Koje industrije koriste omega 3. Hipoteza o učinku omega-3 polinezasićenih masnih kiselina na smanjenje incidencije koronarne bolesti srca

To se zove disimilacija. To je skup organskih spojeva u kojima se oslobađa određena količina energije.

Disimilacija se odvija u dvije ili tri faze, ovisno o vrsti živih organizama. Dakle, kod aerobnih se sastoji od pripremne faze bez kiseonika i faze kiseonika. Kod anaerobnih organizama (organizama koji mogu funkcionirati u anoksičnom okruženju), disimilacija ne zahtijeva posljednji korak.

Završna faza energetskog metabolizma u aerobima završava se potpunom oksidacijom. U tom slučaju dolazi do razgradnje molekula glukoze sa stvaranjem energije, koja djelomično ide na stvaranje ATP-a.

Vrijedi napomenuti da se sinteza ATP-a događa u procesu fosforilacije, kada se neorganski fosfat dodaje ADP-u. Istovremeno se sintetizira u mitohondrijima uz sudjelovanje ATP sintaze.

Koja reakcija se dešava tokom formiranja ovog energetskog jedinjenja?

Adenozin difosfat i fosfat se kombinuju i formiraju ATP za čije formiranje je potrebno oko 30,6 kJ/mol. Adenozin trifosfat, budući da se značajna količina oslobađa tokom hidrolize upravo visokoenergetskih veza ATP-a.

Molekularna mašina koja je odgovorna za sintezu ATP-a je specifična sintaza. Sastoji se iz dva dijela. Jedan od njih se nalazi u membrani i predstavlja kanal kroz koji protoni ulaze u mitohondrije. Ovo oslobađa energiju, koju hvata drugi strukturni dio ATP-a koji se zove F1. Sadrži stator i rotor. Stator u membrani je fiksiran i sastoji se od delta regiona, kao i alfa i beta podjedinica koje su odgovorne za hemijsku sintezu ATP-a. Rotor sadrži gama kao i epsilon podjedinice. Ovaj dio se okreće koristeći energiju protona. Ova sintaza osigurava sintezu ATP-a ako su protoni iz vanjske membrane usmjereni prema sredini mitohondrija.

Treba napomenuti da ćeliju karakterizira prostorni poredak. Proizvodi hemijskih interakcija supstanci raspoređeni su asimetrično (pozitivno nabijeni ioni idu u jednom smjeru, a negativno nabijene čestice u drugom smjeru), stvarajući elektrohemijski potencijal na membrani. Sastoji se od kemijske i električne komponente. Treba reći da upravo taj potencijal na površini mitohondrija postaje univerzalni oblik skladištenja energije.

Ovaj obrazac otkrio je engleski naučnik P. Mitchell. On je sugerirao da tvari nakon oksidacije ne izgledaju kao molekule, već pozitivno i negativno nabijeni joni, koji se nalaze na suprotnim stranama mitohondrijske membrane. Ova pretpostavka je omogućila da se razjasni priroda formiranja makroergijskih veza između fosfata tokom sinteze adenozin trifosfata, kao i da se formuliše hemiosmotska hipoteza ove reakcije.

svetlosna faza

Transformacija tvari i energije u procesu disimilacije uključuje sljedeće korake:

I stage- pripremni: složene organske tvari pod djelovanjem probavnih enzima razlažu se na jednostavne, pri čemu se oslobađa samo toplinska energija.
Proteini ® aminokiseline

Masti ® glicerol i masne kiseline

Škrob ® glukoza

II faza- glikoliza (bez kisika): provodi se u hijaloplazmi, nije povezana s membranama; uključuje enzime; glukoza se razgrađuje:

Faza III- kiseonik: provodi se u mitohondrijima, povezan je sa mitohondrijalnim matriksom i unutrašnjom membranom, enzimi učestvuju u njemu, pirogrožđana kiselina se cijepa

CO 2 (ugljični dioksid) se oslobađa iz mitohondrija u okoliš. Atom vodika je uključen u lanac reakcija čiji je krajnji rezultat sinteza ATP-a. Ove reakcije idu sljedećim redoslijedom:

1. Atom vodonika H, ​​uz pomoć enzima nosača, ulazi u unutrašnju membranu mitohondrija, koja formira kriste, gdje se oksidira:

2. Proton H + (vodonik kation) nosioci se prenose na vanjsku površinu membrane krista. Za protone je ova membrana, kao i vanjska membrana mitohondrija, nepropusna, pa se akumuliraju u međumembranskom prostoru, formirajući protonski rezervoar.

