HISTÓRICO DOS ESTUDOS DE OXIDAÇÃO BIOLÓGICA.

As primeiras ideias sobre a oxidação biológica foram expressas por Lavoisier, que disse que a oxidação biológica é uma combustão lenta. Do ponto de vista químico, a combustão é a interação do carbono com o oxigênio para formar CO2. Mas no corpo, a formação de CO2 ocorre por DESCARBOXILAÇÃO, e a oxidação biológica ocorre a baixas temperaturas, não pela formação de CO2 na presença de água e sem a formação de chama.

Com base nisso, as seguintes idéias reais sobre o biológico foram apresentadas. oxidação no início do século XX.

1. A teoria da "ativação" do oxigênio pelo acadêmico BACH. Ele representou a formação de PERÓXIDOS como o papel principal no processo de oxidação biológica.

Esses pontos de vista foram apoiados por botânicos, porque. as plantas têm muitas PEROXIDASES, e os cientistas que estudam os tecidos animais não apoiaram essas opiniões, porque PEROXIDASES não são encontradas neles.

2. A teoria da ativação do hidrogênio pelo acadêmico PALLADIN. Ele partiu do fato de que nos tecidos animais há muita enzima - DG.

A água é o produto final da oxidação biológica. As visões de BACH e PALLADIN foram transformadas. Atualmente, acredita-se que DG e OXIDASES participem da oxidação biológica.

CONCEITOS MODERNOS SOBRE OXIDAÇÃO BIOLÓGICA.

1. A oxidação biológica, como a oxidação em geral, é um processo de transferência de elétrons. A substância que doa elétrons é oxidada, a que recebemos é reduzida. Se o aceptor de elétrons é o oxigênio, esse processo é chamado de respiração tecidual. A oxidação biológica envolve a DESIDRATAÇÃO com a formação de água.

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

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

Se o hidrogênio interage com o oxigênio para formar água fora do corpo, isso é acompanhado por uma explosão. A oxidação biológica é um processo de vários estágios - uma transferência de elétrons em vários estágios com uma liberação gradual de energia, o que exclui uma explosão. A oxidação biológica é um processo que requer muitas enzimas. Que. A oxidação biológica é um processo de vários estágios de transporte de elétrons realizado por um complexo de enzimas. Esse complexo de enzimas é chamado de CADEIA DE TRANSPORTE ELETRÔNICA (ETC), ou CADEIA DE TRANSPORTE ELETRÔNICA (CPE), ou cadeia respiratória. ETC é uma espécie de TRANSPORTADOR para a transferência de elétrons e prótons do substrato para o oxigênio.

COMPONENTES DA CADEIA RESPIRATÓRIA.

1. DG DEPENDENTES DE NICOTINA, ou seja, contendo coenzimas - OVER, NADP

2. DG DEPENDENTES DE FLAVINO, ou seja, contendo coenzimas - FMN, FAD.

3. UBIQUINONA (Co-Q)

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

Quase todos esses componentes, com exceção do primeiro, estão embutidos na membrana interna das MITOCÔNDRIAS. Existem até 5.000 dessas cadeias respiratórias no fígado e até 20.000 no coração.

ESTRUTURA DOS COMPONENTES DA CADEIA RESPIRATÓRIA.

1. Em NAD e NADP, a parte de trabalho é a vitamina PP - NICOTINAMIDA.

2. Em FAD e FMN, a parte de trabalho é FLAVIN (um componente da vitamina B2)

3. UBIQUINONE transforma-se facilmente na forma reduzida KOQ + 2H + 2e = KOQ*H2

4.CITOCROMOS são HETEROPROTEÍNAS. Sua parte proteica é HEM, cuja estrutura é de 4 anéis PYRROL e um átomo de ferro, que muda facilmente a valência. Também pode incluir cobre.

ENZIMAS DA CADEIA RESPIRATÓRIA.

1. Os substratos DG estão localizados no citoplasma da célula, podendo estar na MATRIZ MITOCONDRIAL.

2. NADH - DG (FMN).

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

5.CITOCROMO C.

6. A CITOCROMOXIDASE está envolvida na transferência de elétrons para o oxigênio (inclui os CITOCROMOS a, a3).

FUNCIONAMENTO DA CADEIA RESPIRATÓRIA.

ETC completo - interação do substrato com NAD. ETC encurtado - a interação do substrato com o FAD e o subsequente transporte de elétrons e prótons imediatamente para a COENZIMA Q.

A ordem dos componentes da cadeia respiratória é determinada pela magnitude de seus potenciais d-oh, variando de -0,32 V a + 0,81 V. -0,32 é típico para NADH2, +0,81 é típico para O2.

FOSFORILAÇÃO OXIDATIVA.

Na cadeia respiratória, são criadas condições para a síntese de ATP, ou seja, energia suficiente é liberada.

oxidação biológica

Oxidação biológica (respiração celular ou tecidual) - reações redox que ocorrem nas células do corpo, como resultado das quais substâncias orgânicas complexas são oxidadas com a participação de enzimas específicas com oxigênio fornecido pelo sangue. Os produtos finais da oxidação biológica são água e dióxido de carbono. A energia liberada no processo de oxidação biológica é parcialmente liberada na forma de calor, mas a maior parte dela vai para a formação de moléculas de compostos organofosforados complexos (principalmente trifosfato de adenosina - ATP), que são fontes de energia necessárias para a vida do corpo.

Neste caso, o processo de oxidação consiste na remoção de elétrons e igual número de prótons da substância oxidada (substrato). Os substratos da oxidação biológica são produtos de transformações de gorduras, proteínas e carboidratos. A oxidação biológica de substratos para produtos finais é realizada por uma cadeia de reações sucessivas, cujos produtos intermediários incluem ácidos tricarboxílicos - ácidos cítrico, cisaconítico e isocítrico, portanto, toda a cadeia de reações é chamada de ciclo do ácido tricarboxílico, ou ciclo de Krebs (após o pesquisador que estabeleceu este ciclo).

A reação inicial do ciclo de Krebs é a condensação do ácido oxaloacético com uma forma ativada de ácido acético (acetato), que é um composto com a coenzima de acetilação - acetil-CoA. Como resultado da reação, forma-se o ácido cítrico que, após desidrogenação quádrupla (eliminação de 2 átomos de hidrogênio da molécula) e descarboxilação dupla (eliminação da molécula de CO2), forma o ácido oxaloacético. As fontes de acetil-CoA utilizadas no ciclo de Krebs são o ácido acético, ácido pirúvico - um dos produtos da glicólise (ver), ácidos graxos (ver), etc. substâncias também podem ser oxidadas, podendo ser convertidas em produtos intermediários deste ciclo, por exemplo, muitos dos aminoácidos formados durante a quebra de proteínas. Devido à reversibilidade da maioria das reações do ciclo de Krebs, os produtos de degradação de proteínas, gorduras e carboidratos (intermediários) podem não apenas ser oxidados, mas também obtidos durante sua circulação. É assim que se realiza a relação entre o metabolismo das gorduras, proteínas e carboidratos.

As reações de oxidação que ocorrem no ciclo de Krebs não são, via de regra, acompanhadas pela formação de compostos ricos em energia. Uma exceção é a conversão de succinil-CoA em succinato (veja ácido succínico), que é acompanhada pela formação de trifosfato de guanosina. A maior parte do ATP é formada na cadeia de enzimas respiratórias (ver), onde a transferência de elétrons (e nos estágios iniciais e prótons) para o oxigênio é acompanhada pela liberação de energia.

As reações de eliminação de hidrogênio são realizadas por enzimas da classe desidrogenase, e átomos de hidrogênio (isto é, prótons + elétrons) são ligados a coenzimas: nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD), nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato (NADP), flavina adenina dinucleotídeo (FAD), etc.

Os processos de oxidação biológica associados ao ciclo de Krebs e à cadeia de enzimas respiratórias ocorrem principalmente nas mitocôndrias e estão localizados em suas membranas.

Assim, os processos de oxidação biológica associados ao ciclo de Krebs são importantes tanto na formação de compostos ricos em energia quanto na ligação do metabolismo de carboidratos, gorduras e proteínas. Outros tipos de oxidação biológica parecem ter um significado mais restrito, como o fornecimento de energia às células. Esta é a fase da glicólise, que consiste na oxidação de vários compostos de fósforo com a redução simultânea de NAD e a formação de ATP ou a reação do ciclo das pentoses (ou seja, a conversão oxidativa de glicose-6-fosfato), acompanhada pela formação de fosfopentose e NADP reduzido. O ciclo das pentoses desempenha um papel importante em tecidos caracterizados pela síntese intensiva de ácidos nucléicos, ácidos graxos, colesterol, etc. Ver também Metabolismo e energia.

Oxidação biológica - um conjunto de reações redox que ocorrem em objetos biológicos. O processo de oxidação é entendido como a perda de elétrons ou elétrons e prótons simultaneamente por uma substância (perda de átomos de hidrogênio) ou pela adição de oxigênio. Reações na direção oposta caracterizam o processo de recuperação. Agentes redutores são substâncias que perdem elétrons, agentes oxidantes são substâncias que ganham elétrons. A oxidação biológica é a base da respiração tecidual ou celular (o processo pelo qual tecidos e células absorvem oxigênio e liberam dióxido de carbono e água) - a principal fonte de energia para o corpo. A substância que aceita (aceita) elétrons, ou seja, é reduzida, é o oxigênio molecular, que se transforma em um ânion oxigênio O -. Os átomos de hidrogênio se separam da matéria orgânica - o substrato da oxidação (SH2), são convertidos, após a perda de elétrons, em prótons ou cátions de hidrogênio carregados positivamente:

SH2→S→2H; 2Н→2H + + 2e: ½O2→О; О→2е→O -- ; 2H + + O -- →H2O + 55 kcal. Como resultado da reação entre cátions de hidrogênio e ânions de oxigênio, a água é formada e a reação é acompanhada pela liberação de uma quantidade significativa de energia para cada 18 g de água). O dióxido de carbono é formado como um subproduto da oxidação biológica. Algumas das reações de O. levam à formação de peróxido de hidrogênio, sob a influência da catalase que se decompõe em H2O e O2.

Os fornecedores de energia no corpo humano são alimentos - proteínas, gorduras e carboidratos. No entanto, essas substâncias não podem servir como substratos de O.. Eles são clivados preliminarmente no trato digestivo, onde os aminoácidos são formados a partir de proteínas, ácidos graxos e glicerol de gorduras e monossacarídeos, principalmente hexoses, de carboidratos complexos. Todos esses compostos são absorvidos e entram (diretamente ou através do sistema linfático) no sangue. Juntamente com substâncias semelhantes formadas em órgãos e tecidos, eles constituem um "fundo metabólico" do qual o corpo extrai material para a biossíntese e para satisfazer as necessidades energéticas. Os principais substratos de O. são produtos do metabolismo tecidual de aminoácidos, carboidratos e gorduras, denominados substâncias do "ciclo do ácido cítrico". Estes incluem ácidos:

cítrico, cisaconito, isocítrico, succínico oxálico, α-cetoglutárico, succínico, fumárico, málico, oxaloacético.

O ácido pirúvico CH3-CO-COOH não está diretamente envolvido no ciclo do ácido cítrico, mas desempenha um papel significativo nele, assim como o produto de sua descarboxilação - a forma ativa do ácido acético CH3COCoA (acetil-coenzima A).

Os processos incluídos no “ciclo do ácido cítrico” (“ciclo de Krebs”, “ciclo do ácido tricarboxílico”) prosseguem sob a ação de enzimas contidas em organelas celulares chamadas mitocôndrias. O ato elementar de oxidação de qualquer substância incluída no ciclo do ácido cítrico é a remoção do hidrogênio dessa substância, ou seja, o ato de desidrogenação devido à atividade da enzima desidrogenase de ação específica correspondente (Fig. 1).

Arroz. 1. Esquema do ciclo do ácido cítrico de Krebs.

Se o processo começa com ácido pirúvico, a eliminação de dois átomos de hidrogênio (2H) no ciclo de Krebs é repetida 5 vezes e é acompanhada por três etapas sucessivas de descarboxilação. O primeiro ato - desidrogenação - ocorre quando o ácido pirúvico é convertido em acetil-CoA, que se condensa com ácido oxaloacético em ácido cítrico. A segunda vez, a desidrogenação leva à formação de ácido oxalossuccínico a partir do ácido isocítrico. O terceiro ato - a separação de dois átomos de hidrogênio - está associado à conversão do ácido cetoglutárico em succinil-CoA; a quarta - com a desidrogenação do ácido succínico e, por fim, a quinta - com a conversão do ácido málico em ácido oxaloacético, que pode condensar novamente com acetil-CoA e proporcionar a formação de ácido cítrico. Durante a quebra de succinil-CoA, uma ligação rica em energia (~ P) é formada - esta é a chamada fosforilação do substrato: Succinil-CoA + H3PO4 + ADP → ácido succínico + CoA + ATP.

Arroz. 2. Esquema de desidrogenação de substratos do ciclo do ácido cítrico por enzimas específicas constituídas por complexos dissociantes: proteínas - b1, b2, b3 e b4 com NAD e NADH2 e proteína b5, que forma um complexo com FAD (succina desidrogenase); CAA é ácido cisaconítico.

Quatro desses atos de desidrogenação são realizados com a participação de desidrogenases específicas, cuja coenzima é a nicotinamida adenina dinucleotídeo (NAD). Um ato - a transformação do ácido succínico em fumárico - ocorre sob a influência da succindeidrogenase - flavoproteína I. Nesse caso, a coenzima é o dinucleotídeo flavina adenina (FAD). Como resultado de cinco atos repetidos de desidrogenação (Fig. 2), as reações que ocorrem no ciclo do ácido cítrico resultam na formação de formas reduzidas de coenzimas: 4-NADH2 1-FADH2. A NAD desidrogenase reduzida, ou seja, aceitando hidrogênio de NADH2, também pertence às enzimas flavina - esta é a flavoproteína II. No entanto, difere da succindeidrogenase na estrutura da proteína e do componente flavina. A oxidação adicional das formas reduzidas de flavoproteínas I e II contendo FADH2 ocorre com a participação de citocromos (ver), que são proteínas complexas - cromoproteínas, contendo porfirinas de ferro - hemes.

Quando o FADH2 é oxidado, os caminhos do próton e dos elétrons divergem: os prótons entram no ambiente na forma de íons de hidrogênio e os elétrons através de uma série de citocromos (Fig. 3) são transferidos para o oxigênio, transformando-o em um ânion de oxigênio O - . Entre o FADH2 e o sistema citocromo, aparentemente, outro fator está envolvido - a coenzima Q. Cada próximo elo na cadeia respiratória do NADH2 ao oxigênio é caracterizado por um maior potencial redox (ver). Ao longo da cadeia respiratória de NADH2 a ½O2, o potencial muda em 1,1 V (de -0,29 V a + 0,81 V). Com a oxidação completa, por exemplo, do ácido pirúvico, acompanhada por uma eliminação de hidrogênio em cinco vezes, a eficiência energética do processo será de cerca de 275 kcal (55X5). Esta energia não é completamente dissipada como calor; aproximadamente 50% dele se acumula na forma de energia

compostos de fósforo, principalmente trifosfato de adenosina (ATP).

