Proces biologic de oxidare anaerobă. Oxidarea biologică. Superoxid dismutazele catalizează reacția

Oxidare biologică - Acesta este un set de transformări redox ale diferitelor substanțe din organismele vii. Reacțiile redox sunt reacții care apar cu modificarea stării de oxidare a atomilor datorită redistribuirii electronilor între ei.

Tipuri de procese biologice de oxidare:

1)oxidare aerobă (mitocondrială). conceput pentru a extrage energia nutrienților cu participarea oxigenului și pentru a o acumula sub formă de ATP. Se mai numește și oxidarea aerobă respirația tisulară, deoarece atunci când apare, țesuturile consumă activ oxigen.

2) oxidare anaerobă- Aceasta este o metodă auxiliară de extragere a energiei din substanțe fără participarea oxigenului. Oxidarea anaerobă este de mare importanță atunci când există o lipsă de oxigen, precum și atunci când se efectuează o muncă musculară intensă.

3) oxidare microzomală destinat neutralizării medicamentelor și otrăvurilor, precum și pentru sinteza diferitelor substanțe: adrenalină, norepinefrină, melanină în piele, colagen, acizi grași, acizi biliari, hormoni steroizi.

4) oxidarea radicalilor liberi necesare pentru reglarea reînnoirii și permeabilității membranelor celulare.

Principala cale de oxidare biologică este mitocondrială, asociat cu furnizarea energiei corpului într-o formă disponibilă pentru utilizare. Sursele de energie pentru oameni sunt o varietate de compuși organici: carbohidrați, grăsimi, proteine. Ca urmare a oxidării, nutrienții se descompun în produse finali, în principal CO 2 și H 2 O (descompunerea proteinelor produce și NH 3). Energia eliberată în acest caz se acumulează sub forma energiei legăturilor chimice ale compușilor de înaltă energie, în principal ATP.

Macroergic se numesc compuși organici ai celulelor vii care conțin legături bogate în energie. Hidroliza legăturilor de înaltă energie (indicată printr-o linie sinuoasă ~) eliberează mai mult de 4 kcal/mol (20 kJ/mol). Legăturile macroergice se formează ca urmare a redistribuirii energiei legăturilor chimice în timpul procesului metabolic. Majoritatea compușilor cu energie înaltă sunt anhidride ale acidului fosforic, de exemplu, ATP, GTP, UTP etc. Adenozin trifosfat (ATP) ocupă un loc central printre substanțele cu legături de înaltă energie.

adenină – riboză – P ~ P ~ P, unde P este un rest de acid fosforic

ATP se găsește în fiecare celulă din citoplasmă, mitocondrii și nuclei. Reacțiile biologice de oxidare sunt însoțite de transferul unei grupări fosfat la ADP cu formarea de ATP (acest proces se numește fosforilare). Astfel, energia este stocată sub formă de molecule de ATP și, dacă este necesar, este utilizată pentru a efectua diverse tipuri de lucrări (mecanice, electrice, osmotice) și pentru a efectua procese de sinteză.

Sistem de unificare a substraturilor de oxidare din corpul uman

Utilizarea directă a energiei chimice conținute în moleculele alimentare este imposibilă, deoarece atunci când legăturile intramoleculare sunt rupte, se eliberează o cantitate imensă de energie, ceea ce poate duce la deteriorarea celulelor. Pentru ca substanțele alimentare să intre în organism, acestea trebuie să sufere o serie de transformări specifice, în timpul cărora are loc o descompunere în mai multe etape a moleculelor organice complexe în altele mai simple. Acest lucru face posibilă eliberarea treptată a energiei și stocarea acesteia sub formă de ATP.

Procesul de transformare a diferitelor substanțe complexe într-un singur substrat energetic se numește unificare. Există trei etape de unificare:

1. Etapa pregătitoare apare în tractul digestiv, precum și în citoplasma celulelor corpului . Moleculele mari se descompun în blocurile lor structurale constitutive: polizaharide (amidon, glicogen) - la monozaharide; proteine – la aminoacizi; grăsimi – la glicerol și acizi grași. Aceasta eliberează o cantitate mică de energie (aproximativ 1%), care este disipată sub formă de căldură.

2. Transformări tisulareîncepe în citoplasma celulelor și se termină în mitocondrii. Se formează și molecule mai simple, iar numărul tipurilor lor este redus semnificativ. Produșii rezultați sunt comuni căilor metabolice ale diferitelor substanțe: piruvat, acetil-coenzima A (acetil-CoA), α-cetoglutarat, oxaloacetat etc. Cel mai important dintre acești compuși este acetil-CoA - un reziduu de acid acetic, pentru a de care S este atașat printr-o legătură de înaltă energie prin sulf Coenzima A este forma activă a vitaminei B 3 (acid pantotenic). Procesele de descompunere a proteinelor, grăsimilor și carbohidraților converg în stadiul de formare a acetil-CoA, formând ulterior un singur ciclu metabolic. Această etapă se caracterizează printr-o eliberare parțială (până la 20%) de energie, din care o parte se acumulează sub formă de ATP, iar o parte este disipată sub formă de căldură.

3. Stadiul mitocondrial. Produsele formate în a doua etapă intră în sistemul oxidativ ciclic - ciclul acidului tricarboxilic (ciclul Krebs) și lanțul respirator mitocondrial asociat. În ciclul Krebs, acetil-CoA este oxidat la CO2 și hidrogenul legat de purtători - NAD + H2 și FAD H2. Hidrogenul intră în lanțul respirator al mitocondriilor, unde este oxidat de oxigen la H 2 O. Acest proces este însoțit de eliberarea a aproximativ 80% din energia legăturilor chimice ale substanțelor, din care o parte este folosită pentru formarea ATP, iar o parte este eliberată sub formă de căldură.

