Untereinheiten: Proteine ​​in Aminosäuren, Polysaccharide in Zucker und Fette in Fettsäuren und Cholesterin. Dieser vorbereitende Prozess, der als Verdauung bezeichnet wird, wird hauptsächlich außerhalb der Zellen durch die Wirkung von Enzymen durchgeführt, die in den Hohlraum des Verdauungstrakts ausgeschieden werden. In Stufe 2 gelangen die gebildeten kleinen Moleküle in die Zellen und werden im Zytoplasma weiter gespalten. Die meisten Kohlenstoff- und Wasserstoffatome von Zuckern werden in Pyruvat umgewandelt, das, nachdem es in die Mitochondrien eingedrungen ist, dort die Acetylgruppe der reaktiven Verbindung von Acetyl-Coenzym A (Acetyl-CoA) bildet. Auch bei der Oxidation von Fettsäuren entsteht eine große Menge Acetyl-CoA. In Stufe 3 ist die Acetylgruppe von Acetyl-CoA vollständig zu CO 2 und H 2 O gespalten. In dieser letzten Stufe wird das meiste ATP gebildet. In einer Reihe gekoppelter chemischer Reaktionen wird mehr als die Hälfte der Energie, die nach theoretischen Berechnungen Kohlenhydraten und Fetten bei der Oxidation zu H 2 O und CO 2 entzogen werden kann, zur Durchführung der energetisch ungünstigen Reaktion F n verwendet + ADP ® ATP. Da der Rest der bei der Oxidation freigesetzten Energie von der Zelle in Form von Wärme freigesetzt wird, führt die Bildung von ATP zu einer allgemeinen Zunahme der Unordnung des Universums, was vollständig mit dem zweiten Hauptsatz der Thermodynamik übereinstimmt.

Durch die Bildung von ATP wird die ursprünglich durch Oxidation aus Kohlenhydraten und Fetten gewonnene Energie in eine bequemere konzentrierte Form chemischer Energie umgewandelt. In einer Lösung, die sich im intrazellulären Raum einer typischen Zelle befindet, befinden sich etwa 1 Milliarde ATP-Moleküle, deren Hydrolyse zu ADP und Phosphat die notwendige Energie für viele energetisch ungünstige Reaktionen liefert.

Der wichtigste Schritt in Stufe 2 des Katabolismus ist die Glykolyse, eine Abfolge von Reaktionen, die zum Abbau von Glukose führen. Während der Glykolyse wird ein Glucosemolekül mit 6 Kohlenstoffatomen in 2 Pyruvatmoleküle mit jeweils 3 Kohlenstoffatomen umgewandelt. Diese Umwandlung erfordert 9 aufeinanderfolgende enzymatische Reaktionen, bei denen eine Reihe von phosphathaltigen Zwischenverbindungen gebildet werden. (Siehe Abbildung 1.)

Logischerweise kann die Abfolge der Glykolysereaktionen in drei Stufen unterteilt werden: 1) In den Reaktionen 1-4 (siehe Abbildung 1) wird Glucose in Aldehyd mit drei Kohlenstoffatomen Glycerinaldehyd-3-phosphat umgewandelt (zwei Phosphatgruppen werden für diese Umwandlung benötigt, und die notwendige Energie wird während der Hydrolyse ATP freigesetzt); 2) in den Reaktionen 5-6 wird die Aldehydgruppe jedes Glyceraldehyd-3-phosphat-Moleküls zu Carboxyl oxidiert, und die in diesem Fall freigesetzte Energie wird für die Synthese von ATP aus ADP und Fn aufgewendet; 3) In den Reaktionen 7-9 werden die beiden Phosphatmoleküle, die in der ersten Stufe an den Zucker gebunden waren, wieder in ADP überführt, wodurch ATP gebildet und die ATP-Kosten in Stufe 1 kompensiert werden.

Abbildung 1. Zwischenprodukte der Glykolyse.

Die Gesamtenergieabgabe während der Glykolyse reduziert sich auf die Synthese von zwei ATP-Molekülen (pro Glucosemolekül), die in den Reaktionen 5 und 6 entstanden sind. Somit sind diese Reaktionen von entscheidender Bedeutung für die Glykolyse. Diese beiden Reaktionen sind die einzigen im gesamten Prozess, bei denen aus Fn eine hochenergetische Phosphatbindung entsteht. Das kombinierte Ergebnis dieser beiden Reaktionen ist die Oxidation von Zuckeraldehyd zu Phosphoglycerinsäure, die Übertragung von Fn auf ADP zur Bildung einer hochenergetischen ATP-Bindung und die Reduktion von NAD+ zu NADH.

Bei den meisten tierischen Zellen geht die Glykolyse dem Stadium 3 des Katabolismus voraus, wie z Während der Glykolyse gebildete Milchsäure gelangt schnell in die Mitochondrien, wo sie zu CO 2 und H 2 O oxidiert wird. Dennoch kann die Glykolyse in anaeroben Organismen und Geweben, die unter anaeroben Bedingungen arbeiten können, zur Hauptquelle für zelluläres ATP werden. In diesen Fällen verbleiben die Pyruvatmoleküle im Zytosol und werden in Laktat umgewandelt, das dann aus der Zelle ausgeschieden wird. Die weitere Umsetzung von Pyruvat in diesen energieliefernden Reaktionen, Fermentation genannt, ist erforderlich, um das in Reaktion 5 der Glykolyse gewonnene Reduktionspotential voll auszuschöpfen und somit das für die weitere Durchführung der Glykolyse notwendige NAD+ zu regenerieren.

oxidative Phosphorylierung.

Die oxidative Phosphorylierung ermöglicht es aeroben Organismen, einen erheblichen Teil der potenziellen freien Energie der Substratoxidation einzufangen. Eine mögliche Erklärung für den Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung bietet die chemiosmotische Theorie. Eine Reihe von Medikamenten (z. B. Amobarbital) und Giften (Cyanid, Kohlenmonoxid) hemmen die oxidative Phosphorylierung, meist mit tödlichen Folgen. Die oxidative Phosphorylierung ist ein so lebenswichtiger Prozess, dass eine Störung ihres normalen Ablaufs mit dem Leben nicht vereinbar ist. Dies könnte erklären, warum nur wenige genetische Störungen gefunden wurden, die dieses System betreffen.

Obwohl der Zitronensäurezyklus Teil des aeroben Stoffwechsels ist, ist keine der Reaktionen dieses Zyklus, die zur Bildung von NADH und FADH 2 führen, direkt am molekularen Sauerstoff beteiligt; dies tritt nur in der letzten Reihe von katabolischen Reaktionen auf, die an der inneren Membran auftreten. Nahezu die gesamte Energie, die in den frühen Stadien der Oxidation aus der Verbrennung von Kohlenhydraten, Fetten und anderen Nährstoffen gewonnen wird, wird zunächst in Form von hochenergetischen Elektronen gespeichert, die von NADH und FADH getragen werden. Diese Elektronen interagieren dann mit molekularem Sauerstoff in der Atmungskette. Da ein großer Teil der freigesetzten Energie von den Enzymen der inneren Membran verwendet wird, um ATP aus ADP und Pn zu synthetisieren, werden diese letzteren Reaktionen als oxidative Phosphorylierung bezeichnet.

Die Synthese von ATP hängt von den in der Atmungskette ablaufenden Reaktionen der oxidativen Phosphorylierung ab Chemiosmotischer Prozess . Der 1961 erstmals vorgeschlagene Mechanismus dieses Prozesses ermöglichte die Lösung eines Problems, mit dem die Zellbiologie schon lange konfrontiert war.

Bisher wurde angenommen, dass die Energie für die ATP-Synthese in der Atmungskette durch denselben Mechanismus bereitgestellt wird wie bei der Substratphosphorylierung: Es wurde angenommen, dass die Oxidationsenergie verwendet wird, um eine hochenergetische Bindung zwischen der Phosphatgruppe und einer Zwischenverbindung zu bilden , und dass die Umwandlung von ADP zu ATP aufgrund der beim Bruch der Bindung freigesetzten Energie erfolgt. Trotz intensiver Suche wurde das mutmaßliche Zwischenprodukt jedoch nicht gefunden.

Nach der chemiosmotischen Hypothese gibt es statt energiereicher Zwischenprodukte einen direkten Zusammenhang zwischen chemischen Prozessen („chemi …“) und Transport (osmotisch, von griech. osmos – Stoß, Druck) - Chemiosmotische Kopplung.

Die chemiosmotische Hypothese, die Anfang der 1960er Jahre vorgeschlagen wurde, umfasste vier unabhängige Postulate zur Funktion der Mitochondrien:

1. Die mitochondriale Atmungskette, die sich in der inneren Membran befindet, ist in der Lage, Protonen zu bewegen; Wenn Elektronen die Atmungskette passieren, wird H + aus der Matrix „herausgepumpt“.

2. Der mitochondriale ATP-Synthetase-Komplex bewegt auch Protonen über die innere Membran. Da dieser Prozess reversibel ist, kann das Enzym nicht nur die Energie der ATP-Hydrolyse nutzen, um H + über die Membran zu transportieren, sondern bei einem ausreichend großen Protonengradienten beginnen Protonen in entgegengesetzter Richtung durch die ATP-Synthetase zu „fließen“, was einhergeht durch ATP-Synthese.

3. Die innere Membran der Mitochondrien ist undurchlässig für H + , OH – und allgemein alle Anionen und Kationen.

4. Die innere Mitochondrienmembran enthält eine Reihe von Trägerproteinen, die den Transport von notwendigen Metaboliten und anorganischen Ionen durchführen.

Der Durchgang hochenergetischer Elektronen, die von NADH und FADH 2 durch die Atmungskette der inneren Mitochondrienmembran von einem Träger zum nächsten geliefert werden, setzt Energie frei, die verwendet wird, um Protonen (H +) durch die innere Membran von der Matrix in die zu pumpen Zwischenmembranraum. (siehe Bild 2)

Abbildung 2. Protonentransfer unter Beteiligung des ATP-Synthase-Systems (Mitchell-Modell).

Dadurch entsteht auf der inneren Membran ein elektrochemischer Protonengradient; Die Energie des Rückstroms von Protonen „nach unten“ entlang dieses Gradienten nutzt das membrangebundene Enzym ATP-Synthetase, das die Bildung von ATP aus ADP und Pn katalysiert, d.h. letzte Stufe der oxidativen Phosphorylierung.

Redoxkette der oxidativen Phosphorylierung.

Elektronen werden durch drei große Enzymkomplexe der Atmungskette von NADH auf Sauerstoff übertragen. Obwohl die Mechanismen zur Energiegewinnung in der Atmungskette und bei anderen katabolen Reaktionen unterschiedlich sind, basieren sie auf gemeinsamen Prinzipien. Die Reaktion H 2 + 1/2 O 2 ® H 2 O wird in viele kleine „Schritte“ zerlegt, sodass die freigesetzte Energie in gebundene Formen umgewandelt werden kann und nicht als Wärme abgeführt wird. Wie bei der Bildung von ATP und NADH in der Glykolyse oder im Zitronensäurezyklus ist dies auf die Nutzung eines indirekten Weges zurückzuführen. Die Einzigartigkeit der Atmungskette liegt aber darin, dass hier zunächst Wasserstoffatome in Elektronen und Protonen gespalten werden. Elektronen werden durch eine Reihe von Ladungsträgern übertragen , Eingebettet in die innere Mitochondrienmembran. Wenn die Elektronen das Ende dieser Elektronentransportkette erreichen, sind die Protonen da, um die negative Ladung zu neutralisieren, die entsteht, wenn die Elektronen zum Sauerstoffmolekül gelangen.

