KASAYSAYAN NG MGA PAG-AARAL SA BIOLOGICAL OXIDATION.

Ang mga unang ideya tungkol sa biological oxidation ay ipinahayag ni Lavoisier, na nagsabi na ang biological oxidation ay mabagal na pagkasunog. Mula sa isang kemikal na pananaw, ang pagkasunog ay ang pakikipag-ugnayan ng carbon sa oxygen upang bumuo ng CO2. Ngunit sa katawan, ang pagbuo ng CO2 ay nangyayari sa pamamagitan ng DECARBOXYLATION, at ang biological oxidation ay nagpapatuloy sa mababang temperatura, hindi sa pamamagitan ng pagbuo ng CO2 sa presensya ng tubig at walang pagbuo ng apoy.

Batay dito, iniharap ang mga sumusunod na tunay na ideya tungkol sa biyolohikal. oksihenasyon sa unang bahagi ng ika-20 siglo.

1. Ang teorya ng "pag-activate" ng oxygen ng akademikong BACH. Kinakatawan niya ang pagbuo ng PEROXIDES bilang nangungunang papel sa proseso ng biological oxidation.

Ang mga pananaw na ito ay suportado ng mga botanist, dahil. Ang mga halaman ay may maraming PEROXIDASES, at ang mga siyentipiko na nag-aaral ng mga tissue ng hayop ay hindi suportado ang mga pananaw na ito, dahil Ang PEROXIDASE ay hindi matatagpuan sa kanila.

2. Ang teorya ng hydrogen activation ng Academician PALLADIN. Nagpatuloy siya mula sa katotohanan na sa mga tisyu ng hayop mayroong maraming enzyme - DG.

Ang tubig ay ang huling produkto ng biological oxidation. Nabago ang pananaw ng BACH at PALLADIN. Sa kasalukuyan ay pinaniniwalaan na ang DG at OXIDASES ay nakikibahagi sa biological oxidation.

MGA MODERNONG KONSEPTO TUNGKOL SA BIOLOGICAL OXIDATION.

1. Ang biyolohikal na oksihenasyon, tulad ng oksihenasyon sa pangkalahatan, ay isang proseso ng paglilipat ng elektron. Ang sangkap na nag-donate ng mga electron ay na-oxidized, ang natatanggap natin ay nabawasan. Kung ang electron acceptor ay oxygen, ang prosesong ito ay tinatawag na tissue respiration. Ang biological oxidation ay kinabibilangan ng DEHYDRATION sa pagbuo ng tubig.

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

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

Kung ang hydrogen ay nakikipag-ugnayan sa oxygen upang bumuo ng tubig sa labas ng katawan, pagkatapos ito ay sinamahan ng isang pagsabog. Ang biological oxidation ay isang multi-stage na proseso - isang multi-stage na paglipat ng mga electron na may unti-unting pagpapalabas ng enerhiya, na hindi kasama ang pagsabog. Ang biological oxidation ay isang proseso na nangangailangan ng maraming enzymes. yun. Ang biological oxidation ay isang multistage na proseso ng electron transport na isinasagawa ng isang complex ng enzymes. Ang kumplikadong mga enzyme na ito ay tinatawag na ELECTRON TRANSPORT CHAIN ​​​​(ETC), o ang ELECTRON TRANSPORT CHAIN ​​(CPE), o ang respiratory chain. Ang ETC ay isang uri ng CONVEYOR para sa paglipat ng mga electron at proton mula sa substrate patungo sa oxygen.

MGA COMPONENT NG RESPIRATORY CHAIN.

1. NICOTINE DEPENDENT DG, ibig sabihin. naglalaman ng mga coenzymes - OVER, NADP

2. FLAVIN-DEPENDENT DGs, i.e. naglalaman ng mga coenzymes - FMN, FAD.

3. UBIQUINONE (Co-Q)

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

Halos lahat ng mga sangkap na ito, maliban sa una, ay itinayo sa panloob na lamad ng MITOCHONDRIA. Mayroong hanggang 5,000 tulad ng mga respiratory chain sa atay, at hanggang 20,000 sa puso.

STRUCTURE NG MGA COMPONENT NG RESPIRATORY CHAIN.

1. Sa NAD at NADP, ang gumaganang bahagi ay bitamina PP - NICOTINAMIDE.

2. Sa FAD at FMN, ang gumaganang bahagi ay FLAVIN (isang bahagi ng bitamina B2)

3. Ang UBIQUINONE ay madaling mag-transform sa pinababang anyo na KOQ + 2H + 2e = KOQ*H2

4.CYTOCHROMES ay HETEROPROTEINS. Ang kanilang bahagi ng protina ay HEM, ang istraktura nito ay 4 PYRROL ring at isang iron atom, na madaling nagbabago ng valency. Maaari ring isama ang tanso.

ENZYMES NG RESPIRATORY CHAIN.

1. Ang mga substrate ng DG ay matatagpuan sa cytoplasm ng cell, maaaring nasa MITOCHONDRIAL MATRIX.

2. NADH - DG (FMN).

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

5.CYTOCHROME C.

6. Ang CYTOCHROMOXIDASE ay kasangkot sa paglipat ng mga electron sa oxygen (kasama ang CYTOCHROMES a, a3).

PAGGAWA NG TINALANG RESPIRATORY.

Buong ETC - pakikipag-ugnayan ng substrate sa NAD. Pinaikling ETC - ang pakikipag-ugnayan ng substrate sa FAD at ang kasunod na transportasyon ng mga electron at proton kaagad sa COENZYME Q.

Ang pagkakasunud-sunod ng mga bahagi ng respiratory chain ay tinutukoy ng magnitude ng kanilang mga potensyal na d-oh. Nag-iiba ito mula -0.32V hanggang + 0.81 V. Ang -0.32 ay tipikal para sa NADH2, +0.81 ay tipikal para sa O2.

OXIDATIVE PHOSHORYLATION.

Sa respiratory chain, ang mga kondisyon ay nilikha para sa synthesis ng ATP, i.e. sapat na enerhiya ang inilabas.

biyolohikal na oksihenasyon

Biological oxidation (cellular o tissue respiration) - mga reaksyon ng redox na nagaganap sa mga selula ng katawan, bilang isang resulta kung saan ang mga kumplikadong organikong sangkap ay na-oxidized sa pakikilahok ng mga tiyak na enzyme na may oxygen na inihatid ng dugo. Ang mga huling produkto ng biological oxidation ay tubig at carbon dioxide. Ang enerhiya na inilabas sa proseso ng biological oxidation ay bahagyang inilabas sa anyo ng init, ngunit ang pangunahing bahagi nito ay napupunta sa pagbuo ng mga molekula ng mga kumplikadong organophosphorus compound (pangunahin ang adenosine triphosphate - ATP), na mga mapagkukunan ng enerhiya na kinakailangan para sa buhay ng katawan.

Sa kasong ito, ang proseso ng oksihenasyon ay binubuo sa pag-alis ng mga electron at isang pantay na bilang ng mga proton mula sa oxidized substance (substrate). Ang mga substrate ng biological oxidation ay mga produkto ng mga pagbabagong-anyo ng taba, protina at carbohydrates. Ang biological na oksihenasyon ng mga substrate sa mga huling produkto ay isinasagawa ng isang kadena ng sunud-sunod na mga reaksyon, ang mga intermediate na produkto kung saan kasama ang mga tricarboxylic acid - citric, cisaconitic at isocitric acid, samakatuwid ang buong chain ng mga reaksyon ay tinatawag na tricarboxylic acid cycle, o Krebs cycle (pagkatapos ng mananaliksik na nagtatag ng siklong ito).

Ang paunang reaksyon ng siklo ng Krebs ay ang paghalay ng oxaloacetic acid na may isang aktibong anyo ng acetic acid (acetate), na isang tambalan na may acetylation coenzyme - acetyl-CoA. Bilang resulta ng reaksyon, nabuo ang citric acid, na, pagkatapos ng apat na beses na dehydrogenation (pag-aalis ng 2 hydrogen atoms mula sa molekula) at dalawang beses na decarboxylation (pag-aalis ng molekula ng CO2), ay bumubuo ng oxaloacetic acid. Ang mga pinagmumulan ng acetyl-CoA na ginamit sa Krebs cycle ay acetic acid, pyruvic acid - isa sa mga produkto ng glycolysis (tingnan), fatty acids (tingnan), atbp. Kasama ang oksihenasyon ng acetyl-CoA sa Krebs cycle, iba pa ang mga sangkap ay maaari ding ma-oxidize, na may kakayahang ma-convert sa mga intermediate na produkto ng siklong ito, halimbawa, marami sa mga amino acid na nabuo sa panahon ng pagkasira ng protina. Dahil sa reversibility ng karamihan sa mga reaksyon ng Krebs cycle, ang mga produkto ng pagkasira ng mga protina, taba at carbohydrates (intermediates) sa loob nito ay hindi lamang maaaring ma-oxidized, ngunit makuha din sa panahon ng sirkulasyon nito. Ito ay kung paano ang relasyon sa pagitan ng metabolismo ng taba, protina at carbohydrates ay isinasagawa.

Ang mga reaksyon ng oksihenasyon na nagaganap sa siklo ng Krebs ay hindi karaniwang sinasamahan ng pagbuo ng mga compound na mayaman sa enerhiya. Ang isang pagbubukod ay ang conversion ng succinyl-CoA sa succinate (tingnan ang Succinic acid), na sinamahan ng pagbuo ng guanosine triphosphate. Karamihan sa ATP ay nabuo sa chain ng respiratory enzymes (tingnan), kung saan ang paglipat ng mga electron (at sa mga unang yugto at proton) sa oxygen ay sinamahan ng pagpapalabas ng enerhiya.

Ang mga reaksyon ng pag-aalis ng hydrogen ay isinasagawa ng mga enzyme ng klase ng dehydrogenase, at ang mga atomo ng hydrogen (i.e., mga proton + electron) ay nakakabit sa mga coenzymes: nicotinamide adenine dinucleotide (NAD), nicotinamide adenine dinucleotide phosphate (NADP), flavin adenine dinucleotide (FAD), atbp.

Ang mga proseso ng biological oxidation na nauugnay sa Krebs cycle at ang chain ng respiratory enzymes ay nangyayari pangunahin sa mitochondria at naisalokal sa kanilang mga lamad.

Kaya, ang mga proseso ng biological oxidation na nauugnay sa Krebs cycle ay mahalaga kapwa sa pagbuo ng mga compound na mayaman sa enerhiya at sa koneksyon ng carbohydrate, taba, at metabolismo ng protina. Ang iba pang mga uri ng biological oxidation ay tila may mas makitid na kahulugan, tulad ng supply ng enerhiya ng mga cell. Ito ang yugto ng glycolysis, na binubuo sa oksihenasyon ng isang bilang ng mga phosphorus compound na may sabay-sabay na pagbawas ng NAD at pagbuo ng ATP o ang reaksyon ng pentose cycle (i.e., ang oxidative conversion ng glucose-6-phosphate), sinamahan ng pagbuo ng phosphopentose at nabawasan na NADP. Ang pentose cycle ay gumaganap ng isang mahalagang papel sa mga tisyu na nailalarawan sa masinsinang synthesis ng mga nucleic acid, fatty acid, kolesterol, atbp. Tingnan din ang Metabolismo at enerhiya.

Biological oxidation - isang set ng redox reactions na nagaganap sa mga biological na bagay. Ang proseso ng oksihenasyon ay nauunawaan bilang ang pagkawala ng mga electron o electron at proton nang sabay-sabay sa pamamagitan ng isang substance (pagkawala ng hydrogen atoms) o pagdaragdag ng oxygen. Ang mga reaksyon ng kabaligtaran na direksyon ay nagpapakilala sa proseso ng pagbawi. Ang mga ahente ng pagbabawas ay mga sangkap na nawawalan ng mga electron, ang mga ahente ng oxidizing ay mga sangkap na nakakakuha ng mga electron. Ang biological oxidation ay ang batayan ng tissue, o cellular, respiration (ang proseso kung saan ang mga tissue at cell ay sumisipsip ng oxygen at naglalabas ng carbon dioxide at tubig) - ang pangunahing pinagkukunan ng enerhiya para sa katawan. Ang sangkap na tumatanggap (tumatanggap) ng mga electron, ibig sabihin, ay nabawasan, ay molecular oxygen, na nagiging oxygen anion O -. Ang mga hydrogen atoms ay nahati mula sa organikong bagay - ang substrate ng oksihenasyon (SH2), ay na-convert, sa pagkawala ng mga electron, sa mga proton o positibong sisingilin na mga hydrogen cation:

SH2→S→2H; 2Н→2H + + 2e: ½O2→О; О→2е→O -- ; 2H + + O -- →H2O + 55 kcal. Bilang resulta ng reaksyon sa pagitan ng mga hydrogen cation at oxygen anion, nabuo ang tubig, at ang reaksyon ay sinamahan ng pagpapalabas ng isang malaking halaga ng enerhiya para sa bawat 18 g ng tubig). Ang carbon dioxide ay nabuo bilang isang by-product ng biological oxidation. Ilan sa mga reaksyon ni O. humantong sa pagbuo ng hydrogen peroxide, sa ilalim ng impluwensya ng catalase na nabubulok sa H2O at O2.

Ang mga tagapagtustos ng enerhiya sa katawan ng tao ay pagkain - mga protina, taba at carbohydrates. Gayunpaman, ang mga sangkap na ito ay hindi maaaring magsilbi bilang mga substrate ng O.. Ang mga ito ay preliminarily cleaved sa digestive tract, kung saan ang amino acids ay nabuo mula sa mga protina, mataba acids at gliserol mula sa taba, at monosaccharides, lalo na hexoses, mula sa kumplikadong carbohydrates. Ang lahat ng mga compound na ito ay hinihigop at pumasok (direkta o sa pamamagitan ng lymphatic system) sa dugo. Kasama ng mga katulad na sangkap na nabuo sa mga organo at tisyu, sila ay bumubuo ng isang "metabolic fund" kung saan ang katawan ay kumukuha ng materyal para sa biosynthesis at upang matugunan ang mga pangangailangan sa enerhiya. Ang mga pangunahing substrate ni O. ay mga produkto ng tissue metabolism ng mga amino acid, carbohydrates at taba, na tinatawag na mga sangkap ng "citric acid cycle". Kabilang dito ang mga acid:

sitriko, cisaconite, isocitric, succinic oxalic, α-ketoglutaric, succinic, fumaric, malic, oxaloacetic.

Ang Pyruvic acid CH3-CO-COOH ay hindi direktang kasangkot sa citric acid cycle, ngunit gumaganap ng isang makabuluhang papel dito, pati na rin ang produkto ng decarboxylation nito - ang aktibong anyo ng acetic acid CH3COCoA (acetyl-coenzyme A).

Ang mga prosesong kasama sa "citric acid cycle" ("Krebs cycle", "tricarboxylic acid cycle") ay nagpapatuloy sa ilalim ng pagkilos ng mga enzyme na nasa cell organelles na tinatawag na mitochondria. Ang elementarya na pagkilos ng oksihenasyon ng anumang sangkap na kasama sa siklo ng citric acid ay ang pag-alis ng hydrogen mula sa sangkap na ito, i.e., ang pagkilos ng dehydrogenation dahil sa aktibidad ng kaukulang partikular na kumikilos na dehydrogenase enzyme (Fig. 1).

kanin. 1. Scheme ng Krebs citric acid cycle.

Kung ang proseso ay nagsisimula sa pyruvic acid, pagkatapos ay ang pag-aalis ng dalawang hydrogen atoms (2H) sa Krebs cycle ay paulit-ulit ng 5 beses at sinamahan ng tatlong sunud-sunod na yugto ng decarboxylation. Ang unang pagkilos - dehydrogenation - ay nangyayari kapag ang pyruvic acid ay na-convert sa acetyl-CoA, na nag-condenses sa oxaloacetic acid sa citric acid. Ang pangalawang beses na dehydrogenation ay humahantong sa pagbuo ng oxalosuccinic acid mula sa isocitric acid. Ang ikatlong aksyon - ang paghahati ng dalawang hydrogen atoms - ay nauugnay sa conversion ng ketoglutaric acid sa succinyl-CoA; ang ikaapat - na may dehydrogenation ng succinic acid at, sa wakas, ang ikalimang - na may conversion ng malic acid sa oxaloacetic acid, na maaaring muling mag-condense sa acetyl-CoA at magbigay ng pagbuo ng citric acid. Sa panahon ng pagkasira ng succinyl-CoA, nabuo ang isang bono na mayaman sa enerhiya (~ P) - ito ang tinatawag na substrate phosphorylation: Succinyl-CoA + H3PO4 + ADP → succinic acid + CoA + ATP.

kanin. 2. Scheme ng dehydrogenation ng substrates ng citric acid cycle sa pamamagitan ng mga tiyak na enzymes na binubuo ng mga dissociating complex: mga protina - b1, b2, b3 at b4 na may NAD at NADH2 at protina b5, na bumubuo ng isang complex na may FAD (succin dehydrogenase); Ang CAA ay cisaconitic acid.

Apat sa mga pagkilos na ito ng dehydrogenation ay isinasagawa kasama ng mga partikular na dehydrogenases, ang coenzyme kung saan ay nicotinamide adenine dinucleotide (NAD). Isang pagkilos - ang pagbabago ng succinic acid sa fumaric - ay nangyayari sa ilalim ng impluwensya ng succindehydrogenase - flavoprotein I. Sa kasong ito, ang coenzyme ay flavin adenine dinucleotide (FAD). Bilang resulta ng limang paulit-ulit na pagkilos ng dehydrogenation (Larawan 2), ang mga reaksyon na nagaganap sa siklo ng citric acid ay nagreresulta sa pagbuo ng mga pinababang anyo ng mga coenzymes: 4-NADH2 1-FADH2. Ang pinababang NAD dehydrogenase, ibig sabihin, ang pagtanggap ng hydrogen mula sa NADH2, ay kabilang din sa flavin enzymes - ito ay flavoprotein II. Gayunpaman, ito ay naiiba sa succindehydrogenase sa istraktura ng parehong protina at flavin component. Ang karagdagang oksihenasyon ng mga pinababang anyo ng flavoproteins I at II na naglalaman ng FADH2 ay nangyayari sa pakikilahok ng mga cytochromes (tingnan), na mga kumplikadong protina - chromoproteins, na naglalaman ng iron porphyrins - hemes.

Kapag ang FADH2 ay na-oxidize, ang mga landas ng proton at mga electron ay naghihiwalay: ang mga proton ay pumapasok sa kapaligiran sa anyo ng mga hydrogen ions, at ang mga electron sa pamamagitan ng isang serye ng mga cytochrome (Larawan 3) ay inililipat sa oxygen, na nagiging oxygen anion O - . Sa pagitan ng FADH2 at ng cytochrome system, tila, isa pang kadahilanan ang kasangkot - coenzyme Q. Ang bawat susunod na link sa respiratory chain mula NADH2 hanggang oxygen ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang mas mataas na potensyal na redox (tingnan). Sa buong respiratory chain mula NADH2 hanggang ½O2, ang mga potensyal na pagbabago ay 1.1 V (mula -0.29 V hanggang + 0.81 V). Sa kumpletong oksihenasyon ng, halimbawa, pyruvic acid, na sinamahan ng limang beses na pag-aalis ng hydrogen, ang kahusayan ng enerhiya ng proseso ay magiging mga 275 kcal (55X5). Ang enerhiya na ito ay hindi ganap na nawawala bilang init; humigit-kumulang 50% nito ay naiipon sa anyo ng mayaman sa enerhiya

mga compound ng posporus, pangunahin ang adenosine triphosphate (ATP).

Ang proseso ng pagbabagong-anyo ng enerhiya ng oksihenasyon sa mga bono na mayaman sa enerhiya (~P) ng huling phosphate residue ng ATP molecule ay naisalokal sa panloob na mitochondrial membranes at nauugnay sa ilang mga yugto ng hydrogen at electron transfer kasama ang respiratory chain (Fig. 4). Karaniwang tinatanggap na ang unang phosphorylation ay nauugnay sa transportasyon ng hydrogen mula NADH2 hanggang FAD, ang pangalawa ay nauugnay sa paglipat ng mga electron sa cytochrome c1, at, sa wakas, ang pangatlo, hindi gaanong pinag-aralan, ay matatagpuan sa pagitan ng cytochromes c at a .