3. Elektroni vodika se prenose na unutrašnju površinu membrane kriste i odmah vezuju za kiseonik uz pomoć enzima oksidaze, formirajući negativno nabijeni aktivni kiseonik (anion):

4. Kationi i anjoni sa obe strane membrane stvaraju suprotno naelektrisano električno polje, a kada razlika potencijala dostigne 200 mV, protonski kanal počinje da radi. Javlja se u molekulima enzima ATP sintetaze, koji su ugrađeni u unutrašnju membranu koja formira kriste.

5. Kroz protonski kanal, H+ protoni hrle u mitohondrije, stvarajući visok nivo energije, od koje većina ide na sintezu ATP-a iz ADP-a i F ( ), a sami H + protoni stupaju u interakciju s aktivnim kisikom, tvoreći vodu i molekularni O 2:

Dakle, O 2 koji ulazi u mitohondrije tokom disanja organizma neophodan je za dodavanje H+ protona. U njegovom nedostatku, cijeli proces u mitohondrijima prestaje, jer transportni lanac elektrona prestaje funkcionirati. Opća reakcija III faze:

Kao rezultat razgradnje jednog molekula glukoze nastaje 38 molekula ATP-a: u fazi II - 2 ATP i u fazi III - 36 ATP. Rezultirajući ATP molekuli idu izvan mitohondrija i učestvuju u svim ćelijskim procesima gdje je potrebna energija. Cepajući se, ATP odaje energiju (jedna fosfatna veza sadrži 46 kJ) i vraća se u mitohondrije u obliku ADP-a i F (fosfata).

Rad respiratornih enzima reguliran je efektom tzv kontrola disanja.

- ovo je direktan efekat elektrohemijskog gradijenta na brzinu kretanja elektrona duž respiratornog lanca (tj. na količinu disanja). Zauzvrat, veličina gradijenta direktno zavisi od omjeri ATP/ADP, čiji je kvantitativni zbir u ćeliji praktično konstantan ([ATP] + [ADP] = const). Reakcije katabolizma imaju za cilj održavanje konstantno visokog nivoa ATP-a i niskog ADP-a.

Povećanje gradijenta protona javlja se sa smanjenjem količine ADP i akumulacijom ATP ( stanje mirovanja), tj. kada ATP sintaza je lišena svog supstrata i H+ joni ne prodiru u mitohondrijalni matriks. U ovom slučaju, inhibitorni efekat gradijenta je pojačan i kretanje elektrona duž lanca se usporava. Enzimski kompleksi ostaju u reduciranom stanju. Posljedica je smanjenje oksidacije NADH i FADH 2 na kompleksima I i II, inhibicija TCA enzima uz učešće NADH i usporavanje katabolizma u kavezu.

Ovisnost elektrohemijskog gradijenta o brzini elektrona

Do smanjenja gradijenta protona dolazi kada su rezerve ATP-a iscrpljene, a ADP je u višku, tj. tokom rada ćelije. U ovom slučaju ATP sintaza aktivno radi i H+ joni prolaze kroz F o kanal u matriks. U ovom slučaju, gradijent protona se prirodno smanjuje, protok elektrona duž lanca se povećava, a kao rezultat toga dolazi do ispumpavanja H+ jona u intermembranski prostor i ponovno njihovo brzo „propadanje“ kroz ATP sintazu u mitohondrije sa ATP-om. sinteza se povećava. Enzimski kompleksi I i II pojačavaju oksidaciju NADH i FADH 2 (kao izvora elektrona) i inhibitorni efekat NADH je uklonjen na ciklus limunske kiseline i kompleks piruvat dehidrogenaze. Kao rezultat - aktiviraju se reakcije katabolizma ugljikohidrati i masti.

