История развития учения о биологическом окислении

История развития учения о биологическом окислении

Еще древние философы отмечали взаимосвязь между процессами жизнедеятельности и дыханием. Они также провели параллель между дыханием и горением.

Платон утверждал, что воздух нужен для охлаждения внутреннего жара сгорающего вещества.

Аристотель утверждал, что воздух нужен для поддержания внутреннего горения.

В XVII - XVIII вв широкое признание получила теория горючего начала - флогистона, сформулированная Штаммом. Эта теория объясняла процессы горения выделениями их горящего тела особого невесомого в-ва, и была опровергнута Ломоносовым и Лавуазье, которые открыли закон сохранения энергии.

В XVIII веке с развитием физики газов, с появлением соответствующей аппарутуры стали проводить опыты по сжиганию веществ в замкнутом пространстве. В это время Шталем была сформулирована теория флагистона (горючего начала), согласно которой все вещества, подвергающиеся окислению состоят из оксида и флагистона.

В середине XVIII века было установлено:

1) процесс горения идет в воздушной среде с высокой температурой, дыхание - в среде с пониженной температурой;

2) при дыхании, как и при горении выделяется тепло, но в незначительных количествах;

3) конечные продукты CO₂ и H₂O.

В 1751 году Ломоносов подробно рассмотрел процессы горения и окисления.

В 1774 году Лавуазье повторил опыты Ломоосова и показал, что процессы горения и дыхания идентичны, т. к. образуются идентичные продукты.

Лавуазье назвал дыхание медленным горением и показал процесс сгорания Гл в организме:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ ------> 6CO₂ + 6H₂O + Q

В начале XIX века стали известными катализаторы, с помощью которых осуществлялись процессы окисления. Это были металлы, обладающие «внутренней силой».

В середине XIX века немецкий ученый Шейнбайн, открывший озон, предположил, что в организме образуется озон и он используется в реакциях окисления.

После работ Лавуазье в науке господствовало мнение о тождестве горения и медленного окисления питательных вкществ в организме. Вместе с тем было ясно, что БО протекает в необычных условиях:

- при пониженной температуре;

- без пламени;

- и в присутсвии большого количества H₂O (75% - 80% ткани).

В XIX веке появилось понятие о ферментах и причину своеобразного течения БО попытались объяснить «активацией» кислорода в клетках организма.

Одна из теорий была выдвинута Бахом, который считал, что «активация» молекулярного кислорода происходит в результате разрыва связи и присоединения к ферментам оксигеназам (А), способным к аутооксидации:

O A + O₂ -----> A |

O перекись

O

A | + SH₂ -----> S + A + H₂O₂ O субстарат

3 положения Баха:

1. Наличие высокоактивной оксидазы, но это не было обнаружено.

2.В тканях должна быть высокая концентрация H₂O₂, но это тоже не было обнаружено.

3. Высокая активность ферментов, разлагающих H₂O_2; это было обнаружено, существует 2 фермента:

каталаза

2H₂O₂ ------------> 2H₂O + O₂

Существует и другой механизм разложения H₂O₂:

2GSH + H₂O₂ -----> 2H₂O (пероксидаза) или глутатион |

SH₂ + H₂O₂ -----> S + 2H₂O ---

Эта теория да и все остальные основывались на неправильном представлении об ОВР. Окислительный процесс рассматривался как процесс взаимодействия любого вещества с кислородом. То есть кислород - это окислитеоь.

К концу XIX века с разхвитием физики ядра и накопления знаний о структуре вещества, было установлено, что не все процессы окисления требуют для своей реализации наличие кислорода.

Кроме этого теория Баха основывалась на том, что в организме имеется большое количество ароматических соединений, на самом же деле их очень мало, в оновном глюкоза.

Согласно современных представлений ОВР - это процесс перемещения электронов и протонов от донора (восстановителя) - это процесс окисления - к акцептору (окислителю) - процесс восстановления.

Количественной мерой ОВР является величина ОВП. В начале точки отсчета стандартного потенциала взят ОВП водорода.

В 1912 году была сформулирована теория Палладина-Виланда, согласно которой в организме есть промежуточные вещества, способные акцептировать электроны и протоны от субстрата с последующей передачей электронов и протонов на кислород, по этой теории весь процесс БО можно разбить на 2 этапа:

1) анаэробный - передача электронов и протонов с субстрата на промежуточное вещество;

2) аэробный - передача электронов и протонов с промежуточного вещества на кислород.