		Carbohidrați (polizaharide)
I pregătitoare; 1% din energia nutritivă este eliberată (sub formă de căldură);	aminoacizi		glicerol, acid gras
II transformări tisulare; 20% energie sub formă de căldură și ATP	acetil-CoA (CH3-CO~SKoA)
stadiul III mitocondrial; 80% energie (aproximativ jumătate este sub formă de ATP, restul este sub formă de căldură).	Ciclul acidului tricarboxilic Lanțul respirator al mitocondriilor O2

Clasificarea și caracteristicile principalelor oxidoreductaze din țesuturi

O caracteristică importantă a oxidării biologice este că aceasta are loc sub acțiunea anumitor enzime (oxidoreductaza). Toate enzimele necesare pentru fiecare etapă sunt combinate în ansambluri, care, de regulă, sunt fixate pe diferite membrane celulare. Ca urmare a acțiunii coordonate a tuturor enzimelor, transformările chimice sunt efectuate treptat, ca pe o bandă transportoare. În acest caz, produsul de reacție dintr-o etapă este compusul de pornire pentru etapa următoare.

Clasificarea oxidoreductazelor:

1. Dehidrogenazele efectuați îndepărtarea hidrogenului de pe substratul oxidat:

SH2 + A → S +AH2

În procesele care implică recuperarea energiei, cel mai comun tip de reacție biologică de oxidare este dehidrogenare, adică desprinderea a doi atomi de hidrogen de pe substratul oxidat și transferul lor la oxidant. De fapt, hidrogenul în sistemele vii nu se găsește sub formă de atomi, ci este suma unui proton și a unui electron (H + și ē), ale căror căi de mișcare sunt diferite.

Dehidrogenazele sunt proteine complexe; coenzimele lor (partea neproteică a unei enzime complexe) pot fi atât un agent oxidant, cât și un agent reducător. Prin preluarea hidrogenului din substraturi, coenzimele se transformă într-o formă redusă. Formele reduse de coenzime pot dona protoni și electroni de hidrogen unei alte coenzime care are un potențial redox mai mare.

1) TERMINAT + - și NADP + -dehidrogenaze dependente(coenzime - NAD + și NADP + - forme active de vitamina PP ). Se adaugă doi atomi de hidrogen din substratul oxidat SH2, rezultând formarea unei forme reduse - NAD + H2:

SH 2 + NAD + ↔ S + NAD + H 2

2) Dehidrogenaze dependente de FAD(coenzimele FAD și FMN sunt forme active ale vitaminei B2). Abilitățile de oxidare ale acestor enzime le permit să accepte hidrogen atât direct din substratul oxidant, cât și din NADH 2 redus. În acest caz, se formează forme reduse de FAD·H2 şi FMN·H2.

SH 2 + FAD ↔ S + FAD N 2

NAD + H 2 + FMN ↔ NAD + + FMN H 2

3) coenzimaQsau ubichinona, care poate dehidrogena FAD H 2 și FMN H 2 și poate adăuga doi atomi de hidrogen, transformându-se în KoQ H 2 ( hidrochinonă):

FMN H 2 + KoQ ↔ FMN + KoQ H 2

2. Purtători de electroni hemin care conțin fier – citocromib, c 1 , c, a, a 3 . Citocromii sunt enzime aparținând clasei de cromoproteine (proteine colorate). Este reprezentată partea neproteică a citocromilor heme, conținând fier și apropiată ca structură de hemul hemoglobinei. O moleculă de citocrom este capabilă să accepte reversibil un electron, iar starea de oxidare a fierului se modifică:

citocrom(Fe 3+) + ē ↔ citocrom(Fe 2+)

Citocromi a, a 3 formează un complex numit citocrom oxidaza. Spre deosebire de alți citocromi, citocrom oxidaza este capabilă să interacționeze cu oxigenul, acceptorul final de electroni.

Toate organismele vii, în funcție de sursele de energie utilizate pentru viață, sunt împărțite în autotrofe (folosind energia luminii solare) și heterotrofe (folosind energia legăturilor chimice). Energia se obține în celulele organismelor heterotrofe prin oxidarea compușilor organici complecși: carbohidrați, grăsimi, proteine, pe care organismele le primesc din mediul extern, adică. sub forma legăturilor lor chimice, animalele consumă energie din mediu. Aceste substanțe sunt resursele energetice ale celulelor organismelor heterotrofe.

A evidentia trei etape de extracție energie din ele (Fig. 1):

1. Diviziunea moleculelor de polimer în monomeri. În această etapă, nu există nicio eliberare de energie utilă din punct de vedere biologic. Aproximativ 1% din energie este eliberată și disipată sub formă de căldură.

2. Scindarea monomerilor cu formarea principalelor produse intermediare - piruvat, acetil-CoA. Aici, 20% din energie este eliberată prin stocarea ei în legături de mare energie de ATP și disiparea parțială sub formă de căldură.

3. Oxidarea acetil-CoA în ciclul acidului tricarboxilic la CO 2 și H 2 O și eliberarea hidrogenilor atomici, urmată de oxidarea acestora de către oxigen în lanțul respirator al enzimelor asociate cu sinteza ATP. Aici se eliberează 80% din energie, cea mai mare parte (aproximativ 60%) este stocată sub formă de ATP.

Orez. 1. Principalele etape ale oxidării biologice asociate cu fosforilarea.

Clasificarea proceselor biologice de oxidare.

Procesele de oxidare biologică pot fi împărțite în două tipuri principale:

1.Oxidare liberă– oxidare, în care toată energia reacției de oxidare este eliberată exclusiv sub formă de căldură. Aceste procese nu sunt asociate cu sinteza ATP, de exemplu. nu există nicio conversie a energiei eliberate în timpul oxidării în energia legăturilor de înaltă energie. Oxidarea liberă joacă un rol de susținere - servește la producerea de căldură și la detoxifierea produselor metabolice dăunătoare.