Ang mekanismo para sa pagbuo ng mga bono na mayaman sa enerhiya ay hindi pa natukoy. Napag-alaman, gayunpaman, na ang proseso ay binubuo ng ilang mga intermediate na reaksyon (sa Fig. 4 - mula J ~ X hanggang ATP), tanging ang huli ay ang pagbuo ng isang mayaman sa enerhiya na phosphate residue ng ATP. Ang mayaman sa enerhiya na bono ng terminal phosphate group sa ATP ay tinatantya sa 8.5 kcal bawat gram-molekula (sa ilalim ng mga kondisyong pisyolohikal, mga 10 kcal). Sa panahon ng paglipat ng hydrogen at mga electron sa pamamagitan ng respiratory chain, na nagsisimula sa NADH2 at nagtatapos sa pagbuo ng tubig, 55 kcal ay inilabas at naipon sa anyo ng ATP ng hindi bababa sa 25.5 kcal (8.5X3). Samakatuwid, ang kahusayan ng enerhiya ng proseso ng biological oxidation ay halos 50%.

kanin. 3. Scheme ng paglipat ng hydrogen at mga electron sa pamamagitan ng respiratory chain; E0 - potensyal na redox.

kanin. 5. Scheme ng paggamit ng enerhiya ng ATP phosphate bonds (AMP-R~R) para sa iba't ibang physiological function.

Ang biological na kahulugan ng phosphorylating oxidation ay malinaw (Larawan 5): lahat ng mahahalagang proseso (muscular work, nervous activity, biosynthesis) ay nangangailangan ng paggasta ng enerhiya, ang mga gilid ay ibinibigay sa pamamagitan ng pagsira ng enerhiya-rich phosphate bonds (~P). Ang biological na kahulugan ng non-phosphorylating - free - oxidation ay makikita sa maraming reaksyon ng oksihenasyon na hindi nauugnay sa siklo ng citric acid at ang paglipat ng hydrogen at mga electron sa kahabaan ng respiratory chain. Kabilang dito, halimbawa, ang lahat ng mga non-mitochondrial oxidation na proseso, oxidative na pag-alis ng mga nakakalason na aktibong sangkap at maraming mga pagkilos ng regulasyon ng dami ng nilalaman ng biologically active compounds (ilang amino acids, biogenic amines, adrenaline, histidine, serotonin, atbp., aldehydes , atbp.) sa pamamagitan ng higit o hindi gaanong matinding oksihenasyon. Ang ratio ng libre at phosphorylating oxidation ay isa rin sa mga paraan ng thermoregulation sa mga tao at mga hayop na mainit ang dugo. Tingnan din ang Metabolismo at Enerhiya.

Kung walang enerhiya, walang buhay na nilalang ang maaaring umiral. Pagkatapos ng lahat, bawat kemikal na reaksyon, bawat proseso ay nangangailangan ng presensya nito. Madali para sa sinuman na maunawaan at maramdaman ito. Kung hindi ka kumain ng pagkain sa buong araw, pagkatapos ay sa gabi, at posibleng mas maaga pa, ang mga sintomas ng pagtaas ng pagkapagod, pag-aantok ay magsisimula, ang lakas ay bababa nang malaki.

Paano umangkop ang iba't ibang organismo upang makakuha ng enerhiya? Saan ito nagmula at anong mga proseso ang nagaganap sa loob ng cell? Subukan nating alamin ito sa artikulong ito.

Pagkuha ng enerhiya ng mga organismo

Hindi mahalaga kung paano kumonsumo ng enerhiya ang mga nilalang, ito ay palaging batay sa iba't ibang mga halimbawa. Ang equation ng photosynthesis, na isinasagawa ng mga berdeng halaman at ilang bakterya, ay OVR din. Naturally, ang mga proseso ay mag-iiba depende sa kung aling nilalang ang ibig sabihin.

Kaya, ang lahat ng mga hayop ay heterotrophs. Iyon ay, ang mga naturang organismo na hindi nakapag-iisa na bumuo ng mga handa na organic compound sa loob ng kanilang sarili para sa kanilang karagdagang paghahati at pagpapakawala ng enerhiya ng mga bono ng kemikal.

Ang mga halaman, sa kabaligtaran, ay ang pinakamakapangyarihang gumagawa ng organikong bagay sa ating planeta. Sila ang nagsasagawa ng isang kumplikado at mahalagang proseso na tinatawag na photosynthesis, na binubuo sa pagbuo ng glucose mula sa tubig, carbon dioxide sa ilalim ng pagkilos ng isang espesyal na sangkap - chlorophyll. Ang by-product ay oxygen, na siyang pinagmumulan ng buhay para sa lahat ng aerobic na buhay na bagay.

Mga reaksyon ng redox, ang mga halimbawa nito ay naglalarawan ng prosesong ito:

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

• carbon dioxide + sa ilalim ng impluwensya ng chlorophyll pigment (reaksyon enzyme) = monosaccharide + libreng molekular na oxygen.

Mayroon ding mga tulad na kinatawan ng biomass ng planeta na maaaring gumamit ng enerhiya ng mga bono ng kemikal ng mga hindi organikong compound. Tinatawag silang chemotrophs. Kabilang dito ang maraming uri ng bacteria. Halimbawa, ang mga hydrogen microorganism na nag-oxidize ng mga molekula ng substrate sa lupa. Ang proseso ay nangyayari ayon sa formula: 2H 2 +0 2 \u003d 2H 2 0.

Kasaysayan ng pag-unlad ng kaalaman tungkol sa biological oxidation

Ang proseso na pinagbabatayan ng produksyon ng enerhiya ay kilala na ngayon. oksihenasyon. Pinag-aralan ng biochemistry ang mga subtlety at mekanismo ng lahat ng mga yugto ng pagkilos sa ganoong detalye na halos wala nang natitirang misteryo. Gayunpaman, hindi ito palaging nangyari.

Ang unang pagbanggit ng mga pinaka-kumplikadong pagbabagong nagaganap sa loob ng mga buhay na nilalang, na mga kemikal na reaksyon sa kalikasan, ay lumitaw noong ika-18 siglo. Ito ay sa oras na ito na Antoine Lavoisier, ang sikat na French chemist, ibinaling ang kanyang pansin sa kung paano magkatulad ang biological oxidation at combustion. Sinusubaybayan niya ang tinatayang landas ng oxygen na hinihigop sa panahon ng paghinga at dumating sa konklusyon na ang mga proseso ng oksihenasyon ay nangyayari sa loob ng katawan, mas mabagal lamang kaysa sa labas kapag ang iba't ibang mga sangkap ay sinusunog. Iyon ay, ang ahente ng oxidizing - mga molekula ng oxygen - ay tumutugon sa mga organikong compound, at partikular, na may hydrogen at carbon mula sa kanila, at isang kumpletong pagbabagong-anyo ang nangyayari, na sinamahan ng agnas ng mga compound.

Gayunpaman, kahit na ang palagay na ito ay likas na totoo, maraming bagay ang nanatiling hindi maunawaan. Halimbawa:

• dahil ang mga proseso ay magkapareho, kung gayon ang mga kondisyon para sa kanilang paglitaw ay dapat na magkapareho, ngunit ang oksihenasyon ay nangyayari sa isang mababang temperatura ng katawan;
• ang pagkilos ay hindi sinamahan ng pagpapalabas ng napakalaking halaga ng thermal energy at walang pagbuo ng apoy;
• sa mga nabubuhay na nilalang, hindi bababa sa 75-80% ng tubig, ngunit hindi nito pinipigilan ang "pagsunog" ng mga sustansya sa kanila.

Upang masagot ang lahat ng mga tanong na ito at maunawaan kung ano talaga ang bumubuo sa biological oxidation, tumagal ito ng higit sa isang taon.

Mayroong iba't ibang mga teorya na nagpapahiwatig ng kahalagahan ng pagkakaroon ng oxygen at hydrogen sa proseso. Ang pinakakaraniwan at pinakamatagumpay ay:

• Ang teorya ni Bach, na tinatawag na peroxide;
• Ang teorya ni Palladin, batay sa isang konsepto bilang "chromogens".

Sa hinaharap, marami pang mga siyentipiko, kapwa sa Russia at iba pang mga bansa sa mundo, na unti-unting gumawa ng mga karagdagan at pagbabago sa tanong kung ano ang biological oxidation. Ang modernong biochemistry, salamat sa kanilang trabaho, ay maaaring sabihin ang tungkol sa bawat reaksyon ng prosesong ito. Kabilang sa mga pinakatanyag na pangalan sa lugar na ito ay ang mga sumusunod:

• Mitchell;
• S. V. Severin;
• Warburg;
• V. A. Belitser;
• Lehninger;
• V. P. Skulachev;
• Krebs;
• Berde;
• V. A. Engelhardt;
• Kaylin at iba pa.

Mga uri ng biological oxidation

Mayroong dalawang pangunahing uri ng prosesong isinasaalang-alang, na nangyayari sa ilalim ng magkakaibang mga kondisyon. Kaya, ang pinakakaraniwang paraan ng pag-convert ng pagkain na natanggap sa maraming mga species ng microorganism at fungi ay anaerobic. Ito ay biological oxidation, na isinasagawa nang walang access sa oxygen at walang pakikilahok nito sa anumang anyo. Ang mga katulad na kondisyon ay nilikha kung saan walang access sa hangin: sa ilalim ng lupa, sa mga nabubulok na substrate, silts, clays, swamps, at maging sa kalawakan.

Ang ganitong uri ng oksihenasyon ay may ibang pangalan - glycolysis. Ito rin ay isa sa mga yugto ng isang mas kumplikado at matrabaho, ngunit masiglang mayaman na proseso - aerobic transformation o tissue respiration. Ito ang pangalawang uri ng prosesong isinasaalang-alang. Ito ay nangyayari sa lahat ng aerobic heterotrophic na buhay na nilalang na gumagamit ng oxygen para sa paghinga.

Kaya, ang mga uri ng biological oxidation ay ang mga sumusunod.

1. Glycolysis, anaerobic pathway. Hindi nangangailangan ng pagkakaroon ng oxygen at nagtatapos sa iba't ibang anyo ng pagbuburo.
2. Paghinga ng tissue (oxidative phosphorylation), o aerobic type. Nangangailangan ng pagkakaroon ng molecular oxygen.

Iproseso ang mga kalahok

Bumaling tayo sa pagsasaalang-alang sa mismong mga tampok na naglalaman ng biological oxidation. Tinukoy namin ang mga pangunahing compound at ang kanilang mga pagdadaglat, na gagamitin namin sa hinaharap.

1. Ang Acetylcoenzyme-A (acetyl-CoA) ay isang condensate ng oxalic at acetic acid na may coenzyme, na nabuo sa unang yugto ng tricarboxylic acid cycle.
2. Ang Krebs cycle (citric acid cycle, tricarboxylic acids) ay isang serye ng mga kumplikadong sunud-sunod na pagbabagong redox na sinamahan ng pagpapalabas ng enerhiya, pagbabawas ng hydrogen, at pagbuo ng mahahalagang produktong mababa ang molekular na timbang. Ito ang pangunahing link sa cata- at anabolism.
3. NAD at NAD * H - enzyme dehydrogenase, na-decipher bilang nicotinamide adenine dinucleotide. Ang pangalawang formula ay isang molekula na may nakakabit na hydrogen. NADP - nicotinamide adenine dinucleotide phosphate.
4. FAD at FAD * H - flavin adenine dinucleotide - coenzyme ng dehydrogenases.
5. Ang ATP ay adenosine triphosphate.
6. Ang PVA ay pyruvic acid o pyruvate.
7. Succinate o succinic acid, H 3 RO 4 - phosphoric acid.
8. Ang GTP ay guanosine triphosphate, isang klase ng purine nucleotides.
9. ETC - chain ng transportasyon ng elektron.
10. Mga enzyme sa proseso: peroxidases, oxygenases, cytochrome oxidases, flavin dehydrogenases, iba't ibang coenzymes at iba pang mga compound.

Ang lahat ng mga compound na ito ay direktang kalahok sa proseso ng oksihenasyon na nangyayari sa mga tisyu (mga selula) ng mga nabubuhay na organismo.

Mga yugto ng biological oxidation: talahanayan

Yugto	Mga proseso at kahulugan
glycolysis	Ang kakanyahan ng proseso ay nakasalalay sa anoxic na paghahati ng monosaccharides, na nauuna sa proseso ng cellular respiration at sinamahan ng isang output ng enerhiya na katumbas ng dalawang ATP molecule. Nabubuo din ang Pyruvate. Ito ang unang yugto para sa anumang buhay na organismo ng isang heterotroph. Kahalagahan sa pagbuo ng PVC, na pumapasok sa cristae ng mitochondria at isang substrate para sa oksihenasyon ng tissue sa pamamagitan ng oxygen. Sa anaerobes, pagkatapos ng glycolysis, nagsisimula ang iba't ibang uri ng mga proseso ng pagbuburo.
Pyruvate oksihenasyon	Ang prosesong ito ay binubuo sa conversion ng PVC na nabuo sa panahon ng glycolysis sa acetyl-CoA. Isinasagawa ito gamit ang isang espesyal na enzyme complex pyruvate dehydrogenase. Ang resulta ay mga molekula ng cetyl-CoA na pumapasok sa proseso. Nababawasan ang NAD sa NADH sa parehong proseso. Lugar ng lokalisasyon - cristae ng mitochondria.
Pagkasira ng mga beta fatty acid	Ang prosesong ito ay isinasagawa nang kahanay sa nauna sa cristae ng mitochondria. Ang kakanyahan nito ay upang iproseso ang lahat ng mga fatty acid sa acetyl-CoA at ilagay ito sa tricarboxylic acid cycle. Ibinabalik din nito ang NADH.
Ikot ng Krebs	Nagsisimula ito sa conversion ng acetyl-CoA sa citric acid, na sumasailalim sa karagdagang pagbabago. Isa sa pinakamahalagang yugto na kinabibilangan ng biological oxidation. Ang acid na ito ay napapailalim sa: dehydrogenation; decarboxylation; pagbabagong-buhay. Ang bawat proseso ay paulit-ulit nang maraming beses. Resulta: GTP, carbon dioxide, pinababang anyo ng NADH at FADH 2 . Kasabay nito, ang mga biological oxidation enzymes ay malayang matatagpuan sa matrix ng mga particle ng mitochondrial.
Oxidative phosphorylation	Ito ang huling yugto sa conversion ng mga compound sa mga eukaryotic na organismo. Sa kasong ito, ang adenosine diphosphate ay na-convert sa ATP. Ang enerhiya na kinakailangan para dito ay kinuha mula sa oksihenasyon ng mga NADH at FADH 2 molekula na nabuo sa mga nakaraang yugto. Sa pamamagitan ng sunud-sunod na paglipat sa kahabaan ng ETC at pagbaba ng mga potensyal, ang enerhiya ay natatapos sa mga macroergic bond ng ATP.

Ito ang lahat ng mga proseso na kasama ng biological oxidation na may partisipasyon ng oxygen. Naturally, hindi sila ganap na inilarawan, ngunit sa kakanyahan lamang, dahil ang isang buong kabanata ng libro ay kinakailangan para sa isang detalyadong paglalarawan. Ang lahat ng mga biochemical na proseso ng mga buhay na organismo ay sobrang multifaceted at kumplikado.

Proseso ng reaksyon ng redox

Ang mga reaksyon ng redox, ang mga halimbawa nito ay maaaring maglarawan ng mga proseso ng substrate oxidation na inilarawan sa itaas, ay ang mga sumusunod.

1. Glycolysis: monosaccharide (glucose) + 2NAD + + 2ADP = 2PVK + 2ATP + 4H + + 2H 2 O + NADH.
2. Pyruvate oxidation: PVA + enzyme = carbon dioxide + acetaldehyde. Pagkatapos ang susunod na hakbang: acetaldehyde + Coenzyme A = acetyl-CoA.
3. Maraming sunud-sunod na pagbabago ng citric acid sa Krebs cycle.

Ang mga reaksyong redox na ito, ang mga halimbawa nito ay ibinigay sa itaas, ay sumasalamin sa kakanyahan ng mga patuloy na proseso lamang sa pangkalahatang paraan. Ito ay kilala na ang mga compound na pinag-uusapan ay alinman sa mataas na molekular na timbang o may isang malaking carbon skeleton, kaya ito ay simpleng hindi posible na kumatawan sa lahat ng may ganap na mga formula.

Ang output ng enerhiya ng paghinga ng tissue

Mula sa mga paglalarawan sa itaas, malinaw na hindi mahirap kalkulahin ang kabuuang ani ng enerhiya ng buong oksihenasyon.

1. Dalawang molekula ng ATP ay ginawa ng glycolysis.
2. Pyruvate oxidation 12 ATP molecules.
3. 22 molecule ang nahuhulog sa tricarboxylic acid cycle.

Bottom line: ang kumpletong biological oxidation sa kahabaan ng aerobic pathway ay nagbibigay ng output ng enerhiya na katumbas ng 36 ATP molecules. Ang kahalagahan ng biological oxidation ay halata. Ito ang enerhiya na ginagamit ng mga nabubuhay na organismo para sa buhay at paggana, pati na rin para sa pag-init ng kanilang mga katawan, paggalaw at iba pang mga kinakailangang bagay.

Anaerobic oxidation ng substrate

Ang pangalawang uri ng biological oxidation ay anaerobic. Iyon ay, isa na isinasagawa ng lahat, ngunit kung saan huminto ang mga mikroorganismo ng ilang mga species. at tiyak na mula rito na ang mga pagkakaiba sa karagdagang pagbabago ng mga sangkap sa pagitan ng aerobes at anaerobes ay malinaw na sinusubaybayan.

Mayroong ilang mga biological oxidation na hakbang sa landas na ito.

1. Glycolysis, iyon ay, ang oksihenasyon ng isang molekula ng glucose sa pyruvate.
2. Fermentation na humahantong sa pagbabagong-buhay ng ATP.

Ang pagbuburo ay maaaring may iba't ibang uri, depende sa mga organismo na nagsasagawa nito.

pagbuburo ng lactic acid

Ito ay isinasagawa ng lactic acid bacteria, pati na rin ng ilang fungi. Ang ilalim na linya ay upang ibalik ang PVC sa lactic acid. Ang prosesong ito ay ginagamit sa industriya upang makakuha ng:

• mga produkto ng pagawaan ng gatas;
• adobo na gulay at prutas;
• mga silo ng hayop.

Ang ganitong uri ng pagbuburo ay isa sa pinaka ginagamit sa mga pangangailangan ng tao.

Alcoholic fermentation

Kilala sa mga tao mula pa noong unang panahon. Ang kakanyahan ng proseso ay ang conversion ng PVC sa dalawang molekula ng ethanol at dalawang carbon dioxide. Dahil sa ani ng produktong ito, ang ganitong uri ng fermentation ay ginagamit upang makakuha ng:

• ng tinapay;
• pagkakasala;
• beer;
• confectionery at iba pa.

Ito ay isinasagawa ng fungi, yeast at microorganisms ng bacterial nature.

Butyric fermentation

Isang medyo makitid na tiyak na uri ng pagbuburo. Isinasagawa ng bacteria ng genus Clostridium. Sa ilalim ng linya ay ang conversion ng pyruvate sa butyric acid, na nagbibigay sa pagkain ng hindi kanais-nais na amoy at rancid na lasa.

Samakatuwid, ang mga reaksyon ng biological na oksihenasyon na nagpapatuloy sa landas na ito ay halos hindi ginagamit sa industriya. Gayunpaman, ang mga bakteryang ito ay nakapag-iisa na naghahasik ng mga produktong pagkain at nagdudulot ng pinsala, na nagpapababa ng kalidad nito.

Sa proseso ng metabolismo, ang mga produktong pagkain (carbohydrates, lipids) ay sumasailalim sa catabolism.

catabolismo- ito ang proseso ng paghahati ng mga high-molecular substance sa mababang-molecular substance, na kasama ng paglabas ng enerhiya. Sa proseso ng catabolism, ang istraktura ng mga macromolecular substance ay pinasimple.

Ang enerhiya na inilabas sa proseso ng catabolism ay ginagamit para sa synthesis ng mga bagong sangkap, i.e. sa panahon ng anabolismo.

Ang pakikipag-ugnayan ng pagbabagong-anyo ng bagay at enerhiya ay tinatawag na metabolismo.

Ang mga proseso ng oksihenasyon ay nagaganap sa katawan at sa labas ng katawan. Ang mga prosesong ito ay may pagkakatulad at pagkakaiba.

Pagkakatulad sa pagitan ng oksihenasyon sa katawan at sa labas ng katawan.

1. Bilang resulta ng oksihenasyon, ang parehong mga produktong pangwakas na CO 2 at H 2 O ay nabuo.
2. Ang parehong dami ng enerhiya ay inilabas.

Mga pagkakaiba sa pagitan ng oksihenasyon sa katawan at sa labas ng katawan.

1. Sa labas ng katawan, ang enerhiya ay inilabas dahil sa oksihenasyon ng mga atomo ng carbon, at sa katawan dahil sa oksihenasyon ng mga atomo ng hydrogen.