Палладин предпологал, что существует несколько промежуточных переносчиков, позволяющих организму поэтапно освобождать химическую энергию и кислород выступает в качестве конечного акцептора электронов и протонов.

1 анаэробный этап:

SH₂ + ----> S +

2 аэробный этап:

½ O_{2 -----> +} H₂O

Роль промежуточных переносчиков (хромогенов) выполняют коферменты (НАД; НАДФ; ФАД; ФМН) оксидоредуктаз.

В последствии развития учения о БО, шло по пути развития знаний о хромогенах.

В 1925 году были открыты гистогематины (цитохромы).

В 1932 году академик Энгельгардт показал, что процесс окисления идет с образованием АТФ (окислительное фосфорилирование).

В 1945 году Ленинджер и Кенеди впервые показали, что процесс окисления веществ, цикл Кребса локализованы в митохондриях.

Современные представления о БО базируются на сущности трактовки ОВП, а также БО основано на общих законах термодинамики:

1 закон - закон сохранения энергии: энергия никуда не исчезает, а только переходит из одной формы в другую, т. е. сохраняется.

2 закон - все тела и химические процессы стремятся к минимуму энергии, к состоянию покоя и беспорядка, т. е. к энтропии.

С термодинамической точки зрения - организм человека - антиэнтропийная машина, открытая система, которая обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Основа ее жизнедеятельности - обмен веществ (метаболизм).

 

Митохондрия. Строение, функции, сравнительная характеристика мембран митохондрий. Характеристика ферментов мембран, межмембранного пространства, МX матрикса.

Митохондрии постоянные органеллы всех клеток (кроме эритроцитов) имеют 2 мембраны:

Признак	Внутренняя мембрана	Наружная мембрана
1. Форма	Складчатая (кристы)	Гладкая
2. Плотность	1,2	1,1
3. ФЛ/Белки	0,27/0,73	0,82/18
4. Проницаемость	Высокоселективная	Низкоселективная (даже большие молекулы проникают свободно)
Содержание:
5. Кардиолипина	Высокое	Низкое
6. Фосфоинозитола	Низкое	Высокое
7. Холестерина	Низкое	Высокое
8. Ферменты	СДГ и компоненты ДЦ	МАО, ферменты синтеза ЖК

Межмембранное пространство: в нем активны аденилаткиназа и нуклеозиддифосфаткиназа.

В процессах старения генома митохондрии мигрируют в ядро, т. е. возникают летальные мутации, связанные с деформацией митохондриальных белков генерирующих АТФ.

 

Биологическое значение ЦТК.

ЦТК - универсальный компонент БО, который образуется на принципе унификации, что имеет огромное значение, потому что организм не может точно дозировать потребность в каждом субстрате. Унификация позволяет уравновешивать и оптимизировать соотношение основных субстратов, т. е. если имеется избыток углеводов, то часть их перекачивается в липиды, если избыток белка, то тоже - в липиды и углеводы.

Энергетическая функция.

ЦТК - конечный этап БО, в котором окисляются унифицированные соединения различного происхождения.

 

Пластическая функция.

Поскольку ЦТК «питается» субстратами различного происхождения, то он может быть источником углеродных скелетов для различных веществ.

ЩУК à Цитрат à синтез ЖК, т. е. избыток углеводов депонируется в виде нейтрального жира.

Сукцинил КоА à синтез ГЛУ, АРГ, ПРО, ГИС.

-кетоглутарат à синтез гема (Hb, цитохромы, каталаза, пероксидаза).

ГНГ (образование Гл из неуглеводных компонентов).

 

Регуляторная.

Перекачка субстратов из одного в другой.

 

Регуляция ЦТК.

ЦТК связан с предшествующими стадиями энергетического обмена (гликолиз, окисление ЖК и АК), поэтому механизмы регуляции этих процессов будут справедливы и для ЦТК:

1) ретроингибирование; 2) путем изменения концентрации субстрата на входе ЦТК; 3) аллостерическаярегуляция (с помощью НАД, НАДН2, АТФ); 4) ионная (pH, [Ca++]).