Lassen Sie uns den Oxidationsprozess verfolgen, beginnend mit der Bildung von NADH, dem Hauptakzeptor reaktiver Elektronen, die während der Oxidation von Nährstoffmolekülen extrahiert werden. Jedes Wasserstoffatom besteht aus einem Elektron und einem Proton. Jedes NADH-Molekül trägt ein Hydridion (Wasserstoffatom + zusätzliches Elektron, H:-) und nicht nur ein Wasserstoffatom. Aufgrund des Vorhandenseins freier Protonen in der umgebenden wässrigen Lösung entspricht die Übertragung eines Hydridions in der Zusammensetzung von NADH jedoch der Übertragung von zwei Wasserstoffatomen oder einem Wasserstoffmolekül (H: - + H + ® H 2) .

Die Übertragung von Elektronen entlang der Atmungskette beginnt mit der Entfernung eines Hydridions (H: -) von NADH; in diesem Fall wird NAD + regeneriert und das Hydrid-Ion verwandelt sich in ein Proton und zwei Elektronen (H: - ® H + + 2e -). Diese Elektronen gehen zum ersten von über 15 verschiedenen Elektronenträgern in der Atmungskette. An diesem Punkt haben die Elektronen eine sehr große Energiemenge, deren Vorrat beim Durchgang durch den Stromkreis allmählich abnimmt. Meistens bewegen sich Elektronen von einem Metallatom zum anderen, wobei jedes dieser Atome fest an ein Proteinmolekül gebunden ist, was seine Elektronenaffinität beeinflusst. Es ist wichtig zu beachten, dass alle Elektronenträgerproteine ​​​​in drei große Komplexe von Atmungsenzymen eingeteilt sind, von denen jeder Transmembranproteine ​​​​enthält, die den Komplex fest in der inneren Mitochondrienmembran fixieren. Jeder nachfolgende Komplex hat eine größere Affinität zu Elektronen als der vorherige. Elektronen gehen sukzessive von einem Komplex zum anderen über, bis sie schließlich zu Sauerstoff übergehen, der die höchste Elektronenaffinität hat.

Die beim Transport von Elektronen entlang der Atmungskette freigesetzte Energie wird in Form eines elektrochemischen Protonengradienten über die innere Mitochondrienmembran gespeichert.

Oxidative Phosphorylierung ist aufgrund der engen Assoziation von Elektronenträgern mit Proteinmolekülen möglich. Proteine ​​lenken Elektronen entlang der Atmungskette, sodass sie nacheinander von einem Enzymkomplex zum anderen gelangen, ohne durch Zwischenglieder zu „springen“. Besonders wichtig ist, dass die Übertragung von Elektronen mit allosterischen Veränderungen in bestimmten Proteinen von Molekülen verbunden ist, wodurch ein energetisch günstiger Elektronenfluss das Pumpen von Protonen (H +) durch die innere Membran von der Matrix in die Intermembran bewirkt Raum und weiter über die Mitochondrien hinaus. Die Bewegung von Protonen führt zu zwei wichtigen Konsequenzen: 1) Zwischen den beiden Seiten der inneren Membran entsteht ein pH-Gradient – ​​in der Matrix ist der pH-Wert höher als im Cytosol, wo der pH-Wert normalerweise nahe bei 7,0 liegt (seit kleine Moleküle passieren ungehindert die äußere Membran der Mitochondrien, der pH-Wert im Zwischenmembranraum ist derselbe wie im Zytosol); 2) An der inneren Membran wird ein Spannungsgradient (Membranpotential) erzeugt, und die Innenseite der Membran wird negativ und die Außenseite positiv geladen. Der pH-Gradient (DрН) bewirkt, dass H+-Ionen zurück in die Matrix und OH-Ionen aus der Matrix wandern, was die Wirkung des Membranpotentials verstärkt, unter dessen Einfluss jede positive Ladung von der Matrix angezogen wird, und jede negative wird daraus herausgedrängt. Die kombinierte Wirkung dieser beiden Kräfte führt zum Auftreten eines elektrochemischen Protonengradienten. Der elektrochemische Protonengradient erzeugt eine Protonenantriebskraft, gemessen in Millivolt (mV).

Die Energie des elektrochemischen Protonengradienten wird für die ATP-Synthese und den Transport von Metaboliten und anorganischen Ionen in die Matrix verwendet.

Die innere Membran der Mitochondrien zeichnet sich durch einen ungewöhnlich hohen Proteingehalt aus – sie enthält etwa 70 % Protein und 30 % Phospholipide nach Gewicht. Viele dieser Proteine ​​sind Teil der Elektronentransportkette, die den Protonengradienten über die Membran aufrechterhält. Ein weiterer wichtiger Bestandteil - das Enzym ATP-Synthase, das die Synthese von ATP katalysiert. Das ist ein großer Proteinkomplex, durch den Protonen entlang eines elektrochemischen Gradienten in die Matrix zurückfließen. Wie eine Turbine wandelt die ATP-Synthetase eine Energieform in eine andere um und synthetisiert ATP aus ADP und Pn in der mitochondrialen Matrix in einer Reaktion, die mit einem Protonenfluss in die Matrix gekoppelt ist (siehe Abbildung 3).

Abbildung 3. Allgemeiner Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung.

Aber die Synthese von ATP ist nicht der einzige Prozess, der aufgrund der Energie des elektrochemischen Gradienten abläuft. In der Matrix, wo sich die am Zitronensäurezyklus und anderen Stoffwechselreaktionen beteiligten Enzyme befinden, ist es notwendig, hohe Konzentrationen verschiedener Substrate aufrechtzuerhalten; insbesondere benötigt ATP-Synthetase ADP und Phosphat. Daher müssen verschiedene ladungstragende Substrate über die innere Membran transportiert werden. Dies wird durch verschiedene in die Membran eingebettete Transportproteine ​​erreicht, von denen viele aktiv bestimmte Moleküle gegen ihre elektrochemischen Gradienten pumpen, d.h. einen Vorgang ausführen, der Energie benötigt. Für die meisten Metaboliten ist die Quelle dieser Energie die Konjugation mit der Bewegung einiger anderer Moleküle "nach unten" entlang ihres elektrochemischen Gradienten. Beispielsweise ist das ADP-ATP-Antiport-System am ADP-Transport beteiligt: ​​Wenn jedes ADP-Molekül in die Matrix eintritt, verlässt ein ATP-Molekül diese entlang seines elektrochemischen Gradienten. Gleichzeitig koppelt das Symportsystem den Transfer von Phosphat in die Mitochondrien mit dem dorthin gerichteten H+-Fluss: Protonen dringen entlang ihres Gradienten in die Matrix ein und „ziehen“ gleichzeitig Phosphat mit. Es wird in ähnlicher Weise auf die Matrix und das Pyruvat übertragen. Die Energie des elektrochemischen Protonengradienten wird auch genutzt, um Ca 2+ -Ionen in die Matrix zu transferieren, die offenbar eine wichtige Rolle bei der Regulierung der Aktivität einiger mitochondrialer Enzyme spielen.

Je mehr Energie der elektrochemische Gradient für den Transfer von Molekülen und Ionen zu den Mitochondrien aufwendet, desto weniger bleibt für die ATP-Synthese übrig. Wenn beispielsweise isolierte Mitochondrien in eine Umgebung mit hohem Ca 2 + -Gehalt gebracht werden, stoppen sie die ATP-Synthese vollständig; die gesamte Energie des Gradienten wird für den Transport von Ca 2+ zur Matrix aufgewendet. In manchen spezialisierten Zellen wird der elektrochemische Protonengradient so „umgeleitet“, dass die Mitochondrien statt ATP-Synthese Wärme produzieren. Offensichtlich sind Zellen in der Lage, den Energieeinsatz des elektrochemischen Protonengradienten zu regulieren und auf die gerade wichtigsten Prozesse zu lenken.

Die schnelle Umwandlung von ADP in ATP in Mitochondrien ermöglicht es, ein hohes Verhältnis von ATP/ADP-Konzentrationen in Zellen aufrechtzuerhalten. Mit Hilfe eines speziellen Proteins, das in die innere Membran eingebaut ist, wird ADP nach dem Antiport-Prinzip im Austausch gegen ATP in die Matrix transportiert. Infolgedessen gelangen ADP-Moleküle, die während der ATP-Hydrolyse im Zytosol freigesetzt werden, schnell in die Mitochondrien, um sich „aufzuladen“, während ATP-Moleküle, die während der oxidativen Phosphorylierung in der Matrix gebildet werden, ebenfalls schnell in das Zytosol austreten, wo sie benötigt werden. Im menschlichen Körper ATP-Moleküle pro Tag, was es ermöglicht, eine ATP-Konzentration in der Zelle aufrechtzuerhalten, die mehr als 10-mal höher ist als die ADP-Konzentration.

Bei der oxidativen Phosphorylierung liefert jedes NADH-Elektronenpaar Energie für die Bildung von etwa drei ATP-Molekülen. Ein Paar FADH 2 -Elektronen, das eine niedrigere Energie hat, liefert Energie für die Synthese von nur zwei ATP-Molekülen. Im Durchschnitt liefert jedes Acetyl-CoA-Molekül, das in den Zitronensäurezyklus eintritt, etwa 12 ATP-Moleküle. Das heißt, wenn ein Molekül Glucose oxidiert wird, werden 24 ATP-Moleküle gebildet, und wenn ein Molekül Palmitat, eine Fettsäure mit 16 Kohlenstoffatomen, oxidiert wird, werden 96 ATP-Moleküle gebildet. Wenn wir auch die exothermen Reaktionen berücksichtigen, die der Bildung von Acetyl-CoA vorausgehen, stellt sich heraus, dass die vollständige Oxidation eines Glucosemoleküls etwa 36 ATP-Moleküle produziert, während die vollständige Oxidation von Palmitat etwa 129 ATP-Moleküle produziert. Dies sind die Maximalwerte, da die in Mitochondrien synthetisierte ATP-Menge tatsächlich davon abhängt, welcher Anteil der Protonengradientenenergie für die ATP-Synthese und nicht für andere Prozesse verwendet wird. Wenn wir die Änderung der freien Energie bei der Verbrennung von Fetten und Kohlenhydraten direkt mit CO 2 und H 2 O mit der Gesamtenergiemenge vergleichen, die in den Phosphatbindungen von ATRP bei den Prozessen der biologischen Oxidation gespeichert ist, stellt sich heraus, dass die Effizienz von Die Umwandlung der Oxidationsenergie in ATP-Energie übersteigt oft 50%. Da die gesamte ungenutzte Energie als Wärme freigesetzt wird, bräuchten große Organismen effizientere Wege, um Wärme an die Umgebung abzugeben.

Die enorme Menge an freier Energie, die bei der Oxidation freigesetzt wird, kann nur in kleinen Portionen effektiv genutzt werden. Der komplexe Prozess der Oxidation umfasst viele Zwischenprodukte, die sich jeweils nur geringfügig vom vorherigen unterscheiden. Dadurch wird die freigesetzte Energie in kleinere Mengen zerlegt, die durch gekoppelte Reaktionen effizient in hochenergetische Bindungen von ATP- und NADH-Molekülen umgewandelt werden können.