1. Sa labas ng katawan, ang oxygen ay pinagsama sa oxidized substrate. Sa katawan, ang oxygen ay hindi pinagsama sa substrate.
2. Sa labas ng katawan, ang enerhiya ay inilabas nang sabay-sabay at hindi naipon, i.e. hindi nag-iipon. Sa katawan, ang enerhiya ay inilabas sa mga bahagi, "cascaded" at naipon (naka-imbak). Ang "cascade" na paglabas ng enerhiya ay nagpoprotekta sa cell mula sa sobrang init.
3. Ang pangunahing reaksyon ng oksihenasyon sa katawan ay ang reaksyon ng dehydrogenation, i.e. pag-aalis ng hydrogen (protons). Ang mga pantulong na reaksyon ay dehydration at decarboxylation reaksyon.
4. Ang proseso ng oksihenasyon sa katawan ay isang multi-stage, enzymatic na proseso.

Ang proseso ng oksihenasyon ng mga substrate sa mga biological na bagay ay tinatawag na biological oxidation.

Mga uri ng biological oxidation.

1. paghinga ng tissue
2. oksihenasyon ng substrate

Ang paghinga ng tissue ay isang multistage na enzymatic na proseso kung saan ang oxygen ang huling electron acceptor.

Sa proseso ng paghinga ng tissue, ang mga enzyme ay kasangkot - oxidoreductases, na bumubuo sa respiratory chain.

Ang respiratory chain ay isang complex ng oxidoreductases na kasangkot sa paglipat ng mga proton at electron mula sa oxidized substrate patungo sa oxygen.

Ang respiratory chain ay matatagpuan sa mitochondrial cristae.

Ang istraktura ng respiratory chain.

Kasama sa respiratory chain ang 4 na grupo ng mga enzyme:

1. Pyridine-dependent dehydrogenases - ang coenzyme ay NAD, NADP.

2. Flavin-dependent dehydrogenases - ang coenzyme ay FAD, FMN.

3. Coenzyme Q o ubiquinone.

4. Cytochromes b, c, a, a 3.

Ang mga cytochrome ay mga protina ng heme, na naglalaman ng heme bilang bahaging hindi protina. Naglalaman ang heme ng iron atom, na maaaring magbago ng oxidation state nito mula +3 hanggang +2 sa pamamagitan ng pagkuha o pag-donate ng electron.

Ang respiratory chain ay binubuo ng dalawang seksyon:

1. Tinitiyak ng isang site na may kasamang pyridine-dependent dehydrogenases - coenzyme Q ang paglilipat ng mga proton at electron. Sa antas ng coenzyme Q, ang mga proton ay pumapasok sa kapaligiran ng mitochondria, dahil Ang mga cytochrome ay istruktura na may kakayahang magdala lamang ng mga electron.

2. Isang seksyon ng mga cytochrome na nagsisiguro sa paglilipat ng mga electron lamang.

Ang pangunahing kahalagahan ng cytochrome system ay ang paglipat ng mga electron mula sa isang oxidized substrate sa molekular na oxygen na may pagbuo ng tubig:

Scheme ng electron at proton transport kasama ang respiratory chain.

Dalawang proton at dalawang electron ang inililipat kasama ang respiratory chain mula sa oxidized substrate patungo sa oxygen.

Ang mga coenzyme ng respiratory chain, na tumatanggap ng mga proton at electron, ay nagiging isang pinababang anyo, at ang pagbibigay ng mga ito muli ay nagiging isang oxidized na anyo.

Ang puwersang nagtutulak na tumitiyak sa paglipat ng mga proton at electron mula sa substrate patungo sa oxygen ay ang pagkakaiba sa mga potensyal na redox. Sa respiratory chain, ang pagtaas sa redox potential ay nangyayari (mula -0.32 hanggang +0.81 sa O 2)

Para sa synthesis ng isang macroergic bond ng ATP, ang isang redox potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng mga seksyon ng respiratory chain ay humigit-kumulang 0.22 V bawat pares ng mga inilipat na electron.

Ang haba ng respiratory chain (ang bilang ng mga enzyme) ay maaaring iba at depende sa likas na katangian ng oxidized substrate.

Mahalaga para sa cell na ang molekula ng oxygen, na nagdagdag ng 4 na mga electron, ay ganap na naibalik sa dalawang molekula ng tubig. Sa kaso ng hindi kumpletong pagbawas ng oxygen, sa kaso ng pagdaragdag ng dalawang electron, ang hydrogen peroxide ay nabuo, at sa kaso ng pagdaragdag ng isang electron, superoxide radical. Ang hydrogen peroxide at superoxide radical ay nakakalason sa cell, dahil makapinsala sa mga lamad ng cell sa pamamagitan ng pakikipag-ugnayan sa mga unsaturated fatty acid residues ng mga lipid ng lamad.

Pinoprotektahan ng mga aerobic cell ang kanilang sarili mula sa pagkilos ng peroxide at superoxide sa tulong ng dalawang enzymes: superoxide dismutase at catalase.

Mga paraan ng paggamit ng enerhiya ng paglilipat ng elektron.

Kapag ang isang pares ng mga electron ay inilipat, isang pagbabago sa libreng enerhiya ay nangyayari at ang enerhiya na ito ay ginagamit sa dalawang paraan:

1. Ang enerhiya ng paglilipat ng elektron ay ginagamit para sa synthesis ng ATP.

2. Ang enerhiya ng paglilipat ng elektron ay ginagamit upang makabuo ng init.

Kapag ang isang pares ng mga electron ay inilipat kasama ang respiratory chain, ang isang pagbabago sa libreng enerhiya ay nangyayari, katumbas ng 52.6 kcal. Ang enerhiya na ito ay sapat para sa synthesis ng 3 ATP molecule. Ang synthesis ng tatlong mga molekula ng ATP sa ilalim ng karaniwang mga kondisyon ay nangangailangan ng paggasta ng kcal.

Sa tatlong punto ng paglipat ng elektron, ang pinakamalaking pagbabago sa libreng enerhiya ay nangyayari at ang mga puntong ito ay tinatawag na mga punto ng conjugation ng tissue respiration at oxidative phosphorylation.

Ang Oxidative phosphorylation ay ang proseso ng ATP resynthesis mula sa ADP at Fn, na nauugnay sa paghinga ng tissue.

Ang mga pairing point ay matatagpuan sa mga lugar:

1. OVER/FAD

3. c a / a 3 O 2

Ang mga conjugation point ay pare-pareho, ngunit ang kanilang bilang ay depende sa likas na katangian ng oxidized substrate.

Sa panahon ng oksihenasyon ng NAD - dependent substrates, 3 conjugation point ang nagaganap, i.e. Ang 3ATP ay inilabas, kapag ang mga substrate na umaasa sa FAD ay na-oxidize, 2 conjugation point ang nagaganap at 3 ATP ay inilabas, kapag ang mga cytochrome-dependent na substrate ay na-oxidize, ang halaga ng ATP ay depende sa kung saan ang mga cytochrome electron ay itinapon: kapag ang mga electron ay itinapon sa cytochrome b, 2ATP ay inilabas sa proseso ng oxidative phosphorylation, at sa cytochrome c - 1ATP.

Ang phosphorylation coefficient ay ang P / O ratio bilang isang indicator ng conjugation ng respiration at phosphorylation.

Napag-alaman na kapag ang isang oxygen atom ay hinihigop (o kapag ang isang pares ng mga electron ay inilipat mula sa substrate patungo sa oxygen), hindi isang atom ng inorganic phosphate ang nasisipsip, ngunit mga tatlo, i.e. ang P / O coefficient ay humigit-kumulang katumbas ng 3. I.e. mayroong hindi bababa sa tatlong junction point sa respiratory chain kung saan ang inorganic phosphate ay kasangkot sa pagbuo ng ATP.

Ang proseso ng biological oxidation ay maaaring hindi sinamahan ng synthesis ng ATP.

Ang oksihenasyon na hindi sinamahan ng synthesis ng ATP ay tinatawag na libreng oksihenasyon. Sa kasong ito, ang enerhiya ay inilabas sa anyo ng init. Ito ay maaaring maobserbahan sa ilalim ng pagkilos ng mga lason at sinamahan ng pagtaas ng temperatura ng katawan.

Mga sanhi ng paglabag sa biological oxidation.

1. Kakulangan ng oxidation substrates (carbohydrates, lipids, i.e. pagkain).

2. Paglabag sa gawain ng mga enzyme sa respiratory chain:

1. Apoenzyme defect (synthesis ng bahagi ng protina ng enzyme ay may kapansanan).

2. Coenzyme defect (may kapansanan sa synthesis ng coenzymes dahil sa kakulangan ng bitamina B 2, B 5, K).

3. Kakulangan ng oxygen.

4. Pagkilos ng mga inhibitor.

Pinipigilan ng Aminobarbital ang paglipat ng mga proton at electron sa NAD / FAD site, huminto ang oksihenasyon ng mga substrate na umaasa sa NAD.

Pinipigilan ng Antimycin ang paglipat ng elektron sa site ng cytochrome b, cytochrome c.

Pinipigilan ng cyanades ang paglipat ng elektron sa cytochrome oxidase/oxygen site.

Sa ilalim ng karamihan sa mga kondisyong pisyolohikal, ang paglipat ng elektron ay nauugnay sa oxidative phosphorylation.

Ang isang bilang ng mga compound ay maaaring maging sanhi ng uncoupling ng tissue respiration at oxidative phosphorylation. Ang mga uncoupler ng mga prosesong ito ay ang mga sumusunod na compound: 2,4 - dinitrophenol, thyroid hormone - thyroxine, dicoumarin at mga derivatives nito, fatty acids.

Ang uncoupling ng oxidative phosphorylation at tissue respiration ay maaaring biologically beneficial. Ang uncoupling ay isang paraan ng pagbuo ng init upang mapanatili ang temperatura ng katawan sa mga hibernating na hayop at cold-adapted na mammal. Ang mga fatty acid, na naipon sa brown adipose tissue, ay kumikilos bilang isang uncoupler. Ang mga bagong silang ay mayroon ding brown na taba, na ginagawang posible na mapanatili ang temperatura ng katawan na may hindi pa rin perpektong sistema ng thermoregulation.

Sa mga pasyente na may hyperfunction ng thyroid gland, ang isang pagtaas sa temperatura ng katawan ay nabanggit, na dahil sa uncoupling ng mga proseso ng tissue respiration at oxidative phosphorylation na dulot ng thyroxin.

Sa kakulangan ng oxygen sa mga tisyu, ang proseso ng paghinga ng tisyu ay mahirap at ang oksihenasyon ng substrate ay nangyayari sa mga tisyu.

Ang substrate oxidation ay isang proseso ng oksihenasyon kung saan ang panghuling electron acceptor ay ang substrate sa halip na oxygen.

Ang substrate oksihenasyon ay isang pang-emergency na mapagkukunan ng enerhiya sa kawalan ng oxygen.

Ang kakulangan ng oxygen (hypoxia) ay nangyayari sa katawan sa panahon ng pisikal na trabaho, kapag umakyat sa mga bundok, bumababa sa ilalim ng tubig, sa mga sakit ng respiratory system, cardiovascular system at hematopoietic system.

Ang substrate oksihenasyon ay energetically mas kanais-nais kaysa sa tissue respiration, dahil ang mga potensyal na redox ng mga substrate ay hindi gaanong naiiba.

Sa katawan, kasama ang oxidative phosphorylation, ang proseso ng pagbibigay ng enerhiya ay substrate phosphorylation.

Ang substrate phosphorylation ay ang proseso ng pagbuo ng mga macroergic compound dahil sa mga macroergic bond ng substrate.

Ang pinakamahalagang macroergic compound ay ATP.

Ang enerhiya ng mga macroergic bond ay naipon sa isang bilang ng mga compound: creatine phosphate, 1,3-diphosphoglycerate, GTP, atbp.

biyolohikal na oksihenasyon

Paghinga ng tissue Libreng oksihenasyon Substrate oksihenasyon

May kaugnayan sa Enerhiya

oxidative secreted

phosphorylation bilang init

Inilabas ang enerhiya

sa anyo ng ATP

Phosphorylation

Oxidative phosphorylation Substrate phosphorylation

nauugnay sa mga mitochondrial membrane na hindi nauugnay sa mga lamad

URAL STATE MEDICAL ACADEMY

Kagawaran ng Bioorganic at Biological Chemistry

GAWAIN NG KURSO SA PAKSA:

biyolohikal na oksihenasyon.

Mga artista: mga mag-aaral

pediatric

faculty 223 mga grupo

Zaruba N.S., Chashchina E.E.

Superbisor: assistant professor,

PhD Trubachev S.D.

Tagasuri:

Yekaterinburg 2002.

I. Panimula…………………………………………………………………………3

II. Pangkalahatang ideya tungkol sa biological oxidation.

Redox system at potensyal……..3

III. Mga paraan ng paggamit ng oxygen sa cell…………………………………………5

Oxidase pathway para sa paggamit ng oxygen. Mitokondria.

Ang mga enzyme, ang kanilang lokalisasyon at kahalagahan sa mga proseso ng oksihenasyon…….5

IV. Mga yugto ng paggamit ng enerhiya ng mga sustansya………………….6

V. Oxidative phosphorylation…………………………………………9

Ang teoryang chemiosmotic ni Mitchell……..……………………………………..9

Redox - chain ng oxidative phosphorylation………………10

VI. Krebs Cycle……………………………………………………………………………………………………………………………… ……………21

Pagbubukas ng CTC……………………………………………………..22

Mga reaksyon, mga enzyme. Regulasyon…………………………………………23

VII. Mga macroergic compound at bond…………………………………………29

VIII. Bitamina RR. Pakikilahok sa mga proseso ng oksihenasyon…………………….30

IX. Microsomal oxidation……………………………………………………31

Mga reaksyon ng monooxygenase…………………………………………31

Mga reaksyon ng dioxygenase…………………………………………….32

Mga Cytochromes………………………………………………………………32

X. Peroxidase pathway ng paggamit ng oxygen…………………..33

XI. Enzymatic antioxidant na proteksyon………………………………34

Superoxide dismutase, catalase, peroxidase………………….34

XII. Proteksyon ng di-enzymatic na antioxidant………………………………35

Mga Bitamina C, E at P………………………………………………………………35

XIII. Konklusyon…………………………………………………………..38

XIV. Mga Sanggunian……………………………………………………..39

Panimula.

Sa kimika, ang oksihenasyon ay tinukoy bilang ang pagtanggal ng mga electron, habang ang pagbabawas ay tinukoy bilang ang pagdaragdag ng mga electron; ito ay maaaring ilarawan sa pamamagitan ng halimbawa ng oksihenasyon ng isang ferro-ion sa isang ferri-ion:

Fe 2+ -e → Fe 3+

Kaya naman sumusunod na ang oksihenasyon ay palaging sinasamahan ng pagbawas ng electron acceptor. Ang prinsipyong ito ng mga proseso ng redox ay pantay na naaangkop sa mga biochemical system at nailalarawan ang likas na katangian ng mga proseso ng biological na oksihenasyon.

Bagama't ang ilang bakterya (anaerobes) ay nabubuhay sa kawalan ng oxygen, ang buhay ng mas mataas na mga hayop ay ganap na nakasalalay sa supply ng oxygen. Ang oxygen ay pangunahing ginagamit sa proseso ng paghinga - ang huli ay maaaring tukuyin bilang ang proseso ng pagkuha ng cellular energy sa anyo ng ATP sa panahon ng kinokontrol na pagdaragdag ng oxygen na may hydrogen upang bumuo ng tubig. Bilang karagdagan, ang molekular na oxygen ay kasama sa iba't ibang mga substrate na may partisipasyon ng mga enzyme na tinatawag na oxygenases. Maraming mga gamot, mga sangkap na dayuhan sa katawan, mga carcinogens (xenobiotics) ang inaatake ng mga enzyme ng klase na ito, na kung saan ay tinatawag na cytochrome P 450.

Ang mga hypoxic disorder ng metabolismo ng cell ay sumasakop sa isang nangungunang lugar sa pathogenesis ng mga kritikal na kondisyon. Ang pangunahing papel sa pagbuo ng hindi maibabalik na mga proseso ng pathological ay maiugnay sa matinding pagpapakita ng mga cellular metabolism disorder. Ang sapat na supply ng oxygen sa cell ay ang pangunahing kondisyon para sa pagpapanatili ng viability nito.

Ang pagpapakilala ng oxygen ay maaaring magligtas ng buhay ng mga pasyente na may kapansanan sa paghinga o sirkulasyon ng dugo. Matagumpay na nagamit ang high-pressure oxygen therapy sa ilang mga kaso; gayunpaman, dapat tandaan na ang intensive o matagal na high-pressure oxygen therapy ay maaaring magdulot ng oxygen toxicity.

Sa pagsulat ng gawaing ito, nagkaroon kami ng layunin: pag-aralan ang biological oxidation at ang kahalagahan nito sa buhay ng cell at ng organismo sa kabuuan. Para dito, isinasaalang-alang namin:

Ang paggamit ng oxygen sa pamamagitan ng cell;

Mga mapagkukunan ng enerhiya ng cell - sitriko acid cycle (Krebs cycle), oxidative phosphorylation;

microsomal oksihenasyon;

Proteksyon ng antioxidant

Pangkalahatang ideya tungkol sa biological oxidation.

Mga sistema at potensyal ng redox.

Ang pinagmumulan ng enerhiya na ginagamit upang maisagawa ang lahat ng uri ng trabaho (kemikal, mekanikal, elektrikal at osmotic) ay ang enerhiya ng chemical bonding. Ang paglabas ng enerhiya mula sa carbohydrates, taba, protina at iba pang mga organic compound ay nangyayari sa panahon ng kanilang redox decay. Ang inilabas na enerhiya ay ginugol sa synthesis ng ATP.

Ang pagbabago sa libreng enerhiya, na nagpapakilala sa mga reaksyon ng oksihenasyon at pagbabawas, ay proporsyonal sa kakayahan ng mga reactant na mag-abuloy o tumanggap ng mga electron. Samakatuwid, ang pagbabago sa libreng enerhiya ng proseso ng redox ay maaaring mailalarawan hindi lamang sa halaga ng DG 0 ", kundi pati na rin sa halaga ng potensyal na redox ng system (Eo). Karaniwan, ang potensyal na redox ng system ay kumpara sa potensyal ng hydrogen electrode, na kinukuha ang huli bilang zero, 0V sa pH \u003d 0. Gayunpaman, para sa mga biological system ay mas maginhawang gamitin ang redox potential sa pH \u003d 7.0 (Eo "); sa pH na ito, ang potensyal ng hydrogen electrode ay -0.42V.

Gamit ang Talahanayan 1, mahuhulaan ng isa kung saang direksyon pupunta ang daloy ng elektron kapag nag-conjugate ng isang redox system.

Talahanayan 1. Mga karaniwang potensyal ng ilang redox system.

Mga paraan ng paggamit ng oxygen sa cell.

Mayroong tatlong mga paraan ng paggamit ng oxygen sa cell, na kung saan ay nailalarawan sa pamamagitan ng mga sumusunod na reaksyon:

1) oxidase pathway (90% ng papasok na oxygen ay nabawasan sa H 2 O na may partisipasyon ng cytochrome oxidase enzyme)

0 2 + 4e + 4H + → 2H 2 O

2) oxygenase pathway (pagsasama sa substrate ng isang oxygen atom - monooxygenase pathway, dalawang oxygen atoms - dioxygenase pathway) - monooxygenase pathway

Daan ng dioxygenase

3) free-radical path (napupunta nang walang pakikilahok ng mga enzyme at hindi nabuo ang ATP).

Oxidase pathway para sa paggamit ng oxygen. Mitokondria. Ang mga enzyme, ang kanilang lokalisasyon at kahalagahan sa proseso ng oksihenasyon.

Ang Mitochondria ay wastong tinatawag na "mga istasyon ng enerhiya" ng cell, dahil nasa mga organel na ito na ang enerhiya na ibinibigay ng mga proseso ng oxidative ay pangunahing nakukuha. Ang mitochondrial system ng conjugation ng mga oxidative na proseso kasama ang pagbuo ng high-energy ATP intermediate ay tinatawag na oxidative phosphorylation.

Ang mitochondria ay may panlabas na lamad na natatagusan ng karamihan sa mga metabolite at isang piling natatagusan na panloob na lamad na may maraming fold (cristae) na nakausli patungo sa matrix (ang panloob na espasyo ng mitochondria). Ang panlabas na lamad ay maaaring alisin sa pamamagitan ng paggamot na may digitonin; ito ay nailalarawan sa pagkakaroon ng monoamine oxidase at ilang iba pang mga enzyme (hal., acyl-CoA synthetase, glycerophosphate acyltransferase, monoacylglycerophosphate acyltransferase, phospholipase A2). Ang intermembrane space ay naglalaman ng adenylate kinase at creatine kinase. Ang phospholipid cardiolipin ay naisalokal sa panloob na lamad.