O processo de transformação da energia de oxidação em ligações ricas em energia (~P) do resíduo final de fosfato da molécula de ATP está localizado nas membranas mitocondriais internas e está associado a certos estágios de transferência de hidrogênio e elétrons ao longo da cadeia respiratória (Fig. 4). É geralmente aceito que a primeira fosforilação está associada ao transporte de hidrogênio do NADH2 para o FAD, a segunda está associada à transferência de elétrons para o citocromo c1 e, finalmente, a terceira, menos estudada, está localizada entre os citocromos c e a .

O mecanismo para a formação de ligações ricas em energia ainda não foi decifrado. Verificou-se, no entanto, que o processo consiste em várias reações intermediárias (na Fig. 4 - de J ~ X ao ATP), apenas a última das quais é a formação de um resíduo de fosfato de ATP rico em energia. A ligação rica em energia do grupo fosfato terminal no ATP é estimada em 8,5 kcal por grama-molécula (em condições fisiológicas, cerca de 10 kcal). Durante a transferência de hidrogênio e elétrons pela cadeia respiratória, iniciando com NADH2 e terminando com a formação de água, 55 kcal são liberados e acumulados na forma de ATP no mínimo 25,5 kcal (8,5X3). Portanto, a eficiência energética do processo de oxidação biológica é de cerca de 50%.

Arroz. 3. Esquema de transferência de hidrogênio e elétrons pela cadeia respiratória; E0 - potencial redox.

Arroz. 5. Esquema de utilização da energia das ligações ATP-fosfato (AMP-R~R) para várias funções fisiológicas.

O significado biológico da oxidação fosforilante é claro (Fig. 5): todos os processos vitais (trabalho muscular, atividade nervosa, biossíntese) requerem gasto de energia, as bordas são fornecidas pela quebra de ligações fosfato ricas em energia (~P). O significado biológico da oxidação não fosforilante - livre - pode ser visto em inúmeras reações de oxidação que não estão associadas ao ciclo do ácido cítrico e à transferência de hidrogênio e elétrons ao longo da cadeia respiratória. Isso inclui, por exemplo, todos os processos de oxidação não mitocondrial, remoção oxidativa de substâncias ativas tóxicas e muitos atos de regulação do conteúdo quantitativo de compostos biologicamente ativos (certos aminoácidos, aminas biogênicas, adrenalina, histidina, serotonina, etc., aldeídos , etc.) por oxidação mais ou menos intensa. A proporção de oxidação livre e fosforilante também é uma das formas de termorregulação em humanos e animais de sangue quente. Veja também Metabolismo e Energia.

Sem energia, nenhum ser vivo pode existir. Afinal, toda reação química, todo processo requer sua presença. É fácil para qualquer um entender e sentir isso. Se você não comer o dia todo, à noite, e possivelmente até mais cedo, os sintomas de aumento da fadiga, letargia começarão, a força diminuirá significativamente.

Como os diferentes organismos se adaptaram para obter energia? De onde vem e que processos ocorrem dentro da célula? Vamos tentar descobrir isso neste artigo.

Obtendo energia por organismos

Não importa como as criaturas consumam energia, sempre se baseia em diferentes exemplos. A equação da fotossíntese, que é realizada por plantas verdes e algumas bactérias, também é OVR. Naturalmente, os processos serão diferentes dependendo de qual ser vivo se trata.

Portanto, todos os animais são heterótrofos. Ou seja, tais organismos que não são capazes de formar independentemente compostos orgânicos prontos dentro de si para sua posterior divisão e liberação da energia das ligações químicas.

As plantas, pelo contrário, são o produtor mais poderoso de matéria orgânica do nosso planeta. São eles que realizam um processo complexo e importante chamado fotossíntese, que consiste na formação de glicose a partir da água, dióxido de carbono sob a ação de uma substância especial - a clorofila. O subproduto é o oxigênio, que é a fonte de vida para todos os seres vivos aeróbicos.

Reações redox, exemplos das quais ilustram este processo:

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

• dióxido de carbono + sob a influência do pigmento de clorofila (enzima de reação) = monossacarídeo + oxigênio molecular livre.

Existem também representantes da biomassa do planeta que são capazes de usar a energia das ligações químicas de compostos inorgânicos. São chamados de quimiotróficos. Estes incluem muitos tipos de bactérias. Por exemplo, microorganismos de hidrogênio que oxidam moléculas de substrato no solo. O processo ocorre de acordo com a fórmula: 2H 2 +0 2 \u003d 2H 2 0.

História do desenvolvimento do conhecimento sobre oxidação biológica

O processo subjacente à produção de energia é hoje bem conhecido. oxidação. A bioquímica estudou as sutilezas e os mecanismos de todos os estágios de ação com tantos detalhes que quase não restam mistérios. No entanto, nem sempre foi assim.

A primeira menção às transformações mais complexas que ocorrem no interior dos seres vivos, que são reações químicas na natureza, surgiu por volta do século XVIII. Foi nessa época que Antoine Lavoisier, o famoso químico francês, voltou sua atenção para como a oxidação biológica e a combustão são semelhantes. Ele traçou o caminho aproximado do oxigênio absorvido durante a respiração e chegou à conclusão de que os processos de oxidação ocorrem dentro do corpo, apenas mais lentos do que fora durante a combustão de várias substâncias. Ou seja, o agente oxidante - moléculas de oxigênio - reage com compostos orgânicos e, especificamente, com hidrogênio e carbono deles, e ocorre uma transformação completa, acompanhada da decomposição dos compostos.

No entanto, embora essa suposição seja inerentemente bastante real, muitas coisas permaneceram incompreensíveis. Por exemplo:

• como os processos são semelhantes, as condições para sua ocorrência devem ser idênticas, mas a oxidação ocorre em baixa temperatura corporal;
• a ação não é acompanhada pela liberação de uma quantidade colossal de energia térmica e não há formação de chama;
• nos seres vivos, pelo menos 75-80% de água, mas isso não impede a "queima" de nutrientes neles.

Para responder a todas essas perguntas e entender o que realmente constitui a oxidação biológica, levou mais de um ano.

Havia diferentes teorias que implicavam a importância da presença de oxigênio e hidrogênio no processo. Os mais comuns e bem sucedidos foram:

• a teoria de Bach, chamada peróxido;
• A teoria de Palladin, baseada em um conceito como "cromógenos".

No futuro, havia muito mais cientistas, tanto na Rússia quanto em outros países do mundo, que gradualmente fizeram acréscimos e mudanças na questão do que é a oxidação biológica. A bioquímica moderna, graças ao seu trabalho, pode contar sobre todas as reações desse processo. Entre os nomes mais famosos nesta área estão os seguintes:

• Mitchell;
• S.V. Severina;
• Warburg;
• V.A. Belitser;
• Lehninger;
• V.P. Skulachev;
• Krebs;
• Verde;
• V.A. Engelhardt;
• Kaylin e outros.

Tipos de oxidação biológica

Existem dois tipos principais de processo em consideração, que ocorrem em condições diferentes. Assim, a forma mais comum de converter o alimento recebido em muitas espécies de microrganismos e fungos é anaeróbica. Esta é a oxidação biológica, que é realizada sem acesso ao oxigênio e sem sua participação de qualquer forma. Condições semelhantes são criadas onde não há acesso ao ar: no subsolo, em substratos em decomposição, lodos, argilas, pântanos e até no espaço.

Este tipo de oxidação tem outro nome - glicólise. É também uma das etapas de um processo mais complexo e trabalhoso, mas energeticamente rico - transformação aeróbica ou respiração tecidual. Este é o segundo tipo de processo em consideração. Ocorre em todos os seres vivos heterotróficos aeróbicos que usam oxigênio para a respiração.

Assim, os tipos de oxidação biológica são os seguintes.

1. Glicólise, via anaeróbica. Não requer a presença de oxigênio e termina com várias formas de fermentação.
2. Respiração tecidual (fosforilação oxidativa) ou tipo aeróbico. Requer a presença de oxigênio molecular.

Participantes do processo

Passemos à consideração das próprias características que a oxidação biológica contém. Definimos os principais compostos e suas abreviaturas, que usaremos no futuro.

1. Acetilcoenzima-A (acetil-CoA) é um condensado de ácido oxálico e acético com uma coenzima, formada no primeiro estágio do ciclo do ácido tricarboxílico.
2. O ciclo de Krebs (ciclo do ácido cítrico, ácidos tricarboxílicos) é uma série de transformações redox sequenciais complexas acompanhadas pela liberação de energia, redução de hidrogênio e formação de importantes produtos de baixo peso molecular. É o principal elo no cata- e anabolismo.
3. NAD e NAD * H - enzima desidrogenase, decifrada como nicotinamida adenina dinucleotídeo. A segunda fórmula é uma molécula com um hidrogênio ligado. NADP - nicotinamida adenina dinucleotídeo fosfato.
4. FAD e FAD * H - flavina adenina dinucleotídeo - coenzima de desidrogenases.
5. ATP é trifosfato de adenosina.
6. PVA é ácido pirúvico ou piruvato.
7. Succinato ou ácido succínico, H 3 RO 4 - ácido fosfórico.
8. GTP é trifosfato de guanosina, uma classe de nucleotídeos de purina.
9. ETC - cadeia de transporte de elétrons.
10. Enzimas de processo: peroxidases, oxigenases, citocromo oxidases, flavina desidrogenases, várias coenzimas e outros compostos.

Todos esses compostos são participantes diretos do processo de oxidação que ocorre nos tecidos (células) dos organismos vivos.

Estágios de oxidação biológica: tabela

Etapa	Processos e significado
glicolise	A essência do processo está na divisão anóxica dos monossacarídeos, que precede o processo de respiração celular e é acompanhada por uma produção de energia igual a duas moléculas de ATP. Piruvato também é formado. Este é o estágio inicial para qualquer organismo vivo de um heterótrofo. Significado na formação do PVC, que entra nas cristas das mitocôndrias e é substrato para a oxidação tecidual pelo oxigênio. Nos anaeróbios, após a glicólise, iniciam-se vários tipos de processos de fermentação.
Oxidação de piruvato	Este processo consiste na conversão do PVC formado durante a glicólise em acetil-CoA. É realizado usando um complexo enzimático especializado piruvato desidrogenase. O resultado são moléculas de cetil-CoA que entram no processo e o NAD é reduzido a NADH no mesmo processo. Lugar de localização - cristas de mitocôndrias.
Decomposição de ácidos graxos beta	Este processo é realizado em paralelo com o anterior nas cristas das mitocôndrias. Sua essência é processar todos os ácidos graxos em acetil-CoA e colocá-lo no ciclo do ácido tricarboxílico. Também restaura o NADH.
ciclo de Krebs	Começa com a conversão de acetil-CoA em ácido cítrico, que sofre outras transformações. Uma das etapas mais importantes que inclui a oxidação biológica. Este ácido está sujeito a: desidrogenação; descarboxilação; regeneração. Cada processo é repetido várias vezes. Resultado: GTP, dióxido de carbono, forma reduzida de NADH e FADH 2 . Ao mesmo tempo, as enzimas de oxidação biológica estão localizadas livremente na matriz das partículas mitocondriais.
Fosforilação oxidativa	Este é o último estágio na conversão de compostos em organismos eucarióticos. Neste caso, o difosfato de adenosina é convertido em ATP. A energia necessária para isso é retirada da oxidação dessas moléculas de NADH e FADH 2 que foram formadas nas etapas anteriores. Através de sucessivas transições ao longo da ETC e uma diminuição dos potenciais, a energia é concluída nas ligações macroérgicas do ATP.

Todos esses são processos que acompanham a oxidação biológica com a participação do oxigênio. Naturalmente, eles não são totalmente descritos, mas apenas em essência, pois é necessário um capítulo inteiro do livro para uma descrição detalhada. Todos os processos bioquímicos dos organismos vivos são extremamente multifacetados e complexos.

Processo de reação redox

As reações redox, cujos exemplos podem ilustrar os processos de oxidação do substrato descritos acima, são as seguintes.

1. Glicólise: monossacarídeo (glicose) + 2NAD + + 2ADP = 2PVK + 2ATP + 4H + + 2H 2 O + NADH.
2. Oxidação do piruvato: PVA + enzima = dióxido de carbono + acetaldeído. Em seguida, o próximo passo: acetaldeído + coenzima A = acetil-CoA.
3. Muitas transformações sucessivas de ácido cítrico no ciclo de Krebs.

Essas reações redox, cujos exemplos são dados acima, refletem a essência dos processos em andamento apenas de maneira geral. Sabe-se que os compostos em questão são de alto peso molecular ou têm um grande esqueleto de carbono, então simplesmente não é possível representar tudo com fórmulas completas.

Saída de energia da respiração tecidual

A partir das descrições acima, fica claro que não é difícil calcular o rendimento total de energia de toda a oxidação.

1. Duas moléculas de ATP são produzidas pela glicólise.
2. Oxidação de piruvato 12 moléculas de ATP.
3. 22 moléculas caem no ciclo do ácido tricarboxílico.

Conclusão: a oxidação biológica completa ao longo da via aeróbica fornece uma saída de energia igual a 36 moléculas de ATP. A importância da oxidação biológica é óbvia. É essa energia que é usada pelos organismos vivos para a vida e funcionamento, bem como para aquecer seus corpos, movimentos e outras coisas necessárias.

Oxidação anaeróbica do substrato

O segundo tipo de oxidação biológica é anaeróbica. Ou seja, aquele que é realizado por todos, mas no qual os microrganismos de certas espécies param. e é precisamente a partir dele que as diferenças na transformação posterior de substâncias entre aeróbios e anaeróbios são claramente traçadas.

Existem poucos passos de oxidação biológica ao longo desta via.

1. Glicólise, ou seja, a oxidação de uma molécula de glicose em piruvato.
2. Fermentação levando à regeneração de ATP.

A fermentação pode ser de diferentes tipos, dependendo dos organismos que a realizam.

fermentação láctica

É realizado por bactérias do ácido lático, bem como alguns fungos. A linha inferior é restaurar o PVC ao ácido lático. Este processo é utilizado na indústria para obter:

• lacticínios;
• legumes e frutas em conserva;
• silos de animais.

Este tipo de fermentação é um dos mais utilizados nas necessidades humanas.

Fermentação alcoólica

Conhecido pelas pessoas desde a antiguidade. A essência do processo é a conversão do PVC em duas moléculas de etanol e duas de dióxido de carbono. Devido ao rendimento deste produto, este tipo de fermentação é utilizado para obter:

• de pão;
• culpa;
• Cerveja;
• confeitaria e muito mais.

É realizado por fungos, leveduras e microorganismos de natureza bacteriana.

Fermentação butírica

Um tipo bastante específico de fermentação. Realizado por bactérias do gênero Clostridium. O resultado final é a conversão do piruvato em ácido butírico, que confere aos alimentos um odor desagradável e sabor rançoso.

Portanto, as reações de oxidação biológica que procedem por esse caminho praticamente não são utilizadas na indústria. No entanto, essas bactérias semeiam produtos alimentícios de forma independente e causam danos, diminuindo sua qualidade.

No processo de metabolismo, os produtos alimentares (carboidratos, lipídios) sofrem catabolismo.