1960 wurde erstmals gezeigt, dass verschiedene Membranproteine, die an der oxidativen Phosphorylierung beteiligt sind, ohne Aktivitätsverlust isoliert werden können. Von der Oberfläche der subchondrialen Partikel konnten die winzigen Proteinstrukturen, die sie punktierten, abgetrennt und in eine lösliche Form überführt werden. Obwohl subchondriale Partikel ohne diese sphärischen Strukturen weiterhin NADH in Gegenwart von Sauerstoff oxidierten, fand keine ATP-Synthese statt. Andererseits fungierten die isolierten Strukturen als ATPasen, die ATP zu ADP und Pn hydrolysierten. Wenn sphärische Strukturen (F1-ATPasen genannt) zu subchondrialen Partikeln hinzugefügt wurden, denen sie fehlten, synthetisierten die umgeformten Partikel ATP aus ADP und Fn neu.

F 1 - ATPase ist Teil eines großen, die gesamte Dicke der Membran durchdringenden Komplexes, der aus mindestens neun verschiedenen Polypeptidketten besteht. Dieser Komplex wird ATP-Synthetase genannt; es macht etwa 15 % des Gesamtproteins der inneren Mitochondrienmembran aus. Sehr ähnliche ATP-Synthetasen finden sich in den Membranen von Chloroplasten und Bakterien. Ein derartiger Proteinkomplex enthält Transmembrankanäle für Protonen und tritt nur auf, wenn Protonen entlang ihres elektrochemischen Gradienten diese Kanäle passieren.

ATP-Synthetase kann in die entgegengesetzte Richtung wirken – ATP spalten und Protonen pumpen. Die Wirkung der ATP-Synthetase ist reversibel: Sie ist in der Lage, sowohl die Energie der ATP-Hydrolyse zu nutzen, um Protonen durch die innere Mitochondrienmembran zu pumpen, als auch die Energie des Protonenflusses entlang des elektrochemischen Gradienten, um ATP zu synthetisieren. Somit ist ATP-Synthetase ein reversibles konjugierendes System, das die gegenseitige Umwandlung der Energie des elektrochemischen Protonengradienten und chemischer Bindungen durchführt. Die Richtung seines Betriebs hängt von der Beziehung zwischen der Steilheit des Protonengradienten und dem lokalen Wert von DG für die ATP-Hydrolyse ab.

Die ATP-Synthetase erhielt ihren Namen aufgrund der Tatsache, dass der von der Atmungskette aufrechterhaltene Npotonnoro-Gradient unter normalen Bedingungen den größten Teil des gesamten ATP der Zelle synthetisiert. Die Anzahl der Protonen, die für die Synthese eines ATP-Moleküls benötigt werden, ist nicht genau bekannt. Wenn Protonen die ATP-Synthetase passieren, wird ein ATP-Molekül synthetisiert.

Wie die ATP-Synthetase zu einem bestimmten Zeitpunkt arbeitet – in Richtung der ATP-Synthese oder -Hydrolyse – hängt von der genauen Balance zwischen Änderungen der freien Energie für den Durchgang von drei Protonen durch die Membran in die Matrix und für die Synthese von ATP in der Matrix ab . Wie bereits erwähnt, wird der DG-Wert von syn.ATP durch die Konzentrationen von drei Substanzen in der mitochondrialen Matrix bestimmt – ATP, ADP und Fn. Bei einer konstanten Protonen-motivierenden Kraft synthetisiert die ATP-Synthetase ATP, bis das Verhältnis von ATP zu ADP und Fn einen Wert erreicht, bei dem der DG-Wert von syn.ATP genau +15,2 kcal/mol wird. Unter solchen Bedingungen wird die Synthese von ATP genau durch seine Hydrolyse ausgeglichen.

Angenommen, durch energieverbrauchende Reaktionen wurde plötzlich eine große Menge ATP im Zytosol hydrolysiert, was zu einem Abfall des ATP:ADP-Verhältnisses in der mitochondrialen Matrix führte. In diesem Fall DG synth. sinkt und die ATP-Synthetase schaltet wieder auf die ATP-Synthese um, bis das anfängliche ATP:ADP-Verhältnis wiederhergestellt ist. Wenn die protonenmotivierende Kraft plötzlich abnimmt und auf einem konstanten Niveau gehalten wird, beginnt die ATP-Synthetase, ATP zu spalten, und diese Reaktion wird fortgesetzt, bis das Verhältnis zwischen den Konzentrationen von ATP und ADP einen neuen Wert erreicht (bei dem DG-Synth. ATP = +13,8 kcal/mol) und so weiter.

Wenn die ATP-Synthetase normalerweise kein H + aus der Matrix transportiert, dann transportiert die unter normalen Bedingungen in der inneren Mitochondrienmembran befindliche Atmungskette Protonen durch diese Membran und erzeugt so einen elektrochemischen Protonengradienten, der Energie für die ATP-Synthese liefert.

Die meisten Elektronenträger, aus denen die Atmungskette besteht, absorbieren Licht, und ihre Oxidation oder Reduktion wird von einer Farbänderung begleitet. Üblicherweise sind das Absorptionsspektrum und die Reaktivität jedes Trägers ziemlich charakteristisch, was es ermöglicht, Änderungen in seinen Zuständen mittels Spektroskopie sogar in einem Rohextrakt zu verfolgen. Dadurch war es möglich, solche Träger zu isolieren, lange bevor ihre wahre Funktion klar wurde. Zum Beispiel wurden 1925 Cytochrome als Verbindungen entdeckt, die in so unterschiedlichen Organismen wie Hefen, Bakterien und Insekten schnell oxidiert und reduziert werden. Durch Beobachtung von Zellen und Geweben mit einem Spektroskop war es möglich, drei Arten von Cytochromen zu identifizieren, die sich in den Absorptionsspektren unterschieden und als Cytochrome a, b und c bezeichnet wurden . Zellen enthalten mehrere Arten von Cytochromen jedes Typs, und die Klassifizierung nach Typ spiegelt nicht ihre Funktion wider.

Der einfachste Elektronenträger ist ein kleines hydrophobes Molekül, das in der Lipiddoppelschicht gelöst ist und Ubichinon oder Coenzym Q genannt wird. Es kann ein oder zwei Elektronen aufnehmen oder abgeben und fängt bei jedem Elektronentransfer vorübergehend ein Proton aus dem Medium ein.

Abbildung 4. Struktur von Ubichinon.

Die Atmungskette enthält drei große Enzymkomplexe, die in die innere Membran eingebettet sind

Membranproteine ​​sind als intakte Komplexe schwierig zu isolieren, da sie in den meisten wässrigen Lösungen unlöslich sind und Substanzen wie Detergenzien und Harnstoff, die für ihre Solubilisierung erforderlich sind, normale Protein-Protein-Wechselwirkungen stören können. Allerdings in den frühen 1960er Jahren. Es wurde festgestellt, dass relativ milde ionische Detergenzien wie Deoxycholat bestimmte Komponenten der mitochondrialen Innenmembran in nativer Form solubilisieren können. Dies machte es möglich, die drei wichtigsten membranassoziierten respiratorischen Enzymkomplexe auf dem Weg von NADH zu Sauerstoff zu identifizieren und zu isolieren.

Abbildung 5. Atmungsenzymkomplexe.

1. NADH - der Dehydrogenase-Komplex, der größte der respiratorischen Enzymkomplexe, hat ein Molekulargewicht von über 800.000 und enthält mehr als 22 Polypeptidketten. Es nimmt Elektronen von NADH auf und leitet sie durch das Flavin und mindestens fünf Eisen-Schwefel-Zentren an Ubichinon weiter - ein kleines fettlösliches Molekül, das Elektronen an den zweiten Komplex von Atmungsenzymen, den b-c 1-Komplex, abgibt.

2. Komplex b-c 1 besteht aus mindestens 8 verschiedenen Polypeptidketten und existiert wahrscheinlich als Dimer mit einem Molekulargewicht von 500 000. Jedes Monomer enthält drei Cytochrom-verwandte Themen und ein Eisen-Schwefel-Protein. Der Komplex nimmt Elektronen von Ubichinon auf und leitet sie an Cytochrom c, ein kleines peripheres Membranprotein, weiter, das sie dann an den Cytochrom-Oxidase-Komplex weitergibt.

3. Der Cytochrom-Oxidase-Komplex (Cytochrom aa 3) ist der am besten untersuchte der drei Komplexe. Es besteht aus mindestens acht verschiedenen Polypeptidketten und wird als Dimer mit einem Molekulargewicht von 300.000 isoliert; Jedes Monomer enthält zwei Cytochrome und zwei Kupferatome.Dieser Komplex nimmt Elektronen von Cytochrom C auf und überträgt sie auf Sauerstoff.

Cytochrome, Eisen-Schwefel-Zentren und Kupferatome können jeweils nur ein Elektron tragen. Währenddessen gibt jedes NADH-Molekül zwei Elektronen ab und jedes O 2 -Molekül muss 4 Elektronen aufnehmen, um ein Wassermolekül zu bilden. In der Elektronentransportkette gibt es mehrere elektronenaufnehmende und elektronenverteilende Abschnitte, in denen der Unterschied in der Anzahl der Elektronen koordiniert wird. Beispielsweise nimmt der Cytochrom-Oxidase-Komplex 4 Elektronen von Cytochrom-c-Molekülen einzeln auf und überträgt sie schließlich auf ein gebundenes O 2 -Molekül, was zur Bildung von zwei Wassermolekülen führt. In den Zwischenschritten dieses Prozesses dringen zwei Elektronen in das Cytochrom a Häm und das proteingebundene Kupferatom Cu a ein, bevor sie sich zur Sauerstoffbindungsstelle bewegen. Die Sauerstoffbindungsstelle enthält wiederum ein Kupferatom und Cytochrom ein 3 Häm. Der Mechanismus der Bildung zweier Wassermoleküle durch die Wechselwirkung eines gebundenen O 2 -Moleküls mit vier Protonen ist jedoch nicht genau bekannt.

In den meisten Zellen interagieren etwa 90 % des gesamten absorbierten Sauerstoffs mit der Cytochromoxidase. Die Toxizität solcher Gifte wie Cyanid und Azid hängt mit ihrer Fähigkeit zusammen, sich fest an den Cytochrom-Oxidase-Komplex zu binden und dadurch den gesamten Elektronentransport zu blockieren.

Die beiden Komponenten, die Elektronen zwischen den drei Hauptenzymkomplexen der Atmungskette, Ubichinon und Cytochrom c, transportieren, bewegen sich schnell durch Diffusion in der Ebene der Membranen.

Kollisionen zwischen diesen mobilen Trägern und den Enzymkomplexen reichen aus, um die beobachtete Elektronentransferrate zu erklären (jeder Komplex spendet und nimmt alle 5–10 Millisekunden ein Elektron auf). Daher besteht keine Notwendigkeit, eine strukturelle Ordnung in der Kette von Trägerproteinen in der Lipiddoppelschicht anzunehmen; Tatsächlich existieren Enzymkomplexe offenbar als unabhängige Komponenten in der Membran, und der geordnete Elektronentransfer wird nur durch die Spezifität funktioneller Wechselwirkungen zwischen Kettenkomponenten sichergestellt.

Dafür spricht auch, dass verschiedene Bestandteile der Atmungskette in völlig unterschiedlichen Mengen vorhanden sind. Beispielsweise gibt es in den Mitochondrien des Herzens für jedes Molekül des NADH-Dehydrogenase-Komplexes 3 Moleküle | Komplex b-c 1 Komplex, 7 Moleküle des Cytochrom-Oxidase-Komplexes, 9 Moleküle Cytochrom c und 50 Moleküle Ubichinon; In einigen anderen Zellen wurden sehr unterschiedliche Verhältnisse dieser Proteine ​​gefunden.