Ang matrix ay naglalaman ng mga natutunaw na enzyme ng citric acid cycle at mga enzyme ng b-oxidation ng mga fatty acid; samakatuwid, mayroong pangangailangan para sa mga mekanismo para sa transportasyon ng mga metabolite at nucleotides sa loob ng panloob na lamad. Ang succinate dehydrogenase ay naisalokal sa panloob na ibabaw ng panloob na mitochondrial membrane, kung saan inililipat nito ang mga reductive equivalents ng respiratory chain sa antas ng ubiquinone (bypassing ang unang redox loop). Ang 3-hydroxybutyrate dehydrogenase ay naisalokal sa gilid ng matrix ng panloob na lamad ng mitochondrial. Ang Glycerol-3-phosphate dehydrogenase ay matatagpuan sa panlabas na ibabaw ng panloob na lamad, kung saan ito ay nakikilahok sa paggana ng mekanismo ng glycerophosphate shuttle.

Mga yugto ng paggamit ng enerhiya ng mga sustansya.

Ang paggamit ng enerhiya ng mga sustansya ay isang kumplikadong proseso na nagpapatuloy sa tatlong yugto, ayon sa sumusunod na pamamaraan:

Scheme 1. Mga yugto ng nutrient catabolism.

Sa yugto 1, ang malalaking molekula ng polimer ay bumagsak sa mga monomeric na subunit: mga protina sa mga amino acid, polysaccharides sa mga asukal, at mga taba sa mga fatty acid at kolesterol. Ang paunang prosesong ito, na tinatawag na panunaw, ay pangunahing isinasagawa sa labas ng mga selula sa pamamagitan ng pagkilos ng mga enzyme na itinago sa lukab ng digestive tract. Sa yugto 2, ang nabuong maliliit na molekula ay pumapasok sa mga selula at sumasailalim sa karagdagang cleavage sa cytoplasm. Karamihan sa mga carbon at hydrogen atoms ng mga asukal ay na-convert sa pyruvate, na, na tumagos sa mitochondria, ay bumubuo doon ng acetyl group ng reactive compound ng acetyl coenzyme A (acetyl-CoA). Ang isang malaking halaga ng acetyl-CoA ay nabuo din sa panahon ng oksihenasyon ng mga fatty acid. Sa stage 3, ang acetyl group ng acetyl-CoA ay ganap na nahati sa CO 2 at H 2 O. Sa huling yugto na ito nabubuo ang karamihan sa ATP. Sa isang serye ng mga pinagsama-samang kemikal na reaksyon, higit sa kalahati ng enerhiya na, ayon sa teoretikal na pagkalkula, ay maaaring makuha mula sa mga carbohydrate at taba kapag sila ay na-oxidize sa H 2 O at CO 2 ay ginagamit upang isagawa ang masiglang hindi kanais-nais na reaksyon F n + ADP ® ATP. Dahil ang natitirang enerhiya na inilabas sa panahon ng oksihenasyon ay inilabas ng cell sa anyo ng init, ang resulta ng pagbuo ng ATP ay isang pangkalahatang pagtaas sa kaguluhan ng uniberso, na ganap na naaayon sa pangalawang batas ng thermodynamics.

Sa pamamagitan ng pagbuo ng ATP, ang enerhiya na orihinal na nakuha sa pamamagitan ng oksihenasyon mula sa carbohydrates at taba ay na-convert sa isang mas maginhawang puro anyo ng kemikal na enerhiya. Sa isang solusyon na matatagpuan sa intracellular space ng isang tipikal na cell, mayroong humigit-kumulang 1 bilyong molekula ng ATP, ang hydrolysis kung saan sa ADP at pospeyt ay nagbibigay ng kinakailangang enerhiya para sa maraming masiglang hindi kanais-nais na mga reaksyon.

Ang pinakamahalagang hakbang sa yugto 2 ng catabolism ay glycolysis, isang pagkakasunud-sunod ng mga reaksyon na humahantong sa pagkasira ng glucose. Sa panahon ng glycolysis, ang isang molekula ng glucose na naglalaman ng 6 na carbon atoms ay na-convert sa 2 pyruvate molecule na naglalaman ng 3 carbon atoms bawat isa. Ang pagbabagong ito ay nangangailangan ng 9 na magkakasunod na reaksyong enzymatic, kung saan nabuo ang isang bilang ng mga intermediate na compound na naglalaman ng pospeyt. (Tingnan ang figure 1.)

Logically, ang pagkakasunud-sunod ng mga reaksyon ng glycolysis ay maaaring nahahati sa tatlong yugto: 1) sa mga reaksyon 1-4 (tingnan ang Larawan 1), ang glucose ay na-convert sa tatlong-carbon aldehyde glyceraldehyde-3-phosphate (dalawang grupo ng pospeyt ang kailangan para sa pagbabagong ito, at ang kinakailangang enerhiya ay inilabas sa panahon ng hydrolysis ATP); 2) sa mga reaksyon 5-6, ang pangkat ng aldehyde ng bawat molekula ng glyceraldehyde-3-phosphate ay na-oxidized sa carboxyl, at ang enerhiya na inilabas sa kasong ito ay ginugol sa synthesis ng ATP mula sa ADP at Fn; 3) sa mga reaksyon 7-9, ang dalawang molekulang pospeyt na iyon na nakakabit sa asukal sa unang yugto ay inilipat pabalik sa ADP, bilang isang resulta kung saan nabuo ang ATP at ang mga gastos sa ATP ay binabayaran sa yugto 1.

Figure 1. Glycolysis intermediates.

Ang kabuuang output ng enerhiya sa panahon ng glycolysis ay nabawasan sa synthesis ng dalawang molekula ng ATP (bawat isang molekula ng glucose), na nabuo sa mga reaksyon 5 at 6. Kaya, ang mga reaksyong ito ay napakahalaga para sa glycolysis. Ang dalawang reaksyong ito ay ang tanging sa buong proseso kung saan nabuo ang isang high-energy phosphate bond mula sa Fn. Ang pinagsamang resulta ng dalawang reaksyong ito ay ang oksihenasyon ng sugar aldehyde sa phosphoglycerolic acid, ang paglipat ng Fn sa ADP upang bumuo ng isang high-energy ATP bond, at ang pagbawas ng NAD+ sa NADH.

Para sa karamihan ng mga selula ng hayop, ang glycolysis ay nauuna sa yugto 3 ng catabolism, bilang Ang lactic acid na nabuo sa panahon ng glycolysis ay mabilis na pumapasok sa mitochondria, kung saan ito ay na-oxidized sa CO 2 at H 2 O. Gayunpaman, sa mga anaerobic na organismo at mga tisyu na may kakayahang magtrabaho sa ilalim ng anaerobic na mga kondisyon, ang glycolysis ay maaaring maging pangunahing pinagmumulan ng cellular ATP. Sa mga kasong ito, ang mga molekulang pyruvate ay nananatili sa cytosol at na-convert sa lactate, na pagkatapos ay pinalabas mula sa cell. Ang karagdagang conversion ng pyruvate sa mga reaksyong nagbibigay ng enerhiya na ito, na tinatawag na fermentation, ay kinakailangan upang ganap na magamit ang potensyal na pagbawas na nakuha sa reaksyon 5 ng glycolysis, at sa gayon ay muling buuin ang NAD + na kinakailangan para sa karagdagang pagpapatupad ng glycolysis.

oxidative phosphorylation.

Ang Oxidative phosphorylation ay nagpapahintulot sa mga aerobic na organismo na makuha ang isang makabuluhang bahagi ng potensyal na libreng enerhiya ng substrate oxidation. Ang isang posibleng paliwanag para sa mekanismo ng oxidative phosphorylation ay inaalok ng chemiosmotic theory. Ang isang bilang ng mga gamot (hal., amobarbital) at mga lason (cyanide, carbon monoxide) ay pumipigil sa oxidative phosphorylation, kadalasang may nakamamatay na kahihinatnan. Ang oxidative phosphorylation ay isang mahalagang proseso na ang pagkagambala sa normal nitong kurso ay hindi tugma sa buhay. Ito ay maaaring ipaliwanag kung bakit ang isang maliit na bilang ng mga genetic disorder na nakakaapekto sa sistemang ito ay natagpuan.

Bagama't bahagi ng aerobic metabolism ang citric acid cycle, wala sa mga reaksyon sa cycle na ito na humahantong sa pagbuo ng NADH at FADH 2 ay direktang kasangkot sa molekular na oxygen; ito ay nangyayari lamang sa huling serye ng mga catabolic reaction na nagaganap sa panloob na lamad. Halos lahat ng enerhiyang nakukuha sa mga unang yugto ng oksihenasyon mula sa pagkasunog ng mga carbohydrate, taba, at iba pang sustansya ay unang iniimbak sa anyo ng mga electron na may mataas na enerhiya na dala ng NADH at FADH. Ang mga electron na ito ay nakikipag-ugnayan sa molecular oxygen sa respiratory chain. Dahil ang malaking halaga ng inilabas na enerhiya ay ginagamit ng mga enzyme ng panloob na lamad upang synthesize ang ATP mula sa ADP at Pn, ang mga huling reaksyong ito ay tinatawag na oxidative phosphorylation.

Ang synthesis ng ATP sa mga reaksyon ng oxidative phosphorylation na nagaganap sa respiratory chain ay nakasalalay sa proseso ng chemiosmotic . Ang mekanismo ng prosesong ito, na unang iminungkahi noong 1961, ay naging posible upang malutas ang isang problema na matagal nang nakaharap sa cell biology.

Noong nakaraan, naisip na ang enerhiya para sa synthesis ng ATP sa respiratory chain ay ibinibigay ng parehong mekanismo tulad ng sa substrate phosphorylation: ipinapalagay na ang enerhiya ng oksihenasyon ay ginagamit upang bumuo ng isang mataas na enerhiya na bono sa pagitan ng grupo ng pospeyt at ilang intermediate compound. , at na ang conversion ng ADP sa ATP ay isinasagawa sa pamamagitan ng account ng enerhiya na inilabas kapag ang bono ay nasira. Gayunpaman, sa kabila ng masinsinang paghahanap, ang putative intermediate ay hindi natagpuan.

Ayon sa chemiosmotic hypothesis, sa halip na mga produktong intermediate na mayaman sa enerhiya, mayroong direktang koneksyon sa pagitan ng mga proseso ng kemikal ("chemi ...") at transportasyon (osmotic, mula sa Greek osmos - push, pressure) - chemiosmotic coupling.

Ang chemiosmotic hypothesis, na iminungkahi noong unang bahagi ng 1960s, kasama ang apat na independiyenteng postulate tungkol sa pag-andar ng mitochondria:

1. Ang mitochondrial respiratory chain, na matatagpuan sa panloob na lamad, ay nakapagpapagalaw ng mga proton; kapag ang mga electron ay dumaan sa respiratory chain, ang H + ay "pumped out" mula sa matrix.

2. Ang mitochondrial ATP synthetase complex ay nagpapagalaw din ng mga proton sa loob ng lamad. Dahil ang prosesong ito ay nababaligtad, hindi lamang magagamit ng enzyme ang enerhiya ng ATP hydrolysis upang maihatid ang H + sa buong lamad, ngunit may sapat na malaking proton gradient, ang mga proton ay nagsisimulang "dumaloy" sa pamamagitan ng ATP synthetase sa kabaligtaran na direksyon, na sinamahan. sa pamamagitan ng ATP synthesis.

3. Ang panloob na lamad ng mitochondria ay hindi natatagusan ng H + , OH - at sa pangkalahatan ang lahat ng mga anion at cation.

4. Ang panloob na mitochondrial membrane ay naglalaman ng isang bilang ng mga carrier protein na nagsasagawa ng transportasyon ng mga kinakailangang metabolite at inorganic ions.

Ang pagpasa ng mga electron na may mataas na enerhiya na inihatid ng NADH at FADH 2 sa pamamagitan ng respiratory chain ng inner mitochondrial membrane mula sa isang carrier patungo sa susunod ay naglalabas ng enerhiya, na ginagamit upang mag-bomba ng mga proton (H +) sa buong panloob na lamad mula sa matrix patungo sa intermembrane space. (tingnan ang larawan 2)

Figure 2. Proton transfer na may partisipasyon ng ATP synthase system (Mitchell model).

Bilang isang resulta, ang isang electrochemical proton gradient ay nilikha sa panloob na lamad; Ang enerhiya ng reverse current ng mga proton na "pababa" kasama ang gradient na ito ay ginagamit ng membrane-bound enzyme na ATP synthetase, na nag-catalyze sa pagbuo ng ATP mula sa ADP at Pn, i.e. huling yugto ng oxidative phosphorylation.

Redox chain ng oxidative phosphorylation.

Ang mga electron ay inililipat mula sa NADH patungo sa oxygen sa pamamagitan ng tatlong malalaking respiratory chain enzyme complex. Kahit na ang mga mekanismo para sa pagkuha ng enerhiya sa respiratory chain at sa iba pang mga catabolic na reaksyon ay iba, ang mga ito ay batay sa mga karaniwang prinsipyo. Ang reaksyon H 2 + 1/2 O 2 ® H 2 O ay pinaghiwa-hiwalay sa maraming maliliit na "hakbang" upang ang enerhiya na inilabas ay maaaring ma-convert sa mga nakagapos na anyo sa halip na mawala bilang init. Tulad ng pagbuo ng ATP at NADH sa glycolysis o sa citric acid cycle, ito ay dahil sa paggamit ng isang hindi direktang landas. Ngunit ang uniqueness ng respiratory chain ay nakasalalay sa katotohanan na dito, una sa lahat, ang mga hydrogen atoms ay nahahati sa mga electron at proton. Ang mga electron ay inililipat sa pamamagitan ng isang serye ng mga carrier , naka-embed sa panloob na mitochondrial membrane. Kapag ang mga electron ay umabot sa dulo ng electron transport chain, ang mga proton ay naroroon upang neutralisahin ang negatibong singil na lumabas kapag ang mga electron ay pumasa sa molekula ng oxygen.

Ating subaybayan ang proseso ng oksihenasyon, simula sa pagbuo ng NADH, ang pangunahing tumatanggap ng mga reaktibong electron na nakuha sa panahon ng oksihenasyon ng mga nutrient na molekula. Ang bawat hydrogen atom ay binubuo ng isang electron at isang proton. Ang bawat molekula ng NADH ay nagdadala ng hydride ion (hydrogen atom + extra electron, H:-) at hindi lamang isang hydrogen atom. Gayunpaman, dahil sa pagkakaroon ng mga libreng proton sa nakapalibot na may tubig na solusyon, ang paglipat ng isang hydride ion sa komposisyon ng NADH ay katumbas ng paglipat ng dalawang hydrogen atoms o isang hydrogen molecule (H: - + H + ® H 2) .

Ang paglipat ng mga electron sa kahabaan ng respiratory chain ay nagsisimula sa pag-alis ng isang hydride ion (H: -) mula sa NADH; sa kasong ito, ang NAD + ay muling nabuo, at ang hydride ion ay nagiging proton at dalawang electron (H: - ® H + + 2e -). Ang mga electron na ito ay napupunta sa una sa higit sa 15 iba't ibang mga electron carrier sa respiratory chain. Sa puntong ito, ang mga electron ay may napakalaking dami ng enerhiya, ang stock nito ay unti-unting bumababa habang dumadaan sila sa circuit. Kadalasan, ang mga electron ay lumilipat mula sa isang metal na atom patungo sa isa pa, na ang bawat isa sa mga atom na ito ay mahigpit na nakagapos sa isang molekula ng protina, na nakakaapekto sa pagkakaugnay ng elektron nito. Mahalagang tandaan na ang lahat ng mga electron carrier protein ay pinagsama-sama sa tatlong malalaking complex ng respiratory enzymes, na ang bawat isa ay naglalaman ng mga transmembrane protein na matatag na nag-aayos ng complex sa panloob na mitochondrial membrane. Ang bawat kasunod na complex ay may higit na pagkakaugnay para sa mga electron kaysa sa nauna. Ang mga electron ay sunud-sunod na dumadaan mula sa isang complex patungo sa isa pa, hanggang sa wakas ay pumasa sila sa oxygen, na may pinakamataas na electron affinity.

Ang enerhiya na inilabas sa panahon ng transportasyon ng mga electron kasama ang respiratory chain ay naka-imbak sa anyo ng isang electrochemical proton gradient sa buong panloob na mitochondrial membrane.

Posible ang oxidative phosphorylation dahil sa malapit na kaugnayan ng mga carrier ng elektron na may mga molekula ng protina. Ang mga protina ay nagdidirekta ng mga electron sa kahabaan ng respiratory chain upang ang mga ito ay pumasa nang sunud-sunod mula sa isang enzyme complex patungo sa isa pa nang hindi "tumalon" sa pamamagitan ng mga intermediate na link. Ito ay lalong mahalaga na ang paglipat ng mga electron ay nauugnay sa mga allosteric na pagbabago sa ilang mga protina ng mga molekula, bilang isang resulta kung saan ang isang energetically paborableng daloy ng mga electron ay nagiging sanhi ng pumping ng mga proton (H +) sa pamamagitan ng panloob na lamad mula sa matrix patungo sa intermembrane espasyo at higit pa sa mitochondria. Ang paggalaw ng mga proton ay humahantong sa dalawang mahalagang kahihinatnan: 1) isang pH gradient ay nilikha sa pagitan ng dalawang panig ng panloob na lamad - sa matrix, ang pH ay mas mataas kaysa sa cytosol, kung saan ang pH na halaga ay karaniwang malapit sa 7.0 (mula noong ang mga maliliit na molekula ay malayang dumaan sa panlabas na lamad ng mitochondria, ang pH sa intermembrane space ay magiging kapareho ng sa cytosol); 2) isang boltahe na gradient (potensyal ng lamad) ay nilikha sa panloob na lamad, at ang panloob na bahagi ng lamad ay negatibong sinisingil, at ang panlabas na bahagi ay positibong sisingilin. Ang pH gradient (DрН) ay nagiging sanhi ng mga H+ ions na bumalik sa matrix at ang mga OH ions mula sa matrix, na nagpapahusay sa epekto ng potensyal ng lamad, sa ilalim ng impluwensya kung saan ang anumang positibong singil ay naaakit sa matrix, at anumang negatibo. ay itinulak palabas nito. Ang pinagsamang pagkilos ng dalawang puwersang ito ay humahantong sa paglitaw ng isang electrochemical proton gradient. Ang electrochemical proton gradient ay lumilikha ng proton motive force, na sinusukat sa millivolts (mV).

Ang enerhiya ng electrochemical proton gradient ay ginagamit para sa ATP synthesis at transportasyon ng metabolites at inorganic ions sa matrix.

Ang panloob na lamad ng mitochondria ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang hindi karaniwang mataas na nilalaman ng protina - naglalaman ito ng humigit-kumulang 70% na protina at 30% na phospholipid sa timbang. Marami sa mga protina na ito ay bahagi ng electron transport chain na nagpapanatili ng proton gradient sa buong lamad. Isa pang mahalagang sangkap - ang enzyme ATP synthase, na nag-catalyze sa synthesis ng ATP. Ito ay isang malaking kumplikadong protina kung saan ang mga proton ay dumadaloy pabalik sa matrix kasama ang isang electrochemical gradient. Tulad ng isang turbine, ang ATP synthetase ay nagko-convert ng isang anyo ng enerhiya sa isa pa, na nag-synthesize ng ATP mula sa ADP at Pn sa mitochondrial matrix sa isang reaksyon na isinama sa daloy ng proton sa matrix (tingnan ang Larawan 3).

Figure 3. Pangkalahatang mekanismo ng oxidative phosphorylation.

