Реферат: Биологическое окисление
Реферат: Биологическое окисление
УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ
Кафедра биоорганической и биологической химии
КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:
Биологическое окисление.
Исполнители: студентки
педиатрического
факультета 223 группы
Заруба Н.С., Чащина Е.Е.
Руководитель: доцент,
к.м.н. Трубачев С.Д.
Рецензент:
Екатеринбург 2002.
Содержание.
I. Введение………………………………………………………………...3
II. Общие представления о биологическом окислении.
Окислительно-восстановительные системы и потенциалы……..3
III. Пути использования кислорода в клетке……………………………...5
- Оксидазный путь использования кислорода. Митохондрии.
Ферменты, их локализация и значение в процессах окисления…….5
IV. Этапы утилизации энергии питательных веществ…………………...6
V. Окислительное фосфорилирование……………………………………9
- Хемиосмотическая теория Митчелла……..……….………………..9
- Редокс – цепь окислительного фосфорилирования………………10
VI. Цикл Кребса…………………………………………………………21
- Открытие ЦТК……………………………………………………..22
- Реакции, ферменты. Регуляция…………………………………...23
VII. Макроэргические соединения и связи……………………………...29
VIII. Витамин РР. Участие в процессах окисления…………………….30
IX. Микросомальное окисление…………………………………………31
- Монооксигеназные реакции………………………………………31
- Диоксигеназные реакции………………………………………….32
- Цитохромы…………………………………………………………32
X. Пероксидазный путь использования кислорода…………………..33
XI. Ферментативная антиоксидантная защита…………………………34
- Супероксиддисмутаза, каталазы, пероксидазы………………….34
XII. Неферментативная антиоксидантная защита………………………35
- Витамины С, Е и Р…………………………………………….…...35
XIII. Заключение…………………………………………………………..38
XIV. Список литературы…………………………………………………..39
Введение.
В химии окисление определяется как удаление электронов, а восстановление - как присоединение электронов; это можно проиллюстрировать на примере окисления ферро-иона в ферри-ион:
Fe2+-e → Fe3+
Отсюда следует, что окисление всегда сопровождается восстановлением акцептора электронов. Этот принцип окислительно-восстановительных процессов в равной мере применим к биохимическим системам и характеризует природу процессов биологического окисления.
Хотя некоторые бактерии (анаэробы) живут в отсутствие кислорода, жизнь высших животных полностью зависит от снабжения кислородом. Кислород, главным образом, используется в процессе дыхания – последнее можно определить как процесс улавливания клеточной энергии в виде АТФ при протекании контролируемого присоединения кислорода с водородом с образованием воды. Кроме того, молекулярный кислород включается в различные субстраты при участии ферментов, называемых оксигеназами. Многие лекарства, посторонние для организма вещества, канцерогены (ксенобиотики) атакуются ферментами этого класса, которые в совокупности получили название цитохрома Р450.
Гипоксические нарушения метаболизма клетки занимают ведущее место в патогенезе критических состояний. Главную роль в формировании необратимости патологических процессов приписывают крайним проявлениям расстройства клеточного метаболизма. Адекватное обеспечение клетки кислородом является основным условием сохранения ее жизнеспособности.[12,1992]
Введением кислорода можно спасти жизнь больных, у которых нарушено дыхание или кровообращение. В ряде случаев успешно применяется терапия кислородом под высоким давлением; следует однако отметить, что интенсивная или продолжительная терапия кислородом под высоким давлением может вызвать кислородное отравление.[2,1994]
При написании данной работы перед нами стояла цель: изучить биологическое окисление и его значение в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Для этого мы рассмотрели:
- использование кислорода клеткой;
- источники энергии клетки – цикл лимонной кислоты (цикл Кребса), окислительное фосфорилирование;
- микросомальное окисление;
- антиоксидантную защиту
Общие представления о биологическом окислении.
Окислительно-восстановительные системы и потенциалы.
Источник энергии, используемый для выполнения всех видов работ (химической, механической, электрической и осмотической) – это энергия химической связи. Высвобождение энергии углеводов, жиров, белков и других органических соединений происходит при их окислительно-восстановительном распаде. Высвобожденная энергия затрачивается на синтез АТФ.
Изменение свободной энергии, характеризующее реакции окисления и восстановления, пропорционально способности реактантов отдавать или принимать электроны. Следовательно, изменение свободной энергии окислительно-восстановительного процесса можно характеризовать не только величиной DG0', но и величиной окислительно-восстановительного потенциала системы (Ео). Обычно окислительно-восстановительный потенциал системы сравнивают с потенциалом водородного электрода, принимая последний за ноль, 0В при рН=0. Однако для биологических систем удобнее использовать окислительно-восстановительный потенциал при рН=7,0 (Ео'); при таком рН потенциал водородного электрода равен -0,42В.[10,1993]
Пользуясь таблицей 1, можно предсказать, в каком направлении пойдет поток электронов при сопряжении одной окислительно-восстановительной системы.