Ein signifikanter Redoxabfall über jedem der drei Atmungskettenkomplexe liefert die Energie, die zum Pumpen von Protonen benötigt wird .

Ein Paar wie H 2 O und ½O 2 (oder NADH und NAD +) wird als konjugiertes Redoxpaar bezeichnet, da eines seiner Mitglieder in ein anderes übergeht, wenn ein oder mehrere Elektronen und ein oder mehrere Protonen hinzugefügt werden (letztere reichen immer aus). in einer beliebigen wässrigen Lösung). Also zum Beispiel ½O 2 + 2e + 2H + ® H 2 O

Es ist allgemein bekannt, dass eine 50:50-Mischung aus konjugierten Säure-Base-Verbindungen als Puffer wirkt, um einen bestimmten "Protonendruck" (pH) aufrechtzuerhalten, dessen Wert durch die Dissoziationskonstante der Säure bestimmt wird. Genauso hält eine 50:50-Mischung der Komponenten eines Paares einen bestimmten "Elektronendruck" oder Redoxpotential (Redoxpotential) E aufrecht, das als Maß für die Affinität des Trägermoleküls zu Elektronen dient.

Indem man die Elektroden in eine Lösung mit den entsprechenden Redoxpaaren bringt, kann man das Redoxpotential jedes Elektronenträgers messen, der an biologischen Redoxreaktionen beteiligt ist. Verbindungspaare mit den negativsten Werten des Redoxpotentials haben die niedrigste Elektronenaffinität, d.h. enthalten Ladungsträger mit der geringsten Tendenz, Elektronen aufzunehmen und der größten Tendenz, sie abzugeben. Beispielsweise hat eine Mischung aus NADH und NAD + (50:50) ein Redoxpotential von -320 mV, was auf eine sehr ausgeprägte Fähigkeit von NADH hinweist, Elektronen abzugeben, während das Redoxpotential einer Mischung aus gleichen Mengen H 2 O und ½O 2 ist +820 mV, was eine starke Tendenz von 0 2 bedeutet, Elektronen aufzunehmen.

In jedem der drei Hauptatmungskomplexe findet ein scharfer Abfall statt. Die Potentialdifferenz zwischen zwei beliebigen Elektronenträgern ist direkt proportional zu der Energie, die freigesetzt wird, wenn ein Elektron von einem Träger zum anderen übergeht. Jeder Komplex fungiert als Energieumwandlungsvorrichtung und leitet diese freie Energie, um Protonen über die Membran zu bewegen, was zur Schaffung eines elektrochemischen Protonengradienten führt, wenn Elektronen den Kreislauf passieren.

Damit der energieumwandelnde Mechanismus der oxidativen Phosphorylierung funktioniert, ist es notwendig, dass jeder Enzymkomplex der Atmungskette in der inneren Mitochondrienmembran auf eine bestimmte Weise orientiert ist – so dass sich alle Protonen in eine Richtung bewegen, also aus der Matrix heraus . Diese vektorielle Organisation von Membranproteinen wurde mit speziellen Sonden demonstriert, die die Membran nicht passieren und den Komplex nur von einer Seite der Membran aus markieren. Die spezifische Orientierung in der Doppelschicht ist charakteristisch für alle Membranproteine ​​und sehr wichtig für ihre Funktion.

Mechanismen des Protonenpumpens durch Komponenten der Atmungskette.

Bei der oxidativen Phosphorylierung werden bei der Oxidation eines NADH-Moleküls (d. h. wenn zwei Elektronen alle drei Enzymkomplexe passieren) nicht mehr als drei ATP-Moleküle gebildet. Wenn wir davon ausgehen, dass die umgekehrte Passage von drei Protonen durch die ATP-Synthetase die Synthese eines ATP-Moleküls gewährleistet, kann geschlussfolgert werden, dass im Durchschnitt die Übertragung eines Elektrons durch jeden Komplex von der Bewegung von eins und a begleitet wird halbe Protonen (mit anderen Worten, während des Transports eines Elektrons pumpen einige Komplexe ein Proton, andere zwei Protonen). Wahrscheinlich haben verschiedene Komponenten der Atmungskette unterschiedliche Mechanismen der Konjugation des Elektronentransports mit der Bewegung von Protonen. Allosterische Veränderungen in der Konformation eines Proteinmoleküls, die mit dem Elektronentransport verbunden sind, können im Prinzip von einem "Pumpen" von Protonen begleitet werden, so wie sich Protonen bewegen, wenn die Wirkung von ATP-Synthetase umgekehrt wird. Mit der Übertragung jedes Elektrons fängt Chinon ein Proton aus dem wässrigen Medium ein, das es dann abgibt, wenn ein Elektron freigesetzt wird. Da sich Ubichinon frei in der Lipiddoppelschicht bewegt, kann es Elektronen nahe der inneren Oberfläche der Membran aufnehmen und sie auf den b-c 1 -Komplex nahe seiner äußeren Oberfläche übertragen, wobei es für jedes übertragene Elektron ein Proton durch die Doppelschicht bewegt. Mit komplexeren Modellen kann man auch die Bewegung von zwei Protonen pro Elektron durch den b-c 1 -Komplex erklären, wenn man annimmt, dass Ubichinon den b-c 1 -Komplex wiederholt in einer bestimmten Richtung passiert.

Im Gegensatz dazu scheinen die Moleküle, die Elektronen an den Cytochrom-Oxidase-Komplex abgeben, keine Protonentransporter zu sein, wobei der Elektronentransport wahrscheinlich mit einer gewissen allosterischen Änderung in der Konformation von Proteinmolekülen verbunden ist, wodurch ein Teil des Proteinkomplexes selbst überträgt Protonen.

Disruptor-Aktion.

Seit den 1940er Jahren sind eine Reihe lipophiler schwacher Säuren bekannt, die als Entkopplungsmittel wirken können, d.h. stören die Kopplung des Elektronentransports mit der ATP-Synthese. Wenn diese organischen Verbindungen mit niedrigem Molekulargewicht zu den Zellen hinzugefügt werden, stoppen die Mitochondrien die Synthese von ATP, während sie weiterhin Sauerstoff aufnehmen. In Gegenwart eines Entkopplungsmittels bleibt die Elektronentransportrate hoch, es entsteht jedoch kein Protonengradient. Dies ist eine einfache Erklärung für diesen Effekt: Entkopplungsmittel (z. B. Dinitrophenol, Thyroxin) wirken als H+-Transporter (H+-Ionophore) und öffnen einen zusätzlichen Weg – nicht mehr über ATP-Synthetase – für den H+-Fluss durch die innere Mitochondrienmembran.

Atemkontrolle.

Wenn den Zellen ein Entkopplungsmittel wie Dinitrophenol zugesetzt wird, wird die Sauerstoffaufnahme durch die Mitochondrien stark erhöht, wenn die Geschwindigkeit des Elektronentransfers zunimmt. Diese Beschleunigung ist mit der Existenz einer Atemkontrolle verbunden. Es wird angenommen, dass diese Kontrolle auf der direkten Hemmwirkung des elektrochemischen Protonengradienten auf den Elektronentransport beruht. Wenn der elektrochemische Gradient in Gegenwart eines Entkopplers verschwindet, erreicht der unkontrollierte Elektronentransport seine maximale Geschwindigkeit. Eine Erhöhung des Gradienten verlangsamt die Atmungskette und der Elektronentransport verlangsamt sich. Wird im Experiment an der inneren Membran zudem ein ungewöhnlich hoher elektrochemischer Gradient künstlich erzeugt, stoppt der normale Elektronentransport ganz und in einigen Teilen der Atmungskette wird ein Rückfluss von Elektronen nachweisbar sein. . Dies deutet darauf hin, dass die Atemkontrolle ein einfaches Gleichgewicht zwischen der Änderung der freien Energie während der Bewegung von Protonen im Zusammenhang mit dem Elektronentransport und der Änderung der freien Energie während des Elektronentransports selbst widerspiegelt. Die Größe des elektrochemischen Gradienten beeinflusst sowohl die Geschwindigkeit als auch die Richtung des Elektrons Übertragung, sowie und von der Wirkungsrichtung der ATP-Synthetase.

Die Atmungskontrolle ist nur ein Teil eines komplexen Systems miteinander verbundener Feedback-Regulationsmechanismen, die die Raten der Glykolyse, des Fettsäureabbaus, der Reaktionen des Zitronensäurezyklus und des Elektronentransports koordinieren. Die Raten all dieser Prozesse hängen vom Verhältnis von ATP:ADP ab – sie nehmen zu, wenn dieses Verhältnis infolge eines erhöhten ATP-Verbrauchs abnimmt. Beispielsweise arbeitet die ATP-Synthetase der inneren Mitochondrienmembran schneller, wenn die Konzentrationen ihrer Substrate, also ADP und Pn, steigen. Je höher die Geschwindigkeit dieser Reaktion ist, desto mehr Protonen fließen in die Matrix, wodurch der elektrochemische Gradient schneller abgebaut wird; und eine Abnahme des Gradienten führt wiederum zu einer Beschleunigung des Elektronentransports.

Mitochondrien im braunen Fettgewebe sind Wärmeerzeuger.

Alle Wirbeltiere benötigen in jungen Jahren zusätzlich zum Muskelzittern ein thermogenes Gerät zur Wärmeerzeugung. Ein solches Gerät ist besonders wichtig für überwinternde Tiere. Muskeln in einem Zittern kontrahieren auch ohne Bewegung, indem sie kontraktile Proteine ​​verwenden, um ATP auf die für Muskelzellen übliche Weise zu hydrolysieren, und in Form von Wärme die gesamte Energie freisetzen, die möglicherweise aus der Hydrolyse von ATP verfügbar ist. Die Notwendigkeit einer speziellen thermogenen Vorrichtung wird durch die stark gekoppelte oxidative Phosphorylierung normaler Mitochondrien bestimmt. Wenn dieser Prozess entkoppelt werden könnte, wie dies in Gegenwart von Dinitrophenol geschieht, könnte er als adäquate Wärme erzeugende Vorrichtung dienen; so passiert es in braunen Fettmitochondrien. Obwohl diese Mitochondrien die übliche reversible ATPase haben, haben sie auch eine Transmembran-Protonen-Translokase, durch die Protonen zur Matrix zurückkehren und die Arbeit der ATPase elektrisch umgehen können. Wenn dieser Prozess ausreicht, um das Redoxpotential von Wasserstoff deutlich unter 200 mV zu halten, wird die ATP-Synthese unmöglich und der Oxidationsprozess läuft ungehindert ab, mit dem Ergebnis, dass die gesamte Energie als Wärme freigesetzt wird.

Zitronensäurezyklus (Tricarbonsäurezyklus, Krebszyklus).

Der Zitronensäurezyklus ist eine Reihe von Reaktionen, die in Mitochondrien ablaufen, während denen Acetylgruppen abgebaut und Wasserstoffäquivalente freigesetzt werden; während der Oxidation des letzteren wird die freie Energie der Brennstoffressourcen des Gewebes zugeführt. Acetylgruppen finden sich in Acetyl-CoA (aktives Acetat), dem Thioester von Coenzym A.