Ngunit ang synthesis ng ATP ay hindi lamang ang proseso na nangyayari dahil sa enerhiya ng electrochemical gradient. Sa matrix, kung saan matatagpuan ang mga enzyme na kasangkot sa siklo ng sitriko acid at iba pang mga metabolic na reaksyon, kinakailangan upang mapanatili ang mataas na konsentrasyon ng iba't ibang mga substrate; sa partikular, ang ATP synthetase ay nangangailangan ng ADP at pospeyt. Samakatuwid, ang iba't ibang mga substrate na nagdadala ng singil ay dapat dalhin sa panloob na lamad. Nakamit ito ng iba't ibang mga transporter na protina na naka-embed sa lamad, na marami sa mga ito ay aktibong nagbomba ng mga partikular na molekula laban sa kanilang mga electrochemical gradient, i.e. magsagawa ng isang proseso na nangangailangan ng enerhiya. Para sa karamihan ng mga metabolite, ang pinagmumulan ng enerhiya na ito ay ang conjugation sa paggalaw ng ilang iba pang mga molecule "pababa" kasama ang kanilang electrochemical gradient. Halimbawa, ang ADP-ATP antiport system ay kasangkot sa transportasyon ng ADP: kapag ang bawat molekula ng ADP ay pumasok sa matrix, iniiwan ito ng isang molekula ng ATP kasama ang electrochemical gradient nito. Kasabay nito, pinagsama ng symport system ang paglipat ng pospeyt sa mitochondria na may daloy ng H + na nakadirekta doon: ang mga proton ay pumapasok sa matrix kasama ang kanilang gradient at, sa parehong oras, "i-drag" ang pospeyt kasama nila. Ito ay katulad na inilipat sa matrix at pyruvate. Ang enerhiya ng electrochemical proton gradient ay ginagamit din upang dalhin ang Ca 2+ ions sa matrix, na tila may mahalagang papel sa regulasyon ng aktibidad ng ilang mitochondrial enzymes.

Ang mas maraming enerhiya ng electrochemical gradient ay ginugugol sa paglipat ng mga molecule at ion sa mitochondria, mas kaunti ang natitira para sa ATP synthesis. Halimbawa, kung ang nakahiwalay na mitochondria ay inilagay sa isang kapaligiran na may mataas na nilalaman ng Ca 2 +, ganap nilang ihihinto ang synthesis ng ATP; lahat ng enerhiya ng gradient ay gagastusin sa transportasyon ng Ca 2+ sa matrix. Sa ilang espesyal na mga cell, ang electrochemical proton gradient ay "na-shunted" sa paraang ang mitochondria ay gumagawa ng init sa halip na ATP synthesis. Malinaw, ang mga cell ay may kakayahang umayos ang paggamit ng enerhiya ng electrochemical proton gradient at idirekta ito sa mga prosesong iyon na pinakamahalaga sa ngayon.

Ang mabilis na conversion ng ADP sa ATP sa mitochondria ay ginagawang posible na mapanatili ang isang mataas na ratio ng mga konsentrasyon ng ATP/ADP sa mga cell. Sa tulong ng isang espesyal na protina na binuo sa panloob na lamad, ang ADP ay dinadala sa matrix bilang kapalit ng ATP ayon sa prinsipyo ng antiport. Bilang resulta, ang mga molekula ng ADP na inilabas sa panahon ng hydrolysis ng ATP sa cytosol ay mabilis na pumapasok sa mitochondria para sa "recharging", habang ang mga molekula ng ATP na nabuo sa matrix sa panahon ng oxidative phosphorylation ay mabilis ding lumabas sa cytosol kung saan kinakailangan ang mga ito. Sa katawan ng tao, ang mga molekula ng ATP bawat araw, na ginagawang posible na mapanatili ang isang konsentrasyon ng ATP sa cell na higit sa 10 beses na mas mataas kaysa sa konsentrasyon ng ADP.

Sa proseso ng oxidative phosphorylation, ang bawat pares ng NADH electron ay nagbibigay ng enerhiya para sa pagbuo ng humigit-kumulang tatlong ATP molecule. Ang isang pares ng FADH 2 electron, na may mas mababang enerhiya, ay nagbibigay ng enerhiya para sa synthesis ng dalawang ATP molecule lamang. Sa karaniwan, ang bawat molekula ng acetyl-CoA na pumapasok sa siklo ng citric acid ay nagbubunga ng mga 12 molekula ng ATP. Nangangahulugan ito na kapag ang isang molekula ng glucose ay na-oxidized, 24 na molekula ng ATP ang nabuo, at kapag ang isang molekula ng palmitate, isang fatty acid na may 16 na carbon atoms, ay na-oxidized, 96 na mga molekula ng ATP ang nabuo. Kung isasaalang-alang din natin ang mga exothermic na reaksyon na nauuna sa pagbuo ng acetyl-CoA, lumalabas na ang kumpletong oksihenasyon ng isang molekula ng glucose ay gumagawa ng mga 36 na molekula ng ATP, habang ang kumpletong oksihenasyon ng palmitate ay gumagawa ng mga 129 na molekula ng ATP. Ito ang pinakamataas na halaga, dahil sa katunayan ang dami ng ATP na na-synthesize sa mitochondria ay nakasalalay sa kung anong bahagi ng proton gradient energy ang napupunta sa ATP synthesis, at hindi sa iba pang mga proseso. Kung ihahambing natin ang pagbabago sa libreng enerhiya sa panahon ng pagkasunog ng mga taba at carbohydrates nang direkta sa CO 2 at H 2 O na may kabuuang halaga ng enerhiya na nakaimbak sa mga phosphate bond ng ATRP sa mga proseso ng biological oxidation, lumalabas na ang kahusayan ng ang pag-convert ng enerhiya ng oksihenasyon sa enerhiya ng ATP ay madalas na lumampas sa 50%. Dahil ang lahat ng hindi nagamit na enerhiya ay inilabas bilang init, ang malalaking organismo ay mangangailangan ng mas mahusay na mga paraan upang alisin ang init sa kapaligiran.

Ang malaking halaga ng libreng enerhiya na inilabas sa panahon ng oksihenasyon ay maaari lamang epektibong magamit sa maliliit na bahagi. Ang kumplikadong proseso ng oksihenasyon ay nagsasangkot ng maraming mga intermediate na produkto, na ang bawat isa ay bahagyang naiiba lamang mula sa nauna. Dahil dito, ang inilabas na enerhiya ay nahahati sa mas maliliit na halaga, na maaaring mahusay na ma-convert gamit ang mga pinagsamang reaksyon sa mataas na enerhiya na mga bono ng mga molekula ng ATP at NADH.

Noong 1960, ipinakita sa unang pagkakataon na ang iba't ibang mga protina ng lamad na kasangkot sa oxidative phosphorylation ay maaaring ihiwalay nang walang pagkawala ng aktibidad. Mula sa ibabaw ng mga partikulo ng submitochondrial, posible na paghiwalayin at i-convert sa isang natutunaw na anyo ang maliliit na istruktura ng protina na tuldok sa kanila. Bagaman ang mga partikulo ng submitochondrial na walang mga spherical na istruktura na ito ay patuloy na nag-oxidize ng NADH sa pagkakaroon ng oxygen, hindi nangyari ang synthesis ng ATP. Sa kabilang banda, ang mga nakahiwalay na istruktura ay kumilos bilang ATPase, hydrolyzing ATP sa ADP at Pn. Kapag ang mga spherical na istruktura (tinatawag na F1-ATPases) ay idinagdag sa mga subochondrial na particle na kulang sa kanila, ang mga reshaped na particle ay muling nag-synthesize ng ATP mula sa ADP at Fn.

F 1 - Ang ATPase ay bahagi ng isang malaki, tumatagos sa buong kapal ng membrane complex, na binubuo ng hindi bababa sa siyam na magkakaibang polypeptide chain. Ang kumplikadong ito ay tinatawag na ATP synthetase; ito ay bumubuo ng halos 15% ng kabuuang protina ng panloob na mitochondrial membrane. Ang mga katulad na ATP synthetases ay matatagpuan sa mga lamad ng mga chloroplast at bakterya. Ang nasabing protina complex ay naglalaman ng mga transmembrane channel para sa mga proton, at nangyayari lamang kapag ang mga proton ay dumaan sa mga channel na ito pababa sa kanilang electrochemical gradient.

Ang ATP synthetase ay maaaring kumilos sa kabaligtaran na direksyon - paghahati ng ATP at pagbomba ng mga proton. Ang pagkilos ng ATP synthetase ay nababaligtad: nagagawa nitong gamitin ang parehong enerhiya ng ATP hydrolysis upang mag-bomba ng mga proton sa pamamagitan ng panloob na mitochondrial membrane, at ang enerhiya ng daloy ng proton sa kahabaan ng electrochemical gradient upang synthesize ang ATP. Kaya, ang ATP synthetase ay isang reversible conjugating system na nagsasagawa ng interconversion ng enerhiya ng electrochemical proton gradient at chemical bond. Ang direksyon ng operasyon nito ay nakasalalay sa relasyon sa pagitan ng steepness ng proton gradient at ang lokal na halaga ng DG para sa ATP hydrolysis.

Nakuha ng ATP synthetase ang pangalan nito dahil sa katotohanan na sa ilalim ng normal na mga kondisyon, ang gradient ng npotononoro na pinananatili ng respiratory chain ay synthesize ang karamihan sa kabuuang ATP ng cell. Ang bilang ng mga proton na kinakailangan para sa synthesis ng isang molekula ng ATP ay hindi eksaktong kilala. Kapag ang mga proton ay dumaan sa ATP synthetase, isang molekula ng ATP ang na-synthesize.

Paano gagana ang ATP synthetase sa isang naibigay na sandali - sa direksyon ng synthesis o hydrolysis ng ATP - ay depende sa eksaktong balanse sa pagitan ng mga pagbabago sa libreng enerhiya para sa pagpasa ng tatlong proton sa pamamagitan ng lamad sa matrix at para sa synthesis ng ATP sa matris. Tulad ng nabanggit na, ang halaga ng DG ng syn.ATP ay tinutukoy ng mga konsentrasyon ng tatlong sangkap sa mitochondrial matrix - ATP, ADP at Fn. Sa patuloy na puwersa ng proton-motive, ang ATP synthetase ay magsi-synthesize ng ATP hanggang ang ratio ng ATP sa ADP at Fn ay umabot sa isang halaga kung saan ang DG na halaga ng syn.ATP ay nagiging eksaktong +15.2 kcal / mol. Sa ilalim ng gayong mga kondisyon, ang synthesis ng ATP ay tiyak na balansehin ng hydrolysis nito.

Ipagpalagay na dahil sa mga reaksyong umuubos ng enerhiya, isang malaking halaga ng ATP ang biglang na-hydrolyzed sa cytosol, at ito ay humantong sa isang pagbaba sa ATP:ADP ratio sa mitochondrial matrix. Sa kasong ito, DG synth. bababa at lilipat muli ang ATP synthetase sa ATP synthesis hanggang sa maibalik ang paunang ATP:ADP ratio. Kung ang puwersa ng proton-motive ay biglang bumaba at pinananatili sa isang pare-parehong antas, ang ATP synthetase ay magsisimulang hatiin ang ATP, at ang reaksyong ito ay magpapatuloy hanggang ang ratio sa pagitan ng mga konsentrasyon ng ATP at ADP ay umabot sa ilang bagong halaga (kung saan ang DG synth. ATP = +13.8 kcal/mol), at iba pa.

Kung ang ATP synthetase ay hindi karaniwang nagdadala ng H + mula sa matrix, kung gayon ang respiratory chain na matatagpuan sa panloob na mitochondrial membrane sa ilalim ng normal na mga kondisyon ay nagdadala ng mga proton sa pamamagitan ng lamad na ito, kaya lumilikha ng electrochemical proton gradient na naghahatid ng enerhiya para sa ATP synthesis.

Karamihan sa mga electron carrier na bumubuo sa respiratory chain ay sumisipsip ng liwanag, at ang kanilang oksihenasyon o pagbabawas ay sinamahan ng pagbabago ng kulay. Karaniwan, ang spectrum ng pagsipsip at reaktibiti ng bawat carrier ay medyo katangian, na ginagawang posible na masubaybayan ang mga pagbabago sa mga estado nito gamit ang spectroscopy kahit na sa isang krudo na katas. Ginawa nitong posible na ihiwalay ang mga naturang carrier bago pa naging malinaw ang kanilang tunay na paggana. Halimbawa, ang mga cytochrome ay natuklasan noong 1925 bilang mga compound na mabilis na na-oxidize at nababawasan sa mga organismo na magkakaibang gaya ng lebadura, bakterya, at mga insekto. Sa pamamagitan ng pagmamasid sa mga cell at tissue na may spectroscope, posibleng matukoy ang tatlong uri ng cytochromes, na naiiba sa absorption spectra at pinangalanang cytochromes a, b at c . Ang mga cell ay naglalaman ng ilang uri ng cytochromes ng bawat uri, at ang pag-uuri ayon sa uri ay hindi nagpapakita ng kanilang paggana.

Ang pinakasimpleng electron carrier ay isang maliit na hydrophobic molecule na natunaw sa lipid bilayer at tinatawag na ubiquinone o coenzyme Q. Nagagawa nitong tumanggap o mag-donate ng isa o dalawang electron at pansamantalang kumukuha ng proton mula sa medium sa bawat paglilipat ng elektron.

Figure 4. Structure ng ubiquinone.

Ang respiratory chain ay naglalaman ng tatlong malalaking enzyme complex na naka-embed sa panloob na lamad

Ang mga protina ng lamad ay mahirap ihiwalay bilang mga buo na complex dahil hindi matutunaw ang mga ito sa karamihan ng mga solusyon sa tubig, at ang mga sangkap tulad ng mga detergent at urea na kinakailangan para sa kanilang solubilization ay maaaring makagambala sa mga normal na pakikipag-ugnayan ng protina-protina. Gayunpaman, noong unang bahagi ng 1960s. ito ay natagpuan na ang medyo banayad na ionic detergent tulad ng deoxycholate ay maaaring solubilize ang ilang bahagi ng mitochondrial inner membrane sa katutubong anyo. Ginawa nitong posible na kilalanin at ihiwalay ang tatlong pangunahing membrane-bound complex ng respiratory enzymes sa daan mula NADH patungo sa oxygen.

Figure 5. Respiratory enzyme complexes.

1. NADH - ang dehydrogenase complex, ang pinakamalaki sa mga respiratory enzyme complex, ay may molecular weight na higit sa 800,000 at naglalaman ng higit sa 22 polypeptide chain. Tumatanggap ito ng mga electron mula sa NADH at ipinapasa ang mga ito sa flavin at hindi bababa sa limang sentro ng iron-sulfur hanggang_ubiquinone - isang maliit na molekulang nalulusaw sa taba na nagbibigay ng mga electron sa pangalawang complex ng respiratory enzymes, ang b-c 1 complex.

2. Ang complex b-c 1 ay binubuo ng hindi bababa sa 8 magkakaibang polypeptide chain at malamang na umiiral bilang isang dimer na may molekular na timbang na 500,000. Ang bawat monomer ay naglalaman ng tatlong mga tema na nauugnay sa cytochrome at isang iron-sulfur na protina. Ang complex ay tumatanggap ng mga electron mula sa ubiquinone at ipinapasa ang mga ito sa cytochrome c, isang maliit na peripheral membrane protein, na pagkatapos ay inililipat ang mga ito sa cytochrome oxidase complex.

3. Ang Cytochrome oxidase complex (cytochrome aa 3) ay ang pinaka pinag-aralan sa tatlong complex. Binubuo ito ng hindi bababa sa walong magkakaibang polypeptide chain at nakahiwalay bilang dimer na may molecular weight na 300,000; bawat monomer ay naglalaman ng dalawang cytochrome at dalawang copper atoms. Ang complex na ito ay tumatanggap ng mga electron mula sa cytochrome c at inililipat ang mga ito sa oxygen.

Ang mga cytochrome, iron-sulfur center at mga copper atom ay may kakayahang magdala lamang ng isang electron sa isang pagkakataon. Samantala, ang bawat molekula ng NADH ay nagbibigay ng dalawang electron at ang bawat molekula ng O 2 ay dapat tumanggap ng 4 na mga electron upang bumuo ng isang molekula ng tubig. Mayroong ilang mga seksyon ng pagkolekta ng elektron at pamamahagi ng elektron sa chain ng transportasyon ng elektron, kung saan ang pagkakaiba sa bilang ng mga electron ay pinag-ugnay. Halimbawa, ang cytochrome oxidase complex ay tumatanggap ng 4 na electron mula sa cytochrome c molecule nang paisa-isa at sa huli ay inililipat ang mga ito sa isang nakatali na molekula ng O 2, na humahantong sa pagbuo ng dalawang molekula ng tubig. Sa mga intermediate na hakbang ng prosesong ito, dalawang electron ang pumapasok sa cytochrome a heme at ang protein-bound copper atom, Cu a, bago lumipat sa oxygen-binding site. Sa turn, ang oxygen binding site ay naglalaman ng isa pang copper atom at cytochrome a 3 heme. Gayunpaman, ang mekanismo para sa pagbuo ng dalawang molekula ng tubig bilang resulta ng pakikipag-ugnayan ng isang nakatali na molekula ng O 2 na may apat na proton ay hindi alam nang eksakto.

Sa karamihan ng mga cell, humigit-kumulang 90% ng lahat ng hinihigop na oxygen ay nakikipag-ugnayan sa cytochrome oxidase. Ang toxicity ng mga lason tulad ng cyanide at azide ay nauugnay sa kanilang kakayahang mahigpit na nakakabit sa cytochrome oxidase complex at sa gayon ay hinaharangan ang lahat ng transportasyon ng elektron.

Ang dalawang sangkap na nagdadala ng mga electron sa pagitan ng tatlong pangunahing enzyme complex ng respiratory chain, ubiquinone at cytochrome c, ay mabilis na gumagalaw sa pamamagitan ng diffusion sa eroplano ng mga lamad.

Ang mga banggaan sa pagitan ng mga mobile carrier na ito at ng mga enzyme complex ay sapat na upang ipaliwanag ang naobserbahang electron transfer rate (bawat complex ay nag-donate at tumatanggap ng isang electron bawat 5-10 millisecond). Samakatuwid, hindi na kailangang ipagpalagay ang pagkakasunud-sunod ng istruktura sa kadena ng mga protina ng carrier sa lipid bilayer; sa katunayan, ang mga enzyme complex ay lumilitaw na umiiral sa lamad bilang mga independiyenteng bahagi, at ang iniutos na paglipat ng mga electron ay sinisiguro lamang sa pamamagitan ng pagtitiyak ng mga functional na pakikipag-ugnayan sa pagitan ng mga bahagi ng chain.

Ito ay sinusuportahan din ng katotohanan na ang iba't ibang bahagi ng respiratory chain ay naroroon sa ganap na magkakaibang mga halaga. Halimbawa, sa mitochondria ng puso, para sa bawat kumplikadong molekula ng NADH-dehydrogenase, mayroong 3 molekula | complex b-c 1 complex, 7 molecule ng cytochrome oxidase complex, 9 molecule ng cytochrome c at 50 molecule ng ubiquinone; ibang-iba ang mga ratio ng mga protina na ito ay natagpuan sa ilang iba pang mga cell.

Ang isang makabuluhang redox drop sa bawat isa sa tatlong respiratory chain complex ay naghahatid ng enerhiya na kailangan para mag-bomba ng mga proton .

Ang isang pares tulad ng H 2 O at ½O 2 (o NADH at NAD +) ay tinatawag na conjugated redox na pares, dahil ang isa sa mga miyembro nito ay nagiging isa pa kung ang isa o higit pang mga electron at isa o higit pang mga proton ay idinagdag (ang huli ay palaging sapat sa anumang may tubig na solusyon). Kaya, halimbawa, ½O 2 + 2e + 2H + ® H 2 O

Kilalang-kilala na ang isang 50:50 na halo ng conjugated acid-base compound ay nagsisilbing buffer upang mapanatili ang isang tiyak na "proton pressure" (pH), ang halaga nito ay tinutukoy ng dissociation constant ng acid. Sa eksaktong parehong paraan, ang isang 50:50 na halo ng mga bahagi ng isang pares ay nagpapanatili ng isang tiyak na "presyon ng elektron", o potensyal na redox (redox potential) E, na nagsisilbing sukatan ng pagkakaugnay ng molekula ng carrier para sa mga electron.

Sa pamamagitan ng paglalagay ng mga electrodes sa isang solusyon na may naaangkop na mga pares ng redox, masusukat ng isa ang potensyal na redox ng bawat carrier ng elektron na kasangkot sa mga biological redox na reaksyon. Ang mga pares ng mga compound na may pinakamaraming negatibong halaga ng potensyal na redox ay may pinakamababang electron affinity, i.e. naglalaman ng mga carrier na may pinakamaliit na ugali na tumanggap ng mga electron at ang pinakamalaking ugali na ibigay ang mga ito. Halimbawa, ang pinaghalong NADH at NAD + (50:50) ay may potensyal na redox na -320 mV, na nagpapahiwatig ng napakalinaw na kakayahan ng NADH na mag-donate ng mga electron, habang ang potensyal na redox ng pinaghalong pantay na halaga ng H 2 O at ang ½O 2 ay +820 mV, na nangangahulugang isang malakas na tendensya ng 0 2 na tumanggap ng mga electron.