Toate reacțiile oxigenazei, toate reacțiile oxidative accelerate de peroxidaze sau însoțite de formarea de H 2 O 2 și multe reacții catalizate de oxidaze se desfășoară în funcție de tipul de oxidare liberă.

Procesele de oxidare liberă sunt concentrate în citosol, în membranele reticulului endoplasmatic al celulei, în membranele lizozomilor, peroxizomilor și aparatului Golgi, pe membranele exterioare ale mitocondriilor și cloroplastelor, în aparatul nuclear al celulei.

2. Oxidarea conjugată- oxidare, în care energia reacției oxidative este utilizată pentru sinteza ATP. Prin urmare, acest tip de oxidare se numește oxidare cuplată cu fosforilarea ADP. Se poate face în două moduri.

Dacă, în timpul oxidării unui substrat, se formează un compus de înaltă energie, a cărui energie este utilizată pentru sinteza ATP, atunci acest tip de oxidare biologică se numește fosforilarea substratului sau fosforilarea la nivelul substratului sau oxidarea cuplată cu fosforilarea ADP la nivelul substratului. Un exemplu de astfel de reacții sunt 2 reacții de glicoliză: conversia acidului 1,3-difosfogliceric în acid 3-fosfogliceric și fosfoenolpiruvat (PEP) în piruvat, precum și reacția ciclului Krebs - hidroliza succinil-CoA în succinat. Aceste reacții apar în combinație cu sinteza ATP.

Dacă procesele de oxidare care au loc în lanțul respirator al enzimelor de pe membrana interioară a mitocondriilor, unde are loc transferul de protoni și electroni de la substratul oxidat la oxigen, este asociată cu sinteza ATP, atunci acest tip de oxidare biologică se numește fosforilarea oxidativă sau fosforilarea la nivelul lanțului de transport de electroni.

Schema de clasificare a oxidarii biologice

Oxidarea biologică

Oxidare liberă Oxidare conjugată

Substrat oxidativ

fosforilare fosforilare

Fosforilarea oxidativă utilizează reacții de dehidrogenare a substratului oxidat, urmate de transferul atomilor de hidrogen (protoni și electroni) la oxigen cu participarea oxidoreductazelor. Transferul hidrogenului în oxigen are loc printr-un număr de sisteme redox, care sunt aranjate într-o secvență strictă - în conformitate cu valoarea potențialului lor. Această secvență de reacții asociată cu transferul de hidrogen la oxigen cu participarea unor purtători de electroni specifici se numește lanț respirator (sau transport de electroni).. La animale și la oameni, este compus din patru tipuri principale de purtători, fiecare dintre ele capabil să sufere o oxidare și o reducere reversibilă ca urmare a pierderii și câștigului de electroni atunci când interacționează cu un alt purtător.

Orez. 2. Poziția relativă a componentelor lanțului respirator, indicând locurile de fosforilare și inhibitori specifici.

Fără energie, nicio creatură vie nu poate exista. La urma urmei, fiecare reacție chimică, orice proces necesită prezența sa. Este ușor pentru oricine să înțeleagă și să simtă acest lucru. Dacă nu mănânci mâncare toată ziua, atunci până seara, și posibil mai devreme, vor începe simptomele de oboseală crescută, letargia și puterea ta va scădea semnificativ.

Cum s-au adaptat diferitele organisme pentru a obține energie? De unde provine și ce procese au loc în interiorul celulei? Să încercăm să ne dăm seama în acest articol.

Producția de energie de către organisme

Indiferent de modul în care creaturile consumă energie, baza este întotdeauna diferită.Se pot da exemple. Ecuația pentru fotosinteză, care este efectuată de plante verzi și unele bacterii, este, de asemenea, OVR. Desigur, procesele vor diferi în funcție de ceea ce înseamnă ființa vie.

Deci, toate animalele sunt heterotrofe. Adică, organisme care nu sunt capabile să formeze în mod independent compuși organici gata pregătiți în sine pentru descompunerea lor ulterioară și eliberarea energiei legăturilor chimice.

Plantele, dimpotrivă, sunt cel mai puternic producător de materie organică de pe planeta noastră. Ei desfășoară un proces complex și important numit fotosinteză, care constă în formarea glucozei din apă și dioxid de carbon sub influența unei substanțe speciale - clorofila. Produsul secundar este oxigenul, care este sursa vieții pentru toate viețuitoarele aerobe.

Reacții redox, dintre care exemple ilustrează acest proces:

6C02 + 6H2O = clorofilă = C6H10O6 + 6O2;

dioxid de carbon + sub influența pigmentului clorofilei (reacție enzimatică) = monozaharid + oxigen molecular liber.

Există, de asemenea, reprezentanți ai biomasei planetei care sunt capabili să folosească energia legăturilor chimice ale compușilor anorganici. Se numesc chimiotrofe. Acestea includ multe tipuri de bacterii. De exemplu, microorganismele cu hidrogen care oxidează moleculele substratului din sol. Procesul are loc după formula: 2H 2 +0 2 = 2H 2 0.

Istoria dezvoltării cunoștințelor despre oxidarea biologică

Procesul care stă la baza producerii de energie este binecunoscut astăzi. oxidare. Biochimia a studiat subtilitățile și mecanismele tuturor etapelor de acțiune atât de detaliat încât aproape că nu mai există mistere. Cu toate acestea, acesta nu a fost întotdeauna cazul.

