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 восстанов-ление - 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 про-цессов 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. Ки-слород, 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 раз-личные субстраты при участии ферментов, называемых оксигеназами. Мно-гие лекарства, посторонние для организма вещества, канцерогены (ксенобио-тики) 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 необра-тимости патологических процессов приписывают крайним проявлениям рас-стройства клеточного метаболизма. Адекватное обеспечение клетки кисло-родом является основным условием сохранения ее жизнеспособно-сти.[12,1992]

Введением кислорода можно спасти жизнь больных, у которых наруше-но дыхание или кровообращение. В ряде случаев успешно применяется тера-пия кислородом под высоким давлением; следует однако отметить, что ин-тенсивная или продолжительная терапия кислородом под высоким давлени-ем может вызвать кислородное отравление.[2,1994]

При написании данной работы перед нами стояла цель: изучить биологи-ческое 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 (хи-мической, механической, электрической и осмотической) – это энергия хи-мической связи. Высвобождение энергии углеводов, жиров, белков и других органических соединений происходит при их окислительно-восстановительном распаде. Высвобожденная энергия затрачивается на син-тез АТФ.

Изменение свободной энергии, характеризующее реакции окисления и восстановления, пропорционально способности реактантов отдавать или принимать электроны. Следовательно, изменение свободной энергии окисли-тельно-восстановительного процесса можно характеризовать не только вели-чиной G0', 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 харак-теризуются следующими реакциями:

1) оксидазный путь (90% поступившего кислорода восстанавливает-ся до Н2О при участии фермента цитохромоксидазы)

02+4е+4Н+ → 2Н2О

2) оксигеназный путь (включение в субстрат одного атома кислорода - мо-нооксигеназный путь, двух атомов кислорода -диоксигеназный путь) -монооксигеназный путь

-диоксигеназный путь

3) свободно-радикальный путь (идет без участия ферментов и АТФ не обра-зуется).

Оксидазный путь использования кислорода. Митохондрии. Фер-менты, их локализация и значение в процессе окисления.

Митохондрии справедливо называют "энергетическими станциями" клетки, поскольку именно в этих органеллах в основном происходит улавли-вание энергии, поставляемой окислительными процессами. Митохондри-альную систему сопряжения окислительных процессов с генерацией высо-коэнергетического интермедиатора АТФ называют окислительным фосфо-рилированием.

Митохондрии имеют наружную мембрану, проницаемую для большин-ства 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, глицеро-фосфат-ацилтрансферазы, моноацилглицерофосфат-ацилтрансферазы, фос-фолипазы А2). В межмембранном пространстве находятся аденилаткиназа и креатинкиназа. Во внутренней мембране локализован фосфолипид кардио-липин.

В матриксе находятся растворимые ферменты цикла лимонной кислоты и ферменты -окисления жирных кислот, в связи с этим возникает необхо-димость в механизмах транспорта метаболитов и нуклеотидов через внут-реннюю мембрану. Сукцинатдегидрогеназа локализована на внутренней по-верхности внутренней митохондриальной мембраны, где она передает вос-становительные эквиваленты дыхательной цепи на уровне убихинона (минуя первую окислительно-восстановительную петлю). 3-гидроксибутиратдегид рогеназа локализована на матриксной стороне внутренней митохондриаль-ной 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