Mehanizam sinteze ATP-a tokom glikolize je relativno jednostavan i može se lako reproducirati u epruveti. Međutim, nikada nije bilo moguće simulirati respiratornu sintezu ATP-a u laboratoriji. Godine 1961. engleski biohemičar Peter Mitchell sugerirao je da enzimi - susjedi u respiratornom lancu - promatraju ne samo strogi slijed reakcija, već i jasan red u prostoru ćelije. Dišni lanac, ne mijenjajući svoj red, fiksira se u unutrašnjoj ljusci (membrani) mitohondrija i „šije“ ga nekoliko puta poput šavova. Pokušaji da se reproducira respiratorna sinteza ATP-a nisu uspjeli jer su istraživači potcijenili ulogu membrane. Ali reakcija također uključuje enzime koncentrisane u izrasline u obliku gljive na unutarnjoj strani membrane. Ako se ove izrasline uklone, ATP se neće sintetizirati.

Oksidativna fosforilacija, sinteza ATP-a iz adenozin difosfata i anorganskog fosfata, koja se odvija u živim ćelijama, zbog energije koja se oslobađa tokom oksidacije org. supstance tokom ćelijskog disanja. Općenito, oksidativna fosforilacija i njeno mjesto u metabolizmu mogu se predstaviti shemom:

AN2 - organske tvari oksidirane u respiratorne lance (tzv. supstrati oksidacije ili disanja), ADP-adenozin difosfat, P-anorganski fosfat.

Budući da je ATP neophodan za provođenje mnogih procesa koji zahtijevaju energiju (biosinteza, mehanički rad, transport tvari itd.), oksidativna fosforilacija igra ključnu ulogu u životu aerobnih organizama. Do stvaranja ATP-a u ćeliji dolazi i zbog drugih procesa, na primjer, u toku glikolize i raznih vrsta fermentacije. odvija se bez učešća kiseonika. Njihov doprinos sintezi ATP-a u uslovima aerobnog disanja je beznačajan deo doprinosa oksidativne fosforilacije (oko 5%).

Kod životinja, biljaka i gljiva, oksidativna fosforilacija se javlja u specijalizovanim supćelijskim strukturama - mitohondrijima (slika 1); kod bakterija, enzimski sistemi koji provode ovaj proces nalaze se u ćelijskoj membrani.

Mitohondrije su okružene proteinsko-fosfolipidnom membranom. Unutar mitohondrija (u tzv. matriksu) odvija se niz metaboličkih procesa razgradnje nutrijenata koji opskrbljuju supstrate za oksidaciju AH2 za oksidativnu fosforilaciju Naiba. važan od ovih procesa je ciklus trikarboksilne kiseline i tzv. -oksidacija masnih kiselina (oksidativno cijepanje masne kiseline da nastane acetil koenzim A i kiselina koja sadrži 2 C atoma manje od originalne; novonastala masna kiselina također može podvrgnuti -oksidaciji). Intermedijeri ovih procesa podležu dehidrogenaciji (oksidaciji) uz učešće enzima dehidrogenaze; elektroni se zatim prenose u mitohondrijski respiratorni lanac, skup redoks enzima ugrađenih u unutrašnju mitohondrijsku membranu. Respiratorni lanac vrši višestepeni eksergonski prijenos elektrona (praćen smanjenjem slobodne energije) sa supstrata na kisik, a oslobođenu energiju koristi enzim ATP sintetaza smješten u istoj membrani za fosforilaciju ADP-a u ATP. U intaktnoj (neoštećenoj) mitohondrijskoj membrani, prijenos elektrona u respiratornom lancu i fosforilacija su usko povezani. Tako, na primjer, zaustavljanje fosforilacije nakon iscrpljivanja ADP-a ili neorganskog fosfata je praćeno inhibicijom disanja (efekat kontrole disanja). Veliki broj efekata koji oštećuju mitohondrijalnu membranu remete spregu između oksidacije i fosforilacije, omogućavajući da se prenos elektrona odvija čak i u odsustvu sinteze ATP-a (efekat razdvajanja).