Catabolismo- este é o processo de divisão de substâncias de alto peso molecular em substâncias de baixo peso molecular, que acompanha a liberação de energia. No processo de catabolismo, a estrutura das substâncias macromoleculares é simplificada.

A energia liberada no processo de catabolismo é utilizada para a síntese de novas substâncias, ou seja, durante o anabolismo.

A interação da transformação de matéria e energia é chamada de metabolismo.

Os processos de oxidação ocorrem no corpo e fora do corpo. Esses processos têm semelhanças e diferenças.

Semelhanças entre oxidação no corpo e fora do corpo.

1. Como resultado da oxidação, os mesmos produtos finais CO 2 e H 2 O são formados.
2. A mesma quantidade de energia é liberada.

Diferenças entre oxidação no corpo e fora do corpo.

1. Fora do corpo, a energia é liberada devido à oxidação dos átomos de carbono e no corpo devido à oxidação dos átomos de hidrogênio.

1. Fora do corpo, o oxigênio combina com o substrato oxidado. No corpo, o oxigênio não se combina com o substrato.
2. Fora do corpo, a energia é liberada simultaneamente e não é acumulada, ou seja, não estoca. No corpo, a energia é liberada em porções, “cascata” e acumulada (armazenada). A liberação de energia em "cascata" protege a célula do superaquecimento.
3. A principal reação de oxidação no corpo é a reação de desidrogenação, ou seja, eliminação de hidrogênio (prótons). As reações auxiliares são reações de desidratação e descarboxilação.
4. O processo de oxidação no corpo é um processo enzimático de vários estágios.

O processo de oxidação de substratos em objetos biológicos é chamado de oxidação biológica.

Tipos de oxidação biológica.

1. respiração dos tecidos
2. oxidação do substrato

A respiração tecidual é um processo enzimático de vários estágios no qual o oxigênio é o aceptor final de elétrons.

No processo de respiração tecidual, estão envolvidas enzimas - oxidorredutases, que formam a cadeia respiratória.

A cadeia respiratória é um complexo de oxidorredutases envolvidas na transferência de prótons e elétrons do substrato oxidado para o oxigênio.

A cadeia respiratória está localizada nas cristas mitocondriais.

A estrutura da cadeia respiratória.

A cadeia respiratória inclui 4 grupos de enzimas:

1. Desidrogenases dependentes de piridina - a coenzima é NAD, NADP.

2. Desidrogenases dependentes de flavina - a coenzima é FAD, FMN.

3. Coenzima Q ou ubiquinona.

4. Citocromos b, c, a, a 3.

Os citocromos são proteínas heme, contendo heme como parte não proteica. O heme contém um átomo de ferro, que pode mudar seu estado de oxidação de +3 para +2 ganhando ou doando um elétron.

A cadeia respiratória consiste em duas seções:

1. Um local que inclui desidrogenases dependentes de piridina - a coenzima Q garante a transferência de prótons e elétrons. No nível da coenzima Q, os prótons vão para o ambiente das mitocôndrias, porque Os citocromos são estruturalmente capazes de transportar apenas elétrons.

2. Uma seção de citocromos que garante a transferência apenas de elétrons.

O principal significado do sistema citocromo é a transferência de elétrons de um substrato oxidado para oxigênio molecular com a formação de água:

Esquema de transporte de elétrons e prótons ao longo da cadeia respiratória.

Dois prótons e dois elétrons são transferidos ao longo da cadeia respiratória do substrato oxidado para o oxigênio.

As coenzimas da cadeia respiratória, aceitando prótons e elétrons, se transformam em uma forma reduzida, e doando-os novamente se transformam em uma forma oxidada.

A força motriz que assegura a transferência de prótons e elétrons do substrato para o oxigênio é a diferença de potenciais redox. Na cadeia respiratória, ocorre aumento do potencial redox (de -0,32 para +0,81 em O 2)

Para a síntese de uma ligação macroérgica de ATP, a diferença de potencial redox entre as seções da cadeia respiratória é de aproximadamente 0,22 V por par de elétrons transferidos.

O comprimento da cadeia respiratória (o número de enzimas) pode ser diferente e depende da natureza do substrato oxidado.

É importante para a célula que a molécula de oxigênio, tendo adicionado 4 elétrons, seja completamente restaurada em duas moléculas de água. No caso de redução incompleta do oxigênio, no caso da adição de dois elétrons, forma-se o peróxido de hidrogênio, e no caso da adição de um elétron, o radical superóxido. O peróxido de hidrogênio e o radical superóxido são tóxicos para a célula, pois danificam as membranas celulares interagindo com resíduos de ácidos graxos insaturados dos lipídios da membrana.

As células aeróbicas se protegem da ação do peróxido e do superóxido com a ajuda de duas enzimas: superóxido dismutase e catalase.

Maneiras de usar a energia de transferência de elétrons.

Quando um par de elétrons é transferido, ocorre uma mudança na energia livre e essa energia é usada de duas maneiras:

1. A energia de transferência de elétrons é usada para a síntese de ATP.

2. A energia de transferência de elétrons é usada para gerar calor.

Quando um par de elétrons é transferido ao longo da cadeia respiratória, ocorre uma mudança na energia livre, igual a 52,6 kcal. Esta energia é suficiente para a síntese de 3 moléculas de ATP. A síntese de três moléculas de ATP em condições padrão requer o gasto de kcal.

Nos três pontos de transferência de elétrons, ocorre a maior mudança na energia livre e esses pontos são chamados de pontos de conjugação da respiração tecidual e fosforilação oxidativa.

A fosforilação oxidativa é o processo de ressíntese de ATP a partir de ADP e Fn, associado à respiração tecidual.

Os pontos de emparelhamento estão localizados nas áreas:

1. OVER/FAD

3. c a/a 3 O 2

Os pontos de conjugação são constantes, mas seu número depende da natureza do substrato oxidado.

Durante a oxidação de substratos dependentes de NAD, ocorrem 3 pontos de conjugação, i.e. 3ATP é liberado, quando substratos dependentes de FAD são oxidados, 2 pontos de conjugação ocorrem e 3 ATP são liberados, quando substratos dependentes de citocromo são oxidados, a quantidade de ATP depende de quais elétrons do citocromo são despejados: quando os elétrons são despejados no citocromo b, 2ATP é liberado no processo de fosforilação oxidativa, e no citocromo c - 1ATP.

O coeficiente de fosforilação é a razão P/O como indicador da conjugação de respiração e fosforilação.

Verificou-se que quando um átomo de oxigênio é absorvido (ou quando um par de elétrons é transferido do substrato para o oxigênio), não é absorvido um átomo de fosfato inorgânico, mas cerca de três, ou seja, o coeficiente P / O é aproximadamente igual a 3. Ou seja. existem pelo menos três pontos de junção na cadeia respiratória onde o fosfato inorgânico está envolvido na formação de ATP.

O processo de oxidação biológica pode não ser acompanhado pela síntese de ATP.

A oxidação que não é acompanhada pela síntese de ATP é chamada de oxidação livre. Neste caso, a energia é liberada na forma de calor. Isso pode ser observado sob a ação de toxinas e é acompanhado por um aumento da temperatura corporal.

Causas de violação da oxidação biológica.

1. Falta de substratos de oxidação (carboidratos, lipídios, ou seja, alimentos).

2. Violação do trabalho das enzimas na cadeia respiratória:

1. Defeito da apoenzima (síntese da parte proteica da enzima é prejudicada).

2. Defeito de coenzima (síntese prejudicada de coenzimas devido à falta de vitaminas B 2, B 5, K).

3. Falta de oxigênio.

4. Ação dos inibidores.

O aminobarbital inibe a transferência de prótons e elétrons no sítio NAD / FAD, a oxidação de substratos dependentes de NAD para.

A antimicina inibe a transferência de elétrons no local do citocromo b, citocromo c.

As cianas inibem a transferência de elétrons no sítio citocromo oxidase/oxigênio.

Na maioria das condições fisiológicas, a transferência de elétrons está associada à fosforilação oxidativa.

Vários compostos podem causar desacoplamento da respiração tecidual e fosforilação oxidativa. Os desacopladores desses processos são os seguintes compostos: 2,4 - dinitrofenol, hormônio tireoidiano - tiroxina, dicumarina e seus derivados, ácidos graxos.

O desacoplamento da fosforilação oxidativa e da respiração tecidual pode ser biologicamente benéfico. O desacoplamento é uma maneira de gerar calor para manter a temperatura corporal em animais em hibernação e mamíferos adaptados ao frio. Os ácidos graxos, que se acumulam no tecido adiposo marrom, atuam como um desacoplador. Os recém-nascidos também possuem essa gordura marrom, o que possibilita manter a temperatura corporal com um sistema de termorregulação ainda imperfeito.

Em pacientes com hiperfunção da glândula tireoide, observa-se um aumento da temperatura corporal, devido ao desacoplamento dos processos de respiração tecidual e fosforilação oxidativa causada pela tiroxina.

Com a falta de oxigênio nos tecidos, o processo de respiração tecidual é difícil e a oxidação do substrato ocorre nos tecidos.

A oxidação do substrato é um processo de oxidação no qual o aceptor final de elétrons é o substrato ao invés do oxigênio.

A oxidação do substrato é uma fonte emergencial de energia na ausência de oxigênio.

A falta de oxigênio (hipóxia) ocorre no corpo durante o trabalho físico, ao escalar montanhas, descer debaixo d'água, em doenças do sistema respiratório, do sistema cardiovascular e do sistema hematopoiético.

A oxidação do substrato é energeticamente menos favorável do que a respiração do tecido, uma vez que os potenciais redox dos substratos diferem insignificantemente.

No corpo, juntamente com a fosforilação oxidativa, o processo de fornecimento de energia é a fosforilação do substrato.

A fosforilação do substrato é o processo de formação de compostos macroérgicos devido às ligações macroérgicas do substrato.

O composto macroérgico mais importante é o ATP.

A energia das ligações macroérgicas é acumulada em vários compostos: fosfato de creatina, 1,3-difosfoglicerato, GTP, etc.

oxidação biológica

Respiração tecidual Oxidação livre Oxidação do substrato

Relacionado à Energia

oxidativo secretado

fosforilação como calor

A energia é liberada

na forma de ATP

Fosforilação

Fosforilação oxidativa Fosforilação de substrato

associado a membranas mitocondriais não associado a membranas

ACADEMIA MÉDICA DO ESTADO DE URAL

Departamento de Química Bioorgânica e Biológica

CURSO DE TRABALHO SOBRE O ASSUNTO:

oxidação biológica.

Artistas: estudantes

pediátrico

corpo docente 223 grupos

Zaruba N.S., Chashchina E.E.

Supervisor: professor assistente,

Doutorado Trubachev S.D.

Revisor:

Ecaterimburgo 2002.

I. Introdução……………………………………………………………………3

II. Ideias gerais sobre oxidação biológica.

Sistemas e potenciais redox……..3

III. Maneiras de usar o oxigênio na célula……………………………...5

Via da oxidase para o uso de oxigênio. Mitocôndria.

Enzimas, sua localização e significado nos processos de oxidação…….5

4. Estágios de utilização de energia de nutrientes……………………6

V. Fosforilação oxidativa……………………………………………9

A teoria quimiosmótica de Mitchell……..……….………………..9

Redox - cadeia de fosforilação oxidativa………………10

VI. Ciclo de Krebs……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………… 21

Abertura do CTC………………………………………………………..22

Reações, enzimas. Regulamento…………………………………...23

VII. Compostos e ligações macroérgicos………………………………...29

VIII. Vitamina R. Participação em processos de oxidação……………………….30

IX. Oxidação microssomal……………………………………………31

Reações de monooxigenase…………………………………………31

Reações de dioxigenase…………………………………………….32

Citocromos…………………………………………………………32

X. Via da peroxidase de utilização de oxigênio…………………..33

XI. Proteção antioxidante enzimática……………………………34

Superóxido dismutase, catalase, peroxidase………………….34

XII. Proteção antioxidante não enzimática…………………………35

Vitaminas C, E e P……………………………………………….35

XIII. Conclusão…………………………………………………………..38

XIV. Referências……………………………………………………..39

Introdução.

Em química, a oxidação é definida como a remoção de elétrons, enquanto a redução é definida como a adição de elétrons; isso pode ser ilustrado pelo exemplo da oxidação de um ferro-íon para um ferro-íon:

Fe 2+ -e → Fe 3+

Portanto, segue-se que a oxidação é sempre acompanhada pela redução do aceptor de elétrons. Este princípio dos processos redox é igualmente aplicável aos sistemas bioquímicos e caracteriza a natureza dos processos biológicos de oxidação.

Embora algumas bactérias (anaeróbias) vivam na ausência de oxigênio, a vida dos animais superiores depende inteiramente do suprimento de oxigênio. O oxigênio é usado principalmente no processo de respiração - este último pode ser definido como o processo de captura de energia celular na forma de ATP durante a adição controlada de oxigênio com hidrogênio para formar água. Além disso, o oxigênio molecular é incluído em vários substratos com a participação de enzimas chamadas oxigenases. Muitos medicamentos, substâncias estranhas ao organismo, cancerígenos (xenobióticos) são atacados por enzimas dessa classe, que juntas são chamadas de citocromo P 450.

Os distúrbios hipóxicos do metabolismo celular ocupam um lugar de liderança na patogênese de condições críticas. O principal papel na formação da irreversibilidade dos processos patológicos é atribuído a manifestações extremas de distúrbios do metabolismo celular. O fornecimento adequado de oxigênio para a célula é a principal condição para a manutenção de sua viabilidade.

A introdução de oxigênio pode salvar a vida de pacientes com problemas respiratórios ou de circulação sanguínea. A oxigenoterapia de alta pressão tem sido utilizada com sucesso em alguns casos; no entanto, deve-se observar que a oxigenoterapia intensiva ou prolongada de alta pressão pode causar toxicidade do oxigênio.

Ao escrever este trabalho, tínhamos um objetivo: estudar a oxidação biológica e seu significado na vida da célula e do organismo como um todo. Para isso consideramos:

O uso de oxigênio pela célula;

Fontes de energia celular - ciclo do ácido cítrico (ciclo de Krebs), fosforilação oxidativa;

oxidação microssomal;

Proteção antioxidante

Ideias gerais sobre oxidação biológica.

Sistemas e potenciais redox.

A fonte de energia utilizada para realizar todos os tipos de trabalho (químico, mecânico, elétrico e osmótico) é a energia da ligação química. A liberação de energia de carboidratos, gorduras, proteínas e outros compostos orgânicos ocorre durante sua decomposição redox. A energia liberada é gasta na síntese de ATP.

A mudança na energia livre, que caracteriza as reações de oxidação e redução, é proporcional à capacidade dos reagentes de doar ou aceitar elétrons. Portanto, a variação da energia livre do processo redox pode ser caracterizada não apenas pelo valor de DG 0", mas também pelo valor do potencial redox do sistema (Eo). Normalmente, o potencial redox do sistema é comparado com o potencial do eletrodo de hidrogênio, tomando este último como zero, 0V em pH \u003d 0. No entanto, para sistemas biológicos, é mais conveniente usar o potencial redox em pH \u003d 7,0 (Eo "); neste pH, o potencial do eletrodo de hidrogênio é -0,42V.