Ang isang matalim na pagbaba ay nagaganap sa loob ng bawat isa sa tatlong pangunahing respiratory complex. Ang potensyal na pagkakaiba sa pagitan ng alinman_dalawang electron carrier ay direktang proporsyonal sa enerhiya na inilabas kapag ang isang electron ay pumasa mula sa isang carrier patungo sa isa pa. Ang bawat complex ay gumaganap bilang isang energy-converting device, na nagdidirekta sa libreng enerhiya na ito upang ilipat ang mga proton sa buong lamad, na nagreresulta sa paglikha ng isang electrochemical proton gradient habang ang mga electron ay dumadaan sa circuit.

Upang gumana ang mekanismo ng pag-convert ng enerhiya na pinagbabatayan ng oxidative phosphorylation, kinakailangan na ang bawat enzyme complex ng respiratory chain ay nakatuon sa panloob na mitochondrial membrane sa isang tiyak na paraan - upang ang lahat ng mga proton ay lumipat sa isang direksyon, ibig sabihin, palabas sa matrix . Ang vectorial na organisasyong ito ng mga protina ng lamad ay ipinakita gamit ang mga espesyal na probe na hindi dumaan sa lamad, na naglalagay ng label sa complex mula sa isang bahagi lamang ng lamad. Ang tiyak na oryentasyon sa bilayer ay katangian ng lahat ng mga protina ng lamad at napakahalaga para sa kanilang paggana.

Mga mekanismo ng pumping ng mga proton sa pamamagitan ng mga bahagi ng respiratory chain.

Sa proseso ng oxidative phosphorylation, kapag ang isang molekula ng NADH ay na-oxidized (i.e., kapag dalawang electron ang dumaan sa lahat ng tatlong enzyme complexes), hindi hihigit sa tatlong ATP molecule ang nabuo. Kung ipagpalagay natin na ang reverse passage ng tatlong proton sa pamamagitan ng ATP synthetase ay nagbibigay ng synthesis ng isang molekula ng ATP, posible na tapusin na, sa karaniwan, ang paglipat ng isang electron ng bawat complex ay sinamahan ng paggalaw ng isa at isang kalahating proton (sa madaling salita, sa panahon ng transportasyon ng isang elektron, ang ilang mga complex ay naglilipat ng isang proton, habang ang iba ay dalawang proton). Marahil, ang iba't ibang bahagi ng respiratory chain ay may iba't ibang mekanismo ng conjugation ng electron transport sa paggalaw ng mga proton. Ang mga allosteric na pagbabago sa conformation ng isang molekula ng protina na nauugnay sa transportasyon ng elektron ay maaaring, sa prinsipyo, ay sinamahan ng isang "pagbomba" ng mga proton, tulad ng paggalaw ng mga proton kapag ang pagkilos ng ATP synthetase ay nabaligtad. Sa paglipat ng bawat electron, kinukuha ng quinone ang isang proton mula sa aqueous medium, na pagkatapos ay ibibigay ito kapag ang isang electron ay pinakawalan. Dahil malayang gumagalaw ang ubiquinone sa lipid bilayer, maaari itong tumanggap ng mga electron malapit sa panloob na ibabaw ng lamad at ilipat ang mga ito sa b-c 1 complex malapit sa panlabas na ibabaw nito, na gumagalaw ng isang proton sa bilayer para sa bawat inilipat na elektron. Gamit ang mas kumplikadong mga modelo, maaari ring ipaliwanag ng isa ang paggalaw ng dalawang proton bawat electron ng b-c 1 complex, sa pag-aakalang paulit-ulit na dumadaan ang ubiquinone sa b-c 1 complex sa isang tiyak na direksyon.

Sa kaibahan, ang mga molecule na nag-donate ng mga electron sa cytochrome oxidase complex ay hindi lumilitaw na mga proton-transporter, kung saan ang electron transport ay malamang na nauugnay sa isang tiyak na allosteric na pagbabago sa conformation ng mga molekula ng protina, bilang isang resulta kung saan ang ilang bahagi ng protina complex mismo ay naglilipat ng mga proton.

Aksyon ng disruptor.

Mula noong 1940s, ang isang bilang ng mga lipophilic weak acid ay kilala na maaaring kumilos bilang mga uncoupling agent, i.e. guluhin ang pagkabit ng electron transport sa ATP synthesis. Kapag ang mababang molekular na mga organikong compound na ito ay idinagdag sa mga selula, ang mitochondria ay huminto sa synthesis ng ATP, habang patuloy na sumisipsip ng oxygen. Sa pagkakaroon ng isang uncoupling agent, ang electron transport rate ay nananatiling mataas, ngunit walang proton gradient na nalikha. Ito ay isang simpleng paliwanag para sa epektong ito: ang mga uncoupling agent (hal., dinitrophenol, thyroxine) ay kumikilos bilang mga H+ transporter (H+ ionophores) at nagbubukas ng karagdagang pathway—hindi na sa pamamagitan ng ATP synthetase—para sa H+ flux sa loob ng inner mitochondrial membrane.

Kontrol sa paghinga.

Kapag ang isang uncoupling agent, tulad ng dinitrophenol, ay idinagdag sa mga cell, ang oxygen uptake ng mitochondria ay lubhang nadagdagan habang ang rate ng paglipat ng elektron ay tumataas. Ang acceleration na ito ay nauugnay sa pagkakaroon ng respiratory control. Ito ay pinaniniwalaan na ang kontrol na ito ay batay sa direktang pagbabawal na epekto ng electrochemical proton gradient sa electron transport. Kapag ang electrochemical gradient ay nawala sa presensya ng isang uncoupler, ang hindi nakokontrol na electron transport ay umabot sa pinakamataas na bilis nito. Ang pagtaas sa gradient ay nagpapabagal sa respiratory chain, at ang transportasyon ng elektron ay bumabagal. Bukod dito, kung ang isang hindi karaniwang mataas na electrochemical gradient ay artipisyal na nilikha sa eksperimento sa panloob na lamad, kung gayon ang normal na transportasyon ng mga electron ay titigil nang buo, at sa ilang bahagi ng respiratory chain posible na makakita ng reverse flow ng mga electron. . Ito ay nagmumungkahi na ang respiratory control ay sumasalamin sa isang simpleng balanse sa pagitan ng pagbabago sa libreng enerhiya sa panahon ng paggalaw ng mga proton na nauugnay sa electron transport at ang pagbabago sa libreng enerhiya sa panahon ng electron transport mismo. Ang magnitude ng electrochemical gradient ay nakakaapekto sa parehong rate at direksyon ng electron paglipat, pati na rin at sa direksyon ng pagkilos ng ATP synthetase.

Ang kontrol sa paghinga ay bahagi lamang ng isang kumplikadong sistema ng magkakaugnay na mekanismo ng regulasyon ng feedback na nag-uugnay sa mga rate ng glycolysis, pagkasira ng fatty acid, mga reaksyon ng siklo ng citric acid, at transportasyon ng elektron. Ang mga rate ng lahat ng mga prosesong ito ay nakasalalay sa ratio ng ATP:ADP - tumataas ang mga ito kapag bumababa ang ratio na ito bilang resulta ng pagtaas ng paggamit ng ATP. Halimbawa, ang ATP synthetase ng panloob na mitochondrial membrane ay gumagana nang mas mabilis kapag ang mga konsentrasyon ng mga substrate nito, i.e., ADP at Pn, ay tumaas. Kung mas mataas ang rate ng reaksyong ito, mas maraming proton ang dumadaloy sa matrix, at sa gayon ay mas mabilis na nawawala ang electrochemical gradient; at ang pagbaba sa gradient, sa turn, ay humahantong sa isang acceleration ng electron transport.

Ang mitochondria sa brown adipose tissue ay mga heat generator.

Ang lahat ng vertebrates sa murang edad ay nangangailangan ng thermogenic device upang makabuo ng init, bilang karagdagan sa mekanismo ng panginginig ng kalamnan. Ang ganitong aparato ay lalong mahalaga para sa hibernating na mga hayop. Ang mga kalamnan sa isang panginginig ay kumukuha kahit na walang ehersisyo, gamit ang mga contractile na protina upang i-hydrolyze ang ATP sa karaniwang paraan para sa mga selula ng kalamnan at ilalabas sa anyo ng init ang lahat ng enerhiya na potensyal na makukuha mula sa hydrolysis ng ATP. Ang pangangailangan para sa isang espesyal na thermogenic na aparato ay tinutukoy ng malakas na pinagsamang oxidative phosphorylation ng normal na mitochondria. Kung ma-decoupled ang prosesong ito, gaya ng nangyayari sa pagkakaroon ng dinitrophenol, maaari itong magsilbi bilang isang sapat na aparatong gumagawa ng init; ganito ang nangyayari sa brown fat mitochondria. Bagama't ang mga mitochondria na ito ay may isang conventional reversible ATPase, mayroon din silang transmembrane proton translocase, kung saan ang mga proton ay maaaring bumalik sa matrix at electrically shunt ATPase activity. Kung sapat ang prosesong ito upang mapanatili ang potensyal na redox ng hydrogen na mas mababa sa 200 mV, nagiging imposible ang synthesis ng ATP at malayang nagpapatuloy ang proseso ng oksihenasyon, na nagreresulta na ang lahat ng enerhiya ay inilabas bilang init.

Sitriko acid cycle (tricarboxylic acid cycle, Krebs cycle).

Ang citric acid cycle ay isang serye ng mga reaksyon na nagaganap sa mitochondria kung saan ang mga grupo ng acetyl ay na-catabolize at ang mga katumbas ng hydrogen ay inilalabas; sa panahon ng oksihenasyon ng huli, ang libreng enerhiya ng mga mapagkukunan ng gasolina ng mga tisyu ay ibinibigay. Ang mga pangkat ng acetyl ay matatagpuan sa acetyl-CoA (aktibong acetate), ang thioester ng coenzyme A.

Ang pangunahing function ng citric acid cycle ay ito ang karaniwang panghuling landas para sa oksihenasyon ng mga carbohydrate, protina, at taba, dahil ang glucose, fatty acid, at amino acid ay na-metabolize sa alinman sa acetyl-CoA o cycle intermediate. Malaki rin ang ginagampanan ng citric acid cycle sa mga proseso ng gluconeogenesis, transamination, deamination, at lipogenesis. Bagama't ang ilan sa mga prosesong ito ay nangyayari sa maraming tissue, ang atay ang tanging organ kung saan nagaganap ang lahat ng prosesong ito. Samakatuwid, ang pinsala sa isang malaking bilang ng mga selula ng atay o ang kanilang kapalit na may connective tissue ay nagdudulot ng malubhang kahihinatnan. Ang mahalagang papel ng sitriko acid cycle ay napatunayan din sa pamamagitan ng ang katunayan na sa mga tao ay halos walang kilalang genetic na pagbabago sa mga enzymes na catalyze ang mga reaksyon ng cycle, dahil ang pagkakaroon ng naturang mga karamdaman ay hindi tugma sa normal na pag-unlad.

Pagbubukas ng CTC.

Ang pagkakaroon ng gayong siklo para sa oksihenasyon ng pyruvate sa mga tisyu ng hayop ay unang iminungkahi noong 1937 ni Hans Krebs. Ang ideyang ito ay ipinanganak niya nang pag-aralan niya ang epekto ng mga anion ng iba't ibang mga organikong acid sa rate ng pagsipsip ng oxygen sa pamamagitan ng mga suspensyon ng mga durog na kalamnan ng pektoral ng kalapati, kung saan ang pyruvate ay na-oxidized. Ang mga kalamnan ng pectoral ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang napakataas na rate ng paghinga, na ginagawa silang isang partikular na maginhawang bagay para sa pag-aaral ng aktibidad ng oxidative. Kinumpirma din ni Krebs na ang iba pang mga organic na acid na dating natagpuan sa mga tissue ng hayop (succinic, malic, fumaric, at oxaloacetic) ay nagpapasigla sa pyruvate oxidation. Bilang karagdagan, natagpuan niya na ang oksihenasyon ng pyruvate sa pamamagitan ng tissue ng kalamnan ay pinasigla ng anim na carbon tricarboxylic acid - citric, cis-aconitic at isocitric, pati na rin ang limang-carbon a-ketoglutaric acid. Ilang iba pang natural na nagaganap na mga organic na acid ay nasubok, ngunit wala sa kanila ang nagpakita ng katulad na aktibidad. Ang mismong likas na katangian ng nakapagpapasiglang epekto ng mga aktibong acid ay nakakaakit ng pansin: kahit na isang maliit na halaga ng alinman sa mga ito ay sapat na upang maging sanhi ng oksihenasyon ng maraming beses na mas pyruvate.

Ang mga simpleng eksperimento pati na rin ang lohikal na pangangatwiran ay nagbigay-daan kay Krebs na magmungkahi na ang cycle, na tinawag niyang citric acid cycle, ay ang pangunahing landas para sa oksihenasyon ng carbohydrates sa kalamnan. Pagkatapos nito, ang siklo ng citric acid ay natagpuan sa halos lahat ng mga tisyu ng mas mataas na mga hayop at halaman at sa maraming mga aerobic microorganism. Para sa mahalagang pagtuklas na ito, ginawaran si Krebs ng Nobel Prize noong 1953. Kalaunan ay ipinakita nina Eugene Kennedy at Albert Lehninger na ang lahat ng mga reaksyon ng siklo ng citric acid ay nagaganap sa mitochondria ng mga selula ng hayop. Sa nakahiwalay na mitochondria ng atay ng daga, hindi lamang lahat ng enzymes at coenzymes ng citric acid cycle ang natagpuan; dito, tulad ng nangyari, ang lahat ng mga enzyme at protina na kinakailangan para sa huling yugto ng paghinga, ibig sabihin, ay naisalokal. para sa paglipat ng elektron at oxidative phosphorylation. Samakatuwid, ang mitochondria ay nararapat na tinatawag na "mga istasyon ng kuryente" ng cell.

Catabolic na papel ng citric acid cycle

Nagsisimula ang cycle sa interaksyon ng molekula ng acetyl-CoA sa oxaloacetic acid (oxaloacetate), na nagreresulta sa pagbuo ng anim na carbon tricarboxylic acid na tinatawag na citric acid. Sinusundan ito ng isang serye ng mga reaksyon kung saan ang dalawang CO2 molecule ay inilabas at ang oxaloacetate ay muling nabuo. Dahil ang halaga ng oxaloacetate na kinakailangan upang ma-convert ang isang malaking bilang ng mga yunit ng acetyl sa CO 2 ay napakaliit, maaari nating ipagpalagay na ang oxaloacetate ay gumaganap ng isang catalytic na papel.

Ang siklo ng citric acid ay ang mekanismo na kumukuha ng karamihan sa libreng enerhiya na inilabas sa panahon ng oksihenasyon ng mga carbohydrate, lipid at protina. Sa panahon ng oksihenasyon ng acetyl-CoA, dahil sa aktibidad ng isang bilang ng mga tiyak na dehydrogenases, ang pagbuo ng pagbabawas ng mga katumbas sa anyo ng hydrogen o mga electron ay nangyayari. Ang huli ay pumasok sa respiratory chain; sa panahon ng paggana ng chain na ito, nangyayari ang oxidative phosphorylation, iyon ay, ang ATP ay synthesize.

Ang mga enzyme ng citric acid cycle ay naisalokal sa mitochondrial matrix, kung saan matatagpuan ang mga ito sa isang libreng estado o sa panloob na ibabaw ng panloob na mitochondrial membrane; sa huling kaso, ang paglipat ng pagbabawas ng mga katumbas sa respiratory chain enzymes na naisalokal sa panloob na mitochondrial membrane ay pinadali.

Mga reaksyon ng CTC.

Ang unang reaksyon, ang condensation ng acetyl-CoA at oxaloacetate, ay na-catalyzed ng condensing enzyme, citrate synthetase, at isang carbon-carbon bond ay nabuo sa pagitan ng methyl carbon ng acetyl-CoA at ng carbonyl carbon ng oxaloacetate. Ang reaksyon ng condensation na humahantong sa pagbuo ng citryl-CoA ay sinusundan ng hydrolysis ng thioether bond, na sinamahan ng pagkawala ng isang malaking halaga ng libreng enerhiya sa anyo ng init; tinutukoy nito ang daloy ng reaksyon mula kaliwa hanggang kanan hanggang sa ito ay makumpleto:

Acetyl-CoA + Oxaloacetate + H 2 O → Citrate + CoA-SH

Ang conversion ng citrate sa isocitrate ay na-catalyzed ng aconitase na naglalaman ng ferrous iron. Ang reaksyong ito ay isinasagawa sa dalawang yugto: una, ang pag-aalis ng tubig ay nangyayari sa pagbuo ng cis-aconitate (bahagi nito ay nananatiling kumplikado sa enzyme), at pagkatapos ay ang hydration at ang pagbuo ng isocitrate:

Citrate ↔ cis-Aconitate ↔ Isocitrate - H 2 O

Ang reaksyon ay pinipigilan ng fluoroacetate, na unang na-convert sa fluoroacetyl-CoA; ang huli ay namumuo sa oxaloacetate upang bumuo ng fluorocitrate. Ang Fluorocitrate ay isang direktang inhibitor ng aconitase; ang citrate ay naipon sa pagsugpo.

Ang mga eksperimento sa mga intermediate ay nagpapakita na ang aconitase ay nakikipag-ugnayan sa citrate nang walang simetriko: palagi itong kumikilos sa bahagi ng molekula ng citrate na nabuo mula sa oxaloacetate. Posible na ang cis-aconitate ay hindi isang obligadong intermediate sa pagitan ng citrate at isocitrate at nabuo sa gilid na sangay ng pangunahing pathway.

Karagdagan, ang isocitrate dehydrogenase ay nag-catalyze ng dehydrogenation sa pagbuo ng oxalosuccinate. Tatlong magkakaibang anyo ng isocitrate dehydrogenase ang inilarawan. Ang isa sa kanila, na nakasalalay sa NAD, ay matatagpuan lamang sa mitochondria. Ang iba pang dalawang anyo ay umaasa sa NADP, ang isa ay matatagpuan din sa mitochondria at ang isa pa sa cytosol. Ang oksihenasyon ng isocitrate, na nauugnay sa gawain ng respiratory chain, ay isinasagawa halos eksklusibo ng isang NAD-dependent enzyme:

Isocitrate + NAD + ↔ Oxalosuccinate (kasama ang enzyme) ↔ alpha-ketoglutarate + CO 2 + NADH 2

Figure 5. Krebs cycle reactions.

Sinusundan ito ng decarboxylation na may pagbuo ng alpha-ketoglutarate, na na-catalyzed din ng isocitrate dehydrogenase. Ang isang mahalagang bahagi ng reaksyon ng decarboxylation ay ang mga ion ng Mg 2+ (o Mn 2+). Sa paghusga sa magagamit na data, ang oxalosuccinate na nabuo sa intermediate na yugto ng reaksyon ay nananatili sa isang kumplikadong may enzyme.

Ang alphaketoglutarate, sa turn, ay sumasailalim sa oxidative decarboxylation na katulad ng pyruvate: sa parehong mga kaso, ang substrate ay alphaketoacid. Ang reaksyon ay na-catalyzed ng alpha-ketoglutarate dehydrogenase complex at nangangailangan ng pakikilahok ng parehong hanay ng mga cofactor - thiamine diphosphate, lipoate, NAD + , FAD at CoA; bilang isang resulta, ang succinyl-CoA ay nabuo - isang thioether na naglalaman ng isang mataas na enerhiya na bono.

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

Ang equilibrium ng reaksyon ay napakalakas na lumipat patungo sa pagbuo ng succinyl-CoA na maaari itong ituring na physiologically unidirectional. Tulad ng oksihenasyon ng pyruvate, ang reaksyon ay pinipigilan ng arsenate, na humahantong sa akumulasyon ng substrate (alpha-ketoglutarate).

Ang cycle ay nagpapatuloy sa conversion ng succinyl-CoA sa succinate, na na-catalyze ng succinate thiokinase (succinyl-CoA synthetase):

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

Ang isa sa mga substrate ng reaksyon ay ang GDP (o IDP), kung saan nabuo ang GTP (ITP) sa pagkakaroon ng inorganic phosphate. Ito ang tanging hakbang sa siklo ng citric acid na bumubuo ng isang high-energy phosphate bond sa antas ng substrate; sa oxidative decarboxylation ng α-ketoglutarate, ang potensyal na dami ng libreng enerhiya ay sapat upang bumuo ng NADH at isang high-energy phosphate bond. Sa isang reaksyon na na-catalyze ng phosphokinase, ang ATP ay maaaring mabuo mula sa parehong GTP at ITP. Halimbawa:

GTP+ADP «GDP+ATP.