Die Hauptfunktion des Zitronensäurezyklus besteht darin, dass er der gemeinsame Endweg für die Oxidation von Kohlenhydraten, Proteinen und Fetten ist, da Glucose, Fettsäuren und Aminosäuren entweder zu Acetyl-CoA oder Zykluszwischenprodukten metabolisiert werden. Der Zitronensäurezyklus spielt auch eine wichtige Rolle bei den Prozessen der Glukoneogenese, Transaminierung, Desaminierung und Lipogenese.Obwohl eine Reihe dieser Prozesse in vielen Geweben ablaufen, ist die Leber das einzige Organ, in dem alle diese Prozesse stattfinden. Daher hat die Schädigung einer großen Anzahl von Leberzellen oder deren Ersatz durch Bindegewebe schwerwiegende Folgen. Die lebenswichtige Rolle des Zitronensäurezyklus wird auch durch die Tatsache belegt, dass beim Menschen fast keine genetischen Veränderungen in den Enzymen bekannt sind, die die Reaktionen des Zyklus katalysieren, da das Vorhandensein solcher Störungen mit einer normalen Entwicklung nicht vereinbar ist.

Eröffnung des CTC.

Die Existenz eines solchen Zyklus für die Oxidation von Pyruvat in tierischen Geweben wurde erstmals 1937 von Hans Krebs vorgeschlagen. Diese Idee wurde von ihm geboren, als er die Wirkung von Anionen verschiedener organischer Säuren auf die Geschwindigkeit der Sauerstoffaufnahme durch Suspensionen von zerkleinerten Brustmuskeln von Tauben untersuchte, in denen Pyruvat oxidiert wurde. Die Brustmuskeln zeichnen sich durch eine extrem hohe Atemfrequenz aus, was sie zu einem besonders geeigneten Objekt für die Untersuchung der oxidativen Aktivität macht. Krebs bestätigte auch, dass andere organische Säuren, die zuvor in tierischen Geweben gefunden wurden (Bernsteinsäure, Äpfelsäure, Fumarsäure und Oxalessigsäure), die Pyruvatoxidation stimulieren. Darüber hinaus fand er heraus, dass die Oxidation von Pyruvat durch Muskelgewebe durch Tricarbonsäuren mit sechs Kohlenstoffatomen – Zitronen-, Cis-Aconit- und Isocitronensäure – sowie durch α-Ketoglutarsäure mit fünf Kohlenstoffatomen stimuliert wird. Mehrere andere natürlich vorkommende organische Säuren wurden getestet, aber keine von ihnen zeigte eine ähnliche Aktivität. Die Natur der stimulierenden Wirkung der aktiven Säuren erregte Aufmerksamkeit: Schon eine kleine Menge von ihnen reichte aus, um die Oxidation von viel mehr Pyruvat zu bewirken.

Einfache Experimente sowie logisches Denken erlaubten Krebs, darauf hinzuweisen, dass der Zyklus, den er Zitronensäurezyklus nannte, der Hauptweg für die Oxidation von Kohlenhydraten im Muskel ist. Danach wurde der Zitronensäurezyklus in fast allen Geweben höherer Tiere und Pflanzen und in vielen aeroben Mikroorganismen gefunden. Für diese wichtige Entdeckung wurde Krebs 1953 mit dem Nobelpreis ausgezeichnet. Eugene Kennedy und Albert Lehninger zeigten später, dass alle Reaktionen des Zitronensäurezyklus in den Mitochondrien tierischer Zellen ablaufen. In isolierten Rattenlebermitochondrien wurden nicht nur alle Enzyme und Coenzyme des Zitronensäurezyklus gefunden; hier sind, wie sich herausstellte, alle Enzyme und Proteine ​​lokalisiert, die für die letzte Stufe der Atmung benötigt werden, also. für Elektronentransfer und oxidative Phosphorylierung. Mitochondrien werden daher zu Recht als „Kraftwerke“ der Zelle bezeichnet.

Katabolische Rolle des Zitronensäurezyklus

Der Zyklus beginnt mit der Wechselwirkung des Acetyl-CoA-Moleküls mit Oxalessigsäure (Oxalacetat), was zur Bildung einer Tricarbonsäure mit sechs Kohlenstoffatomen namens Zitronensäure führt. Darauf folgt eine Reihe von Reaktionen, bei denen zwei CO2-Moleküle freigesetzt und Oxalacetat regeneriert wird. Da die Menge an Oxalacetat, die benötigt wird, um eine große Zahl von Acetyleinheiten in CO 2 umzuwandeln, sehr gering ist, können wir davon ausgehen, dass Oxalacetat eine katalytische Rolle spielt.

Der Zitronensäurezyklus ist der Mechanismus, der den größten Teil der freien Energie einfängt, die während der Oxidation von Kohlenhydraten, Lipiden und Proteinen freigesetzt wird. Während der Oxidation von Acetyl-CoA kommt es aufgrund der Aktivität einer Reihe spezifischer Dehydrogenasen zur Bildung von Reduktionsäquivalenten in Form von Wasserstoff oder Elektronen. Letztere treten in die Atmungskette ein; Während des Funktionierens dieser Kette findet eine oxidative Phosphorylierung statt, dh ATP wird synthetisiert.

Enzyme des Zitronensäurezyklus sind in der mitochondrialen Matrix lokalisiert, wo sie entweder in freiem Zustand oder auf der inneren Oberfläche der inneren mitochondrialen Membran gefunden werden; im letzteren Fall wird der Transfer von Reduktionsäquivalenten zu den in der inneren Mitochondrienmembran lokalisierten Enzymen der Atmungskette erleichtert.

CTC-Reaktionen.

Die Anfangsreaktion, die Kondensation von Acetyl-CoA und Oxalacetat, wird durch das kondensierende Enzym Citratsynthetase katalysiert, und es wird eine Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindung zwischen dem Methylkohlenstoff von Acetyl-CoA und dem Carbonylkohlenstoff von Oxalacetat gebildet. Der Kondensationsreaktion, die zur Bildung von Citryl-CoA führt, folgt die Hydrolyse der Thioetherbindung, begleitet vom Verlust einer großen Menge freier Energie in Form von Wärme; Dies bestimmt den Ablauf der Reaktion von links nach rechts, bis sie abgeschlossen ist:

Acetyl-CoA + Oxalacetat + H 2 O → Citrat + CoA-SH

Die Umwandlung von Citrat zu Isocitrat wird durch Eisen(II)-haltige Aconitase katalysiert. Diese Reaktion erfolgt in zwei Stufen: Zuerst erfolgt die Dehydratisierung unter Bildung von cis-Aconitat (ein Teil davon bleibt im Komplex mit dem Enzym), dann die Hydratation und die Bildung von Isocitrat:

Citrat ↔ cis-Aconitat ↔ Isocitrat – H 2 O

Die Reaktion wird durch Fluoracetat gehemmt, das zuerst in Fluoracetyl-CoA umgewandelt wird; letzteres kondensiert mit Oxalacetat zu Fluorcitrat. Fluorocitrat ist ein direkter Inhibitor von Aconitase; Citrat reichert sich bei Hemmung an.

Experimente mit Zwischenprodukten zeigen, dass Aconitase asymmetrisch mit Citrat interagiert: Sie wirkt immer auf den Teil des Citratmoleküls, der aus Oxalacetat gebildet wurde. Möglicherweise ist cis-Aconitat kein obligatorisches Intermediat zwischen Citrat und Isocitrat und wird am Seitenast des Hauptwegs gebildet.

Weiterhin katalysiert Isocitrat-Dehydrogenase die Dehydrierung unter Bildung von Oxal-Succinat. Es wurden drei verschiedene Formen der Isocitratdehydrogenase beschrieben. Einer von ihnen, NAD-abhängig, kommt nur in Mitochondrien vor. Die beiden anderen Formen sind NADP-abhängig, von denen die eine ebenfalls in den Mitochondrien und die andere im Zytosol vorkommt. Die Oxidation von Isocitrat, verbunden mit der Arbeit der Atmungskette, wird fast ausschließlich von einem NAD-abhängigen Enzym durchgeführt:

Isocitrat + NAD + ↔ Oxalosuccinat (im Komplex mit dem Enzym) ↔ alpha-Ketoglutarat + CO 2 + NADH 2

Abbildung 5. Reaktionen im Krebszyklus.

Darauf folgt die Decarboxylierung unter Bildung von alpha-Ketoglutarat, die ebenfalls durch Isocitrat-Dehydrogenase katalysiert wird. Ein wichtiger Bestandteil der Decarboxylierungsreaktion sind Mg 2+ (oder Mn 2+ )-Ionen. Nach den verfügbaren Daten zu urteilen, verbleibt das in der Zwischenstufe der Reaktion gebildete Oxalosuccinat in einem Komplex mit dem Enzym.

Alphaketoglutarat wiederum unterliegt einer ähnlichen oxidativen Decarboxylierung wie Pyruvat: In beiden Fällen ist das Substrat Alphaketosäure. Die Reaktion wird durch den Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplex katalysiert und erfordert die Teilnahme der gleichen Gruppe von Cofaktoren – Thiamindiphosphat, Lipoat, NAD + , FAD und CoA; als Ergebnis wird Succinyl-CoA gebildet – ein Thioether, der eine hochenergetische Bindung enthält.

α-Ketoglutorat + NAD + + CoA-SH → Succinyl-CoA + CO 2 + NADH + H +

Das Gleichgewicht der Reaktion wird so stark in Richtung der Bildung von Succinyl-CoA verschoben, dass es als physiologisch unidirektional angesehen werden kann. Wie bei der Oxidation von Pyruvat wird die Reaktion durch Arsenat gehemmt, was zur Akkumulation des Substrats (Alpha-Ketoglutarat) führt.

Der Zyklus setzt sich mit der Umwandlung von Succinyl-CoA in Succinat fort, katalysiert durch Succinat-Thiokinase (Succinyl-CoA-Synthetase):

Succinyl-CoA + P H + GDP↔ Succinat + GTP + CoA-SH

Eines der Reaktionssubstrate ist GDP (oder IDP), aus dem in Gegenwart von anorganischem Phosphat GTP (ITP) gebildet wird. Dies ist der einzige Schritt im Zitronensäurezyklus, der eine hochenergetische Phosphatbindung auf Substratebene erzeugt; Bei der oxidativen Decarboxylierung von α-Ketoglutarat reicht die potenzielle Menge an freier Energie aus, um NADH und eine energiereiche Phosphatbindung zu bilden. In einer durch Phosphokinase katalysierten Reaktion kann ATP sowohl aus GTP als auch aus ITP gebildet werden. Zum Beispiel:

GTP+ADP «BIP+ATP.

In einer alternativen Reaktion, die in extrahepatischen Geweben auftritt und durch Succinyl-CoA-Acetoacetat-CoA-Transferase katalysiert wird, wird Succinyl-CoA in Succinat umgewandelt, gekoppelt mit der Umwandlung von Acetoacetat in Acetoacetyl-CoA. In der Leber besteht Diacylase-Aktivität, die für die Hydrolyse eines Teils von Succinyl-CoA unter Bildung von Succinat und CoA sorgt.

Succinat + FAD « Fumarat + FADH 2

Die erste Dehydrierung wird durch Succinat-Dehydrogenase katalysiert, die an die innere Oberfläche der inneren Mitochondrienmembran gebunden ist. Dies ist die einzige Dehydrogenasereaktion des CTK, bei der ohne Beteiligung von NAD + eine direkte Übertragung vom Substrat auf das Flavoprotein erfolgt. Das Enzym enthält FAD und Eisen-Schwefel-Protein. Als Ergebnis der Dehydrierung wird Fumarat gebildet. Experimente unter Verwendung von Isotopen haben gezeigt, dass das Enzym stereospezifisch für die trans-Wasserstoffatome der Methylengruppen von Succinat ist. Die Zugabe von Malonat oder Oxalacetat hemmt die Succinat-Dehydrogenase, was zur Akkumulation von Succinat führt.