Prima mențiune despre faptul că în interiorul ființelor vii au loc transformări complexe, care sunt reacții chimice în natură, a apărut în jurul secolului al XVIII-lea. În acest moment, Antoine Lavoisier, celebrul chimist francez, și-a îndreptat atenția asupra cât de asemănătoare sunt oxidarea biologică și arderea. El a trasat calea aproximativă a oxigenului absorbit în timpul respirației și a ajuns la concluzia că procesele de oxidare au loc în interiorul corpului, doar mai lent decât în exterior în timpul arderii diferitelor substanțe. Adică, agentul de oxidare - moleculele de oxigen - reacționează cu compușii organici, și în special cu hidrogenul și carbonul din aceștia, și are loc o transformare completă, însoțită de descompunerea compușilor.

Cu toate acestea, deși această presupunere este destul de realistă în esență, multe lucruri au rămas neclare. De exemplu:

deoarece procesele sunt similare, atunci condițiile pentru apariția lor ar trebui să fie identice, dar oxidarea are loc la temperatură scăzută a corpului;
acțiunea nu este însoțită de eliberarea unei cantități colosale de energie termică și nu are loc formarea de flăcări;
Creaturile vii conțin cel puțin 75-80% apă, dar acest lucru nu interferează cu „arderea” nutrienților din ele.

A fost nevoie de mulți ani pentru a răspunde la toate aceste întrebări și a înțelege ce este de fapt oxidarea biologică.

Au existat diferite teorii care au implicat importanța prezenței oxigenului și hidrogenului în proces. Cele mai comune și cele mai de succes au fost:

teoria lui Bach, numită teoria peroxidului;
Teoria lui Palladin, bazată pe conceptul de „cromogeni”.

Ulterior, au existat mult mai mulți oameni de știință, atât în Rusia, cât și în alte țări ale lumii, care au făcut treptat completări și modificări la întrebarea ce este oxidarea biologică. Biochimia timpurilor moderne, datorită lucrărilor lor, poate spune despre fiecare reacție a acestui proces. Unele dintre cele mai cunoscute nume din acest domeniu includ următoarele:

Mitchell;
S. V. Severin;
Warburg;
V. A. Belitser;
Leninger;
V. P. Skulachev;
Krebs;
Verde;
V. A. Engelhardt;
Kaylin și alții.

Tipuri de oxidare biologică

Putem distinge două tipuri principale de proces luat în considerare, care apar în condiții diferite. Astfel, cea mai comună metodă de transformare a alimentelor primite printre multe tipuri de microorganisme și ciuperci este anaerobă. Aceasta este o oxidare biologică care are loc fără acces la oxigen și fără participarea acestuia sub nicio formă. Condiții similare se creează acolo unde nu există acces la aer: subteran, în substraturi putrezite, nămol, lut, mlaștini și chiar în spațiu.

Acest tip de oxidare are o altă denumire - glicoliză. Este, de asemenea, una dintre etapele unui proces mai complex și mai laborios, dar bogat în energie - transformarea aerobă sau respirația tisulară. Acesta este al doilea tip de proces luat în considerare. Apare la toate creaturile heterotrofe vii aerobe care folosesc oxigenul pentru respirație.

Astfel, tipurile de oxidare biologică sunt următoarele.

Glicoliza, cale anaerobă. Nu necesită prezența oxigenului și se termină în diferite forme de fermentație.
Respirație tisulară (fosforilare oxidativă) sau de tip aerob. Necesită prezența oxigenului molecular.

Participanții la proces

Să trecem la a lua în considerare în mod direct caracteristicile în sine pe care le conține oxidarea biologică. Să definim principalii compuși și abrevierile lor, pe care îi vom folosi în viitor.

Acetil coenzima A (acetil-CoA) este un condensat de acid oxalic și acetic cu o coenzimă, format în prima etapă a ciclului acidului tricarboxilic.
Ciclul Krebs (ciclul acidului citric, acizii tricarboxilici) este o serie de transformări redox secvențiale complexe, însoțite de eliberarea de energie, reducerea hidrogenului și formarea unor produși importanți cu un nivel molecular scăzut. Este veriga principală în cata- și anabolism.
NAD și NAD*H sunt enzime dehidrogenază, care reprezintă nicotinamidă adenin dinucleotida. A doua formulă este o moleculă cu hidrogen atașat. NADP - nicotinamidă adenin dinucleotidă fosfat.
FAD și FAD*H - flavin adenin dinucleotide - coenzima dehidrogenazelor.
ATP – acid adenozin trifosforic.
PVA = acid piruvic sau piruvat.
Succinat sau acid succinic, H3PO4 - acid fosforic.
GTP este guanozin trifosfat, o clasă de nucleotide purinice.
ETC este un lanț de transport de electroni.
Enzime de proces: peroxidaze, oxigenaze, citocrom oxidaze, flavin dehidrogenaze, diverse coenzime și alți compuși.

Toți acești compuși sunt participanți direcți la procesul de oxidare care are loc în țesuturile (celulele) organismelor vii.