Sa isang alternatibong reaksyon na nagaganap sa mga extrahepatic na tisyu at na-catalyze ng succinyl-CoA-acetoacetate-CoA-transferase, ang succinyl-CoA ay na-convert sa succinate kasabay ng conversion ng acetoacetate sa acetoacetyl-CoA. Mayroong aktibidad ng diacylase sa atay, na tinitiyak ang hydrolysis ng isang bahagi ng succinyl-CoA na may pagbuo ng succinate at CoA.

Succinate + FAD « Fumarate + FADH 2

Ang unang dehydrogenation ay na-catalyzed ng succinate dehydrogenase na nakatali sa panloob na ibabaw ng panloob na mitochondrial membrane. Ito ang tanging reaksyon ng dehydrogenase ng CTK, kung saan ang direktang paglipat mula sa substrate patungo sa flavoprotein ay nangyayari nang walang paglahok ng NAD + . Ang enzyme ay naglalaman ng FAD at iron-sulfur protein. Bilang resulta ng dehydrogenation, nabuo ang fumarate. Ang mga eksperimento gamit ang isotopes ay nagpakita na ang enzyme ay stereospecific sa trans hydrogen atoms ng mga methylene group ng succinate. Ang pagdaragdag ng malonate o oxaloacetate ay pumipigil sa succinate dehydrogenase, na humahantong sa akumulasyon ng succinate.

Ang Fumarase (fumarate hydrotase) ay nag-catalyze ng pagdaragdag ng tubig sa fumarate upang bumuo ng malate:

Fumarate + H 2 O "L-malate

Ang fumarase ay tiyak sa L-isomer ng malate; pinapagana nito ang pagdaragdag ng mga bahagi ng molekula ng tubig sa fumarate double bond sa trans configuration. Malate dehydrogenase catalyzes ang conversion ng malate sa oxaloacetate, ang reaksyon ay nagpapatuloy sa pakikilahok ng NAD +:

L-malate + NAD + "0xaloacetate + NADH 2

Kahit na ang balanse ng reaksyong ito ay malakas na inilipat sa direksyon ng malate, ito ay aktwal na nagpapatuloy sa direksyon ng oxaloacetate, dahil ito, kasama ang NADH, ay patuloy na natupok sa iba pang mga reaksyon.

Ang mga enzyme ng citric acid cycle, maliban sa alpha-ketoglutarate at succinate dehydrogenase, ay matatagpuan din sa labas ng mitochondria. Gayunpaman, ang ilan sa mga enzyme na ito (hal., malate dehydrogenase) ay naiiba sa kaukulang mitochondrial enzymes.

Energetics ng citric acid cycle.

Bilang resulta ng oxidation na na-catalyze ng TCA dehydrogenases, para sa bawat molekula ng acetyl-CoA na na-catabolize sa isang cycle, tatlong NADH molecule at isang FADH 2 molecule ang nabuo. Ang mga katumbas na pagbabawas na ito ay inililipat sa respiratory chain na matatagpuan sa mitochondrial membrane. Habang dumadaan sila sa chain, ang mga katumbas na pagbabawas ng NADH ay bumubuo ng tatlong high-energy phosphate bond sa pamamagitan ng pagbuo ng ATP mula sa ADP sa pamamagitan ng oxidative phosphorylation. Dalawang high-energy phosphate bonds lamang ang nabuo ng FADH 2 dahil ang FADH 2 ay naglilipat ng pagbabawas ng mga katumbas sa coenzyme Q at samakatuwid ay nilalampasan ang unang leg ng oxidative phosphorylation chain sa respiratory chain. Ang isa pang high-energy phosphate ay nabuo sa isa sa mga site ng citric acid cycle, iyon ay, sa antas ng substrate, kapag ang succinyl-CoA ay na-convert sa succinate. Kaya, sa panahon ng bawat cycle, 12 bagong high-energy phosphate bond ang nabuo.

Regulasyon ng siklo ng sitriko acid.

Ang mga pangunahing proseso na nagbibigay at nag-iimbak ng enerhiya sa mga cell ay maaaring i-summarize tulad ng sumusunod:

glucose pyruvate ® acetyl-CoA fatty acids

Ang regulasyon ng sistemang ito ay dapat inter alia na tiyakin ang patuloy na supply ng ATP na naaayon sa kasalukuyang pangangailangan ng enerhiya, tiyakin na ang labis na carbohydrates ay na-convert sa mga fatty acid sa pamamagitan ng pyruvate at acetyl-CoA, at kasabay nito ay kontrolin ang matipid na paggamit ng mga fatty acid sa pamamagitan ng acetyl -CoA bilang pangunahing produkto sa pagpasok.sa siklo ng citric acid.

Ang siklo ng citric acid ay nagsu-supply ng mga electron sa isang electron-carrying system kung saan ang daloy ng electron ay isinasama sa ATP synthesis at, sa mas mababang lawak, ay nagbibigay ng mga katumbas na pagbabawas sa mga intermediate na biosynthetic system. Sa prinsipyo, ang cycle ay hindi maaaring magpatuloy nang mas mabilis kaysa sa paggamit ng nabuong ATP na pinapayagan. Kung ang lahat ng ADP ng cell ay na-convert sa ATP, maaaring wala nang karagdagang daloy ng mga electron mula sa NADH na naiipon sa 0 2 . Dahil sa kawalan ng NAD + , isang kinakailangang kalahok sa mga proseso ng dehydrogenation ng cycle, ang huli ay titigil sa paggana. Mayroong mas banayad na mga aparatong pangregulasyon na nagmo-modulate sa pagkilos ng mga enzyme sa mismong siklo ng citric acid.

Ang succinate dehydrogenase ay matatagpuan sa panloob na mitochondrial membrane. Ang lahat ng iba pang mga enzyme ay natunaw sa matrix na pumupuno sa loob ng mitochondria. Ang mga sukat ng mga kamag-anak na halaga ng mga enzyme na ito at ang mga konsentrasyon ng kanilang mga substrate sa mitochondria ay nagpapahiwatig na ang bawat reaksyon ay nagpapatuloy sa parehong bilis. Kapag ang pyruvate (o isa pang potensyal na mapagkukunan ng acetyl-CoA) ay pumasok sa mitochondrial matrix, ang buong cycle ay nangyayari sa loob ng compartment na ito.

Sa ilang mga site, ang pagpapasigla o pagsugpo ay tinutukoy ng mga kaugnay na konsentrasyon ng NADH/NAD, ATP/ADP o AMP, acetyl-CoA/CoA o succinyl-CoA/CoA. Kapag ang mga ratios na ito ay mataas, ang cell ay sapat na tinustusan ng enerhiya at ang daloy sa pamamagitan ng cycle ay bumagal; kapag sila ay mababa, ang cell ay nangangailangan ng enerhiya at ang daloy sa pamamagitan ng cycle ay bumibilis.

Bilang isang hindi maibabalik na reaksyon na nag-uugnay sa metabolismo ng karbohidrat sa siklo ng citric acid, ang reaksyon ng pyruvate dehydrogenase ay dapat na mahusay na kontrolado. Ito ay nakakamit sa dalawang paraan. Una, ang enzyme, na isinaaktibo ng ilang mga tagapamagitan ng glycolysis, ay mapagkumpitensyang hinahadlangan ng sarili nitong mga produkto, NADH at acetyl-CoA. Ceteris paribus, ang pagtaas sa ratio ng NADH/NAD + mula 1 hanggang 3 ay nagdudulot ng 90% na pagbaba sa rate ng reaksyon, at ang pagtaas sa ratio ng acetyl-CoA/CoA ay humahantong sa isang quantitatively katulad na epekto. Ang epekto ay ipinapakita kaagad. Ang mga epekto ng isa pang regulatory device ay nangyayari nang mas mabagal, ngunit mas tumatagal. Humigit-kumulang limang molekula ng pyruvate dehydrogenase kinase ang nauugnay sa core ng bawat molekula ng dihydrolipoyltransacetylase, na, dahil sa ATP, ay nag-catalyze sa phosphorylation ng isang serine residue sa a-chain ng pyruvate dehydrogenase component. Ang pagiging phosphorylated, ang enzyme ay hindi makapag-decarboxylate pyruvate.

Kapag naganap ang oksihenasyon ng fatty acid, ang pyruvate dehydrogenase ay kapansin-pansing pinipigilan. Tila, ang hindi pangkaraniwang bagay na ito ay ipinaliwanag sa pamamagitan ng mataas na konsentrasyon ng ATP, acetyl-CoA at NADH na kasama ng proseso ng oksihenasyon. Karamihan sa mga tisyu ay naglalaman ng labis na pyruvate dehydrogenase, kaya na pagkatapos ng pagpapakain sa atay, pati na rin sa kalamnan at adipose tissue sa mga hayop na nagpapahinga, 40, 15 at 10% lamang ng pyruvate dehydrogenase, ayon sa pagkakabanggit, ay nasa aktibo, hindi phosphorylated na anyo. . Kapag tumaas ang pangangailangan para sa ATP, tumataas ang mga konsentrasyon ng NAD + , CoA at ADP dahil sa paggamit ng NADH, acetyl-CoA at ATP, at ang kinase ay hindi aktibo. Gayunpaman, ang phosphatase ay patuloy na gumagana sa pamamagitan ng muling pag-activate ng dehydrogenase. Ang pagtaas sa Ca 2+ ay maaaring mag-activate ng mitochondrial phosphatase.

Ang synthesis ng citrate ay isang hakbang na naglilimita sa rate ng cycle ng citric acid. Ang regulasyon ng yugtong ito ay dahil sa isang maliit ngunit makabuluhang pagsugpo ng citrate synthetase ng NADH at succinyl-CoA. Ang pangunahing impluwensya sa rate ng citrate synthesis ay ibinibigay ng supply ng substrate.

Ang aktibidad ng isocitrate dehydrogenase ay kinokontrol depende sa mga konsentrasyon ng Mg 2+, isocitrate, NAD +, NADH at AMP. Bilang karagdagan sa mga substrate-binding site para sa NAD+, isocitrate, at Mg2+, ang enzyme ay mayroon ding mga positibo at negatibong effector site. Ang Isocitrate ay isang positibong effector; ang pagbubuklod nito ay kooperatiba, ibig sabihin, ang pagbubuklod sa isang site ay nagpapadali ng pagbubuklod sa iba. Ang parehong mga nagbubuklod na site para sa AMP ay nagpapasigla sa aktibidad ng enzyme.

Kaya, ang aktibidad ng enzymatic ay tinutukoy ng mga ratios ng NAD+/NADH at AMP/ATP.

Ang AMP ay isang positibong effector ng α-ketoglutarate dehydrogenase complex, na sa bagay na ito ay kahawig ng isocitrate dehydrogenase. Sa hanay ng mga pisyolohikal na konsentrasyon, ang parehong succinyl-CoA at NADH ay may epektong nagbabawal, at ang konsentrasyon ng succinyl-CoA ay tila pangunahing salik na kumokontrol sa bilis ng proseso. Ang succinate dehydrogenase ay kahawig ng isocitrate dehydrogenase dahil ang substrate (succinate) ay gumaganap bilang isang positibong allosteric effector. Ang Oxaloacetate ay isang malakas na inhibitor, gayunpaman ito ay hindi malinaw kung ang kontrol na ito ay gumagana sa ilalim ng normal na mga kondisyon.

Apat na nalulusaw sa tubig na bitamina B ang gumaganap ng mga partikular na function sa citric acid cycle. Ang Riboflavin ay bahagi ng FAD, na isang cofactor ng alpha-ketoglutarate dehydrogenase complex at succinate dehydrogenase. Ang Niacin ay bahagi ng NAD, na siyang coenzyme ng tatlong cycle dehydrogenases: isocitrate dehydrogenase, alpha-ketoglutorate dehydrogenase, at malate dehydrogenase. Ang Thiamine (bitamina B 1) ay bahagi ng thiamine diphosphate, na isang coenzyme ng alpha-ketoglutarate dehydrogenase. Ang Pantothenic acid ay bahagi ng coenzyme A, na isang cofactor na nagbubuklod sa mga aktibong residue ng acyl.

Mga macroergic compound at macroergic bond.

Sa mga selula, na inilabas bilang resulta ng mga proseso ng catabolic ng pagkasira ng nutrient, ang libreng enerhiya ay maaaring gamitin upang magsagawa ng maraming mga reaksiyong kemikal na nangangailangan ng enerhiya. Ang pag-iimbak ng enerhiya ay nangyayari sa anyo ng mga bono ng kemikal na mayaman sa enerhiya ng isang espesyal na klase ng mga compound, karamihan sa mga ito ay phosphoric anhydride (nucleoside triphosphates).

Mayroong mataas na enerhiya at mababang enerhiya na mga phosphate. Ang kondisyong hangganan para sa dalawang pangkat ng mga compound na ito ay ang halaga ng libreng enerhiya ng hydrolysis ng phosphate bond. Samakatuwid, ang mga high-energy phosphate ay may mayaman sa enerhiya na high-energy (macroergic) na bono.

Ang enerhiya ng bono ay tinukoy bilang ang pagkakaiba sa pagitan ng mga libreng enerhiya ng mga compound na naglalaman ng bono na ito at ang mga compound na nagreresulta mula sa pagkalagot nito. Ang mga macroergic (mayaman sa enerhiya) na mga bono ay itinuturing na mga bono, sa panahon ng hydrolysis kung saan ang mga pagbabago sa libreng enerhiya ng system ay higit sa 21 kJ / mol.

Ang pangunahing papel sa pagpapalitan ng enerhiya ng mga cell ng lahat ng uri ay nilalaro ng sistema ng adenine nucleotides, na kinabibilangan ng ATP, ADP at AMP, pati na rin ang mga inorganic na pospeyt at magnesium ions. Ang ATP ay isang thermodynamically unstable na molekula at nag-hydrolyze upang bumuo ng ADP at AMP. Ito ang kawalang-tatag na nagbibigay-daan sa ATP na gumana bilang isang carrier ng kemikal na enerhiya na kinakailangan upang matugunan ang karamihan sa mga pangangailangan ng enerhiya ng mga cell. Ang mga compound na may masaganang bond ng enerhiya, bilang karagdagan sa ATP, ay kinabibilangan din ng UTP, CTP, GTP, TTP, creatine phosphate, pyrophosphate, ilang thioethers (halimbawa, acetyl-CoA), phosphoenolpyruvate, 1,3-biphosphoglycerate at ilang iba pa mga compound.

Sa panahon ng hydrolysis ng ATP sa ilalim ng karaniwang mga kondisyon, ang pagbabago sa libreng enerhiya ay -30.4 kJ/mol. Sa ilalim ng mga kondisyong pisyolohikal, ang tunay na libreng enerhiya ng hydrolysis ng terminal phosphate bond ng ATP ay magiging iba at lalapit sa -50.0 kJ/mol.

Mayroong ilang mga opsyon para sa pagpapalabas ng enerhiya ng ATP phosphate bonds. Ang pangunahing opsyon ay ang cleavage ng terminal phosphate ng ATP (ATP + H 2 O ® ADP + H 3 RO 4). Ang isa pang pagpipilian ay ang pyrophosphate cleavage ng ATP (ATP + H20 ® AMP + H 4 P 2 O 7). Ang ganitong uri ng reaksyon ay hindi gaanong karaniwang ginagamit sa mga proseso ng biochemical.

Ang akumulasyon ng enerhiya sa mga tiyak na phosphate bond ng ATP ay sumasailalim sa mekanismo ng paglipat ng enerhiya sa isang buhay na cell. May dahilan upang maniwala na mayroong tatlong pangunahing uri ng paglipat ng enerhiya ng ATP sa cell:

sa enerhiya ng mga bono ng kemikal, sa thermal energy at ang enerhiya na ginugol sa pagganap ng trabaho (osmotic, electrical, mechanical, atbp.).

Bitamina PP .

Ang bitamina PP (nicotinic acid, nicotinamide, niacin) ay tinatawag na anti-pellagric vitamin (mula sa Italian Preventive pellagra - "pag-iwas sa pellagra"), dahil ang kawalan nito ay ang sanhi ng sakit na tinatawag na pellagra.

Ang nikotinic acid ay kilala sa mahabang panahon, ngunit noong 1937 lamang ito ay nahiwalay ni K. Elveheim mula sa isang katas ng atay at ipinakita na ang pagpapakilala ng nicotinic acid (o ang amide nito - nicotinamide) o mga paghahanda sa atay ay pumipigil sa pag-unlad o pagpapagaling. pellagra.

Ang Nicotinic acid ay isang pyridine compound na naglalaman ng isang carboxyl group (nicotinamide ay nakikilala sa pagkakaroon ng isang amide group).

Ang bitamina PP ay bahagyang natutunaw sa tubig (mga 1%), ngunit lubos na natutunaw sa may tubig na mga solusyon ng alkalis. Ang nikotinic acid ay nag-kristal bilang puting karayom.

Ang pinaka-katangian na mga palatandaan ng pellagra (mula sa Italian pelle agra - magaspang na balat) ay mga sugat sa balat (dermatitis), gastrointestinal tract (pagtatae) at mga karamdaman ng aktibidad ng nerbiyos (dementia).

Ang dermatitis ay kadalasang simetriko at nakakaapekto sa mga bahagi ng balat na nakalantad sa direktang sikat ng araw: likod ng mga kamay, leeg, mukha; ang balat ay nagiging pula, pagkatapos ay kayumanggi at magaspang. Ang mga sugat sa bituka ay ipinahayag sa pagbuo ng anarexia, pagduduwal at sakit sa tiyan, pagtatae. Ang pagtatae ay humahantong sa dehydration. Ang mauhog lamad ng malaking bituka ay unang nagiging inflamed, pagkatapos ay ulcerated. Ang partikular para sa pellagra ay stomatitis, gingivitis, mga sugat sa dila na may pamamaga at mga bitak. Ang mga sugat sa utak ay ipinahayag sa pananakit ng ulo, pagkahilo, pagkamayamutin, depresyon at iba pang sintomas, kabilang ang psychosis, psychoneurosis, guni-guni at iba pa. Ang mga sintomas ng pellagra ay lalo na binibigkas sa mga pasyente na may hindi sapat na nutrisyon ng protina. Ito ay itinatag na ito ay dahil sa kakulangan ng tryptophan, na isang pasimula ng nicotinamide, na bahagyang na-synthesize sa mga tisyu ng tao at hayop, pati na rin ang kakulangan ng isang bilang ng iba pang mga bitamina.

Ang bitamina PP ay gumaganap ng papel ng isang coenzyme sa NAD-dependent dehydrogenases (mga kalahok sa tissue respiration), carbohydrate at amino acid metabolism, NADP-dependent enzymes (pentose shunt at lipid synthesis), HMH-dependent enzymes (alcohol dehydrogenase at malic enzyme). Hindi gaanong mahalaga ang papel nito bilang isang substrate para sa poly-ADP-ribosylation. Ang prosesong ito ay kasangkot sa crosslinking ng mga chromosome break at sa gawain ng reparase system, at gayundin (sa kawalan ng NAD) ay may mahalagang kahalagahan sa mekanismo ng necrobiosis at apoptosis ng mga cell, lalo na ang mga mataas na aerobic.

Ipinakita na ang isang bilang ng mga dehydrogenases ay gumagamit lamang ng NAD o NADP, habang ang iba ay maaaring mag-catalyze ng mga redox na reaksyon sa pagkakaroon ng alinman sa mga ito. Sa proseso ng biological oxidation, ang NAD at NADP ay kumikilos bilang intermediate electron at proton carriers sa pagitan ng oxidized substrate at flavin enzymes.

Ang pangunahing pinagmumulan ng nicotinic acid at ang amide nito ay kanin, tinapay, patatas, karne, atay, bato, karot at iba pang pagkain.

microsomal oxidation.

mga reaksyon ng monooxygenase.

Ang mga buhay na organismo ay naglalaman ng isang pangkat ng marami at magkakaibang mga enzyme na tinatawag na monooxygenases. Sa isang tipikal na kaso, ang isang atom ng molekula ng oxygen ay matatagpuan sa bagong pangkat ng hydroxide ng substrate, ang isa ay nabawasan sa tubig sa panahon ng reaksyon. Alinsunod dito, ang reaksyon ay dapat magpatuloy sa pakikilahok ng enzyme, substrate, oxygen, at ilang ahente ng pagbabawas.

Ang Dopamine-b-monooxygenase, na nasa utak at chromaffin tissue, ay nag-catalyze sa hydroxylation ng 3,4-dioxyphenylethylamine sa norepinephrine.

Ang phenol monooxygenases ay matatagpuan sa bacteria, halaman, insekto, at gayundin sa atay at balat ng mga mammal. Ang polymerization ng o-quinone, na nabuo bilang isang resulta ng isang kadena ng mga reaksyon na na-catalyze ng mga enzyme na ito, ay sumasailalim sa pagbuo ng melanin.

mga reaksyon ng dioxygenase.