Fumarase (Fumarathydrotase) katalysiert die Zugabe von Wasser zu Fumarat zur Bildung von Malat:

Fumarat + H 2 O "L-Malat

Fumarase ist spezifisch für das L-Isomer von Malat und katalysiert die Addition von Wassermolekülkomponenten an die Fumarat-Doppelbindung in trans-Konfiguration. Malatdehydrogenase katalysiert die Umwandlung von Malat zu Oxalacetat, die Reaktion läuft unter Beteiligung von NAD+ ab:

L-Malat + NAD + "Oxalacetat + NADH 2

Obwohl das Gleichgewicht dieser Reaktion stark in Richtung Malat verschoben ist, läuft sie tatsächlich in Richtung Oxalacetat ab, da es zusammen mit NADH ständig in anderen Reaktionen verbraucht wird.

Enzyme des Zitronensäurezyklus, mit Ausnahme von Alpha-Ketoglutarat und Succinat-Dehydrogenase, kommen auch außerhalb der Mitochondrien vor. Einige dieser Enzyme (z. B. Malatdehydrogenase) unterscheiden sich jedoch von den entsprechenden mitochondrialen Enzymen.

Energetik des Zitronensäurezyklus.

Als Ergebnis der durch TCA-Dehydrogenasen katalysierten Oxidation werden für jedes während eines Zyklus katabolisierte Acetyl-CoA-Molekül drei NADH-Moleküle und ein FADH 2 -Molekül gebildet. Diese Reduktionsäquivalente werden auf die in der Mitochondrienmembran befindliche Atmungskette übertragen. Während sie die Kette durchlaufen, erzeugen NADH-Reduktionsäquivalente drei hochenergetische Phosphatbindungen durch die Bildung von ATP aus ADP durch oxidative Phosphorylierung. Durch FADH 2 werden nur zwei hochenergetische Phosphatbindungen generiert, da FADH 2 reduzierende Äquivalente auf Coenzym Q überträgt und somit den ersten Abschnitt der oxidativen Phosphorylierungskette in der Atmungskette umgeht. Ein weiteres hochenergetisches Phosphat entsteht an einer der Stellen des Zitronensäurezyklus, also auf Substratebene, wenn Succinyl-CoA in Succinat umgewandelt wird. Somit werden während der Dauer jedes Zyklus 12 neue hochenergetische Phosphatbindungen gebildet.

Regulierung des Zitronensäurezyklus.

Die wichtigsten Prozesse, die Energie in Zellen liefern und speichern, lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Glucosepyruvat ® Acetyl-CoA-Fettsäuren

Die Regulation dieses Systems soll unter anderem eine konstante und dem aktuellen Energiebedarf entsprechende ATP-Versorgung gewährleisten, die Umwandlung überschüssiger Kohlenhydrate in Fettsäuren über Pyruvat und Acetyl-CoA gewährleisten und gleichzeitig über Acetyl den sparsamen Einsatz von Fettsäuren steuern -CoA als wichtiges Eintrittsprodukt in den Zitronensäurezyklus.

Der Citronensäurezyklus liefert Elektronen an ein Elektronentransportsystem, in dem der Elektronenfluss mit der ATP-Synthese gekoppelt ist, und liefert in geringerem Maße reduzierende Äquivalente an zwischengeschaltete Biosynthesesysteme. Grundsätzlich kann der Kreislauf nicht schneller ablaufen, als es die Nutzung des erzeugten ATP zulässt. Wenn das gesamte ADP der Zelle in ATP umgewandelt würde, könnte es keinen weiteren Elektronenfluss aus dem NADH geben, das sich zu 0 2 ansammelt. Aufgrund des Fehlens von NAD + , einem notwendigen Teilnehmer an den Prozessen der Dehydrierung des Zyklus, würde letzterer aufhören zu funktionieren. Es gibt subtilere regulatorische Geräte, die die Wirkung von Enzymen im Zitronensäurezyklus selbst modulieren.

Succinatdehydrogenase befindet sich in der inneren Mitochondrienmembran. Alle anderen Enzyme sind in der Matrix gelöst, die das Innere der Mitochondrien ausfüllt. Messungen der relativen Mengen dieser Enzyme und der Konzentrationen ihrer Substrate in den Mitochondrien zeigen, dass jede Reaktion mit der gleichen Geschwindigkeit abläuft. Sobald Pyruvat (oder eine andere potenzielle Quelle von Acetyl-CoA) in die mitochondriale Matrix eintritt, findet der gesamte Zyklus innerhalb dieses Kompartiments statt.

An einigen Stellen wird die Stimulation oder Hemmung durch relative Konzentrationen von NADH/NAD, ATP/ADP oder AMP, Acetyl-CoA/CoA oder Succinyl-CoA/CoA bestimmt. Wenn diese Verhältnisse hoch sind, wird die Zelle ausreichend mit Energie versorgt und der Fluss durch den Kreislauf verlangsamt; wenn sie niedrig sind, braucht die Zelle Energie und der Fluss durch den Kreislauf beschleunigt sich.

Als irreversible Reaktion, die den Kohlenhydratstoffwechsel mit dem Zitronensäurezyklus verbindet, muss die Pyruvat-Dehydrogenase-Reaktion gut kontrolliert werden. Dies wird auf zwei Arten erreicht. Erstens wird das Enzym, das durch mehrere Zwischenprodukte der Glykolyse aktiviert wird, durch seine eigenen Produkte NADH und Acetyl-CoA kompetitiv gehemmt. Ceteris paribus bewirkt eine Erhöhung des Verhältnisses von NADH/NAD + von 1 auf 3 eine Abnahme der Reaktionsgeschwindigkeit um 90 %, und eine Erhöhung des Verhältnisses von Acetyl-CoA/CoA führt zu einem quantitativ ähnlichen Effekt. Der Effekt zeigt sich sofort. Die Wirkungen eines anderen Regulationsgeräts treten langsamer ein, halten aber länger an. Etwa fünf Moleküle Pyruvat-Dehydrogenase-Kinase sind mit dem Kern jedes Moleküls Dihydrolipoyltransacetylase assoziiert, das aufgrund von ATP die Phosphorylierung eines Serin-Rests in der a-Kette der Pyruvat-Dehydrogenase-Komponente katalysiert. Da es phosphoryliert ist, ist das Enzym nicht in der Lage, Pyruvat zu decarboxylieren.

Wenn eine Fettsäureoxidation stattfindet, wird die Pyruvatdehydrogenase deutlich gehemmt. Anscheinend wird dieses Phänomen durch die hohen Konzentrationen von ATP, Acetyl-CoA und NADH erklärt, die den Oxidationsprozess begleiten. Die meisten Gewebe enthalten einen Überschuss an Pyruvat-Dehydrogenase, so dass nach der Fütterung in der Leber sowie im Muskel- und Fettgewebe bei Tieren in Ruhe nur 40, 15 bzw. 10 % der Pyruvat-Dehydrogenase in der aktiven, nicht phosphorylierten Form vorliegen . Wenn der Bedarf an ATP steigt, steigen die Konzentrationen von NAD + , CoA und ADP aufgrund der Verwendung von NADH, Acetyl-CoA und ATP und die Kinase wird inaktiviert. Die Phosphatase funktioniert jedoch weiterhin, indem sie die Dehydrogenase reaktiviert. Ein Anstieg von Ca 2+ kann die mitochondriale Phosphatase aktivieren.

Die Synthese von Citrat ist ein Schritt, der die Geschwindigkeit des Zitronensäurezyklus begrenzt. Die Regulation dieses Stadiums beruht auf einer kleinen, aber signifikanten Hemmung der Citratsynthetase durch NADH und Succinyl-CoA. Den Haupteinfluss auf die Geschwindigkeit der Citratsynthese hat die Zufuhr des Substrats.

Die Aktivität der Isocitrat-Dehydrogenase wird in Abhängigkeit von den Konzentrationen an Mg 2+ , Isocitrat, NAD + , NADH und AMP reguliert. Neben Substratbindungsstellen für NAD+, Isocitrat und Mg2+ besitzt das Enzym auch positive und negative Effektorstellen. Isocitrat ist ein positiver Effektor; seine Bindung ist kooperativ, d. h. die Bindung an einer Stelle erleichtert die Bindung an anderen. Beide Bindungsstellen für AMP stimulieren die Enzymaktivität.

Somit wird die enzymatische Aktivität durch die Verhältnisse von NAD+/NADH und AMP/ATP bestimmt.

AMP ist ein positiver Effektor des α-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplexes, der in dieser Hinsicht der Isocitrat-Dehydrogenase ähnelt. Im Bereich physiologischer Konzentrationen haben sowohl Succinyl-CoA als auch NADH eine hemmende Wirkung, und die Konzentration von Succinyl-CoA scheint der Hauptfaktor zu sein, der die Geschwindigkeit des Prozesses steuert. Succinatdehydrogenase ähnelt der Isocitratdehydrogenase darin, dass das Substrat (Succinat) als positiver allosterischer Effektor fungiert. Oxalacetat ist ein starker Inhibitor, es ist jedoch unklar, ob diese Kontrolle unter normalen Bedingungen funktioniert.

Im Zitronensäurezyklus erfüllen vier wasserlösliche B-Vitamine spezifische Funktionen: Riboflavin ist Teil von FAD, das ein Cofaktor des Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase-Komplexes und der Succinat-Dehydrogenase ist. Niacin ist Teil von NAD, dem Coenzym von Dehydrogenasen mit drei Zyklen: Isocitrat-Dehydrogenase, Alpha-Ketoglutorat-Dehydrogenase und Malat-Dehydrogenase. Thiamin (Vitamin B 1) ist Bestandteil von Thiamindiphosphat, das ein Coenzym der Alpha-Ketoglutarat-Dehydrogenase ist. Pantothensäure ist Teil von Coenzym A, einem Cofaktor, der aktive Acylreste bindet.

Makroerge Verbindungen und makroerge Bindungen.

In Zellen, die durch katabolische Prozesse des Nährstoffabbaus freigesetzt werden, kann freie Energie verwendet werden, um viele chemische Reaktionen durchzuführen, die Energie erfordern. Die Speicherung von Energie erfolgt in Form von energiereichen chemischen Bindungen einer speziellen Klasse von Verbindungen, von denen die meisten Phosphorsäureanhydride (Nukleosidtriphosphate) sind.

Es gibt energiereiche und energiearme Phosphate. Die bedingte Grenze für diese beiden Gruppen von Verbindungen ist der Wert der freien Energie der Hydrolyse der Phosphatbindung. Hochenergetische Phosphate haben daher eine energiereiche hochenergetische (makroerge) Bindung.

Die Bindungsenergie ist definiert als die Differenz zwischen den freien Energien der Verbindungen, die diese Bindung enthalten, und der Verbindungen, die aus ihrem Bruch resultieren. Als makroerge (energiereiche) Bindungen gelten solche Bindungen, bei deren Hydrolyse die Änderungen der freien Energie des Systems mehr als 21 kJ / mol betragen.