Etapele oxidării biologice: tabel

Etapă	Procese și semnificație
Glicoliza	Esența procesului este descompunerea fără oxigen a monozaharidelor, care precede procesul de respirație celulară și este însoțită de o eliberare de energie egală cu două molecule de ATP. Se formează și piruvat. Aceasta este etapa inițială pentru orice organism heterotrof viu. Semnificație în formarea PVC, care pătrunde în cresta mitocondriilor și este un substrat pentru oxidarea țesuturilor de către oxigen. La anaerobi, după glicoliză, au loc procese de fermentație de diferite tipuri.
Oxidarea piruvatului	Acest proces implică conversia PVK, formată în timpul glicolizei, în acetil-CoA. Se efectuează folosind un complex enzimatic specializat piruvat dehidrogenază. Rezultatul sunt molecule cetil-CoA care intră în același proces în care NAD este redus la NADH. Locația este cresta mitocondrială.
Defalcarea acizilor grași beta	Acest proces se realizează în paralel cu cel anterior pe cresta mitocondriilor. Esența sa este de a transforma toți acizii grași în acetil-CoA și de a-i introduce în ciclul acidului tricarboxilic. Acest lucru reduce, de asemenea, NADH.
Ciclul Krebs	Începe cu conversia acetil-CoA în acid citric, care suferă transformări ulterioare. Una dintre cele mai importante etape care include oxidarea biologică. Acest acid este supus: dehidrogenare; decarboxilare; regenerare. Fiecare proces este efectuat de mai multe ori. Rezultat: GTP, dioxid de carbon, formă redusă de NADH și FADH 2. În acest caz, enzimele de oxidare biologică sunt localizate liber în matricea particulelor mitocondriale.
Fosforilarea oxidativă	Aceasta este ultima etapă a transformării compușilor în organismele eucariote. În acest caz, adenozin difosfatul este transformat în ATP. Energia necesară pentru aceasta este preluată din oxidarea acelor molecule de NADH și FADH 2 care s-au format în etapele anterioare. Prin tranziții succesive de-a lungul ETC și o scădere a potențialului, energia se încheie în legături de înaltă energie ale ATP.

Acestea sunt toate procesele care însoțesc oxidarea biologică cu participarea oxigenului. Desigur, ele nu sunt descrise în întregime, ci doar în esență, deoarece o descriere detaliată necesită un întreg capitol al cărții. Toate procesele biochimice ale organismelor vii sunt extrem de multiple și complexe.

Procesul reacțiilor redox

Reacțiile redox, exemple ale cărora pot ilustra procesele de oxidare a substratului descrise mai sus, sunt după cum urmează.

Glicoliza: monozaharidă (glucoză) + 2NAD + + 2ADP = 2PVK + 2ATP + 4H + + 2H 2 O + NADH.
Oxidarea piruvatului: PVA + enzimă = dioxid de carbon + acetaldehidă. Apoi următorul pas: acetaldehidă + Coenzima A = acetil-CoA.
Multe transformări secvențiale ale acidului citric în ciclul Krebs.

Aceste reacții redox, dintre care exemple sunt date mai sus, reflectă esența proceselor care au loc doar într-o formă generală. Se știe că compușii în cauză au greutate moleculară mare sau au un schelet mare de carbon, așa că pur și simplu nu este posibil să descrii totul cu formule complete.

Producția de energie a respirației tisulare

Din descrierile de mai sus, este evident că nu este dificil să se calculeze randamentul total de energie al tuturor oxidării.

Glicoliza produce două molecule de ATP.
Oxidarea piruvatului cu 12 molecule de ATP.
Există 22 de molecule în ciclul acidului tricarboxilic.

Rezultat: oxidarea biologică completă prin calea aerobă dă o producție de energie egală cu 36 de molecule de ATP. Importanța oxidării biologice este evidentă. Este această energie pe care organismele vii o folosesc pentru viață și funcționare, precum și pentru încălzirea corpului, mișcare și alte lucruri necesare.

Oxidarea anaerobă a substratului

Al doilea tip de oxidare biologică este anaerobă. Adică cea care apare la toată lumea, dar care se limitează la anumite tipuri de microorganisme. și tocmai din acest punct pot fi observate clar diferențele în transformarea ulterioară a substanțelor între aerobi și anaerobi.

Etapele oxidării biologice de-a lungul acestei căi sunt puține.

Glicoliza, adică oxidarea unei molecule de glucoză la piruvat.
Fermentarea care duce la regenerarea ATP.

Fermentația poate fi de diferite tipuri, în funcție de organismele care o desfășoară.

Fermentarea acidului lactic

Este realizat de bacterii lactice, precum și de unele ciuperci. Ideea este de a reduce PVA la acid lactic. Acest proces este utilizat în industrie pentru a obține:

produse lactate fermentate;
legume și fructe murate;
siloz pentru animale.

Acest tip de fermentație este unul dintre cele mai utilizate pentru nevoile umane.

Fermentația alcoolică

Cunoscut de oameni din cele mai vechi timpuri. Esența procesului este transformarea PVC-ului în două molecule de etanol și două molecule de dioxid de carbon. Datorită randamentului acestui produs, acest tip de fermentație este utilizat pentru a obține:

de pâine;
vinovăţie;
bere;
cofetărie și alte lucruri.

Este realizat de ciuperci, drojdii și microorganisme de natură bacteriană.

Fermentarea acidului butiric

Un tip de fermentație destul de specific. Este realizat de bacterii din genul Clostridium. Esența este conversia piruvatului în acid butiric, care conferă alimentelor un miros neplăcut și un gust rânced.

Prin urmare, reacțiile de oxidare biologică care urmează această cale practic nu sunt utilizate în industrie. Cu toate acestea, aceste bacterii inoculează în mod independent produsele alimentare și provoacă daune, reducându-le calitatea.

Organismele vii nu pot exista fără energie. Fiecare proces, fiecare reacție chimică o cere. Multe ființe vii, inclusiv oamenii, pot obține energie din alimente. Merită să înțelegem în detaliu de unde provine energia și ce reacții au loc în acest moment în celulele organismelor vii.

Semnificația oxidării biologice și istoria cercetării acesteia

Baza producerii de energie este procesul de oxidare biologică. Acum a fost studiat, chiar a fost creată o întreagă știință care se ocupă de toate subtilitățile și mecanismele procesului - biochimia. Oxidarea biologică este un set de transformări redox ale substanțelor din viețuitoare. Reacțiile redox sunt reacții care apar cu modificarea stării de oxidare a atomilor datorită redistribuirii electronilor între ei.

Primele presupuneri ale oamenilor de știință că procesele complexe au loc în interiorul fiecărui organism viu au fost prezentate în secolul al XVIII-lea. Problema a fost studiată de chimistul francez Antoine Lavoisier, care a atras atenția asupra faptului că procesele de ardere și oxidare biologică sunt similare între ele.