Usando a Tabela 1, pode-se prever em qual direção o fluxo de elétrons irá ao conjugar um sistema redox.

Tabela 1. Potenciais padrão de alguns sistemas redox.

Maneiras de usar o oxigênio na célula.

Existem três maneiras de usar o oxigênio na célula, que são caracterizadas pelas seguintes reações:

1) via da oxidase (90% do oxigênio que entra é reduzido a H 2 O com a participação da enzima citocromo oxidase)

0 2 + 4e + 4H + → 2H 2 O

2) via da oxigenase (inclusão de um átomo de oxigênio no substrato - via da monooxigenase, dois átomos de oxigênio - via da dioxigenase) - via da monooxigenase

Via da dioxigenase

3) caminho de radicais livres (sem a participação de enzimas e ATP não é formado).

Via da oxidase para o uso de oxigênio. Mitocôndria. Enzimas, sua localização e significado no processo de oxidação.

As mitocôndrias são justamente chamadas de "estações de energia" da célula, pois é nessas organelas que a energia fornecida pelos processos oxidativos é principalmente captada. O sistema mitocondrial de conjugação de processos oxidativos com a geração do intermediário ATP de alta energia é chamado de fosforilação oxidativa.

As mitocôndrias têm uma membrana externa que é permeável à maioria dos metabólitos e uma membrana interna seletivamente permeável com muitas dobras (cristae) que se projetam em direção à matriz (o espaço interno das mitocôndrias). A membrana externa pode ser removida por tratamento com digitonina; é caracterizada pela presença de monoamina oxidase e algumas outras enzimas (por exemplo, acil-CoA sintetase, glicerofosfato aciltransferase, monoacilglicerofosfato aciltransferase, fosfolipase A2). O espaço intermembranar contém adenilato quinase e creatina quinase. A cardiolipina fosfolipídica está localizada na membrana interna.

A matriz contém enzimas solúveis do ciclo do ácido cítrico e enzimas de b-oxidação de ácidos graxos; portanto, há necessidade de mecanismos para o transporte de metabólitos e nucleotídeos através da membrana interna. A succinato desidrogenase está localizada na superfície interna da membrana mitocondrial interna, onde transfere os equivalentes redutores da cadeia respiratória ao nível da ubiquinona (contornando a primeira alça redox). A 3-hidroxibutirato desidrogenase está localizada no lado da matriz da membrana mitocondrial interna. A glicerol-3-fosfato desidrogenase está localizada na superfície externa da membrana interna, onde participa do funcionamento do mecanismo de transporte do glicerofosfato.

Fases de utilização de energia de nutrientes.

A utilização de energia de nutrientes é um processo complexo que ocorre em três etapas, de acordo com o seguinte esquema:

Esquema 1. Fases do catabolismo de nutrientes.

No estágio 1, as grandes moléculas de polímero se dividem em subunidades monoméricas: proteínas em aminoácidos, polissacarídeos em açúcares e gorduras em ácidos graxos e colesteróis. Esse processo preliminar, chamado digestão, é realizado principalmente fora das células pela ação de enzimas secretadas na cavidade do trato digestivo. No estágio 2, as pequenas moléculas formadas entram nas células e sofrem mais clivagem no citoplasma. A maioria dos átomos de carbono e hidrogênio dos açúcares são convertidos em piruvato, que, tendo penetrado na mitocôndria, forma o grupo acetil do composto reativo da acetil coenzima A (acetil-CoA). Uma grande quantidade de acetil-CoA também é formada durante a oxidação de ácidos graxos. No estágio 3, o grupo acetil do acetil-CoA é completamente clivado em CO 2 e H 2 O. É nesse estágio final que a maior parte do ATP é formada. Em uma série de reações químicas acopladas, mais da metade da energia que, segundo cálculos teóricos, pode ser extraída de carboidratos e gorduras quando oxidados a H 2 O e CO 2 é utilizada para realizar a reação energeticamente desfavorável F n + ADP® ATP. Como o restante da energia liberada durante a oxidação é liberada pela célula na forma de calor, o resultado da formação de ATP é um aumento geral na desordem do universo, o que é totalmente consistente com a segunda lei da termodinâmica.

Através da formação de ATP, a energia originalmente extraída por oxidação de carboidratos e gorduras é convertida em uma forma concentrada mais conveniente de energia química. Em uma solução localizada no espaço intracelular de uma célula típica, existem aproximadamente 1 bilhão de moléculas de ATP, cuja hidrólise em ADP e fosfato fornece a energia necessária para muitas reações energeticamente desfavoráveis.

O passo mais importante no estágio 2 do catabolismo é a glicólise, uma sequência de reações que leva à quebra da glicose. Durante a glicólise, uma molécula de glicose contendo 6 átomos de carbono é convertida em 2 moléculas de piruvato contendo 3 átomos de carbono cada. Essa transformação requer 9 reações enzimáticas consecutivas, nas quais vários compostos intermediários contendo fosfato são formados. (Veja a figura 1.)

Logicamente, a sequência das reações de glicólise pode ser dividida em três etapas: 1) nas reações 1-4 (veja a Figura 1), a glicose é convertida em aldeído de três carbonos gliceraldeído-3-fosfato (dois grupos fosfato são necessários para essa transformação, e a energia necessária é liberada durante a hidrólise do ATP); 2) nas reações 5-6, o grupo aldeído de cada molécula de gliceraldeído-3-fosfato é oxidado a carboxila, e a energia liberada neste caso é gasta na síntese de ATP a partir de ADP e Fn; 3) nas reações 7-9, essas duas moléculas de fosfato que estavam ligadas ao açúcar no primeiro estágio são transferidas de volta ao ADP, como resultado do qual o ATP é formado e os custos do ATP são compensados ​​no estágio 1.

Figura 1. Intermediários da glicólise.

A energia total produzida durante a glicólise é reduzida à síntese de duas moléculas de ATP (por uma molécula de glicose), que foram formadas nas reações 5 e 6. Assim, essas reações são de importância decisiva para a glicólise. Essas duas reações são as únicas em todo o processo em que uma ligação fosfato de alta energia é formada a partir de Fn. O resultado combinado dessas duas reações é a oxidação do aldeído de açúcar em ácido fosfoglicerólico, a transferência de Fn para ADP para formar uma ligação ATP de alta energia e a redução de NAD+ a NADH.

Para a maioria das células animais, a glicólise precede o estágio 3 do catabolismo, pois o ácido lático formado durante a glicólise entra rapidamente na mitocôndria, onde é oxidado a CO 2 e H 2 O. Entretanto, em organismos anaeróbios e tecidos capazes de trabalhar em condições anaeróbicas, a glicólise pode se tornar a principal fonte de ATP celular. Nesses casos, as moléculas de piruvato permanecem no citosol e são convertidas em lactato, que é então excretado da célula. A conversão adicional de piruvato nessas reações geradoras de energia, chamadas de fermentação, é necessária para utilizar totalmente o potencial de redução obtido na reação 5 da glicólise e, assim, regenerar o NAD + necessário para a implementação adicional da glicólise.

fosforilação oxidativa.

A fosforilação oxidativa permite que os organismos aeróbicos capturem uma fração significativa da energia livre potencial da oxidação do substrato. Uma possível explicação para o mecanismo de fosforilação oxidativa é oferecida pela teoria quimiosmótica. Vários medicamentos (por exemplo, amobarbital) e venenos (cianeto, monóxido de carbono) inibem a fosforilação oxidativa, geralmente com consequências fatais. A fosforilação oxidativa é um processo tão vital que a interrupção de seu curso normal é incompatível com a vida. Isso pode explicar por que apenas um pequeno número de distúrbios genéticos que afetam esse sistema foi encontrado.

Embora o ciclo do ácido cítrico faça parte do metabolismo aeróbico, nenhuma das reações desse ciclo que levam à formação de NADH e FADH 2 está diretamente envolvida no oxigênio molecular; isso ocorre apenas na série final de reações catabólicas que ocorrem na membrana interna. Quase toda a energia adquirida nos estágios iniciais da oxidação pela queima de carboidratos, gorduras e outros nutrientes é inicialmente armazenada na forma de elétrons de alta energia transportados por NADH e FADH. Esses elétrons então interagem com o oxigênio molecular na cadeia respiratória. Como grande parte da energia liberada é utilizada pelas enzimas da membrana interna para sintetizar ATP a partir de ADP e Pn, essas últimas reações são chamadas de fosforilação oxidativa.

A síntese de ATP nas reações de fosforilação oxidativa que ocorrem na cadeia respiratória depende processo quimiosmótico . O mecanismo desse processo, proposto pela primeira vez em 1961, possibilitou resolver um problema que há muito enfrentava a biologia celular.

Anteriormente, pensava-se que a energia para a síntese de ATP na cadeia respiratória é fornecida pelo mesmo mecanismo que na fosforilação do substrato: assumiu-se que a energia de oxidação é usada para formar uma ligação de alta energia entre o grupo fosfato e algum composto intermediário , e que a conversão de ADP em ATP é realizada por conta da energia liberada quando a ligação é quebrada. No entanto, apesar das buscas intensivas, o suposto intermediário não foi encontrado.

De acordo com a hipótese quimiosmótica, em vez de produtos intermediários ricos em energia, há uma conexão direta entre processos químicos (“quimi …”) e transporte (osmótico, do grego osmos - empurrar, pressão) - acoplamento quimiosmótico.

A hipótese quimiosmótica, proposta no início da década de 1960, incluía quatro postulados independentes sobre a função das mitocôndrias:

1. A cadeia respiratória mitocondrial, localizada na membrana interna, é capaz de movimentar prótons; quando os elétrons passam pela cadeia respiratória, H + é “bombeado” da matriz.

2. O complexo mitocondrial ATP sintetase também move prótons através da membrana interna. Como esse processo é reversível, a enzima pode não apenas usar a energia da hidrólise do ATP para transportar H + através da membrana, mas com um gradiente de prótons suficientemente grande, os prótons começam a “fluir” através da ATP sintetase na direção oposta, o que é acompanhado pela síntese de ATP.

3. A membrana interna das mitocôndrias é impermeável a H + , OH - e em geral a todos os ânions e cátions.

4. A membrana mitocondrial interna contém várias proteínas transportadoras que realizam o transporte de metabólitos e íons inorgânicos necessários.

A passagem de elétrons de alta energia entregues por NADH e FADH 2 através da cadeia respiratória da membrana mitocondrial interna de um transportador para o próximo libera energia, que é usada para bombear prótons (H +) através da membrana interna da matriz para o espaço intermembranar. (veja a imagem 2)

Figura 2. Transferência de prótons com a participação do sistema ATP sintase (modelo Mitchell).

Como resultado, um gradiente eletroquímico de prótons é criado na membrana interna; A energia da corrente reversa de prótons “para baixo” ao longo desse gradiente é usada pela enzima ATP sintetase ligada à membrana, que catalisa a formação de ATP a partir de ADP e Pn, ou seja, fase final da fosforilação oxidativa.

Cadeia redox de fosforilação oxidativa.

Os elétrons são transferidos do NADH para o oxigênio por três grandes complexos enzimáticos da cadeia respiratória. Embora os mecanismos de extração de energia na cadeia respiratória e em outras reações catabólicas sejam diferentes, eles são baseados em princípios comuns. A reação H 2 + 1/2 O 2 ® H 2 O é dividida em muitas pequenas "etapas" para que a energia liberada possa ser convertida em formas ligadas em vez de ser dissipada como calor. Assim como a formação de ATP e NADH na glicólise ou no ciclo do ácido cítrico, isso se deve ao uso de uma via indireta. Mas a singularidade da cadeia respiratória reside no fato de que aqui, em primeiro lugar, os átomos de hidrogênio são divididos em elétrons e prótons. Os elétrons são transferidos através de uma série de portadores , embutido na membrana mitocondrial interna. Quando os elétrons chegam ao final dessa cadeia de transporte de elétrons, os prótons estão lá para neutralizar a carga negativa que surge quando os elétrons passam para a molécula de oxigênio.

Vamos traçar o processo de oxidação, começando com a formação do NADH, o principal aceptor de elétrons reativos extraídos durante a oxidação das moléculas de nutrientes. Cada átomo de hidrogênio é formado por um elétron e um próton. Cada molécula de NADH carrega um íon hidreto (átomo de hidrogênio + elétron extra, H:-) e não apenas um átomo de hidrogênio. No entanto, devido à presença de prótons livres na solução aquosa circundante, a transferência de um íon hidreto na composição do NADH é equivalente à transferência de dois átomos de hidrogênio ou uma molécula de hidrogênio (H: - + H + ® H 2) .

A transferência de elétrons ao longo da cadeia respiratória começa com a remoção de um íon hidreto (H: -) do NADH; neste caso, o NAD + é regenerado e o íon hidreto se transforma em um próton e dois elétrons (H: - ® H + + 2e -). Esses elétrons vão para o primeiro de mais de 15 transportadores de elétrons diferentes na cadeia respiratória. Neste ponto, os elétrons têm uma quantidade muito grande de energia, cujo estoque diminui gradualmente à medida que passam pelo circuito. Na maioria das vezes, os elétrons se movem de um átomo de metal para outro, com cada um desses átomos fortemente ligados a uma molécula de proteína, o que afeta sua afinidade eletrônica. É importante notar que todas as proteínas transportadoras de elétrons são agrupadas em três grandes complexos de enzimas respiratórias, cada uma contendo proteínas transmembranares que fixam firmemente o complexo na membrana mitocondrial interna. Cada complexo subsequente tem uma afinidade maior por elétrons do que o anterior. Os elétrons passam sucessivamente de um complexo para outro, até que finalmente passam para o oxigênio, que tem a maior afinidade eletrônica.

A energia liberada durante o transporte de elétrons ao longo da cadeia respiratória é armazenada na forma de um gradiente eletroquímico de prótons através da membrana mitocondrial interna.

A fosforilação oxidativa é possível devido à estreita associação de transportadores de elétrons com moléculas de proteína. As proteínas direcionam os elétrons ao longo da cadeia respiratória para que eles passem sequencialmente de um complexo enzimático para outro sem "saltar" através de ligações intermediárias. É especialmente importante que a transferência de elétrons esteja associada a mudanças alostéricas em certas proteínas das moléculas, como resultado do qual um fluxo de elétrons energeticamente favorável causa o bombeamento de prótons (H +) através da membrana interna da matriz para a intermembrana espaço e mais além das mitocôndrias. O movimento dos prótons leva a duas consequências importantes: 1) cria-se um gradiente de pH entre os dois lados da membrana interna - na matriz, o pH é maior do que no citosol, onde o valor de pH costuma ser próximo de 7,0 (já que pequenas moléculas passam livremente pela membrana externa da mitocôndria, o pH no espaço intermembranar será o mesmo que no citosol); 2) um gradiente de voltagem (potencial de membrana) é criado na membrana interna, e o lado interno da membrana é carregado negativamente e o lado externo é carregado positivamente. O gradiente de pH (DрН) faz com que os íons H+ se movam de volta para a matriz e os íons OH para fora da matriz, o que aumenta o efeito do potencial de membrana, sob a influência de que qualquer carga positiva é atraída para a matriz e qualquer carga negativa é empurrado para fora dele. A ação combinada dessas duas forças leva ao aparecimento de um gradiente eletroquímico de prótons. O gradiente eletroquímico de prótons cria uma força motriz de prótons, medida em milivolts (mV).