Die zentrale Rolle beim Energieaustausch von Zellen aller Art spielt das System der Adenin-Nukleotide, zu dem ATP, ADP und AMP sowie anorganische Phosphat- und Magnesium-Ionen gehören. ATP ist ein thermodynamisch instabiles Molekül und hydrolysiert zu ADP und AMP. Es ist diese Instabilität, die es ATP ermöglicht, als Träger der chemischen Energie zu fungieren, die erforderlich ist, um den größten Teil des Energiebedarfs der Zellen zu decken. Verbindungen mit einer reichen Energiebindung umfassen neben ATP auch UTP, CTP, GTP, TTP, Kreatinphosphat, Pyrophosphat, einige Thioether (z. B. Acetyl-CoA), Phosphoenolpyruvat, 1,3-Biphosphoglycerat und eine Reihe anderer Verbindungen.

Bei der Hydrolyse von ATP unter Standardbedingungen beträgt die Änderung der freien Energie -30,4 kJ/mol. Unter physiologischen Bedingungen ist die tatsächliche freie Energie der Hydrolyse der terminalen Phosphatbindung von ATP anders und nähert sich -50,0 kJ/mol.

Es gibt mehrere Möglichkeiten, die Energie von ATP-Phosphatbindungen freizusetzen. Die Hauptoption ist die Spaltung des terminalen Phosphats von ATP (ATP + H 2 O ® ADP + H 3 RO 4). Eine weitere Möglichkeit ist die Pyrophosphat-Spaltung von ATP (ATP + H20 ® AMP + H 4 P 2 O 7). Diese Art von Reaktion wird viel seltener in biochemischen Prozessen verwendet.

Die Akkumulation von Energie in spezifischen Phosphatbindungen von ATP liegt dem Mechanismus der Energieübertragung in einer lebenden Zelle zugrunde. Es gibt Grund zu der Annahme, dass es drei Hauptarten der ATP-Energieübertragung in der Zelle gibt:

in die Energie chemischer Bindungen, in thermische Energie und die bei der Verrichtung von Arbeit aufgewendete Energie (osmotisch, elektrisch, mechanisch etc.).

Vitamin PP .

Vitamin PP (Nikotinsäure, Nicotinamid, Niacin) wird als antipellagrisches Vitamin (von Italian Preventive Pellagra - „Vorbeugung von Pellagra“) bezeichnet, da sein Fehlen die Ursache der Krankheit namens Pellagra ist.

Nicotinsäure ist seit langem bekannt, aber erst 1937 wurde sie von K. Elveheim aus einem Leberextrakt isoliert und es wurde gezeigt, dass die Einführung von Nicotinsäure (oder ihres Amids - Nicotinamid) oder Leberpräparaten die Entwicklung verhindert oder heilt pellagra.

Nicotinsäure ist eine Pyridinverbindung, die eine Carboxylgruppe enthält (Nicotinamid zeichnet sich durch das Vorhandensein einer Amidgruppe aus).

Vitamin PP ist leicht löslich in Wasser (ca. 1%), aber gut löslich in wässrigen Lösungen von Alkalien. Nicotinsäure kristallisiert als weiße Nadeln.

Die charakteristischsten Anzeichen von Pellagra (von italienisch pelle agra - raue Haut) sind Hautläsionen (Dermatitis), Magen-Darm-Trakt (Durchfall) und Störungen der Nervenaktivität (Demenz).

Dermatitis ist meistens symmetrisch und betrifft die Hautpartien, die direktem Sonnenlicht ausgesetzt sind: Handrücken, Nacken, Gesicht; die Haut wird rot, dann braun und rau. Darmläsionen äußern sich in der Entwicklung von Anarexie, Übelkeit und Bauchschmerzen, Durchfall. Durchfall führt zu Austrocknung. Die Schleimhaut des Dickdarms wird zuerst entzündet, dann ulzeriert. Spezifisch für Pellagra sind Stomatitis, Gingivitis, Zungenläsionen mit Schwellungen und Rissen. Gehirnläsionen äußern sich in Kopfschmerzen, Schwindel, Reizbarkeit, Depression und anderen Symptomen, einschließlich Psychosen, Psychoneurose, Halluzinationen und anderen. Die Symptome von Pellagra sind besonders ausgeprägt bei Patienten mit unzureichender Proteinernährung. Es wurde festgestellt, dass dies auf einen Mangel an Tryptophan, einem Vorläufer von Nicotinamid, das teilweise in menschlichem und tierischem Gewebe synthetisiert wird, sowie auf einen Mangel an einer Reihe anderer Vitamine zurückzuführen ist.

Vitamin PP spielt die Rolle eines Coenzyms bei NAD-abhängigen Dehydrogenasen (Teilnehmer der Gewebeatmung), Kohlenhydrat- und Aminosäurestoffwechsel, NADP-abhängigen Enzymen (Pentose-Shunt und Lipidsynthese), HMH-abhängigen Enzymen (Alkohol-Dehydrogenase und Äpfelsäure-Enzym). Nicht weniger wichtig ist seine Rolle als Substrat für die Poly-ADP-Ribosylierung. Dieser Prozess ist an der Vernetzung von Chromosomenbrüchen und an der Arbeit des Reparase-Systems beteiligt und ist auch (in Abwesenheit von NAD) von entscheidender Bedeutung für den Mechanismus der Nekrobiose und Apoptose von Zellen, insbesondere von hoch aeroben.

Es wurde gezeigt, dass eine Reihe von Dehydrogenasen nur NAD oder NADP verwenden, während andere Redoxreaktionen in Gegenwart von einem von ihnen katalysieren können. Im Prozess der biologischen Oxidation fungieren NAD und NADP als intermediäre Elektronen- und Protonenträger zwischen dem oxidierten Substrat und den Flavinenzymen.

Die Hauptquellen für Nikotinsäure und ihr Amid sind Reis, Brot, Kartoffeln, Fleisch, Leber, Nieren, Karotten und andere Lebensmittel.

mikrosomale Oxidation.

Monooxygenase-Reaktionen.

Lebende Organismen enthalten eine Gruppe zahlreicher und unterschiedlicher Enzyme, die als Monooxygenasen bezeichnet werden. In einem typischen Fall befindet sich ein Atom des Sauerstoffmoleküls in der neuen Hydroxidgruppe des Substrats, das andere wird während der Reaktion zu Wasser reduziert. Dementsprechend muss die Reaktion unter Beteiligung von Enzym, Substrat, Sauerstoff und etwas Reduktionsmittel ablaufen.

Dopamin-b-Monooxygenase, die im Gehirn und im chromaffinen Gewebe vorhanden ist, katalysiert die Hydroxylierung von 3,4-Dioxyphenylethylamin zu Norepinephrin.

Phenolmonooxygenasen kommen in Bakterien, Pflanzen, Insekten, aber auch in Leber und Haut von Säugetieren vor. Die Polymerisation von o-Chinon, das als Ergebnis einer von diesen Enzymen katalysierten Reaktionskette gebildet wird, liegt der Bildung von Melanin zugrunde.

Dioxygenase-Reaktionen.

Enzyme, die Reaktionen katalysieren, bei denen beide molekularen Sauerstoffatome in die Reaktionsprodukte eingebaut werden, nennt man Dioxygenasen. Gegenwärtig bekannte Enzyme dieser Gruppe können als aktive Gruppe Häm- oder Nicht-Häm-Eisen enthalten, und einige benötigen α-Ketoglutarat für ihre Wirkung.

Eisen-a-Ketoglutarat-Dioxygenasen sind eisenabhängige Enzyme, die die Substrathydroxylierung während des Prozesses katalysieren, bei dem a-Ketoglutarat oxidativ zu Succinat decarboxyliert wird: M + O2 + a-Ketoglutarat M-OH + Succinat + CO2

Cytochrome sind Enzyme der Redoxkette.

Die weitere Elektronenübertragung von KoQH2 auf O2 erfolgt durch das Cytochromsystem. Dieses System besteht aus einer Reihe von hämhaltigen Proteinen (Hämproteinen), die 1886 von K. McMunn entdeckt wurden. Alle von ihnen haben eine prothetische Hämgruppe in der Nähe des Häms von Hämoglobin. Cytochrome unterscheiden sich nicht nur durch die prosthetische Gruppe, sondern auch durch Proteinkomponenten. Alle Cytochrome, insbesondere in der reduzierten Form, haben charakteristische Absorptionsspektren, auch die Werte der Redoxpotentiale sind nicht gleich.

Bei dem weit verbreiteten Mechanismus der Hydroxylierung durch Einführung eines Sauerstoffatoms befindet sich das funktionelle Eisenatom in der Hämgruppe des Cytochroms, Cytochrom P450. Diese Cytochrome finden sich in den Membranen des hepatischen EPS, in den Mitochondrien der Nebennierenrinde, im Nierenbürstensaum und in den Plasmamembranen verschiedener Bakterien. Die katalysierte Reaktion ist die gleiche wie bei allen anderen Monooxygenasen.

MH + O2 + 2e + 2H + ®MON + H2O

Cytochrome P450 aus der Leber gehören zu den induzierbaren Enzymen; Das bedeutet, dass die vorhandene Enzymmenge durch die Verabreichung einer der vielen Fremdverbindungen wie Phenobarbital oder Methylcholanthren um das 25-fache erhöht werden kann. Cytochrome neutralisieren Xenobiotika und begrenzen auch die Zeit, während der einige Medikamente aktiv bleiben können. Die Behandlung einiger akuter Intoxikationsformen kann durch die Gabe eines in der Regel harmlosen Induktors erleichtert werden.

Cytochrome P450 der Nebennierenrinde befinden sich in der Mitochondrienmembran, wo zwei getrennte Enzyme jeweils die Spaltung von Cholesterin-Seitenketten zu Pregnenolon und die Hydroxylierungsreaktionen verschiedener Steroide katalysieren.

Cytochrom P450 katalysiert die Bildung von Hydroxylgruppen bei der Synthese von Gallensäuren, Steroidhormonen, beim Abbau einer Reihe von Stoffen und beim Austausch von Fremdverbindungen.

Das erste elektronentragende System, das in Mikrosomen gefunden wird, ist das Cytochrom-b5-Reduktionssystem aufgrund von NADH; Cytochrom b5 wird durch NADH-Cytochrom b5-Reduktase reduziert, die ein FAD pro Molekül enthält, das zyklische Übergänge zwischen vollständig reduzierten und oxidierten Formen vollzieht. Cytochrom b5 ist durch seine ausgedehnte hydrophobe Region stark mit dem ER assoziiert. Obwohl die äußere Oberfläche der Häm-Region des Cytochroms hydrophil ist, liegt sie in einer tiefen hydrophoben Lücke, wobei Propionsäure-Carboxylgruppen nach außen orientiert sind. Das reduzierte Cytochrom b5 oxidiert langsam selbst, um das Superoxid-Anion zu bilden. Dieser Mechanismus kann der Hauptgenerator von Superoxid in Leberzellen sein.

Peroxidase-Methode zur Verwendung von Sauerstoff.