Omul de știință a trasat calea oxigenului, care este absorbit de un organism viu în timpul procesului de respirație și a concluzionat că în organism are loc un proces de oxidare, care amintește de procesul de ardere, dar care decurge mai lent. Lavoisier a descoperit că moleculele de oxigen (un agent oxidant) interacționează cu compuși organici care conțin carbon și hidrogen. Rezultatul este absolut, în care compușii se descompun.

Unele puncte din procesul de studiu a problemei au rămas neclare pentru oamenii de știință:

de ce oxidarea are loc la temperatură scăzută a corpului, spre deosebire de procesul similar de ardere;
de ce oxidarea nu este însoțită de eliberarea flăcării și nu de o eliberare mare de energie eliberată;
cum pot „arde” nutrienții în organism dacă corpul este format în aproximativ 80% apă.

Oamenii de știință le-a luat mai mult de un an pentru a răspunde la aceste întrebări și la multe alte întrebări, precum și pentru a înțelege ce este oxidarea biologică. Până în prezent, chimiștii au studiat: legătura dintre respirație și alte procese metabolice, incl. procesul de fosforilare. În plus, oamenii de știință au studiat proprietățile enzimelor care catalizează reacțiile biologice de oxidare; localizare în celulă; mecanism de acumulare și transformare a energiei.

O modalitate mai complexă de transformare a nutrienților în energie este oxidarea biologică aerobă sau respirația tisulară. Această reacție are loc la toate organismele aerobe care folosesc oxigen în timpul respirației. Metoda aerobă de oxidare biologică este imposibilă fără oxigen molecular.

Căi de oxidare biologică și participanți la proces

Pentru a înțelege în sfârșit care este procesul de oxidare biologică, ar trebui să luăm în considerare etapele acestuia.

Glicoliza- aceasta este descompunerea fără oxigen a monozaharidelor, care precede procesul de respirație celulară și este însoțită de eliberarea de energie. Această etapă este etapa inițială pentru fiecare organism heterotrof. După glicoliză, anaerobii încep procesul de fermentație.

Oxidarea piruvatului consta in transformarea acidului piruvic, obtinut in timpul glicolizei, in acetil coenzima. Reacția are loc cu ajutorul complexului enzimatic piruvat dehidrogenază. Localizare – cresta mitocondrială.

Defalcarea acizilor grași beta are loc în paralel cu oxidarea piruvatului pe cresta mitocondriilor. Scopul este de a converti toți acizii grași în acetil coenzimă și de a o plasa în ciclul acidului tricarboxilic.

Ciclul Krebs: mai întâi coenzima acetil este transformată în acid citric, apoi suferă transformări ulterioare (dehidrogenare, decarboxilare și regenerare). Toate procesele sunt repetate de mai multe ori.

Fosforilarea oxidativă- etapa finală de transformare a compuşilor în organismele eucariote. Adenozin difosfatul este transformat în acid adenozin trifosforic. Energia necesară pentru aceasta provine din oxidarea moleculelor de enzimă dehidrogenază și coenzima dehidrogenază formate în etapele anterioare. Apoi, energia este conținută în legăturile de înaltă energie ale acidului adenozin trifosforic.

ATP

Astfel, oxidarea substanțelor se realizează în următoarele moduri:

extragerea hidrogenului din substrat, care este oxidat (proces de dehidrogenare);
donarea unui electron de către substrat;
adăugarea de oxigen la substrat.

În celulele organismelor vii se găsesc toate tipurile enumerate de reacții oxidative, catalizate de enzimele corespunzătoare - oxidoreductaze. Procesul de oxidare nu are loc izolat; este asociat cu o reacție de reducere: reacțiile de adaos de hidrogen sau electroni au loc simultan, adică au loc reacții redox. Procesul de oxidare este fiecare, care este însoțit de eliberarea de electroni cu stări de oxidare în creștere (atomul oxidat are o stare de oxidare mai mare). Odată cu oxidarea unei substanțe, poate apărea și reducerea - adăugarea de electroni la atomii unei alte substanțe.

Oxidarea biologică – este un set de reacții redox care apar în organismele vii. Acestea reprezintă aproximativ 99% din aprovizionarea totală cu energie a organismului. Cu ajutorul proceselor redox din organism, unele substanțe toxice formate ca urmare a metabolismului (de exemplu, peroxidul de hidrogen) sunt și ele distruse.

De pe vremea chimistului francez A. Lavoisier, oxidarea în organism identificat cu ardere, deoarece produsele de oxidare și ardere a glucozei (CO 2 și H 2 O) și cantitatea de energie eliberată (aproximativ 2850 kJ/mol) s-au dovedit a fi aceleași.

Cu toate acestea, între oxidarea biologică și ardere există diferențe fundamentale:

1. Oxidarea biologică are loc în condiții blânde (temperatura corpului, presiune constantă și pH).

2. În timpul oxidării biologice, energia este eliberată în etape, iar o parte din aceasta se acumulează în compuși cu energie înaltă, în timpul arderii, energia este eliberată imediat și disipată sub formă de căldură.

3. Oxidarea biologică apare mai intens în organele și țesuturile cu conținut ridicat de apă.

Reacțiile redox apar în corpul animalelor în următoarele etape:

1. Formarea acetil-CoA (în timpul oxidării monozaharidelor, glicerolului, acizilor grași, aminoacizilor);

2. Oxidarea acetil-CoA în ciclul acidului tricarboxilic cu formarea de CO 2 și coenzime reduse NADH (H +) și FADH 2;

3. Oxidarea cu hidrogen a coenzimelor reduse NADH (H +) și FADH 2 din lanțul respirator cu formare de apă și ATP.

· LANȚUL RESPIRATOR CONECTAT CU TRANSFORMAREA ENERGIEI.