Так как цикл Кребса начинается со стадии ЩУК + ацетил КоА, то эти метаболиты и управляют интенсивностью ЦТК. Первым регуляторным фактором является концентрация ЩУК, которая в основном образуется из ПВК, ацетил КоА в принципе тоже:

+CO2 -CO2

ЩУК <----- ПВК ------> ацетил КоА

+ГТФ

ПВК же образуется из углеводов (Гл), поэтому при диабете или углеводном голодании наблюдается недостаток ПВК, а значит и ЩУК и ЦТК блокируются. Ацетил-КоА не является лимитирующим субстратом, т. к. в основном образуется при окислении ЖК.

Но в то же время ЩУК - конкурентный ингибитор сукцинатдегидрогеназы, поэтому при избытке ЩУК, ЦТК блокируется на 6 стадии (так называемое «щуковое торможение»). Это торможение можно убрать ГЛУ, который переаминирует ЩУК в АСП.

Второй регуляторный фактор - концентрация НАД и НАДН2. В живых системах концентрация НАД + НАДН2 = const. Любые факторы, ведущие к увеличению НАД.Н2 (гипоксия, алкогольная интоксик5ация) и дефициту НАД+ блокирует ЦТК. Следовательно увеличение концентрации НАД+ при активной работе ДЦ стимулирует ЦТК.

Так как АТФ является косвенно конечным продуктом ЦТК, то ее избыток блокирует ЦТК, а значит АДФ стимулирует ЦТК. (АДФ рассматривается как аллостерический активатор изоцитратдегидрогеназы).

Стимулятором ЦТК является также кислород, потому что он стимулирует распад АТФ.

Нормальная концентрация Ca²⁺ в клетке 10^-7 моль. При увеличении концентрации кальция до 10-6 моль активируются дегидрогеназные реакции: пируватДГ, изоцитратДГ, альфа-КГДГ, а значит и ЦТК.

Цикл Кребса активируется при сердечной недостаточности. Это объясняется тем, что миокард не может самостоятельно убрать избыток Ca²⁺ и эту роль берут на себя митохондрии, возрастает потребность в кислороде.

 

Строение

Витамин существует в виде никотиновой кислоты или никотинамида.

Общая биохимияВитаминыВитамин В3 (PP, ниацин, антипеллагрический)

Источники

Хорошим источником являются печень, мясо, рыба, бобовые, гречка, черный хлеб, в молоке и яйцах витамина мало. Также синтезируется в организме из триптофана – одна из 60 молекул триптофана превращается в витамин.

Можно считать, что 60 мг триптофана равноценны примерно 1 мг никотинамида. Если принять, что физиологическая норма потребления триптофана составляет 1 г, то в организме образуется около 17 мг никотинамида в сутки.

Суточная потребность

15-25 мг.

Строение

Витамин существует в виде никотиновой кислоты или никотинамида.

Две формы витамина РР

Его коферментными формами являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и фосфорилированная по рибозе форма – никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ).

Биохимические функции

Перенос гидрид-ионов Н^– (атом водорода и электрон) в окислительно-восстановительных реакциях

Благодаря переносу гидрид-иона витамин обеспечивает следующие задачи:

1. М етаболизм белков, жиров и углеводов. Так как НАД и НАДФ служат коферментами большинства дегидрогеназ, то они участвуют в реакциях

· при синтезе и окислении жирных кислот,

· при синтезе холестерола,

· обмена глутаминовой кислоты и других аминокислот,

· обмена углеводов: пентозофосфатный путь, гликолиз,

· окислительного декарбоксилирования пировиноградной кислоты,

· цикла трикарбоновых кислот.

2. НАДН выполняет регулирующую функцию, поскольку является ингибитором некоторых реакций окисления, например, в цикле трикарбоновых кислот.

3. Защита наследственной информации – НАД является субстратом поли-АДФ-рибозилирования в процессе сшивки хромосомных разрывов и репарации ДНК, что замедляет некробиоз и апоптоз клеток.

4. Защита от свободных радикалов – НАДФН является необходимым компонентом антиоксидантной системы клетки.

5. НАДФН участвует в реакциях ресинтеза тетрагидрофолиевой кислоты из дигидрофолиевой, например после синтеза тимидилмонофосфата.

Гиповитаминоз

Причина

Пищевая недостаточность ниацина и триптофана. Синдром Хартнупа.

Клиническая картина

Проявляется заболеванием пеллагра (итал.: pelle agra – шершавая кожа). Проявляется как синдром трех Д:

· деменция (нервные и психические расстройства, слабоумие),

· дерматиты (фотодерматиты),

· диарея (слабость, расстройство пищеварения, потеря аппетита).