Molekularer Sauerstoff ist paramagnetisch, weil er zwei ungepaarte Elektronen mit parallelen Spins enthält. Diese Elektronen befinden sich in unterschiedlichen Orbitalen, da zwei Elektronen nicht dasselbe Orbital besetzen können, es sei denn, ihre Spins sind entgegengesetzt. Dementsprechend ist die Reduktion von Sauerstoff durch direkte Einführung eines Elektronenpaares in seine teilweise gefüllten Orbitale unmöglich ohne die "Umkehrung" des Spins eines der beiden Elektronen. Die Spinhemmung der Reduktion kann durch sukzessive Addition einzelner Elektronen überwunden werden. Die vollständige Reduktion von O2 zu 2H2O erfordert 4 Elektronen; bei der Einelektronenreduktion treten als Zwischenprodukte Superoxid, Wasserstoffperoxid und das Hydroxidradikal auf. Diese Produkte sind hochreaktiv und ihre Anwesenheit kann eine Bedrohung für die Integrität lebender Systeme darstellen. Tatsächlich ist OH, das mutagenste Produkt ionisierender Strahlung, ein extrem starkes Oxidationsmittel, das alle organischen Verbindungen angreifen kann. Die Ein-Elektronen-Reduktion von Sauerstoff setzt eine Kette von Reaktionen in Gang, die zur Bildung von OH führen:

O2 + e ® O2 (1)

O2 + H ® HO2 (2)

O2 + HO2 + H ® H2O2 + O2 (3)

Das in Reaktion (1) gebildete Superoxidanion kann zum Hydroperoxidradikal (2) protoniert werden. Reaktion (3) ist eine spontane Dismutation, die zur Bildung von H2O2 + O2 führt. Die Gesamtheit dieser Reaktionen legt nahe, dass jedes System, das O2 produziert, bald auch H2O2 enthalten wird.

Xanthinoxidase, Aldehydoxidase und zahlreiche Flavoproteine ​​bilden O2 und H2O2, was auch bei der spontanen Oxidation von Hämoglobin, Ferredoxinen, durch Cytochrom b5 reduzierten Hydrochinonen, Tetrahydropteridinen und Adrenalin auftritt. Die Bedrohung der Zellen durch die Reaktivität von O2 und H2O2 wird durch die Wirkung von Enzymen eliminiert, die diese Verbindungen effektiv neutralisieren.

Enzymatischer antioxidativer Schutz.

Hyperventilieren katalysieren die Reaktion

O2 + O2+ 2H® H2O2 + O2

Diese Enzyme kommen in allen atmenden Zellen sowie in verschiedenen fakultativ anaeroben Bakterien vor. Superoxiddismutasen sind Metalloenzyme. Ihr Katalysezyklus umfasst die Reduktion und Oxidation eines Metallions wie Cu, Mn oder Fe am aktiven Zentrum.

Katalase-Aktivität wird in fast allen tierischen Zellen und Organen beobachtet. Leber, rote Blutkörperchen und Nieren sind reichhaltige Quellen Katalase. Diese Aktivität findet sich auch in allen Pflanzenmaterialien und in den meisten Mikroorganismen mit Ausnahme der obligaten Anaerobier. In jedem Fall verhindert Katalase wahrscheinlich die Akkumulation von schädlichem H2O2, das während der aeroben Oxidation von reduzierten Flavoproteinen und von O2 gebildet wird. Ein Katalase-Molekül kann 44.000 H2O2-Moleküle pro Sekunde zersetzen. Tatsächlich benötigt das Enzym fast keine Aktivierungsenergie, und die Reaktionsgeschwindigkeit wird vollständig durch Diffusion bestimmt. Katalase reagiert mit H2O2 unter Bildung eines relativ stabilen Enzym-Substrat-Komplexes.

Obwohl Peroxidasen in tierischen Geweben relativ selten sind, wurde eine schwache Peroxidaseaktivität in Leber und Nieren gefunden. Leukozyten enthalten Verdoperoxidase, die für die Peroxidase-Aktivität von Eiter verantwortlich ist. Phagozytenzellen enthalten Myeloperoxidase, die Halogenionen, wie I, zu freiem Halogen, einem wirksamen bakteriziden Mittel, oxidiert.

Katalase- und Peroxidasereaktionen können wie folgt geschrieben werden:

ABER OH O

Nicht-enzymatischer antioxidativer Schutz.

Ascorbinsäure (Vitamin C).

Vitamin C wird leicht zu Dehydroascorbinsäure oxidiert, die in einer alkalischen Umgebung instabil ist, in der die Hydrolyse des Lactonrings unter Bildung von Diketogulonsäure auftritt.

Ascorbinsäure ist für verschiedene biologische oxidative Prozesse essentiell. Das Vitamin aktiviert die Oxidation von n-Hydroxyphenylbrenztraubensäure durch Leberhomogenate. In Gegenwart von Sauerstoff katalysieren Lösungen, die Ferroionen und Ascorbat enthalten, die Hydroxylierung einer Reihe von Verbindungen. Vitamin ist ein Antioxidans, beteiligt sich am Metabolismus von Phenylalanin, Tyrosin, Peptidhormonen, an der Synthese von Fetten und Proteinen, ist für die Bildung von Kollagen notwendig, hilft, die Integrität von Binde- und Osteoidgewebe zu erhalten, hat eine antikarzinogene Wirkung und verhindert die Bildung von krebserregenden Nitrosaminen, beteiligt sich an der Verteilung und Akkumulation von Eisen.

Vitamin E.

Das Vitamin wurde 1936 aus Weizenkeimöl isoliert und erhielt den Namen Tocopherol. Sieben Tocopherole, die von der Ausgangsverbindung Tocol abgeleitet sind, kommen in natürlichen Quellen vor; unter ihnen hat a-Tocopherol die größte Verbreitung und die höchste biologische Aktivität. Tocopherole werden mit griechischen Buchstaben bezeichnet: Alpha, Beta, Gamma und Delta.

Vitamin schützt Zellstrukturen vor der Zerstörung durch freie Radikale, beteiligt sich an der Häm-Biosynthese, beugt Thrombosen vor, beteiligt sich an der Hormonsynthese, unterstützt die Immunität, hat eine antikarzinogene Wirkung und gewährleistet die normale Funktion der Muskeln.

Abbildung 6. Der Wirkungsmechanismus des Vitamins.

Das Gewebe von Tieren mit Vitamin-E-Mangel, insbesondere die Herz- und Skelettmuskulatur, verbraucht Sauerstoff schneller als das Gewebe normaler Tiere. a-Tocopherol unterliegt nicht leicht einer reversiblen Oxidation. Erhöhter Sauerstoffverbrauch von Muskeln bei Vitaminmangel ist offensichtlich mit Peroxidoxidation von ungesättigten Fettsäuren verbunden. In anderen Geweben wie der Leber führt dies zu einer Störung der mitochondrialen Struktur und einer verminderten Atmung. Es gibt Hinweise darauf, dass die Peroxidoxidation von ungesättigten Fettsäuren im endoplasmatischen Retikulum von Muskelzellen zur Freisetzung von lysosomalen Hydrolasen führt, was zu Muskeldystrophie führt. Alle Manifestationen von Vitaminmangel sind sekundäre Phänomene aufgrund der fehlenden Hemmung der Peroxidoxidation mehrfach ungesättigter Fettsäuren.

Unfruchtbarkeit ist eine klassische Manifestation von Vitamin-E-Mangel bei Versuchstieren. Bei Männern ist das früheste beobachtbare Anzeichen eines Mangels die Unbeweglichkeit der Spermien. Eine Reihe anderer Veränderungen werden ebenfalls beobachtet: Degeneration des Epithels der Nierentubuli, Depigmentierung der Frontzähne. Eine weitere Manifestation eines Vitamin-E-Mangels ist die Hämolyse von Erythrozyten in vitro in Gegenwart von Peroxiden oder Alloxanderivaten. Bei Ratten mit anhaltendem Vitaminmangel entwickelt sich eine Muskeldystrophie mit Symptomen einer fortschreitenden Lähmung der Hinterbeine, der Kreatingehalt in den Muskeln nimmt ab, es kommt zu Kreatinurie und die Kreatininausscheidung nimmt leicht ab. Vitamin-A-Mangel kann sich auch aufgrund des oxidativen Abbaus des letzteren aufgrund des Fehlens eines Vitamins mit antioxidativen Eigenschaften in der Ernährung entwickeln. Symptome einer Hypervitaminose sind Übelkeit, Schwindel und Tachykardie.

Vitamin R.

Vitamin P (Rutin, Citrin) wurde 1936 von A. Szent-Györgyi aus Zitronenschale isoliert. Der Begriff "Vitamin P" fasst eine Gruppe von Substanzen mit ähnlicher biologischer Aktivität zusammen: Catechine, Chalkone, Flavine usw. Alle haben P-Vitamin-Aktivität und ihre Struktur basiert auf dem Diphenylpropan-Kohlenstoff-"Skelett" von Chromon oder Flavon (das gebräuchlicher Name ist „Bioflavonoide“).

Bioflavonoide stabilisieren die Grundsubstanz des Bindegewebes durch Hemmung der Hyaluronidase, was durch Daten zur positiven Wirkung von P-Vitaminpräparaten sowie Ascorbinsäure zur Vorbeugung und Behandlung von Skorbut, Rheuma, Verbrennungen etc. bestätigt wird. Diese Daten weisen auf eine enge funktionelle Beziehung zwischen den Vitaminen C und P bei oxidativen Regenerationsprozessen des Körpers hin.

Bei Insuffizienz von Bioflavonoiden oder deren Fehlen in der Nahrung steigt die Durchlässigkeit der Blutgefäße, begleitet von Blutungen und Blutungen, allgemeiner Schwäche, Müdigkeit und Schmerzen in den Gliedmaßen.

Die wichtigsten Vitaminquellen sind pflanzliche Lebensmittel (insbesondere Gemüse und Obst), die viel Vitamin C enthalten. Die Vitaminindustrie stellt eine Reihe von Präparaten mit P-Vitamin-Aktivität her: Teecatechine, Rutin, Hesperidin, Naringin und andere.

Fazit.

Das in dieser Arbeit hervorgehobene Problem ist heute ein sehr wichtiger Abschnitt in der Biochemie, in dem trotz der erzielten Fortschritte viele Fragen und Lücken bestehen bleiben.

Die Kenntnis der Fragen der bioorganischen Chemie ist in der Praxis eines jeden Arztes notwendig und wichtig, da die aktive Entwicklung der Pharmakologie und das Aufkommen vieler neuer Arzneimittel es ermöglichen, die Biochemie der im Körper ablaufenden Prozesse zu kennen, sie zu beeinflussen und viele zu behandeln Krankheiten auf zellulärer Ebene, Anregung von Energieprozessen auf der Ebene der Mitochondrien. .

Jeder plötzliche Tod ist mit Hypoxie verbunden, die durch die Ansammlung einer großen Menge Milchsäure im Körper aufgrund der Unterdrückung der Funktion von Shuttle-Mechanismen begleitet wird, und als Folge tritt Azidose auf. Während der Hypoxie werden unbegrenzt freie Radikale gebildet und die Lipidperoxidation schreitet intensiv voran, gefolgt von irreversiblen Zellschäden. Die Untersuchung von Verletzungen der Mechanismen der biologischen Oxidation und Korrekturmethoden ist wichtig bei der Behandlung von Pathologien des Herz-Kreislauf- und Atmungssystems, altersbedingter Pathologien und Entzündungen. Diese Erkenntnis ist von besonderer Bedeutung bei der Reanimation, während der Narkose, da der Milchsäurespiegel bei Operationen unter Narkose, beispielsweise mit Ketamin oder Etran, unter dem Einfluss von Betäubungsmitteln deutlich ansteigt, die Prozesse der Oxidation und Phosphorylierung entkoppelt werden. Deshalb ist es so wichtig, über möglichst vollständiges Wissen und aussagekräftige Daten zu verfügen, deren Auswertung die maximalen Möglichkeiten zur Vorhersage des Krankheitsverlaufs bieten kann.

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