Пути использования кислорода в клетке.

Свободно-радикальное окисление в клетке – образование

Активных форм кислорода.

 

Живые организмы представляют собой термодинамически открытые системы, которые могут существовать только при условии непрерывного обмена энергией с окружающей средой.

В зависимости от вида потребляемой энергии все организмы разделяют на две группы: автотрофы и гетеротрофы. Гетеротрофы используют для поддержания жизнедеятельности энергию химических связей органических соединений, которые синтезируются другими организмами.

Различают три этапа обмена веществ:

- поступление веществ в организм

- метаболизм (трансформация и усвоение)

- выделение конечных продуктов обмена

Внутриклеточный метаболизм – промежуточный обмен - включает в себя два направления: катаболизм и анаболизм. В ходе катаболизма происходит непрерывное выделение энергии на клеточном уровне, органические молекулы превращаются в конечные продукты обмена.

В результате анаболизма химически чуждые организму вещества превращаются в специфические для организма человека. Для процессов синтеза и других направлений жизнедеятельности используется энергия, выделившаяся в процессе катаболизма.

Наибольшее изменение свободной энергии дают реакции окисления.

Биологические реакции окисления субстратов могут осуществляться анаэробным и аэробным путями.

Перенос электронов осуществляется с участием специфических дегидрогеназ, в составе которых присутствуют коферменты НАД ⁺ или ФАД.

 

Восстановленный Окисленный

субстрат + НАД ⁺(ФАД) субстрат + НАДН + Н⁺ (ФАДН₂)

окисленный восстановленная форма

пиридиннуклеотид

В случае анаэробных процессов окисление восстановленных форм пиридиннуклеотидов

для регенерации окисленной формы осуществляется без участия кислорода, при помощи окислителя иной природы, который после своего восстановления удаляется из клетки

Например, таким окислителем в экстремальных условиях может быть метиленовая синь1

Полностью анаэробный тип обмена характерен для небольшого вида клеток или структур организма человека, к ним следует отнести эритроцит, белые мышцы, водитель сердца. Учитывая их физиологические функции, становится ясным, почему процессы катаболизма в них не должны зависеть от присутствия кислорода.

Окислителем НАДН в отсутствие кислорода служит пировиноградная кислота., которая превращается в молочную (лактат)

 

НАДН + Н⁺ + пируват НАД⁺ + лактат

 

В случае аэробного типа обмена конечным акцептором протонов и электронов является кислород. Восстановленный пиридиннуклеотид не окисляется кислородом, передача электронов происходит с участием переносчиков, которые расположены во внутренней мембране митохондрии.

Переносчики располагаются в соответствии с изменением их редокс-потенциала(окислительно- восстановительного потенциала) и носят название «дыхательная цепь» (митохондриальная электронтранспортная цепь) Заключительным этапом является восстановление кислорода и образование воды.

 

½ О₂ + 2Н⁺ + 2е = Н ₂О

В сутки образуется 300 – 500 г метаболической воды (она выделяется в составе мочи, с выдыхаемым воздухом, поступает в состав крови, тканей).

Только аэробный тип обмена присущ нейронам, поэтому мозг чрезвычайно чувствителен к гипоксии и гибель нейронов наступает через 5-7 мин после прекращения поступления кислорода.

В большинстве тканей возможны оба пути обмена.

Запасание энергии химических связей происходит путем образования особых высокоэнергетических соединений (макроэргических соединений - МЭС).

В организме человека встречаются МЭС: фосфаты и тиоэфиры.

 

Фосфаты	- G Ккал/ моль	Тиоэфиры	- G Ккал/моль
Фосфоенолпируват	14,8	СукцинилКоА	8,7
1,3-дифосфоглицерат	11,8	АцетилКоА	3,7
АТФ	7,0

 

АТФ – самое распространенное МЭС в организме. В физиологических условиях клетки изменение свободной энергии при гидролизе макроэргической связи составляет -7,3 ккал/моль(- 30 кДж/моль), максимальное значение - 12 ккал/ моль.

Пионером в изучении процессов биологического окисления в 18 веке был французский ученый А. Лавуазье, который указал на участие кислорода, сравнив процесс окисления с горением. Позднее российский ученый А.Н.Бах предположил перекисную теорию окисления и образование перекисных соединений.

Другой российский ученый ботаник и биохимик В.И.Палладин доказал, что существуют особые переносчики водорода – дегидрогеназы и что в составе СО₂ атомы кислорода

не имеют происхождение от кислорода вдыхаемого воздуха.

 

Пути использования кислорода в клетке:

 

• энергетический путь обмена - восстановление кислорода в электронтранспортной цепи митохондрий (митохондриальное биологическое окисление, БО, используется примерно 90% поступающего кислорода). Процесс сопровождается образованием АТФ и выделением воды.. Ферменты, передающие электроны непосредственно кислороду, называются оксидазы (например, в митохондрии - цитохромоксидаза а/а₃)
• пластический путь обмена -восстановление кислорода в электронтранспортной цепи, расположенной в мембранах эндоплазматического ретикулума - ЭПР (микросомальное БО). Процесс связан с синтезом гормонов, нейромедиаторов, метаболизмом ксенобиотиков, в том числе лекарственных препаратов, и образованием активных форм кислорода.

Оксидоредуктазы, участвующие в этих реакциях, имеют рабочее название

оксигеназы. Монооксигеназы или гидроксилазы включают в состав субстрата один

атом, диоксигеназы - два атома кислорода.

• образование активных форм кислорода-свободно-радикальное окисление ( используется примерно 5% кислорода) - важный фактор в процессе адаптации клетки, процессах клеточной защиты (фагоцитоз). Возможны каталитические и некаталитические пути возникновения активных форм, которыми являются супероксид, пероксид, гидроксид-радикал.

Питание – представляет собой составную часть обмена веществ и создает условия для организации промежуточного обмена. Из продуктов питания образуются затем конечные продукты катаболизма - вода, углекислый газ и мочевина, которая содержит азот поступающих белков, аминокислот.

При сбалансированном питании соотношение белки: жиры: углеводы равно 1:1:4.

Продукты питания перевариваются в ЖКТ и превращаются в более простые вещества. Несколько упрощая, можно сказать:

углеводы(крахмал, сахароза, лактоза) превратятся в глюкозу, белки – в свободные аминокислоты, жиры- в глицерин и высшие жирные кислоты.