Mehanizam oksidativne fosforilacije može se predstaviti shemom: Prijenos elektrona (disanje) A ~ B ATP A ~ B je visokoenergetski intermedijer. Pretpostavljalo se da je A ~ B kemijski spoj s makroergijskom vezom, na primjer, fosforilirani enzim respiratornog lanca (hipoteza kemijske konjugacije), ili napeta konformacija nekog proteina uključenog u oksidativnu fosforilaciju (hipoteza konformacijske konjugacije). Međutim, ove hipoteze nisu dobile eksperimentalnu potvrdu. Najveće priznanje uživa hemiosmotski koncept konjugacije, koji je 1961. predložio P. Mitchell (za razvoj ovog koncepta 1979. godine dobio je Nobelovu nagradu). Prema ovoj teoriji, slobodna energija transporta elektrona u respiratornom lancu troši se na prijenos H+ jona iz mitohondrija kroz mitohondrijalnu membranu na njenu vanjsku stranu (slika 2, proces 1). Kao rezultat, na membrani se javlja električna razlika. potencijali i hemijska razlika. aktivnosti H+ jona (unutar mitohondrija pH je viši nego izvan). Ukratko, ove komponente daju transmembransku razliku u elektrohemijskim potencijalima vodikovih jona između mitohondrijalnog matriksa i vanjske vodene faze odvojene membranom:

gdje je R univerzalna plinska konstanta, T je apsolutna temperatura, F je Faradejev broj. Vrijednost je obično oko 0,25 V, pri čemu je glavni dio (0,15-0,20 V) električna komponenta. Energiju koja se oslobađa kada se protoni kreću unutar mitohondrija duž električnog polja prema njihovoj nižoj koncentraciji (slika 2, proces 2) koristi ATP sintetaza za sintezu ATP-a. Dakle, shema oksidativne fosforilacije, prema ovom konceptu, može se predstaviti na sljedeći način:

Transport elektrona (disanje) ATP

Konjugacija oksidacije i fosforilacije putem omogućava da se objasni zašto je oksidativna fosforilacija, za razliku od glikolitičke („supstratne“) fosforilacije koja se javlja u rastvoru, moguća samo u zatvorenim membranskim strukturama, kao i zašto svi uticaji koji smanjuju električni otpor i povećavaju protonska provodljivost membrane potiskuje (razdvaja) oksidativnu fosforilaciju Energija, osim za sintezu ATP-a, stanica može direktno iskoristiti za druge svrhe - transport metabolita, kretanje (u bakterijama), redukciju nikotinamidnih koenzima itd.

Postoji nekoliko sekcija u respiratornom lancu koje karakteriše značajan pad redoks potencijala i koje su povezane sa skladištenjem (generacijom) energije. Obično postoje tri takva mjesta, koja se nazivaju tačke ili tačke konjugacije: NADH: jedinica ubikinon reduktaze (0,35-0,4 V), ubikinol: jedinica citokrom-c-reduktaze (~ ~ 0,25 V) i kompleks citokrom-c-oksidaze (~0,6 V ) - tačke konjugacije 1, 2 i 3 odn. (Sl. 3). Svaka od tačaka konjugacije respiratornog lanca može se izolovati iz membrane u obliku pojedinačnog enzimskog kompleksa sa redoks aktivnošću. Takav kompleks, ugrađen u fosfolipidnu membranu, može funkcionirati kao protonska pumpa.

Obično se za karakterizaciju efikasnosti oksidativne fosforilacije koriste vrijednosti H + / 2e ili q / 2e, koje pokazuju koliko se protona (ili električnih naboja) prenosi kroz membranu tokom transporta para elektrona kroz dati dio respiratornog lanca, kao i omjer H+/ATP, koji pokazuje koliko protona mora biti prebačeno izvana u unutrašnjost mitohondrija preko ATP sintetaze za sintezu 1 ATP molekula. Vrijednost q/2e je za spojne tačke 1, 2 i 3, respektivno. 3-4, 2 i 4. Vrijednost H+/ATP tokom sinteze ATP unutar mitohondrija je 2; međutim, još jedan H+ se može potrošiti na uklanjanje sintetizovanog ATP4- iz matriksa u citoplazmu od strane nosioca adenin nukleotida u zamenu za ADP-3. Stoga je prividna vrijednost H + / ATP prema van 3.