При отсутствии лечения заболевание кончается летально. У детей при гиповитаминозе наблюдается замедление роста, похудание, анемия. Антивитамины Фтивазид, тубазид, ниазид – лекарства, используемые для лечения туберкулеза.

Лекарственные формы

Никотинамид и никотиновая кислота.

Витамин В2 (рибофлавин, витамин роста)

Источники

Достаточное количество содержат мясные продукты, печень, почки, молочные продукты, дрожжи. Также витамин образуется кишечными бактериями.

Суточная потребность

2,0-2,5 мг.

Строение

В состав рибофлавина входит флавин – изоаллоксазиновое кольцо с заместителями (азотистое основание) и спирт рибитол.

Строение витамина В₂

Коферментные формы витамина дополнительно содержат либо только фосфорную кислоту – флавинмононуклеотид (ФМН), либо фосфорную кислоту, дополнительно связанную с АМФ – флавинадениндинуклеотид.

Метаболизм

В кишечнике рибофлавин освобождается из состава пищевых ФМН и ФАД, и диффундирует в кровь. В слизистой кишечника и других тканях вновь образуется ФМН и ФАД.

Биохимические функции

Кофермент оксидоредуктаз – обеспечивает перенос 2 атомов водорода в окислительно-восстановительных реакциях.

Витамин содержат:

1. Дегидрогеназы энергетического обмена – пируватдегидрогеназа (окисление пировиноградной кислоты), α- кетоглутаратдегидрогеназа и сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоновых кислот), ацил-КоА-дегидрогеназа (окисление жирных кислот), митохондриальная α-глицеролфосфатдегидрогеназа (челночная система).

2. Оксидазы, окисляющие субстраты с участием молекулярного кислорода.

Гиповитаминоз

Причина

Пищевая недостаточность, хранение пищевых продуктов на свету, фототерапия, алкоголизм и нарушения ЖКТ.

Клиническая картина

В первую очередь страдают высокоаэробные ткани – эпителий кожи и слизистых. Проявляется как сухость ротовой полости, губ и роговицы; хейлоз, т.е. трещины в уголках рта и на губах ("заеды"), глоссит (фуксиновый язык), шелушение кожи в районе носогубного треугольника, мошонки, ушей и шеи, конъюнктивит и блефарит.

Сухость конъюнктивы и ее воспаление ведут к компенсаторному увеличению кровотока в этой зоне и улучшению снабжения ее кислородом, что проявляется как васкуляризация роговицы.

Антивитамины В₂

1. Акрихин (атебрин) – ингибирует функцию рибофлавина у простейших. Используется при лечении малярии, кожного лейшманиоза, трихомониаза, гельминтозов (лямблиоз, тениидоз).

2. Мегафен – тормозит образование ФАД в нервной ткани, используется как седативное средство.

3. Токсофлавин – конкурентный ингибитор флавиновых дегидрогеназ.

Лекарственные формы

Свободный рибофлавин, ФМН и ФАД (коферментные формы).

История развития учения о биологическом окислении

Еще древние философы отмечали взаимосвязь между процессами жизнедеятельности и дыханием. Они также провели параллель между дыханием и горением.

Платон утверждал, что воздух нужен для охлаждения внутреннего жара сгорающего вещества.

Аристотель утверждал, что воздух нужен для поддержания внутреннего горения.

В XVII - XVIII вв широкое признание получила теория горючего начала - флогистона, сформулированная Штаммом. Эта теория объясняла процессы горения выделениями их горящего тела особого невесомого в-ва, и была опровергнута Ломоносовым и Лавуазье, которые открыли закон сохранения энергии.

В XVIII веке с развитием физики газов, с появлением соответствующей аппарутуры стали проводить опыты по сжиганию веществ в замкнутом пространстве. В это время Шталем была сформулирована теория флагистона (горючего начала), согласно которой все вещества, подвергающиеся окислению состоят из оксида и флагистона.

В середине XVIII века было установлено:

1) процесс горения идет в воздушной среде с высокой температурой, дыхание - в среде с пониженной температурой;

2) при дыхании, как и при горении выделяется тепло, но в незначительных количествах;

3) конечные продукты CO₂ и H₂O.

В 1751 году Ломоносов подробно рассмотрел процессы горения и окисления.

В 1774 году Лавуазье повторил опыты Ломоосова и показал, что процессы горения и дыхания идентичны, т. к. образуются идентичные продукты.