A energia do gradiente eletroquímico de prótons é usada para a síntese de ATP e transporte de metabólitos e íons inorgânicos para a matriz.

A membrana interna das mitocôndrias é caracterizada por um teor de proteína incomumente alto - contém aproximadamente 70% de proteína e 30% de fosfolipídios em peso. Muitas dessas proteínas fazem parte da cadeia de transporte de elétrons que mantém o gradiente de prótons através da membrana. Outro componente importante - a enzima ATP sintase, que catalisa a síntese de ATP. Este é um grande complexo proteico através do qual os prótons fluem de volta para a matriz ao longo de um gradiente eletroquímico. Como uma turbina, a ATP sintetase converte uma forma de energia em outra, sintetizando ATP a partir de ADP e Pn na matriz mitocondrial em uma reação acoplada ao fluxo de prótons na matriz (veja a Figura 3).

Figura 3. Mecanismo geral de fosforilação oxidativa.

Mas a síntese de ATP não é o único processo que ocorre devido à energia do gradiente eletroquímico. Na matriz, onde estão localizadas as enzimas envolvidas no ciclo do ácido cítrico e outras reações metabólicas, é necessário manter altas concentrações de diversos substratos; em particular, a ATP sintetase requer ADP e fosfato. Portanto, uma variedade de substratos portadores de carga deve ser transportada através da membrana interna. Isso é alcançado por várias proteínas transportadoras incorporadas na membrana, muitas das quais bombeiam ativamente certas moléculas contra seus gradientes eletroquímicos, ou seja, realizar um processo que requer energia. Para a maioria dos metabólitos, a fonte dessa energia é a conjugação com o movimento de algumas outras moléculas "para baixo" ao longo de seu gradiente eletroquímico. Por exemplo, o sistema antiport ADP-ATP está envolvido no transporte de ADP: quando cada molécula de ADP entra na matriz, uma molécula de ATP sai dela ao longo de seu gradiente eletroquímico. Ao mesmo tempo, o sistema de simporte acopla a transição do fosfato para a mitocôndria com o fluxo de H+ direcionado para lá: os prótons entram na matriz ao longo de seu gradiente e, ao mesmo tempo, “arrastam” o fosfato junto com eles. É similarmente transferido para a matriz e piruvato. A energia do gradiente eletroquímico de prótons também é utilizada para transferir íons Ca 2+ para a matriz, que aparentemente desempenham um papel importante na regulação da atividade de algumas enzimas mitocondriais.

Quanto mais energia do gradiente eletroquímico é gasta na transferência de moléculas e íons para as mitocôndrias, menos sobra para a síntese de ATP. Por exemplo, se as mitocôndrias isoladas forem colocadas em um ambiente com alto teor de Ca 2 +, elas interromperão completamente a síntese de ATP; toda a energia do gradiente será gasta no transporte de Ca 2+ para a matriz. Em algumas células especializadas, o gradiente eletroquímico de prótons é "desviado" de tal forma que as mitocôndrias produzem calor em vez de síntese de ATP. Obviamente, as células são capazes de regular o uso da energia do gradiente eletroquímico de prótons e direcioná-la para os processos que são mais importantes no momento.

A rápida conversão de ADP em ATP nas mitocôndrias torna possível manter uma alta proporção de concentrações de ATP/ADP nas células. Com a ajuda de uma proteína especial incorporada na membrana interna, o ADP é transportado para a matriz em troca de ATP de acordo com o princípio antiport. Como resultado, as moléculas de ADP liberadas durante a hidrólise de ATP no citosol entram rapidamente na mitocôndria para “recarregar”, enquanto as moléculas de ATP formadas na matriz durante a fosforilação oxidativa também saem rapidamente para o citosol, onde são necessárias. No corpo humano, moléculas de ATP por dia, o que permite manter uma concentração de ATP na célula mais de 10 vezes superior à concentração de ADP.

No processo de fosforilação oxidativa, cada par de elétrons NADH fornece energia para a formação de aproximadamente três moléculas de ATP. Um par de elétrons FADH 2, de menor energia, fornece energia para a síntese de apenas duas moléculas de ATP. Em média, cada molécula de acetil-CoA que entra no ciclo do ácido cítrico produz cerca de 12 moléculas de ATP. Isso significa que quando uma molécula de glicose é oxidada, 24 moléculas de ATP são formadas, e quando uma molécula de palmitato, um ácido graxo com 16 átomos de carbono, é oxidada, 96 moléculas de ATP são formadas. Se levarmos em conta também as reações exotérmicas que precedem a formação do acetil-CoA, verifica-se que a oxidação completa de uma molécula de glicose produz cerca de 36 moléculas de ATP, enquanto a oxidação completa do palmitato produz cerca de 129 moléculas de ATP. Esses são os valores máximos, pois de fato a quantidade de ATP sintetizada nas mitocôndrias depende de qual fração da energia do gradiente de prótons vai para a síntese de ATP, e não para outros processos. Se compararmos a mudança na energia livre durante a combustão de gorduras e carboidratos diretamente em CO 2 e H 2 O com a quantidade total de energia armazenada nas ligações fosfato de ATRP nos processos de oxidação biológica, verifica-se que a eficiência de a conversão da energia de oxidação em energia ATP muitas vezes excede 50%. Como toda a energia não utilizada é liberada como calor, os grandes organismos precisariam de maneiras mais eficientes de remover o calor do ambiente.

A enorme quantidade de energia livre liberada durante a oxidação só pode ser efetivamente utilizada em pequenas porções. O complexo processo de oxidação envolve muitos produtos intermediários, cada um dos quais difere apenas ligeiramente do anterior. Devido a isso, a energia liberada é decomposta em quantidades menores, que podem ser eficientemente convertidas usando reações acopladas em ligações de alta energia de moléculas de ATP e NADH.

Em 1960, foi demonstrado pela primeira vez que várias proteínas de membrana envolvidas na fosforilação oxidativa podem ser isoladas sem perda de atividade. A partir da superfície das partículas submitocondriais, foi possível separar e converter em forma solúvel as minúsculas estruturas proteicas que as pontilham. Embora as partículas submitocondriais sem essas estruturas esféricas continuassem a oxidar NADH na presença de oxigênio, a síntese de ATP não ocorreu. Por outro lado, as estruturas isoladas atuaram como ATPases, hidrolisando ATP a ADP e Pn. Quando estruturas esféricas (chamadas F1-ATPases) foram adicionadas a partículas submissocondriais que não as possuíam, as partículas remodeladas ressintetizaram ATP a partir de ADP e Fn.

F 1 - ATPase faz parte de um grande complexo membranoso, penetrando em toda a espessura, que consiste em pelo menos nove cadeias polipeptídicas diferentes. Este complexo é chamado de ATP sintetase; constitui cerca de 15% da proteína total da membrana mitocondrial interna. ATP sintetases muito semelhantes são encontradas nas membranas de cloroplastos e bactérias. Esse complexo proteico contém canais transmembrana para prótons e ocorre apenas quando os prótons passam por esses canais a favor de seu gradiente eletroquímico.

A ATP sintetase pode agir na direção oposta - dividindo o ATP e bombeando prótons. A ação da ATP sintetase é reversível: ela é capaz de usar tanto a energia da hidrólise de ATP para bombear prótons através da membrana mitocondrial interna quanto a energia do fluxo de prótons ao longo do gradiente eletroquímico para sintetizar ATP. Assim, a ATP sintetase é um sistema conjugador reversível que realiza a interconversão da energia do gradiente eletroquímico de prótons e ligações químicas. A direção de sua operação depende da relação entre a inclinação do gradiente de prótons e o valor local de DG para hidrólise de ATP.

A ATP sintetase recebeu esse nome devido ao fato de que em condições normais, o gradiente de npotonnoro mantido pela cadeia respiratória sintetiza a maior parte do ATP total da célula. O número de prótons necessários para a síntese de uma molécula de ATP não é exatamente conhecido. Quando os prótons passam pela ATP sintetase, uma molécula de ATP é sintetizada.

O modo como a ATP sintetase funcionará em um determinado momento - no sentido da síntese ou hidrólise do ATP - depende do equilíbrio exato entre as variações de energia livre para a passagem de três prótons através da membrana para a matriz e para a síntese de ATP na matriz. matriz. Como já mencionado, o valor DG de syn.ATP é determinado pelas concentrações de três substâncias na matriz mitocondrial - ATP, ADP e Fn. Com uma força próton-motriz constante, a ATP sintetase sintetizará ATP até que a razão de ATP para ADP e Fn atinja um valor no qual o valor DG de syn.ATP se torne exatamente +15,2 kcal/mol. Sob tais condições, a síntese de ATP será precisamente balanceada por sua hidrólise.

Suponha que devido a reações que consomem energia, uma grande quantidade de ATP foi subitamente hidrolisada no citosol, e isso levou a uma queda na razão ATP:ADP na matriz mitocondrial. Neste caso sintetizador DG. diminuirá e a ATP sintetase mudará novamente para a síntese de ATP até que a relação ATP:ADP inicial seja restaurada. Se a força próton-motriz diminuir repentinamente e for mantida em um nível constante, então a ATP sintetase começará a dividir o ATP, e essa reação continuará até que a razão entre as concentrações de ATP e ADP atinja algum novo valor (no qual DG synth. ATP = +13,8 kcal/mol), e assim por diante.

Se a ATP sintetase normalmente não transporta H + da matriz, então a cadeia respiratória localizada na membrana mitocondrial interna em condições normais transporta prótons através desta membrana, criando assim um gradiente eletroquímico de prótons que fornece energia para a síntese de ATP.

A maioria dos carreadores de elétrons que compõem a cadeia respiratória absorve luz, e sua oxidação ou redução é acompanhada por uma mudança de cor. Normalmente, o espectro de absorção e a reatividade de cada carreador são bastante característicos, o que possibilita rastrear mudanças em seus estados usando espectroscopia mesmo em um extrato bruto. Isso tornou possível isolar esses portadores muito antes de sua verdadeira função se tornar clara. Por exemplo, os citocromos foram descobertos em 1925 como compostos que são rapidamente oxidados e reduzidos em organismos tão diversos quanto leveduras, bactérias e insetos. Observando células e tecidos com um espectroscópio, foi possível identificar três tipos de citocromos, que diferiam nos espectros de absorção e foram denominados citocromos a, b e c . As células contêm vários tipos de citocromos de cada tipo, e a classificação por tipo não reflete sua função.

O transportador de elétrons mais simples é uma pequena molécula hidrofóbica dissolvida na bicamada lipídica e chamada de ubiquinona ou coenzima Q. É capaz de aceitar ou doar um ou dois elétrons e captura temporariamente um próton do meio a cada transferência eletrônica.

Figura 4. Estrutura da ubiquinona.

A cadeia respiratória contém três grandes complexos enzimáticos embutidos na membrana interna

As proteínas de membrana são difíceis de isolar como complexos intactos porque são insolúveis na maioria das soluções aquosas, e substâncias como detergentes e ureia necessários para sua solubilização podem interferir nas interações proteína-proteína normais. No entanto, no início da década de 1960. verificou-se que detergentes iônicos relativamente suaves, como o desoxicolato, podem solubilizar certos componentes da membrana interna mitocondrial na forma nativa. Isso possibilitou identificar e isolar os três principais complexos enzimáticos respiratórios associados à membrana no caminho do NADH ao oxigênio.

Figura 5. Complexos enzimáticos respiratórios.

1. NADH - o complexo desidrogenase, o maior dos complexos enzimáticos respiratórios, tem um peso molecular superior a 800.000 e contém mais de 22 cadeias polipeptídicas. Aceita elétrons do NADH e os passa através da flavina e pelo menos cinco centros ferro-enxofre para a ubiquinona - uma pequena molécula lipossolúvel que doa elétrons para o segundo complexo de enzimas respiratórias, o complexo b-c 1 .

2. O complexo b-c 1 consiste em pelo menos 8 cadeias polipeptídicas diferentes e provavelmente existe como um dímero com um peso molecular de 500.000. Cada monômero contém três temas relacionados ao citocromo e uma proteína ferro-enxofre. O complexo aceita elétrons da ubiquinona e os passa para o citocromo c, uma pequena proteína de membrana periférica, que então os transfere para o complexo citocromo oxidase.

3. O complexo citocromo oxidase (citocromo aa 3) é o mais estudado dos três complexos. Consiste em pelo menos oito cadeias polipeptídicas diferentes e é isolado como um dímero com peso molecular de 300.000; cada monômero contém dois citocromos e dois átomos de cobre, este complexo recebe elétrons do citocromo c e os transfere para o oxigênio.

Citocromos, centros ferro-enxofre e átomos de cobre são capazes de transportar apenas um elétron de cada vez. Enquanto isso, cada molécula de NADH doa dois elétrons e cada molécula de O 2 deve aceitar 4 elétrons para formar uma molécula de água. Existem várias seções de coleta e distribuição de elétrons na cadeia de transporte de elétrons, onde a diferença no número de elétrons é coordenada. Por exemplo, o complexo citocromo oxidase aceita 4 elétrons das moléculas do citocromo c individualmente e, por fim, os transfere para uma molécula de O 2 ligada, o que leva à formação de duas moléculas de água. Nas etapas intermediárias desse processo, dois elétrons entram no citocromo a heme e no átomo de cobre ligado à proteína, Cu a, antes de passar para o sítio de ligação do oxigênio. Por sua vez, o sítio de ligação do oxigênio contém mais um átomo de cobre e citocromo a 3 heme. No entanto, o mecanismo para a formação de duas moléculas de água como resultado da interação de uma molécula de O 2 ligada com quatro prótons não é conhecido exatamente.

Na maioria das células, cerca de 90% de todo o oxigênio absorvido interage com a citocromo oxidase. A toxicidade de venenos como cianeto e azida está associada à sua capacidade de se ligar firmemente ao complexo citocromo oxidase e, assim, bloquear todo o transporte de elétrons.

Os dois componentes que transportam elétrons entre os três principais complexos enzimáticos da cadeia respiratória, ubiquinona e citocromo c, movem-se rapidamente por difusão no plano das membranas.

As colisões entre esses transportadores móveis e os complexos enzimáticos são suficientes para explicar a taxa de transferência de elétrons observada (cada complexo doa e aceita um elétron a cada 5-10 milissegundos). Portanto, não há necessidade de assumir uma ordem estrutural na cadeia de proteínas transportadoras na bicamada lipídica; de fato, os complexos enzimáticos aparentemente existem na membrana como componentes independentes, e a transferência ordenada de elétrons é assegurada apenas pela especificidade das interações funcionais entre os componentes da cadeia.

Isso também é apoiado pelo fato de que diferentes componentes da cadeia respiratória estão presentes em quantidades completamente diferentes. Por exemplo, nas mitocôndrias do coração, para cada molécula do complexo NADH-desidrogenase, existem 3 moléculas | complexo b-c 1 complexo, 7 moléculas do complexo citocromo oxidase, 9 moléculas de citocromo ce 50 moléculas de ubiquinona; proporções muito diferentes dessas proteínas foram encontradas em algumas outras células.

Uma queda redox significativa em cada um dos três complexos da cadeia respiratória fornece a energia necessária para bombear prótons .