Există 2 tipuri de lanț respirator - 1) asociat cu transformarea energiei sau fosforilarea oxidativăși 2) nu sunt asociate cu transformarea energiei sau oxidare liberă.

Lanțul respirator asociat cu transformarea energiei este localizat în membrana interioară a mitocondriilor. Include 4 complexe enzimatice: I - NADH (H +) - CoQ oxidoreductaza, II - succinat - CoQ oxidoreductaza, III - CoQ - citocrom c oxidoreductaza si IV - citocrom oxidaza. În timpul funcționării unui astfel de lanț respirator, electronii sunt transferați de la coenzimele reduse NADH (H +) și FADH 2 la oxigenul molecular, cuplat cu sinteza ATP.

Sursa NADH(H +) și FADH 2 sunt reacții de dehidrogenază care au loc după următoarea schemă:

SН2 + NAD +® S + NADH(H+); SН 2 + FAD ® S + FADN 2

Cele mai comune substraturi sunt acidul piruvic, acidul glutamic și metaboliții intermediari ai ciclului TCA (acid izocitric, acid a-cetoglutaric, acid malic).

Secvența transferului de electroni în lanțul respirator de la NADH (H +) și FADH 2 la oxigenul molecular poate fi reprezentată sub formă de diagramă:

Succinat ® FADN 2

Proteine fier-sulf

NADH(H +) ® FMN ® proteină fier-sulf ® CoQ (ubichinonă) ® citocrom b ® proteină fier-sulf ® citocrom c 1 ® citocrom c ® citocrom a ® citocrom a 3 ® O 2

Ordinea de aranjare a componentelor în lanțul respirator depinde de mărimea potențialului lor redox. Fiecare componentă ulterioară se caracterizează printr-o capacitate de oxidare mai mare.

Complexele III și IV includ proteine complexe din grupul de cromoproteine - citocromilor. Grupul lor protetic este aproape de hem și conține fier. Cu toate acestea, spre deosebire de hemoglobina, care are fier divalent, citocromii conțin fier, care se poate schimba de la starea divalentă (redusă) la starea trivalentă (oxidată) și înapoi.

Acceptorul final de electroni este O2. Reducerea oxigenului în apă are loc după următoarea schemă:

2H + + 2 e + 1/2 O 2 ® H 2 O sau 4 H ++ 4 e + O 2 ® 2 H 2 O

Ionii H+ pentru formarea apei sunt prelevați din matricea mitocondrială.

Conform chemiosmotic Teoria lui P. Mitchell, cuplarea transferului de electroni și sinteza ATP este asigurată de gradientul potențialului electrochimic al ionilor de hidrogen (Fig. 3) Dm H +, care constă din două componente - diferența de potențial electric (Dj) și diferenta in concentratiile ionilor de hidrogen - D pH. Transferul de electroni de-a lungul lanțului respirator duce la eliberarea de protoni din matrice către partea citoplasmatică a membranei mitocondriale interioare unde, astfel, crește concentrația ionilor de hidrogen. Ca urmare, generarea de DрН (alcalinizare în matrice și acidificare pe partea exterioară a membranei mitocondriale interioare) și Dj (apare diferența de potențial electric, iar partea membranei interioare care este în fața matricei capătă o sarcină negativă și partea care este orientată spre spațiul intermembranar capătă o sarcină pozitivă ). Gradientul de protoni este utilizat pentru sinteza ATP, care se realizează folosind complexul enzimatic ATP sintetază în timpul întoarcerii protonilor în matricea mitocondrială.

Eliberarea de protoni are loc în 3 puncte ale fluxului de electroni de-a lungul lanțului respirator de la NADH (H +) la O 2 - în complexele I, III și IV; Punctul 1 - NADH (H +) - CoQ - complex oxidoreductază; Punctul 2 - CoQ - citocrom c - complex oxidoreductază; al 3-lea - complex de citocrom oxidază. Gradientul de protoni generat în fiecare dintre aceste puncte prin transferul unei perechi de electroni de la NADH(H+) la O2 este utilizat pentru a sintetiza o moleculă de ATP (ADP + H3PO4®ATP). Oxidarea unei molecule de NADH(H+) produce 3 ATP, în timp ce oxidarea FADH 2 - 2 ATP (energia eliberată în timpul funcționării complexului succinat-CoQ oxidoreductază nu este suficientă pentru sinteza ATP, adică transformarea energiei nu este suficientă). nu apar aici).

Fig.3. Schema transferului de protoni de hidrogen în mitocondrii.

Prin urmare, fosforilarea oxidativă este procesul de transfer de electroni de la coenzimele reduse NADH (H +) și FADH 2 la oxigenul molecular, asociat cu sinteza ATP. Fosforilarea oxidativă este adesea caracterizată de raportul P:O (numărul de moli de fosfat anorganic utilizat pentru a sintetiza ATP per atom de oxigen consumat).

Viteza de fosforilare oxidativă depinde, în primul rând, de conținutul de ADP: cu cât ATP este consumat mai repede pentru nevoile organismului, cu atât se acumulează mai mult ADP și cu atât este mai mare necesarul de energie și, prin urmare, pentru sinteza ATP. Acumularea de ATP este însoțită în mod natural de o scădere a conținutului de ADP, iar rata de formare a ATP va scădea și ea. Cu cererea limitată de ATP, scade și rata de descompunere oxidativă a substraturilor. Reglarea vitezei de fosforilare oxidativă prin conținutul de ATP se numește controlul respirator.

· FOSFORILARE SUBSTRAT

Fosforilarea substratului este un mecanism alternativ pentru formarea ATP, deoarece nu necesită formarea de DmH +. În timpul oxidării substraturilor, se formează compuși de înaltă energie, ruperea legăturii de înaltă energie în care este asociată cu fosforilarea ADP (adică cu sinteza ATP).