Таблица 1. Стандартные потенциалы некоторых окислительно-восстановительных систем.[10,1993]
| Система | Ео¢/ Вольт |
| Кислород/вода | +0,82 |
|
Цитохром a: Fe3+/Fe2+ |
+0,29 |
|
Цитохром с: Fe3+/Fe2+ |
+0,22 |
| Убихинон: окисл./восстан. | +0,10 |
|
Цитохром b:Fe3+/Fe2+ |
+0,03 |
| Фумарат/сукцинат | +0,03 |
| Флавопротеин: окисл./восстан. | -0,12 |
| Оксалоацетат/малат | -0,17 |
| Пируват/лактат | -0,19 |
| Ацетоацетат/гидрооксибутират | -0,27 |
| Липоат: окисл./восстан. | -0,29 |
|
НАД+/НАДН |
-0,32 |
|
H+/H2 |
-0,42 |
| Сукцинат/альфакетоглутарат | -0,67 |
Пути использования кислорода в клетке.
Существует три пути использования кислорода в клетке, которые характеризуются следующими реакциями:
1) оксидазный путь (90% поступившего кислорода восстанавливается до Н2О при участии фермента цитохромоксидазы)
02+4е+4Н+ → 2Н2О
2) оксигеназный путь (включение в субстрат одного атома кислорода - монооксигеназный путь, двух атомов кислорода -диоксигеназный путь) -монооксигеназный путь
-диоксигеназный путь
3) свободно-радикальный путь (идет без участия ферментов и АТФ не образуется).
Оксидазный путь использования кислорода. Митохондрии. Ферменты, их локализация и значение в процессе окисления.
Митохондрии справедливо называют "энергетическими станциями" клетки, поскольку именно в этих органеллах в основном происходит улавливание энергии, поставляемой окислительными процессами. Митохондриальную систему сопряжения окислительных процессов с генерацией высокоэнергетического интермедиатора АТФ называют окислительным фосфорилированием.
Митохондрии имеют наружную мембрану, проницаемую для большинства метаболитов, и избирательно проницаемую внутреннюю мембрану с множеством складок (крист), выступающих в сторону матрикса (внутреннего пространства митохондрий). Наружная мембрана может быть удалена путем обработки дигитонином; она характеризуется наличием моноаминоксидазы и некоторых других ферментов (например, ацил-КоА-синтетазы, глицерофосфат-ацилтрансферазы, моноацилглицерофосфат-ацилтрансферазы, фосфолипазы А2). В межмембранном пространстве находятся аденилаткиназа и креатинкиназа. Во внутренней мембране локализован фосфолипид кардиолипин.
В матриксе находятся растворимые ферменты цикла лимонной кислоты и ферменты b-окисления жирных кислот, в связи с этим возникает необходимость в механизмах транспорта метаболитов и нуклеотидов через внутреннюю мембрану. Сукцинатдегидрогеназа локализована на внутренней поверхности внутренней митохондриальной мембраны, где она передает восстановительные эквиваленты дыхательной цепи на уровне убихинона (минуя первую окислительно-восстановительную петлю). 3-гидроксибутиратдегид рогеназа локализована на матриксной стороне внутренней митохондриальной мембраны. Глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа находится на наружной поверхности внутренней мембраны, где она участвует в функционировании глицерофосфатного челночного механизма.[10,1993]
Этапы утилизации энергии питательных веществ.
Утилизация энергии питательных веществ - сложный процесс, который протекает в три стадии, согласно следующей схеме:
Схема 1. Стадии катаболизма питательных веществ.[1,1994]
На стадии 1 крупные молекулы полимеров распадаются на мономерные субъединицы: белки на аминокислоты, полисахариды на сахара, а жиры на жирные кислоты и холестеоролы. Этот предварительный процесс, называемый пищеварением, осуществляется главным образом вне клеток под действием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На стадии 2 образовавшиеся небольшие молекулы поступают в клетки и подвергаются дальнейшему расщеплению в цитоплазме. Большая часть углеродных и водородных атомов сахаров превращается в пируват, который, проникнув в митохондрии, образует там ацетильную группу химически активного соединения ацетилкофермента А (ацетил-СоА). Большое количество ацетил-СоА образуется также при окислении жирных кислот. На стадии 3 происходит полное расщепление ацетильной группы ацетил-СоА до СО2 и Н2О. Именно на этой заключительной стадии образуется большая часть АТФ. В серии сопряженных химических реакций больше половины той энергии, которую, согласно теоретическим расчетам, можно извлечь из углеводов и жиров при окислении их до Н2О и СО2, используется для осуществления энергетически невыгодной реакции Фн + АДФ ® АТФ. Поскольку остальная часть энергии, высвобождающейся при окислении, выделяется клеткой в виде тепла, результатом образования АТФ является общее возрастание неупорядоченности Вселенной, что полностью соответствует второму закону термодинамики.