Um par como H 2 O e ½O 2 (ou NADH e NAD +) é chamado de par redox conjugado, pois um de seus membros se transforma em outro se um ou mais elétrons e um ou mais prótons são adicionados (os últimos são sempre suficientes em qualquer solução aquosa). Assim, por exemplo, ½O 2 + 2e + 2H + ® H 2 O

É bem conhecido que uma mistura 50:50 de compostos ácido-base conjugados atua como um tampão para manter uma certa "pressão de prótons" (pH), cujo valor é determinado pela constante de dissociação do ácido. Exatamente da mesma forma, uma mistura 50:50 dos componentes de um par mantém uma certa "pressão eletrônica", ou potencial redox (potencial redox) E, que serve como medida da afinidade da molécula transportadora pelos elétrons.

Colocando os eletrodos em uma solução com os pares redox apropriados, pode-se medir o potencial redox de cada carreador de elétrons envolvido nas reações redox biológicas. Pares de compostos com os valores mais negativos do potencial redox têm a menor afinidade eletrônica, ou seja, contêm portadores com a menor tendência a aceitar elétrons e a maior tendência a doá-los. Por exemplo, uma mistura de NADH e NAD + (50:50) tem um potencial redox de -320 mV, o que indica uma capacidade muito pronunciada do NADH de doar elétrons, enquanto o potencial redox de uma mistura de quantidades iguais de H 2 O e ½O 2 é +820 mV, o que significa uma forte tendência de 0 2 para aceitar elétrons.

Uma queda acentuada ocorre dentro de cada um dos três principais complexos respiratórios. A diferença de potencial entre quaisquer dois transportadores de elétrons é diretamente proporcional à energia liberada quando um elétron passa de um transportador para outro. Cada complexo atua como um dispositivo de conversão de energia, direcionando essa energia livre para mover prótons através da membrana, resultando na criação de um gradiente eletroquímico de prótons à medida que os elétrons passam pelo circuito.

Para que o mecanismo de conversão de energia subjacente à fosforilação oxidativa funcione, é necessário que cada complexo enzimático da cadeia respiratória seja orientado na membrana mitocondrial interna de uma certa maneira - de modo que todos os prótons se movam em uma direção, ou seja, para fora da matriz . Essa organização vetorial de proteínas de membrana foi demonstrada usando sondas especiais que não atravessam a membrana, que marcam o complexo de apenas um lado da membrana. A orientação específica na bicamada é característica de todas as proteínas de membrana e é muito importante para sua função.

Mecanismos de bombeamento de prótons por componentes da cadeia respiratória.

No processo de fosforilação oxidativa, quando uma molécula de NADH é oxidada (ou seja, quando dois elétrons passam por todos os três complexos enzimáticos), não são formadas mais de três moléculas de ATP. Se assumirmos que a passagem reversa de três prótons pela ATP sintetase garante a síntese de uma molécula de ATP, será possível concluir que, em média, a transferência de um elétron por cada complexo é acompanhada pelo movimento de um e um meio prótons (em outras palavras, durante o transporte de um elétron, alguns complexos bombeiam um próton, enquanto outros - dois prótons). Provavelmente, diferentes componentes da cadeia respiratória possuem mecanismos diferentes de conjugação do transporte de elétrons com o movimento de prótons. Alterações alostéricas na conformação de uma molécula de proteína associadas ao transporte de elétrons podem, em princípio, ser acompanhadas por um "bombeamento" de prótons, assim como os prótons se movem quando a ação da ATP sintetase é revertida. Com a transferência de cada elétron, a quinona captura um próton do meio aquoso, que o entrega quando um elétron é liberado. Como a ubiquinona se move livremente na bicamada lipídica, ela pode aceitar elétrons próximos à superfície interna da membrana e transferi-los para o complexo b-c 1 próximo à sua superfície externa, movendo um próton através da bicamada para cada elétron transferido. Usando modelos mais complexos, pode-se também explicar o movimento do complexo b-c 1 de dois prótons por elétron, assumindo que a ubiquinona passa repetidamente pelo complexo b-c 1 em uma determinada direção.

Em contraste, as moléculas que doam elétrons para o complexo citocromo oxidase não parecem ser transportadoras de prótons, caso em que o transporte de elétrons provavelmente está associado a uma certa alteração alostérica na conformação das moléculas de proteína, pelo que parte do próprio complexo proteico transfere prótons.

Ação disruptiva.

Desde a década de 1940, são conhecidos vários ácidos fracos lipofílicos que podem atuar como agentes de desacoplamento, ou seja, interromper o acoplamento do transporte de elétrons com a síntese de ATP. Quando esses compostos orgânicos de baixo peso molecular são adicionados às células, as mitocôndrias interrompem a síntese de ATP, enquanto continuam a absorver oxigênio. Na presença de um agente de desacoplamento, a taxa de transporte de elétrons permanece alta, mas nenhum gradiente de prótons é criado. Esta é uma explicação simples para esse efeito: agentes de desacoplamento (por exemplo, dinitrofenol, tiroxina) atuam como transportadores de H+ (ionóforos de H+) e abrem uma via adicional – não mais via ATP sintetase – para o fluxo de H+ através da membrana mitocondrial interna.

Controle respiratório.

Quando um agente de desacoplamento, como o dinitrofenol, é adicionado às células, a absorção de oxigênio pelas mitocôndrias aumenta muito à medida que a taxa de transferência de elétrons aumenta. Essa aceleração está associada à existência de controle respiratório. Acredita-se que esse controle seja baseado no efeito inibitório direto do gradiente eletroquímico de prótons no transporte de elétrons. Quando o gradiente eletroquímico desaparece na presença de um desacoplador, o transporte descontrolado de elétrons atinge sua velocidade máxima. Um aumento no gradiente desacelera a cadeia respiratória e o transporte de elétrons diminui. Além disso, se um gradiente eletroquímico excepcionalmente alto for criado artificialmente no experimento na membrana interna, o transporte normal de elétrons será interrompido completamente e, em algumas partes da cadeia respiratória, será possível detectar um fluxo reverso de elétrons. . Isso sugere que o controle respiratório reflete um simples equilíbrio entre a mudança na energia livre durante o movimento de prótons associado ao transporte de elétrons e a mudança na energia livre durante o próprio transporte de elétrons. transferência, bem como e na direção de ação da ATP sintetase.

O controle respiratório é apenas parte de um sistema complexo de mecanismos reguladores de retroalimentação interconectados que coordenam as taxas de glicólise, quebra de ácidos graxos, reações do ciclo do ácido cítrico e transporte de elétrons. As taxas de todos esses processos dependem da proporção de ATP:ADP - eles aumentam quando essa proporção diminui como resultado do aumento do uso de ATP. Por exemplo, a ATP sintetase da membrana mitocondrial interna funciona mais rápido quando as concentrações de seus substratos, ou seja, ADP e Pn, aumentam. Quanto maior a velocidade dessa reação, mais prótons fluem para a matriz, dissipando o gradiente eletroquímico mais rapidamente; e uma diminuição no gradiente, por sua vez, leva a uma aceleração do transporte de elétrons.

As mitocôndrias no tecido adiposo marrom são geradoras de calor.

Todos os vertebrados em tenra idade necessitam de um dispositivo termogênico para gerar calor, além do mecanismo de tremor muscular. Tal dispositivo é especialmente importante para animais em hibernação. Os músculos em um tremor se contraem mesmo na ausência de exercício, usando proteínas contráteis para hidrolisar o ATP da maneira usual para as células musculares e liberando na forma de calor toda a energia potencialmente disponível da hidrólise do ATP. A necessidade de um dispositivo termogênico especial é determinada pela fosforilação oxidativa fortemente acoplada das mitocôndrias normais. Se este processo pudesse ser desacoplado, como acontece na presença de dinitrofenol, poderia servir como um dispositivo adequado de produção de calor; é assim que acontece nas mitocôndrias da gordura marrom. Embora essas mitocôndrias tenham a ATPase reversível usual, elas também possuem uma translocase de prótons transmembrana, através da qual os prótons podem retornar à matriz e contornar eletricamente o trabalho da ATPase. Se este processo for suficiente para manter o potencial redox do hidrogênio bem abaixo de 200 mV, a síntese de ATP torna-se impossível e o processo de oxidação prossegue livremente, com o resultado de que toda a energia é liberada na forma de calor.

Ciclo do ácido cítrico (ciclo do ácido tricarboxílico, ciclo de Krebs).

O ciclo do ácido cítrico é uma série de reações que ocorrem nas mitocôndrias durante as quais os grupos acetil são catabolizados e os equivalentes de hidrogênio são liberados; durante a oxidação deste último, a energia livre dos recursos de combustível dos tecidos é fornecida. Grupos acetil são encontrados em acetil-CoA (acetato ativo), o tioéster da coenzima A.

A principal função do ciclo do ácido cítrico é ser a via final comum para a oxidação de carboidratos, proteínas e gorduras, pois glicose, ácidos graxos e aminoácidos são metabolizados em acetil-CoA ou intermediários do ciclo. O ciclo do ácido cítrico também desempenha um papel importante nos processos de gliconeogênese, transaminação, desaminação e lipogênese.Embora vários desses processos ocorram em muitos tecidos, o fígado é o único órgão em que todos esses processos ocorrem. Portanto, danos a um grande número de células hepáticas ou sua substituição por tecido conjuntivo causa sérias consequências. O papel vital do ciclo do ácido cítrico também é evidenciado pelo fato de que em humanos quase não há alterações genéticas conhecidas nas enzimas que catalisam as reações do ciclo, uma vez que a presença de tais distúrbios é incompatível com o desenvolvimento normal.

Abertura do CCT.

A existência de tal ciclo para a oxidação do piruvato em tecidos animais foi sugerida pela primeira vez em 1937 por Hans Krebs. Essa ideia nasceu dele quando estudou o efeito de ânions de vários ácidos orgânicos na taxa de absorção de oxigênio por suspensões de músculos peitorais de pombos esmagados, nos quais o piruvato era oxidado. Os músculos peitorais são caracterizados por uma taxa de respiração extremamente alta, o que os torna um objeto particularmente conveniente para o estudo da atividade oxidativa. Krebs também confirmou que outros ácidos orgânicos anteriormente encontrados em tecidos animais (succínico, málico, fumárico e oxaloacético) estimulam a oxidação do piruvato. Além disso, ele descobriu que a oxidação do piruvato pelo tecido muscular é estimulada por ácidos tricarboxílicos de seis carbonos - cítrico, cis-aconítico e isocítrico, bem como ácido a-cetoglutárico de cinco carbonos. Vários outros ácidos orgânicos de ocorrência natural foram testados, mas nenhum deles mostrou atividade semelhante. A própria natureza do efeito estimulante dos ácidos ativos chamava a atenção: mesmo uma pequena quantidade de qualquer um deles era suficiente para causar a oxidação de muitas vezes mais piruvato.

Experimentos simples e raciocínio lógico permitiram a Krebs sugerir que o ciclo, que ele chamou de ciclo do ácido cítrico, é a principal via para a oxidação de carboidratos no músculo. Depois disso, o ciclo do ácido cítrico foi encontrado em quase todos os tecidos de animais e plantas superiores e em muitos microrganismos aeróbicos. Por esta importante descoberta, Krebs recebeu o Prêmio Nobel em 1953. Eugene Kennedy e Albert Lehninger mostraram mais tarde que todas as reações do ciclo do ácido cítrico ocorrem nas mitocôndrias das células animais. Em mitocôndrias isoladas de fígado de rato, não só foram encontradas todas as enzimas e coenzimas do ciclo do ácido cítrico; aqui, como se viu, todas as enzimas e proteínas necessárias para o último estágio da respiração, ou seja, estão localizadas. para transferência de elétrons e fosforilação oxidativa. Portanto, as mitocôndrias são legitimamente chamadas de "estações de energia" da célula.

Papel catabólico do ciclo do ácido cítrico

O ciclo começa com a interação da molécula de acetil-CoA com o ácido oxaloacético (oxaloacetato), que resulta na formação de um ácido tricarboxílico de seis carbonos chamado ácido cítrico. Isto é seguido por uma série de reações durante as quais duas moléculas de CO2 são liberadas e o oxaloacetato é regenerado. Como a quantidade de oxaloacetato necessária para converter um grande número de unidades acetil em CO 2 é muito pequena, podemos supor que o oxaloacetato desempenha um papel catalítico.

O ciclo do ácido cítrico é o mecanismo que capta a maior parte da energia livre liberada durante a oxidação de carboidratos, lipídios e proteínas. Durante a oxidação do acetil-CoA, devido à atividade de várias desidrogenases específicas, ocorre a formação de equivalentes redutores na forma de hidrogênio ou elétrons. Estes últimos entram na cadeia respiratória; durante o funcionamento dessa cadeia, ocorre a fosforilação oxidativa, ou seja, o ATP é sintetizado.

As enzimas do ciclo do ácido cítrico estão localizadas na matriz mitocondrial, onde são encontradas em estado livre ou na superfície interna da membrana mitocondrial interna; neste último caso, facilita-se a transferência de equivalentes redutores para as enzimas da cadeia respiratória localizadas na membrana mitocondrial interna.

Reações CTC.

A reação inicial, a condensação de acetil-CoA e oxaloacetato, é catalisada pela enzima de condensação, citrato sintetase, e uma ligação carbono-carbono é formada entre o carbono metil do acetil-CoA e o carbono carbonílico do oxaloacetato. A reação de condensação que leva à formação de citril-CoA é seguida pela hidrólise da ligação tioéter, acompanhada pela perda de grande quantidade de energia livre na forma de calor; isso determina o fluxo da reação da esquerda para a direita até que ela seja concluída:

Acetil-CoA + Oxaloacetato + H 2 O → Citrato + CoA-SH

A conversão de citrato em isocitrato é catalisada pela aconitase contendo ferro ferroso. Essa reação é realizada em duas etapas: primeiro ocorre a desidratação com a formação do cis-aconitato (parte dele permanece em complexo com a enzima), e depois a hidratação e a formação do isocitrato:

Citrato ↔ cis-Aconitato ↔ Isocitrato - H 2 O

A reação é inibida pelo fluoroacetato, que primeiro é convertido em fluoroacetil-CoA; o último condensa-se com oxaloacetato para formar fluorocitrato. O fluorocitrato é um inibidor direto da aconitase; o citrato se acumula após a inibição.

Experimentos com intermediários mostram que a aconitase interage com o citrato de maneira assimétrica: sempre atua sobre aquela parte da molécula de citrato que foi formada a partir do oxaloacetato. É possível que o cis-aconitato não seja um intermediário obrigatório entre o citrato e o isocitrato e seja formado no ramo lateral da via principal.

Além disso, a isocitrato desidrogenase catalisa a desidrogenação com a formação de oxalosuccinato. Três formas diferentes de isocitrato desidrogenase foram descritas. Um deles, dependente de NAD, é encontrado apenas nas mitocôndrias. As outras duas formas são dependentes de NADP, uma das quais também é encontrada na mitocôndria e a outra no citosol. A oxidação do isocitrato, associada ao trabalho da cadeia respiratória, é realizada quase exclusivamente por uma enzima NAD-dependente:

Isocitrato + NAD + ↔ Oxalosuccinato (em complexo com a enzima) ↔ alfa-cetoglutarato + CO 2 + NADH 2

Figura 5. Reações do ciclo de Krebs.