U organizmu se oksidativna fosforilacija potiskuje mnogim toksičnim supstancama koje se prema mjestu djelovanja mogu podijeliti u tri grupe: 1) inhibitori respiratornog lanca ili tzv. respiratorni otrovi. 2) inhibitori ATP sintetaze. Najčešći inhibitori ove klase koji se koriste u laboratorijskim studijama su antibiotik oligomicin i modifikator karboksilne grupe proteina dicikloheksilkarbodiimid. 3) Takozvani rastavljači oksidativne fosforilacije.Oni ne potiskuju ni transfer elektrona ni samu fosforilaciju ADP-a, ali imaju sposobnost da smanje vrijednost na membrani, zbog čega je poremećena energetska konjugacija između disanja i sinteze ATP-a. Efekat razdvajanja ispoljava veliki broj jedinjenja najrazličitije hemijske strukture. Klasični odvajači su tvari koje imaju slaba kisela svojstva i mogu prodrijeti kroz membranu i u ioniziranom (deprotoniranom) i neutralnom (protoniranom) obliku. Takve supstance uključuju, na primjer, 1-(2-dicijanometilen)hidrazino-4-trifluorometoksibenzen, ili karbonil cijanid-p-trifluorometoksifenilhidrazon, i 2,4-dinitrofenol (formule I i II, respektivno; prikazani su protonirani i deprotonirani oblici).

Krećući se kroz membranu u električnom polju u jonizovanom obliku, rastavljač se smanjuje; vraćajući se nazad u protonirano stanje, rastavljač se spušta (slika 4). Dakle, takav "šatl" tip djelovanja rastavljača dovodi do smanjenja

Ionofori (na primjer, gramicidin) koji povećavaju električnu provodljivost membrane kao rezultat stvaranja ionskih kanala ili tvari koje uništavaju membranu (na primjer, deterdženti) također imaju efekat odvajanja.

Oksidativnu fosforilaciju otkrio je V. A. Engelgardt 1930. radeći s eritrocitima ptica. 1939. V. A. Belitser i E. T. Tsybakova su pokazali da je oksidativna fosforilacija povezana s prijenosom elektrona tokom disanja; GM Kalkar je do istog zaključka došao nešto kasnije.

Mehanizam sinteze ATP-a. Difuzija protona nazad kroz unutrašnju mitohondrijalnu membranu povezana je sa sintezom ATP-a pomoću kompleksa ATPaze, koji se naziva faktor spajanja F,. Na elektronskim mikroskopskim slikama ovi faktori izgledaju kao globularne formacije u obliku gljive na unutrašnjoj membrani mitohondrija, a njihove "glave" vire u matriks. F1 je protein rastvorljiv u vodi sastavljen od 9 podjedinica pet različitih tipova. Protein je ATPaza i vezan je za membranu preko drugog F0 proteinskog kompleksa koji vezuje membranu. F0 ne pokazuje katalitičku aktivnost, ali služi kao kanal za transport H+ jona preko membrane do Fx.

Mehanizam sinteze ATP-a u kompleksu Fi ~ F0 nije u potpunosti razjašnjen. Postoji niz hipoteza u vezi s tim.

Mitchell je predložio jednu od hipoteza koja objašnjava stvaranje ATP-a kroz takozvani direktni mehanizam.

Prema ovoj shemi, u prvoj fazi fosforilacije, fosfatni ion i ADP se vezuju za r komponentu enzimskog kompleksa (A). Protoni putuju kroz kanal u F0 komponenti i spajaju se u fosfatu s jednim od atoma kisika, koji se uklanja kao molekul vode (B). Atom kiseonika ADP se spaja sa atomom fosfora, formirajući ATP, nakon čega se molekul ATP odvaja od enzima (B).

Moguće su različite opcije za indirektni mehanizam. ADP i anorganski fosfat su vezani za aktivno mjesto enzima bez priliva slobodne energije. Joni H+, krećući se duž protonskog kanala duž gradijenta svog elektrohemijskog potencijala, vezuju se u određenim područjima Fb izazivajući konformaciju. promene u enzimu (P. Boyer), usled čega se ATP sintetiše iz ADP i Pi. Oslobađanje protona u matriks je praćeno vraćanjem kompleksa ATP-sintetaza u prvobitno konformacijsko stanje i oslobađanjem ATP-a.

Kada je pod naponom, F1 funkcionira kao ATP sintetaza. U nedostatku konjugacije između elektrohemijskog potencijala H+ jona i sinteze ATP-a, energija oslobođena kao rezultat obrnutog transporta H+ jona u matriksu može se pretvoriti u toplotu. Ponekad je to korisno, jer povećanje temperature u ćelijama aktivira rad enzima.