Благодаря образованию АТФ энергия, первоначально извлеченная путем окисления из углеводов и жиров, преобразуется в более удобную концентрированную форму химической энергии. В растворе, находящемся во внутриклеточном пространстве типичной клетки, имеется примерно 1 млрд. молекул АТФ, гидролиз которых до АДФ и фосфата обеспечивает необходимой энергией множество энергетически невыгодных реакций.
Самым важным этапом стадии 2 катаболизма является гликолиз – последовательность реакций, приводящих к расщеплению глюкозы. При гликолизе молекула глюкозы, содержащая 6 атомов углерода, превращается в 2 молекулы пирувата, содержащие по 3 атома углерода каждая. Для такого превращения требуется 9 последовательных ферментативных реакций, в которых происходит образование ряда промежуточных фосфатсодержащих соединений. (см. рисунок 1.)
Логически рассуждая, последовательность реакций гликолиза можно разделить на три этапа: 1) в реакциях 1-4 (см.рисунок 1) глюкоза превращается в трехуглеродный альдегид глицеральдегид-3-фосфат (для этого превращения нужны две фосфатные группы, а необходимая энергия выделяется при гидролизе АТФ); 2) в реакциях 5-6 альдегидная группа каждой молекулы глицеральдегид-3-фосфата окисляется до карбоксильной, и выделяющаяся при этом энергия расходуется на синтез АТФ из АДФ и Фн; 3) в реакциях 7-9 те две молекулы фосфата, которые присоединились к сахару на первой стадии, переносятся обратно на АДФ, в результате чего образуется АТФ и компенсируются затраты АТФ на этапе 1.
Рисунок 1. Промежуточные продукты гликолиза.[1,1994]
Суммарный выход энергии при гликолизе сводится к синтезу двух молекул АТФ (на одну молекулу глюкозы), которые образовались в реакциях 5 и 6. Таким образом, данные реакции имеют решающее значение для гликолиза. Эти две реакции – единственные во всем процессе, в которых из Фн формируется высокоэнергетическая фосфатная связь. Суммарным результатом этих двух реакций является окисление сахарного альдегида в фосфоглицероловую кислоту, перенос Фн на АДФ с образованием высокоэнергетической связи АТФ и восстановления НАД+ до НАДН.
Для большинства клеток животных гликолиз предшествует стадии 3 катаболизма, т.к. образующаяся при гликолизе молочная кислота быстро поступает в митохондрии, где окисляется до СО2 и Н2О. Тем не менее у анаэробных организмов и тканей, способных работать в анаэробных условиях, гликолиз может стать основным источником клеточного АТФ. В этих случаях молекулы пирувата остаются в цитозоле и превращаются в лактат, который затем выводится из клетки. Дельнейшее превращение пирувата в этих энергодающих реакциях, называемых брожением, требуется для того, чтобы полностью использовать восстановительный потенциал, полученный в реакции 5 гликолиза, и таким путем регенерировать НАД+, необходимый для дальнейшего осуществления гликолиза.[1,1994]
Окислительное фосфорилирование.
Окислительное фосфорилирование позволяет аэробным организмам улавливать значительную долю потенциальной свободной энергии окисления субстратов. Возможное объяснение механизма окислительного фосфорилирования предлагает хемиосмотическая теория. Ряд лекарственных веществ (например, амобарбитал) и ядов (цианид, окись углерода) подавляют окислительное фосфорилирование, обычно с фатальными последствиями. Окислительное фосфорилирование является столь жизненно важным процессом, что нарушение его нормального хода несовместимо с жизнью. Этим можно объяснить, почему обнаружено лишь небольшое количество генетических нарушений, затрагивающих эту систему.
Хотя цикл лимонной кислоты составляет часть аэробного метаболизма, ни в одной из реакций этого цикла, приводящих к образованию НАДН и ФАДH2, молекулярный кислород не принимает прямого участия; это происходит только в завершающей серии катаболических реакций, протекающих на внутренней мембране. Почти вся энергия, получаемая на ранних этапах окисления от сжигания углеводов, жиров и других питательных веществ, вначале запасается в форме высокоэнергетических электронов, переносимых НАДН и ФАДН. Затем эти электроны взаимодействуют с молекулярным кислородом в дыхательной цепи. Taк как большое количество высвобождаемой энергии используется ферментами внутренней мембраны для синтеза АТФ из AДФ и Фн, эти последние реакции называют окислительным фосфорилированием.