Segue-se a descarboxilação com a formação do alfa-cetoglutarato, que também é catalisado pela isocitrato desidrogenase. Um componente importante da reação de descarboxilação são íons Mg 2+ (ou Mn 2+). A julgar pelos dados disponíveis, o oxalosuccinato formado no estágio intermediário da reação permanece em um complexo com a enzima.

O alfacetoglutarato, por sua vez, sofre descarboxilação oxidativa semelhante à do piruvato: em ambos os casos, o substrato é o alfacetoácido. A reação é catalisada pelo complexo alfa-cetoglutarato desidrogenase e requer a participação do mesmo conjunto de cofatores - tiamina difosfato, lipoato, NAD + , FAD e CoA; como resultado, forma-se succinil-CoA - um tioéter contendo uma ligação de alta energia.

α-cetoglutorato + NAD + + CoA-SH → Succinil-CoA + CO 2 + NADH + H +

O equilíbrio da reação é tão fortemente deslocado para a formação de succinil-CoA que pode ser considerado fisiologicamente unidirecional. Assim como na oxidação do piruvato, a reação é inibida pelo arsenato, o que leva ao acúmulo do substrato (alfa-cetoglutarato).

O ciclo continua com a conversão de succinil-CoA em succinato, catalisada pela succinato tioquinase (succinil-CoA sintetase):

Succinil-CoA + PH + GDP↔ Succinato + GTP + CoA-SH

Um dos substratos da reação é GDP (ou IDP), a partir do qual GTP (ITP) é formado na presença de fosfato inorgânico. Este é o único passo no ciclo do ácido cítrico que gera uma ligação fosfato de alta energia no nível do substrato; na descarboxilação oxidativa do α-cetoglutarato, a quantidade potencial de energia livre é suficiente para formar NADH e uma ligação fosfato de alta energia. Em uma reação catalisada pela fosfoquinase, o ATP pode ser formado a partir de GTP e ITP. Por exemplo:

GTP+ADP «PIB+ATP.

Em uma reação alternativa que ocorre em tecidos extra-hepáticos e catalisada pela succinil-CoA-acetoacetato-CoA-transferase, o succinil-CoA é convertido em succinato acoplado com a conversão de acetoacetato em acetoacetil-CoA. Há atividade diacilase no fígado, o que garante a hidrólise de uma parte da succinil-CoA com a formação de succinato e CoA.

Succinato + FAD « Fumarato + FADH 2

A primeira desidrogenação é catalisada pela succinato desidrogenase ligada à superfície interna da membrana mitocondrial interna. Esta é a única reação desidrogenase do CTK, durante a qual ocorre a transferência direta do substrato para a flavoproteína sem a participação do NAD+. A enzima contém FAD e proteína ferro-enxofre. Como resultado da desidrogenação, o fumarato é formado. Experimentos usando isótopos mostraram que a enzima é estereoespecífica para os átomos de hidrogênio trans dos grupos metileno do succinato. A adição de malonato ou oxaloacetato inibe a succinato desidrogenase, levando ao acúmulo de succinato.

Fumarase (fumarato hidrotase) catalisa a adição de água ao fumarato para formar malato:

Fumarato + H 2 O "L-malato

A fumarase é específica do isômero L do malato; ela catalisa a adição de componentes da molécula de água à ligação dupla do fumarato na configuração trans. Malato desidrogenase catalisa a conversão de malato em oxaloacetato, a reação prossegue com a participação de NAD +:

L-malato + NAD + "0xaloacetato + NADH 2

Embora o equilíbrio desta reação seja fortemente deslocado na direção do malato, na verdade ele prossegue na direção do oxaloacetato, uma vez que, juntamente com o NADH, é constantemente consumido em outras reações.

Enzimas do ciclo do ácido cítrico, com exceção de alfa-cetoglutarato e succinato desidrogenase, também são encontradas fora das mitocôndrias. No entanto, algumas dessas enzimas (por exemplo, malato desidrogenase) diferem das enzimas mitocondriais correspondentes.

Energética do ciclo do ácido cítrico.

Como resultado da oxidação catalisada pelas TCA desidrogenases, para cada molécula de acetil-CoA catabolizada durante um ciclo, formam-se três moléculas de NADH e uma molécula de FADH 2. Esses equivalentes de redução são transferidos para a cadeia respiratória localizada na membrana mitocondrial. À medida que passam pela cadeia, os equivalentes redutores de NADH geram três ligações fosfato de alta energia através da formação de ATP a partir de ADP através da fosforilação oxidativa. Apenas duas ligações fosfato de alta energia são geradas pelo FADH 2 porque o FADH 2 transfere equivalentes redutores para a coenzima Q e, portanto, ignora a primeira perna da cadeia de fosforilação oxidativa na cadeia respiratória. Outro fosfato de alta energia é gerado em um dos sítios do ciclo do ácido cítrico, ou seja, no nível do substrato, quando o succinil-CoA é convertido em succinato. Assim, durante o período de cada ciclo, 12 novas ligações fosfato de alta energia são formadas.

Regulação do ciclo do ácido cítrico.

Os principais processos que fornecem e armazenam energia nas células podem ser resumidos da seguinte forma:

ácidos graxos de glicose piruvato ® acetil-CoA

A regulação deste sistema deve, inter alia, garantir um fornecimento constante de ATP proporcional às necessidades energéticas atuais, garantir que o excesso de carboidratos seja convertido em ácidos graxos via piruvato e acetil-CoA e, ao mesmo tempo, controlar o uso econômico de ácidos graxos via acetil -CoA como produto chave de entrada no ciclo do ácido cítrico.

O ciclo do ácido cítrico fornece elétrons para um sistema de transporte de elétrons no qual o fluxo de elétrons é acoplado à síntese de ATP e, em menor grau, fornece equivalentes redutores para sistemas biossintéticos intermediários. Em princípio, o ciclo não pode prosseguir mais rápido do que o uso do ATP gerado permite. Se todo o ADP da célula fosse convertido em ATP, não poderia haver mais fluxo de elétrons do NADH que se acumula em 0 2 . Devido à ausência de NAD+, participante necessário nos processos de desidrogenação do ciclo, este deixaria de funcionar. Existem dispositivos reguladores mais sutis que modulam a ação das enzimas no próprio ciclo do ácido cítrico.

A succinato desidrogenase está localizada na membrana mitocondrial interna. Todas as outras enzimas são dissolvidas na matriz que preenche o interior das mitocôndrias. As medições das quantidades relativas dessas enzimas e as concentrações de seus substratos nas mitocôndrias indicam que cada reação ocorre na mesma velocidade. Uma vez que o piruvato (ou outra fonte potencial de acetil-CoA) entra na matriz mitocondrial, todo o ciclo ocorre dentro desse compartimento.

Em alguns locais, a estimulação ou inibição é determinada por concentrações relativas de NADH/NAD, ATP/ADP ou AMP, acetil-CoA/CoA ou succinil-CoA/CoA. Quando essas razões são altas, a célula é suficientemente suprida com energia e o fluxo através do ciclo é desacelerado; quando eles estão baixos, a célula precisa de energia e o fluxo através do ciclo se acelera.

Como uma reação irreversível que liga o metabolismo dos carboidratos ao ciclo do ácido cítrico, a reação da piruvato desidrogenase deve ser bem controlada. Isto é conseguido de duas maneiras. Primeiro, a enzima, que é ativada por vários intermediários da glicólise, é inibida competitivamente por seus próprios produtos, NADH e acetil-CoA. Ceteris paribus, um aumento na razão de NADH/NAD + de 1 para 3 causa uma diminuição de 90% na taxa de reação, e um aumento na razão de acetil-CoA/CoA leva a um efeito quantitativamente semelhante. O efeito é mostrado instantaneamente. Os efeitos de outro dispositivo regulatório ocorrem mais lentamente, mas duram mais. Cerca de cinco moléculas de piruvato desidrogenase quinase estão associadas ao núcleo de cada molécula de dihidrolipoiltransacetilase, que, devido ao ATP, catalisa a fosforilação de um resíduo de serina na cadeia a do componente piruvato desidrogenase. Sendo fosforilada, a enzima é incapaz de descarboxilar o piruvato.

Quando ocorre oxidação de ácidos graxos, a piruvato desidrogenase é marcadamente inibida. Aparentemente, esse fenômeno é explicado pelas altas concentrações de ATP, acetil-CoA e NADH que acompanham o processo de oxidação. A maioria dos tecidos contém um excesso de piruvato desidrogenase, de modo que após a alimentação no fígado, bem como no tecido muscular e adiposo em animais em repouso, apenas 40, 15 e 10% da piruvato desidrogenase, respectivamente, está na forma ativa e não fosforilada. . Quando a necessidade de ATP aumenta, as concentrações de NAD + , CoA e ADP aumentam devido ao uso de NADH, acetil-CoA e ATP, e a quinase é inativada. No entanto, a fosfatase continua a funcionar reativando a desidrogenase. Um aumento de Ca 2+ pode ativar a fosfatase mitocondrial.

A síntese de citrato é uma etapa que limita a taxa do ciclo do ácido cítrico. A regulação desta fase é devida a uma pequena mas significativa inibição da citrato sintetase pelo NADH e succinil-CoA. A principal influência na taxa de síntese de citrato é exercida pelo fornecimento do substrato.

A atividade da isocitrato desidrogenase é regulada dependendo das concentrações de Mg 2+ , isocitrato, NAD + , NADH e AMP. Além dos sítios de ligação ao substrato para NAD+, isocitrato e Mg2+, a enzima também possui sítios efetores positivos e negativos. O isocitrato é um efetor positivo; sua ligação é cooperativa, ou seja, a ligação em um sítio facilita a ligação em outros. Ambos os sítios de ligação do AMP estimulam a atividade enzimática.

Assim, a atividade enzimática é determinada pelas razões de NAD+/NADH e AMP/ATP.

O AMP é um efetor positivo do complexo α-cetoglutarato desidrogenase, que neste aspecto se assemelha à isocitrato desidrogenase. Na faixa de concentrações fisiológicas, tanto o succinil-CoA quanto o NADH têm efeito inibitório, e a concentração de succinil-CoA parece ser o principal fator que controla a velocidade do processo. A succinato desidrogenase assemelha-se à isocitrato desidrogenase, pois o substrato (succinato) funciona como um efetor alostérico positivo. O oxaloacetato é um inibidor potente, porém não está claro se esse controle funciona em condições normais.

No ciclo do ácido cítrico, desempenham funções específicas quatro vitaminas do complexo B. A riboflavina faz parte do FAD, que é um cofator do complexo alfa-cetoglutarato desidrogenase e succinato desidrogenase. A niacina faz parte da NAD, que é a coenzima de três ciclos desidrogenases: isocitrato desidrogenase, alfa-cetoglutorato desidrogenase e malato desidrogenase. A tiamina (vitamina B 1) faz parte do difosfato de tiamina, que é uma coenzima da alfa-cetoglutarato desidrogenase. O ácido pantotênico faz parte da coenzima A, que é um cofator que se liga a resíduos acil ativos.

Compostos macroérgicos e ligações macroérgicas.

Nas células, liberadas como resultado de processos catabólicos de quebra de nutrientes, a energia livre pode ser usada para realizar muitas reações químicas que requerem energia. O armazenamento de energia ocorre na forma de ligações químicas ricas em energia de uma classe especial de compostos, a maioria dos quais são anidridos fosfóricos (trifosfatos de nucleosídeos).

Existem fosfatos de alta energia e de baixa energia. O limite condicional para esses dois grupos de compostos é o valor da energia livre de hidrólise da ligação fosfato. Portanto, os fosfatos de alta energia têm uma ligação de alta energia (macroérgica) rica em energia.

A energia de ligação é definida como a diferença entre as energias livres dos compostos que contêm essa ligação e os compostos resultantes de sua ruptura. As ligações macroérgicas (ricas em energia) são consideradas aquelas ligações, durante a hidrólise das quais as mudanças na energia livre do sistema são superiores a 21 kJ / mol.

O papel central na troca de energia de células de todos os tipos é desempenhado pelo sistema de nucleotídeos de adenina, que inclui ATP, ADP e AMP, além de íons de fosfato inorgânico e magnésio. O ATP é uma molécula termodinamicamente instável e hidrolisa para formar ADP e AMP. É essa instabilidade que permite que o ATP funcione como transportador da energia química necessária para atender a maioria das necessidades energéticas das células. Compostos com uma ligação de energia rica, além de ATP, também incluem UTP, CTP, GTP, TTP, fosfato de creatina, pirofosfato, alguns tioéteres (por exemplo, acetil-CoA), fosfoenolpiruvato, 1,3-bifosfoglicerato e vários outros compostos.

Durante a hidrólise do ATP sob condições padrão, a variação da energia livre é de -30,4 kJ/mol. Sob condições fisiológicas, a energia livre real de hidrólise da ligação fosfato terminal do ATP será diferente e se aproxima de -50,0 kJ/mol.

Existem várias opções para liberar a energia das ligações ATP-fosfato. A principal opção é a clivagem do fosfato terminal do ATP (ATP + H 2 O ® ADP + H 3 RO 4). Outra opção é a clivagem de ATP por pirofosfato (ATP + H20 ® AMP + H 4 P 2 O 7). Este tipo de reação é muito menos comumente usado em processos bioquímicos.

O acúmulo de energia em ligações fosfato específicas do ATP é a base do mecanismo de transferência de energia em uma célula viva. Há razões para acreditar que existem três tipos principais de transferência de energia ATP na célula:

na energia das ligações químicas, na energia térmica e na energia despendida na realização do trabalho (osmótico, elétrico, mecânico, etc.).

Vitamina PP .

A vitamina PP (ácido nicotínico, nicotinamida, niacina) é chamada de vitamina antipelágica (do italiano pelagra preventiva - “prevenir a pelagra”), pois sua ausência é a causa da doença chamada pelagra.

O ácido nicotínico é conhecido há muito tempo, mas somente em 1937 foi isolado por K. Elveheim de um extrato de fígado e foi demonstrado que a introdução de ácido nicotínico (ou sua amida - nicotinamida) ou preparações de fígado impede o desenvolvimento ou cura pelagra.

O ácido nicotínico é um composto de piridina contendo um grupo carboxila (a nicotinamida se distingue pela presença de um grupo amida).

A vitamina PP é ligeiramente solúvel em água (cerca de 1%), mas altamente solúvel em soluções aquosas de álcalis. O ácido nicotínico cristaliza como agulhas brancas.

Os sinais mais característicos da pelagra (do italiano pelle agra - pele áspera) são lesões na pele (dermatite), trato gastrointestinal (diarréia) e distúrbios da atividade nervosa (demência).

A dermatite é na maioria das vezes simétrica e afeta as áreas da pele expostas à luz solar direta: o dorso das mãos, pescoço, rosto; a pele fica vermelha, depois marrom e áspera. As lesões intestinais são expressas no desenvolvimento de anarexia, náusea e dor no abdômen, diarréia. A diarreia leva à desidratação. A membrana mucosa do intestino grosso fica primeiro inflamada e depois ulcerada. Específicos para pelagra são estomatite, gengivite, lesões na língua com inchaço e rachaduras. As lesões cerebrais são expressas em dores de cabeça, tonturas, irritabilidade, depressão e outros sintomas, incluindo psicose, psiconeurose, alucinações e outros. Os sintomas da pelagra são especialmente pronunciados em pacientes com nutrição proteica insuficiente. Foi estabelecido que isso se deve à falta de triptofano, que é um precursor da nicotinamida, parcialmente sintetizada em tecidos humanos e animais, bem como à falta de várias outras vitaminas.