Лавуазье назвал дыхание медленным горением и показал процесс сгорания Гл в организме:

C₆H₁₂O₆ + 6O₂ ------> 6CO₂ + 6H₂O + Q

В начале XIX века стали известными катализаторы, с помощью которых осуществлялись процессы окисления. Это были металлы, обладающие «внутренней силой».

В середине XIX века немецкий ученый Шейнбайн, открывший озон, предположил, что в организме образуется озон и он используется в реакциях окисления.

После работ Лавуазье в науке господствовало мнение о тождестве горения и медленного окисления питательных вкществ в организме. Вместе с тем было ясно, что БО протекает в необычных условиях:

- при пониженной температуре;

- без пламени;

- и в присутсвии большого количества H₂O (75% - 80% ткани).

В XIX веке появилось понятие о ферментах и причину своеобразного течения БО попытались объяснить «активацией» кислорода в клетках организма.

Одна из теорий была выдвинута Бахом, который считал, что «активация» молекулярного кислорода происходит в результате разрыва связи и присоединения к ферментам оксигеназам (А), способным к аутооксидации:

O A + O₂ -----> A |

O перекись

O

A | + SH₂ -----> S + A + H₂O₂ O субстарат

3 положения Баха:

1. Наличие высокоактивной оксидазы, но это не было обнаружено.

2.В тканях должна быть высокая концентрация H₂O₂, но это тоже не было обнаружено.

3. Высокая активность ферментов, разлагающих H₂O_2; это было обнаружено, существует 2 фермента:

каталаза

2H₂O₂ ------------> 2H₂O + O₂

Существует и другой механизм разложения H₂O₂:

2GSH + H₂O₂ -----> 2H₂O (пероксидаза) или глутатион |

SH₂ + H₂O₂ -----> S + 2H₂O ---

Эта теория да и все остальные основывались на неправильном представлении об ОВР. Окислительный процесс рассматривался как процесс взаимодействия любого вещества с кислородом. То есть кислород - это окислитеоь.

К концу XIX века с разхвитием физики ядра и накопления знаний о структуре вещества, было установлено, что не все процессы окисления требуют для своей реализации наличие кислорода.

Кроме этого теория Баха основывалась на том, что в организме имеется большое количество ароматических соединений, на самом же деле их очень мало, в оновном глюкоза.

Согласно современных представлений ОВР - это процесс перемещения электронов и протонов от донора (восстановителя) - это процесс окисления - к акцептору (окислителю) - процесс восстановления.

Количественной мерой ОВР является величина ОВП. В начале точки отсчета стандартного потенциала взят ОВП водорода.

В 1912 году была сформулирована теория Палладина-Виланда, согласно которой в организме есть промежуточные вещества, способные акцептировать электроны и протоны от субстрата с последующей передачей электронов и протонов на кислород, по этой теории весь процесс БО можно разбить на 2 этапа:

1) анаэробный - передача электронов и протонов с субстрата на промежуточное вещество;

2) аэробный - передача электронов и протонов с промежуточного вещества на кислород.

Палладин предпологал, что существует несколько промежуточных переносчиков, позволяющих организму поэтапно освобождать химическую энергию и кислород выступает в качестве конечного акцептора электронов и протонов.

1 анаэробный этап:

SH₂ + ----> S +

2 аэробный этап:

½ O_{2 -----> +} H₂O

Роль промежуточных переносчиков (хромогенов) выполняют коферменты (НАД; НАДФ; ФАД; ФМН) оксидоредуктаз.

В последствии развития учения о БО, шло по пути развития знаний о хромогенах.

В 1925 году были открыты гистогематины (цитохромы).

В 1932 году академик Энгельгардт показал, что процесс окисления идет с образованием АТФ (окислительное фосфорилирование).

В 1945 году Ленинджер и Кенеди впервые показали, что процесс окисления веществ, цикл Кребса локализованы в митохондриях.

Современные представления о БО базируются на сущности трактовки ОВП, а также БО основано на общих законах термодинамики:

1 закон - закон сохранения энергии: энергия никуда не исчезает, а только переходит из одной формы в другую, т. е. сохраняется.

2 закон - все тела и химические процессы стремятся к минимуму энергии, к состоянию покоя и беспорядка, т. е. к энтропии.

С термодинамической точки зрения - организм человека - антиэнтропийная машина, открытая система, которая обменивается с окружающей средой веществом и энергией. Основа ее жизнедеятельности - обмен веществ (метаболизм).