Ang mga enzyme na nagpapagana ng mga reaksyon kung saan ang parehong molekular na mga atomo ng oxygen ay isinama sa mga produkto ng reaksyon ay tinatawag na dioxygenases. Ang mga kasalukuyang kilalang enzyme ng pangkat na ito ay maaaring maglaman ng heme o non-heme iron bilang aktibong grupo, at ang ilan ay nangangailangan ng α-ketoglutarate para sa kanilang pagkilos.

Ang iron-a-ketoglutarate dioxygenases ay mga iron-dependent enzymes na nagpapagana ng substrate hydroxylation sa panahon ng proseso kung saan ang a-ketoglutarate ay sumasailalim sa oxidative decarboxylation upang succinate: M + O2 + a-ketoglutarate M-OH + succinate + CO2

Ang mga cytochrome ay mga enzyme ng redox chain.

Ang karagdagang paglipat ng mga electron mula sa KoQH2 hanggang O2 ay isinasagawa ng cytochrome system. Ang sistemang ito ay binubuo ng isang bilang ng mga protina na naglalaman ng heme (hemproteins), na natuklasan noong 1886 ni K. McMunn. Lahat sila ay may prosthetic heme group na malapit sa heme ng hemoglobin. Ang mga cytochromes ay naiiba sa bawat isa hindi lamang ng prosthetic group, kundi pati na rin ng mga bahagi ng protina. Ang lahat ng mga cytochrome, lalo na sa pinababang anyo, ay may katangian na spectra ng pagsipsip, ang mga halaga ng mga potensyal na redox ay hindi rin pareho.

Sa malawakang ginagamit na mekanismo ng hydroxylation sa pamamagitan ng pagpapakilala ng isang oxygen atom, ang functional na iron atom ay matatagpuan sa heme group ng cytochrome, cytochrome P450. Ang mga cytochrome na ito ay matatagpuan sa mga lamad ng hepatic EPS, sa mitochondria ng adrenal cortex, sa hangganan ng renal brush, at sa mga lamad ng plasma ng iba't ibang bakterya. Ang catalyzed na reaksyon ay pareho sa lahat ng iba pang monooxygenases.

MH + O2 + 2e + 2H + ®MON + H2O

Ang mga cytochromes P450 mula sa atay ay kabilang sa mga inducible enzymes; nangangahulugan ito na ang dami ng enzyme na naroroon ay maaaring tumaas ng 25 beses sa pamamagitan ng pangangasiwa ng isa sa maraming mga dayuhang compound tulad ng phenobarbital o methylcholanthrene. Nine-neutralize ng mga cytochrome ang xenobiotics, at nililimitahan din ang oras kung kailan maaaring manatiling aktibo ang ilang gamot. Ang paggamot ng ilang mga anyo ng talamak na pagkalasing ay maaaring mapadali ng pangangasiwa ng isang inducer, na sa kasong ito ay karaniwang hindi nakakapinsala.

Ang Cytochromes P450 ng adrenal cortex ay matatagpuan sa mitochondrial membrane, kung saan ang dalawang magkahiwalay na enzyme ay nag-catalyze, ayon sa pagkakabanggit, ang cleavage ng cholesterol side chains sa pregnenolone at ang hydroxylation reactions ng iba't ibang steroid.

Cytochrome P450 catalyzes ang pagbuo ng hydroxyl group sa panahon ng synthesis ng apdo acids, steroid hormones, sa panahon ng catabolism ng isang bilang ng mga sangkap at ang pagpapalitan ng mga dayuhang compound.

Ang unang electron-carrying system na matatagpuan sa microsomes ay ang cytochrome b5 reduction system dahil sa NADH; Ang cytochrome b5 ay binabawasan ng NADH-cytochrome b5-reductase, na naglalaman ng isang FAD bawat molekula, na gumagawa ng mga cyclic transition sa pagitan ng ganap na nabawas at na-oxidized na mga form. Ang Cytochrome b5 ay malakas na nauugnay sa ER sa pamamagitan ng malawak na hydrophobic na rehiyon nito. Kahit na ang panlabas na ibabaw ng heme na rehiyon ng cytochrome ay hydrophilic, ito ay namamalagi sa isang malalim na hydrophobic gap, na may propionic acid carboxyl group na nakatuon sa labas. Ang pinababang cytochrome b5 ay dahan-dahang nag-o-oxidize sa sarili upang bumuo ng superoxide anion. Ang mekanismong ito ay maaaring ang pangunahing generator ng superoxide sa mga selula ng atay.

Peroxidase paraan ng paggamit ng oxygen.

Ang molecular oxygen ay paramagnetic dahil naglalaman ito ng dalawang hindi magkapares na electron na may parallel spins. Ang mga electron na ito ay nasa magkaibang mga orbital dahil hindi maaaring sakupin ng dalawang electron ang parehong orbital maliban kung ang kanilang mga spin ay magkasalungat. Alinsunod dito, ang pagbawas ng oxygen sa pamamagitan ng direktang pagpapakilala ng isang pares ng mga electron sa bahagyang napunong mga orbital nito ay imposible nang walang "pagbabaligtad" ng pag-ikot ng isa sa dalawang electron. Ang pagsugpo sa pag-ikot ng pagbabawas ay maaaring pagtagumpayan ng sunud-sunod na pagdaragdag ng mga solong electron. Ang kumpletong pagbawas ng O2 hanggang 2H2O ay nangangailangan ng 4 na electron; sa one-electron reduction, superoxide, hydrogen peroxide, at ang hydroxide radical ay lumilitaw bilang mga intermediate na produkto. Ang mga produktong ito ay lubos na reaktibo at ang kanilang presensya ay maaaring magdulot ng banta sa integridad ng mga sistema ng pamumuhay. Sa katunayan, ang OH, ang pinaka mutagenic na produkto ng ionizing radiation, ay isang napakalakas na ahente ng oxidizing na maaaring umatake sa lahat ng mga organikong compound. Ang isang-electron na pagbabawas ng oxygen ay nagpapasimula ng isang kadena ng mga reaksyon na humahantong sa pagbuo ng OH:

O2 + e ® O2 (1)

O2 + H ®HO2 (2)

O2 + HO2 + H ® H2O2 + O2 (3)

Ang superoxide anion na nabuo sa reaksyon (1) ay maaaring ma-protonate sa hydroperoxide radical (2). Ang reaksyon (3) ay isang kusang dismutation na humahantong sa pagbuo ng H2O2 + O2. Ang kabuuan ng mga reaksyong ito ay nagmumungkahi na ang anumang sistemang gumagawa ng O2 ay malapit na ring maglaman ng H2O2.

Ang Xanthine oxidase, aldehyde oxidase at maraming flavoprotein ay bumubuo ng O2 at H2O2, na nangyayari din sa panahon ng kusang oksihenasyon ng hemoglobin, ferredoxins, hydroquinones na binawasan ng cytochrome b5, tetrahydropteridines at adrenaline. Ang banta sa mga cell na nagmumula sa reaktibiti ng O2 at H2O2 ay inalis sa pamamagitan ng pagkilos ng mga enzyme na epektibong neutralisahin ang mga compound na ito.

Enzymatic antioxidant proteksyon.

Superoxide dismutase catalyze ang reaksyon

O2 + O2+ 2H® H2O2 + O2

Ang mga enzyme na ito ay matatagpuan sa lahat ng mga respiring cell, gayundin sa iba't ibang facultative anaerobic bacteria. Ang mga superoxide dismutase ay mga metalloenzymes. Kasama sa kanilang catalytic cycle ang pagbabawas at oksihenasyon ng isang metal ion, tulad ng Cu, Mn o Fe, sa aktibong site.

Ang aktibidad ng Catalase ay sinusunod sa halos lahat ng mga selula at organo ng hayop. Ang atay, pulang selula ng dugo at bato ay mayamang pinagmumulan catalase. Ang aktibidad na ito ay matatagpuan din sa lahat ng materyal ng halaman at sa karamihan ng mga microorganism maliban sa obligate anaerobes. Sa bawat kaso, malamang na pinipigilan ng catalase ang akumulasyon ng nakakapinsalang H2O2 na nabuo sa panahon ng aerobic oxidation ng mga nabawasang flavoprotein at mula sa O2. Maaaring mabulok ng isang molekula ng catalase ang 44,000 molekula ng H2O2 bawat segundo. Sa katunayan, ang enzyme ay nangangailangan ng halos walang activation energy, at ang reaction rate ay ganap na natutukoy sa pamamagitan ng diffusion. Ang Catalase ay tumutugon sa H2O2 upang bumuo ng isang medyo matatag na enzyme-substrate complex.

Bagama't medyo bihira ang mga peroxidase sa mga tisyu ng hayop, ang mahinang aktibidad ng peroxidase ay natagpuan sa atay at bato. Ang mga leukocytes ay naglalaman ng verdoperoxidase, na responsable para sa aktibidad ng peroxidase ng nana. Ang mga phagocyte cell ay naglalaman ng myeloperoxidase, na nag-oxidize ng mga halogen ions, tulad ng I, upang palayain ang halogen, isang mabisang bactericidal agent.

Ang mga reaksyon ng Catalase at peroxidase ay maaaring isulat tulad ng sumusunod:

PERO OH O

Proteksyon ng non-enzymatic antioxidant.

Ascorbic acid (bitamina C).

Ang bitamina C ay madaling na-oxidize sa dehydroascorbic acid, na hindi matatag sa isang alkaline na kapaligiran, kung saan ang lactone ring ay hydrolyzed upang bumuo ng diketogulonic acid.

Ang ascorbic acid ay mahalaga para sa iba't ibang mga biological oxidative na proseso. Ang bitamina ay nagpapagana ng oksihenasyon ng n-hydroxyphenylpyruvic acid ng mga homogenate ng atay. Sa pagkakaroon ng oxygen, ang mga solusyon na naglalaman ng mga ferro-ion at ascorbate ay nagpapagana ng hydroxylation ng isang bilang ng mga compound. Ang bitamina ay isang antioxidant, nakikilahok sa metabolismo ng phenylalanine, tyrosine, peptide hormones, sa synthesis ng mga taba at protina, ay kinakailangan para sa pagbuo ng collagen, tumutulong na mapanatili ang integridad ng connective at osteoid tissues, ay may isang anticarcinogenic effect, na pumipigil sa pagbuo ng carcinogenic nitrosamines, nakikilahok sa pamamahagi at akumulasyon ng bakal.

Bitamina E.

Ang bitamina ay nahiwalay sa wheat germ oil noong 1936 at pinangalanang tocopherol. Ang pitong tocopherol na nagmula sa parent compound tocol ay matatagpuan sa mga likas na mapagkukunan; sa kanila, ang a-tocopherol ay may pinakamalaking distribusyon at pinakamataas na biological na aktibidad. Ang mga tocopherol ay itinalaga ng mga letrang Griyego: alpha, beta, gamma at delta.

Pinoprotektahan ng bitamina ang mga istruktura ng cellular mula sa pagkasira ng mga libreng radical, nakikilahok sa heme biosynthesis, pinipigilan ang trombosis, nakikilahok sa synthesis ng mga hormone, sumusuporta sa kaligtasan sa sakit, may anticarcinogenic effect, at tinitiyak ang normal na paggana ng mga kalamnan.

Figure 6. Ang mekanismo ng pagkilos ng bitamina.

Ang mga tisyu ng mga hayop na may kakulangan sa bitamina E, lalo na ang mga kalamnan ng puso at kalansay, ay kumakain ng oxygen nang mas mabilis kaysa sa mga tisyu ng mga normal na hayop. Ang a-Tocopherol ay hindi madaling napapailalim sa reversible oxidation. Ang pagtaas ng pagkonsumo ng oxygen ng mga kalamnan sa kakulangan sa bitamina ay nauugnay, tila, sa peroxide oksihenasyon ng mga unsaturated fatty acid. Sa iba pang mga tisyu, tulad ng atay, ito ay humahantong sa pagkagambala sa istraktura ng mitochondrial at pagbawas ng paghinga. Mayroong katibayan na ang oksihenasyon ng peroxide ng mga unsaturated fatty acid sa endoplasmic reticulum ng mga selula ng kalamnan ay humahantong sa pagpapalabas ng lysosomal hydrolases, na nagreresulta sa muscular dystrophy. Ang lahat ng mga pagpapakita ng kakulangan sa bitamina ay pangalawang phenomena dahil sa kakulangan ng pagsugpo ng peroxide oxidation ng polyunsaturated fatty acids.

Ang kawalan ng katabaan ay isang klasikong pagpapakita ng kakulangan sa bitamina E sa mga hayop sa laboratoryo. Sa mga lalaki, ang pinakamaagang nakikitang tanda ng kakulangan ay ang sperm immobility. Ang isang bilang ng iba pang mga pagbabago ay sinusunod din: pagkabulok ng epithelium ng renal tubules, depigmentation ng mga nauunang ngipin. Ang isa pang pagpapakita ng kakulangan sa bitamina E ay hemolysis ng mga erythrocytes sa vitro sa pagkakaroon ng mga peroxide o alloxan derivatives. Sa mga daga na may matagal na kakulangan sa bitamina, ang muscular dystrophy ay bubuo na may mga sintomas ng progresibong paralisis ng mga hind limbs, ang nilalaman ng creatine sa mga kalamnan ay bumababa, ang creatinuria ay nangyayari, at ang creatinine excretion ay bahagyang bumababa. Ang kakulangan sa bitamina A ay maaari ring bumuo dahil sa oxidative degradation ng huli dahil sa kakulangan ng bitamina na may mga katangian ng antioxidant sa diyeta. Ang mga sintomas ng hypervitaminosis ay pagduduwal, pagkahilo at tachycardia.

Bitamina R.

Ang bitamina P (rutin, citrine) ay ibinukod noong 1936 ni A. Szent-Györgyi mula sa balat ng lemon. Ang terminong "bitamina P" ay pinagsasama ang isang pangkat ng mga sangkap na may katulad na biological na aktibidad: catechins, chalcones, flavins, atbp. Lahat ng mga ito ay may aktibidad na P-bitamina at ang kanilang istraktura ay batay sa diphenylpropane carbon "skeleton" ng chromone o flavone (ang karaniwang pangalan ay "bioflavonoids") .

Pinapatatag ng bioflavonoids ang pangunahing sangkap ng connective tissue sa pamamagitan ng pagpigil sa hyaluronidase, na kinumpirma ng data sa positibong epekto ng paghahanda ng P-vitamin, pati na rin ang ascorbic acid, sa pag-iwas at paggamot ng scurvy, rayuma, pagkasunog, atbp. Ang mga datos na ito. ipahiwatig ang isang malapit na functional na relasyon sa pagitan ng mga bitamina C at P sa oxidative - mga proseso ng pagbawi ng katawan.

Sa kaso ng kakulangan ng bioflavonoids o ang kanilang kawalan sa pagkain, ang pagkamatagusin ng mga daluyan ng dugo ay tumataas, na sinamahan ng pagdurugo at pagdurugo, pangkalahatang kahinaan, pagkapagod at sakit sa mga paa ay nabanggit din.

Ang pangunahing pinagmumulan ng bitamina ay mga pagkaing halaman (sa partikular, mga gulay at prutas), na naglalaman ng maraming bitamina C. Ang industriya ng bitamina ay gumagawa ng isang bilang ng mga paghahanda na may aktibidad na P-bitamina: tea catechin, rutin, hesperidin, naringin at iba pa.

Konklusyon.

Ang problemang naka-highlight sa gawaing ito ay isang napakahalagang seksyon sa biochemistry ngayon, kung saan, sa kabila ng pag-unlad na ginawa, maraming mga katanungan at mga puwang ang nananatili.

Ang kaalaman sa mga isyu ng bioorganic chemistry ay kinakailangan at mahalaga sa pagsasanay ng bawat doktor, dahil ang aktibong pag-unlad ng pharmacology at ang paglitaw ng maraming mga bagong gamot ay nagbibigay-daan, alam ang biochemistry ng mga proseso na nagaganap sa katawan, upang maimpluwensyahan ang mga ito at gamutin ang marami. mga sakit sa antas ng cellular, pinasisigla ang mga proseso ng enerhiya sa antas ng mitochondria. .

Ang anumang biglaang pagkamatay ay nauugnay sa hypoxia, na sinamahan ng akumulasyon ng isang malaking halaga ng lactic acid sa katawan dahil sa pagsugpo sa pag-andar ng mga mekanismo ng shuttle, at bilang isang resulta, nangyayari ang acidosis. Sa panahon ng hypoxia, ang mga libreng radical ay nabuo nang walang katiyakan at ang lipid peroxidation ay nagpapatuloy nang masinsinan, na sinusundan ng hindi maibabalik na pinsala sa cell. Ang pag-aaral ng mga paglabag sa mga mekanismo ng biological oxidation at mga pamamaraan ng pagwawasto ay mahalaga sa paggamot ng mga pathologies ng cardiovascular at respiratory system, mga pathology na may kaugnayan sa edad, at pamamaga. Ang kaalamang ito ay partikular na kahalagahan sa resuscitation, sa panahon ng anesthesia, dahil ang antas ng lactic acid ay tumataas nang malaki sa panahon ng mga operasyon sa ilalim ng anesthesia, halimbawa, na may ketamine o etrane, sa ilalim ng impluwensya ng mga narcotic substance, ang mga proseso ng oksihenasyon at phosphorylation ay hindi pinagsama. Iyon ang dahilan kung bakit napakahalaga na magkaroon sa iyong pagtatapon ng pinaka kumpletong kaalaman at impormasyong data, ang pagsusuri na maaaring magbigay ng pinakamataas na posibilidad para sa paghula sa kurso ng sakit.

Bibliograpiya:

1. Alberts B., Bray D., Lewis J., Raff M., Roberts K., Watson J. Molecular biology ng cell: Sa 3 vols., 2nd ed., per. at idagdag. T.1. Per. mula sa Ingles. - M.: Mir, 1994 - 517 p., may sakit.

2. Byshevsky A.Sh., Tersenov O.A. Biochemistry para sa doktor. Yekaterinburg: Publishing at printing enterprise na "Ural worker". - 1994 - 384 p.

3. Vinogradov A.D. Mitochondrial ATP-synthesizing machine: makalipas ang labinlimang taon.//Biochemistry. - 1999 - T.64. Isyu 11 - p.1443-1456

4. Galkin M.A., Syroeshkin A.V. Ang kinetic mechanism ng ATP synthesis reaction na na-catalyze ng mitochondrial F 0 -F 1 -ATPase.//Biochemistry. - 1999 - T.64. Isyu 10 - p.1393-1403

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

6. Zaichik A.Sh., Churilov L.P. Mga pangunahing kaalaman ng pangkalahatang patolohiya. Bahagi 2. Mga Batayan ng pathochemistry. - St. Petersburg. – 2000 – 384 p.

7. Kozinets G.I. Mga sistemang pisyolohikal ng tao. - M .: "Triada-X" - 2000 - p.156-164

8. Korovina N.A., Zakharova I.N., Zaplatnikov A.L. Pag-iwas sa kakulangan ng mga bitamina at microelement sa mga bata (sanggunian na gabay para sa mga manggagamot). – Moscow, 2000

9. Lehninger A. Mga Batayan ng biochemistry. - M.: Mir - 1991 - 384 p.

10. Murray R., Grenner D., Meyes P., Rodwell V. Biochemistry ng tao: V2 vol.

11. Nikolaev A.Ya. Biyolohikal na kimika. Proc. para sa pulot. espesyalista. Unibersidad - M .: Mas mataas na paaralan. - 1989 - 495s.

12. Ryabov G.A. Hypoxia ng mga kritikal na estado. – M.: Medisina. - 1992 - 288 p.

13. Samartsev V.N. Mga fatty acid bilang uncoupler ng oxidative phosphorylation. // Biochemistry. - 2000 - T.65.Isyu 9 - p.1173-1189

14. Skulachev V.P. Oxygen sa isang buhay na cell: mabuti at masama.// Soros Educational Journal. - 1996 - Bilang 3 - p.4-10

15. Skulachev V.P. Ebolusyon ng mga biological na mekanismo ng pag-iimbak ng enerhiya.// Soros educational journal. - 1997 - Bilang 5 - p.11-19

16. Skulachev V.P. Mga diskarte sa ebolusyon at oxygen.// Kalikasan. - 1998 - Bilang 12 - p.11-20

17. Tutelyan V.A., Alekseeva I.A. Antioxidant vitamins: probisyon ng populasyon at kahalagahan sa pag-iwas sa mga malalang sakit.// Clinical pharmacology at therapy. – 1995 - №4 (1) – p.90-95

18. Shilov P.I., Yakovlev T.N. Mga Batayan ng klinikal na bitamina. - L .: Medisina - 1989 - 343 p.