A vitamina PP desempenha o papel de uma coenzima em desidrogenases dependentes de NAD (participantes da respiração tecidual), metabolismo de carboidratos e aminoácidos, enzimas dependentes de NADP (desvio de pentoses e síntese de lipídios), enzimas dependentes de HMH (álcool desidrogenase e enzima málica). Não menos importante é o seu papel como substrato para a poli-ADP-ribosilação. Este processo está envolvido na reticulação de quebras cromossômicas e no trabalho do sistema reparase, e também (na ausência de NAD) é de fundamental importância no mecanismo de necrobiose e apoptose de células, especialmente as altamente aeróbicas.

Foi demonstrado que várias desidrogenases usam apenas NAD ou NADP, enquanto outras podem catalisar reações redox na presença de qualquer uma delas. No processo de oxidação biológica, NAD e NADP atuam como transportadores intermediários de elétrons e prótons entre o substrato oxidado e as enzimas flavinas.

As principais fontes de ácido nicotínico e sua amida são arroz, pão, batata, carne, fígado, rins, cenoura e outros alimentos.

oxidação microssomal.

reações de monooxigenase.

Os organismos vivos contêm um grupo de enzimas numerosas e diversas chamadas monooxigenases. Em um caso típico, um átomo da molécula de oxigênio é encontrado no novo grupo hidróxido do substrato, o outro é reduzido a água durante a reação. Assim, a reação deve prosseguir com a participação da enzima, substrato, oxigênio e algum agente redutor.

A dopamina-b-monooxigenase, presente no cérebro e nos tecidos cromafins, catalisa a hidroxilação da 3,4-dioxifeniletilamina em norepinefrina.

As monooxigenases de fenol são encontradas em bactérias, plantas, insetos e também no fígado e na pele de mamíferos. A polimerização da o-quinona, formada como resultado de uma cadeia de reações catalisadas por essas enzimas, está subjacente à formação da melanina.

reações de dioxigenase.

As enzimas que catalisam reações nas quais ambos os átomos de oxigênio molecular são incorporados nos produtos da reação são chamadas de dioxigenases. As enzimas atualmente conhecidas deste grupo podem conter ferro heme ou não heme como grupo ativo, e algumas requerem α-cetoglutarato para sua ação.

As dioxigenases ferro-a-cetoglutarato são enzimas dependentes de ferro que catalisam a hidroxilação do substrato durante o processo em que o a-cetoglutarato sofre descarboxilação oxidativa para succinato: M + O2 + a-cetoglutarato M-OH + succinato + CO2

Os citocromos são enzimas da cadeia redox.

A transferência adicional de elétrons de KoQH2 para O2 é realizada pelo sistema citocromo. Este sistema consiste em várias proteínas contendo heme (hemproteínas), descobertas em 1886 por K. McMunn. Todos eles possuem um grupo protético heme próximo ao heme da hemoglobina. Os citocromos diferem entre si não apenas pelo grupo prostético, mas também pelos componentes proteicos. Todos os citocromos, especialmente na forma reduzida, possuem espectros de absorção característicos, os valores dos potenciais redox também não são os mesmos.

No mecanismo amplamente utilizado de hidroxilação pela introdução de um único átomo de oxigênio, o átomo de ferro funcional está localizado no grupo heme do citocromo, citocromo P450. Esses citocromos são encontrados nas membranas do EPS hepático, nas mitocôndrias do córtex adrenal, na borda em escova renal e nas membranas plasmáticas de várias bactérias. A reação catalisada é a mesma que para todas as outras monooxigenases.

MH + O2 + 2e + 2H + ®MON + H2O

Os citocromos P450 do fígado estão entre as enzimas induzíveis; isso significa que a quantidade de enzima presente pode ser aumentada em 25 vezes pela administração de um dos muitos compostos estranhos, como fenobarbital ou metilcolantreno. Os citocromos neutralizam os xenobióticos e também limitam o tempo durante o qual alguns medicamentos podem permanecer ativos. O tratamento de algumas formas de intoxicação aguda pode ser facilitado pela administração de um indutor, que neste caso é geralmente inofensivo.

Os citocromos P450 do córtex adrenal estão localizados na membrana mitocondrial, onde duas enzimas separadas catalisam, respectivamente, a clivagem das cadeias laterais do colesterol em pregnenolona e as reações de hidroxilação de vários esteróides.

O citocromo P450 catalisa a formação de grupos hidroxila durante a síntese de ácidos biliares, hormônios esteróides, durante o catabolismo de várias substâncias e a troca de compostos estranhos.

O primeiro sistema transportador de elétrons encontrado nos microssomos é o sistema de redução do citocromo b5 devido ao NADH; o citocromo b5 é reduzido pela NADH-citocromo b5-redutase, que contém um FAD por molécula, que faz transições cíclicas entre formas completamente reduzidas e oxidadas. O citocromo b5 está fortemente associado ao RE por sua extensa região hidrofóbica. Embora a superfície externa da região heme do citocromo seja hidrofílica, ela se encontra em uma lacuna hidrofóbica profunda, com grupos carboxila de ácido propiônico orientados para fora. O citocromo b5 reduzido se auto-oxida lentamente para formar o ânion superóxido. Este mecanismo pode ser o principal gerador de superóxido nas células hepáticas.

Peroxidase maneira de usar oxigênio.

O oxigênio molecular é paramagnético porque contém dois elétrons desemparelhados com spins paralelos. Esses elétrons estão em orbitais diferentes porque dois elétrons não podem ocupar o mesmo orbital, a menos que seus spins sejam opostos. Assim, a redução do oxigênio pela introdução direta de um par de elétrons em seus orbitais parcialmente preenchidos é impossível sem a "reversão" do spin de um dos dois elétrons. A inibição do spin da redução pode ser superada por sucessivas adições de elétrons individuais. A redução completa de O2 a 2H2O requer 4 elétrons; na redução de um elétron, superóxido, peróxido de hidrogênio e o radical hidróxido aparecem como produtos intermediários. Esses produtos são altamente reativos e sua presença pode representar uma ameaça à integridade dos sistemas vivos. De fato, o OH, o produto mais mutagênico da radiação ionizante, é um agente oxidante extremamente poderoso que pode atacar todos os compostos orgânicos. A redução de um elétron do oxigênio inicia uma cadeia de reações que levam à formação de OH:

O2 + e® O2 (1)

O2 + H ®HO2 (2)

O2 + HO2 + H ® H2O2 + O2 (3)

O ânion superóxido formado na reação (1) pode ser protonado ao radical hidroperóxido (2). A reação (3) é uma dismutação espontânea que leva à formação de H2O2 + O2. A totalidade dessas reações sugere que qualquer sistema que produza O2 também conterá em breve H2O2.

A xantina oxidase, aldeído oxidase e inúmeras flavoproteínas formam O2 e H2O2, que também ocorre durante a oxidação espontânea da hemoglobina, ferredoxinas, hidroquinonas reduzidas pelo citocromo b5, tetrahidropteridinas e adrenalina. A ameaça às células decorrente da reatividade de O2 e H2O2 é eliminada pela ação de enzimas que neutralizam efetivamente esses compostos.

Proteção antioxidante enzimática.

Superoxido dismutação catalisar a reação

O2 + O2+ 2H® H2O2 + O2

Essas enzimas são encontradas em todas as células respiratórias, bem como em várias bactérias anaeróbicas facultativas. As superóxido dismutases são metaloenzimas. Seu ciclo catalítico inclui a redução e oxidação de um íon metálico, como Cu, Mn ou Fe, no sítio ativo.

A atividade da catalase é observada em quase todas as células e órgãos animais. Fígado, glóbulos vermelhos e rins são fontes ricas catalase. Essa atividade também é encontrada em todos os materiais vegetais e na maioria dos microrganismos, exceto nos anaeróbios obrigatórios. Em cada caso, a catalase provavelmente previne o acúmulo de H2O2 nocivo formado durante a oxidação aeróbica de flavoproteínas reduzidas e do O2. Uma molécula de catalase pode decompor 44.000 moléculas de H2O2 por segundo. De fato, a enzima quase não requer energia de ativação e a velocidade da reação é completamente determinada pela difusão. A catalase reage com H2O2 para formar um complexo enzima-substrato relativamente estável.

Embora as peroxidases sejam relativamente raras em tecidos animais, a atividade fraca da peroxidase foi encontrada no fígado e nos rins. Os leucócitos contêm verdoperoxidase, que é responsável pela atividade peroxidase do pus. As células dos fagócitos contêm mieloperoxidase, que oxida os íons halogênio, como I, em halogênio livre, um agente bactericida eficaz.

As reações de catalase e peroxidase podem ser escritas da seguinte forma:

MAS OH O

Proteção antioxidante não enzimática.

Ácido ascórbico (vitamina C).

A vitamina C é facilmente oxidada a ácido desidroascórbico, que é instável em ambiente alcalino, no qual ocorre a hidrólise do anel lactona com a formação de ácido dicetogulônico.

O ácido ascórbico é essencial para vários processos oxidativos biológicos. A vitamina ativa a oxidação do ácido n-hidroxifenilpirúvico pelos homogeneizados do fígado. Na presença de oxigênio, soluções contendo ferro-íons e ascorbato catalisam a hidroxilação de vários compostos. A vitamina é antioxidante, participa do metabolismo da fenilalanina, tirosina, hormônios peptídicos, na síntese de gorduras e proteínas, é necessária para a formação de colágeno, ajuda a manter a integridade dos tecidos conjuntivos e osteóides, tem efeito anticancerígeno, prevenindo a formação de nitrosaminas cancerígenas, participa na distribuição e acumulação de ferro.

Vitamina E.

A vitamina foi isolada do óleo de gérmen de trigo em 1936 e recebeu o nome de tocoferol. Sete tocoferóis derivados do composto original tocol são encontrados em fontes naturais; entre eles, o a-tocoferol tem a maior distribuição e a maior atividade biológica. Os tocoferóis são designados por letras gregas: alfa, beta, gama e delta.

A vitamina protege as estruturas celulares da destruição pelos radicais livres, participa da biossíntese do heme, previne a trombose, participa da síntese de hormônios, apoia a imunidade, tem efeito anticancerígeno e garante o funcionamento normal dos músculos.

Figura 6. O mecanismo de ação da vitamina.

Os tecidos de animais com deficiência de vitamina E, especialmente os músculos cardíacos e esqueléticos, consomem oxigênio mais rapidamente do que os tecidos de animais normais. o a-tocoferol não é facilmente sujeito a oxidação reversível. O aumento do consumo de oxigênio pelos músculos na deficiência de vitaminas está aparentemente associado à oxidação por peróxido de ácidos graxos insaturados. Em outros tecidos, como o fígado, isso leva à ruptura da estrutura mitocondrial e à redução da respiração. Há evidências de que a oxidação peróxido de ácidos graxos insaturados no retículo endoplasmático das células musculares leva à liberação de hidrolases lisossômicas, resultando em distrofia muscular. Todas as manifestações de deficiência de vitaminas são fenômenos secundários devido à falta de inibição da oxidação de peróxidos de ácidos graxos poliinsaturados.

A infertilidade é uma manifestação clássica de deficiência de vitamina E em animais de laboratório. Nos homens, o primeiro sinal observável de deficiência é a imobilidade do esperma. Várias outras alterações também são observadas: degeneração do epitélio dos túbulos renais, despigmentação dos dentes anteriores. Outra manifestação da deficiência de vitamina E é a hemólise de eritrócitos in vitro na presença de peróxidos ou derivados de aloxana. Em ratos com deficiência prolongada de vitaminas, a distrofia muscular se desenvolve com sintomas de paralisia progressiva dos membros posteriores, o conteúdo de creatina nos músculos diminui, ocorre creatinúria e a excreção de creatinina diminui ligeiramente. A deficiência de vitamina A também pode se desenvolver devido à degradação oxidativa desta última devido à falta de uma vitamina com propriedades antioxidantes na dieta. Os sintomas de hipervitaminose são náuseas, tonturas e taquicardia.

Vitamina R.

A vitamina P (rutina, citrino) foi isolada em 1936 por A. Szent-Györgyi da casca de limão. O termo "vitamina P" combina um grupo de substâncias com atividade biológica semelhante: catequinas, chalconas, flavinas, etc. Todas têm atividade de vitamina P e sua estrutura é baseada no "esqueleto" de carbono de difenilpropano de cromona ou flavona nome comum é "bioflavonóides") .

Os bioflavonóides estabilizam a substância básica do tecido conjuntivo inibindo a hialuronidase, o que é confirmado pelos dados sobre o efeito positivo das preparações de vitamina P, bem como do ácido ascórbico, na prevenção e tratamento do escorbuto, reumatismo, queimaduras, etc. Esses dados indicam uma estreita relação funcional entre as vitaminas C e P nos processos de recuperação oxidativa do corpo.

Em caso de insuficiência de bioflavonóides ou sua ausência nos alimentos, a permeabilidade dos vasos sanguíneos aumenta, acompanhada de hemorragias e sangramentos, fraqueza geral, fadiga e dor nos membros.

As principais fontes de vitamina são os alimentos vegetais (especialmente vegetais e frutas), que contêm muita vitamina C. A indústria vitamínica produz várias preparações com atividade de vitamina P: catequinas do chá, rutina, hesperidina, naringina e outras.

Conclusão.

O problema destacado neste trabalho é hoje uma seção muito importante da bioquímica, onde, apesar dos avanços alcançados, muitas questões e lacunas permanecem.

O conhecimento das questões da química bioorgânica é necessário e importante na prática de todo médico, pois o desenvolvimento ativo da farmacologia e o surgimento de muitos novos medicamentos permitem, conhecer a bioquímica dos processos que ocorrem no organismo, influenciá-los e tratar muitos doenças ao nível celular, estimulando os processos energéticos ao nível das mitocôndrias.

Qualquer morte súbita está associada à hipóxia, que é acompanhada pelo acúmulo de uma grande quantidade de ácido lático no corpo devido à supressão da função dos mecanismos de transporte e, como resultado, ocorre acidose. Durante a hipóxia, os radicais livres são formados indefinidamente e a peroxidação lipídica prossegue intensamente, seguida de dano celular irreversível. O estudo de violações dos mecanismos de oxidação biológica e métodos de correção é importante no tratamento de patologias dos sistemas cardiovascular e respiratório, patologias relacionadas à idade e inflamação. Este conhecimento é de particular importância na ressuscitação, durante a anestesia, pois o nível de ácido lático aumenta significativamente durante as operações sob anestesia, por exemplo, com cetamina ou etrano, sob a influência de substâncias narcóticas, os processos de oxidação e fosforilação são desacoplados. É por isso que é tão importante ter à sua disposição o conhecimento mais completo e os dados informativos, cuja avaliação pode fornecer o máximo de possibilidades para prever o curso da doença.

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