Exemplu de fosforilare a substratului:

C – H + NAD + C - O ~ P = O COOH

| + H3PO4 | | +ADF |

H – C – OH OH ¾¾¾® H – C – OH OH OH ¾¾¾¾® N – C – OH OH

| | -NADH(H+) | | -ATP | |

CH 2 O - P = O CH 2 – O - P = O CH 2 – O – P = O

GA – 3 – F 1,3 – DPG 3 – FOSFOGLICERAT (3-FG)

În timpul procesului de glicoliză, energia eliberată în timpul oxidării gliceraldehidei-3-fosfatului (GA-3-P) se acumulează în legătura de înaltă energie a 1,3-difosfogliceratului (1,3-DPG). Scindarea acestei legături este asociată ulterior cu fosforilarea ADP, rezultând formarea de ATP.

· COMPUȘI MACROERGIC

Energia, înainte de a fi folosită pentru nevoile organismului, se acumulează în compuși de înaltă energie. Hidroliza unor astfel de compuși este însoțită de eliberarea unei cantități mari de energie (peste 7 kcalmol). Acestea includ nucleozide trifosfați, acil fosfați, enol fosfați, tioesteri și fosfageni.

Nucleozidici trifosfați(ATP, GTP, CTP, UTP) fiecare conține 2 legături de înaltă energie.

ATP (Fig. 4) este principalul donator de energie liberă utilizat direct în sistemele biologice.

Fig.4. Structura ATP.

Hidroliza ATP poate avea loc în două moduri:

1) ATP + H2O® ADP + H3PO4;

2) ATP + H2O® AMP + H4P2O7

În ambele cazuri, în condiții standard, se eliberează 7,3 kcalmol de energie (în condițiile care există în mod normal în celulă, aproximativ 12 kcalmol).

Energia eliberată în timpul hidrolizei ATP este utilizată pentru procesele de biosinteză a substanțelor complexe din cele mai simple, în timpul contracției musculare, pentru transportul activ al moleculelor și ionilor (Fig. 5).

Fig.5. Principalele moduri de utilizare a energiei ATP.

Exemplu acil fosfat este 1,3-difosfoglicerat, care este un produs intermediar al glicolizei (hidroliza acestuia eliberează 11,8 kcalmol de energie).

C - O ~ P = O

N – S – OH OH OH

CH 2 – O - P = O

1,3-difosfoglicerat

LA enolfosfați include fosfoenolpiruvat, care este, de asemenea, implicat în procesul de glicoliză (hidroliza legăturii sale de înaltă energie duce la eliberarea a 14,8 kcalmol de energie).

C – O ~ P = O

fosfoenolpiruvat

Acidul acetic activ (acetil-CoA) și acidul succinic activ (succinil-CoA) sunt tioeteri .

CH 3 – C ~ S – CoA NOOS – CH 2 – CH 2 – C ~ S – CoA

acetil-CoA succinil-CoA

Creatina fosfat (în timpul hidrolizei, se eliberează 10,3 kcalmol de energie) se referă la fosfageni .

N – N ~ P = O

fosfat de creatină

Creatina fosfat este folosită în țesutul muscular pentru a regenera ATP (creatină fosfat + ADP ® creatină + ATP).

· OXIDARE GRATUITA

Oxidare liberă nu este asociat cu sinteza ATP. Energia eliberată în acest caz este disipată sub formă de căldură. Un exemplu clasic de decuplare a oxidării de la formarea ATP este acțiunea 2,4-dinitrofenol (DNP). Acest compus a fost folosit pentru pierderea în greutate. Crește brusc permeabilitatea protonilor membranelor celulare, decuplează fosforilarea oxidativă și duce la dezvoltarea unor procese degenerative severe ca urmare a sintezei insuficiente de ATP de către celulă.

Decuplarea parțială a oxidării de la fosforilare se observă în multe boli, deoarece mitocondriile sunt cele mai sensibile organele celulare la acțiunea factorilor de mediu nefavorabili. Patologia mitocondrială se dezvoltă în hipertiroidism. Când glanda tiroidă produce în exces hormoni, mitocondriile se umflă și se dezintegrează, ceea ce duce la o scădere a producției de ATP. În același timp, procesele oxidative se intensifică, se observă o temperatură a corpului mai mare decât cea normală, iar bătăile inimii cresc.

Decuplarea fosforilării oxidative poate fi benefică din punct de vedere biologic. Este o metodă de generare a căldurii pentru a menține temperatura corpului la animalele care hibernează, unele animale nou-născute și mamiferele adaptate la frig. Țesutul adipos brun, care este foarte bogat în mitocondrii, este specializat pentru acest proces de termogeneză. Acizii grași acționează ca decuplatori, a căror eliberare, la rândul lor, este reglată de norepinefrină. Astfel, gradul de decuplare a fosforilării oxidative în țesutul adipos brun este sub control hormonal. Mitocondriile din acest țesut pot funcționa ca generatoare de ATP sau cuptoare de încălzire în miniatură.

În microzomii hepatici, cu participarea citocromului P-450, metabolismul multor medicamente are loc prin hidroxilarea lor. Agenții reducători ai citocromilor sunt NADH(H+) și NADPH(H+):

Lek - H + O 2 + citocrom P-450 (Fe 2+) + 2H + ® Lek - OH + H 2 O + citocrom P-450

Sistemele monooxigenaze care conțin citocromul P-450 mitocondrial se găsesc în cortexul suprarenal, testicule, ovare și placentă. Sunt implicați în sinteza hormonilor steroizi din colesterol. În ficat, colesterolul este hidroxilat în poziția 26 în timpul biosintezei acizilor biliari.

· ÎNTREBĂRI DE CONTROL