Które branże stosują kwasy omega 3. Hipoteza o wpływie wielonienasyconych kwasów tłuszczowych omega-3 na zmniejszenie zachorowalności na chorobę wieńcową serca

Nazywa się dyssymilacją. Jest to zbiór związków organicznych, w których uwalniana jest pewna ilość energii.

Dysymilacja przebiega w dwóch lub trzech etapach, w zależności od rodzaju żywych organizmów. Tak więc w aerobach składa się z etapów przygotowawczych, beztlenowych i tlenowych. U beztlenowców (organizmów zdolnych do funkcjonowania w środowisku beztlenowym) dyssymilacja nie wymaga ostatniego kroku.

Końcowy etap metabolizmu energetycznego w aerobach kończy się całkowitym utlenieniem. W tym przypadku rozpad cząsteczek glukozy następuje wraz z wytworzeniem energii, która częściowo idzie na tworzenie ATP.

Warto zauważyć, że synteza ATP zachodzi w procesie fosforylacji, gdy do ADP dodaje się nieorganiczny fosforan. Jednocześnie jest syntetyzowany w mitochondriach przy udziale syntazy ATP.

Jaka reakcja zachodzi podczas tworzenia tego związku energetycznego?

Difosforan adenozyny i fosforan łączą się, tworząc ATP, którego powstanie zajmuje około 30,6 kJ/mol. Trójfosforan adenozyny, ponieważ jego znaczna ilość jest uwalniana podczas hydrolizy właśnie wysokoenergetycznych wiązań ATP.

Maszyną molekularną odpowiedzialną za syntezę ATP jest specyficzna syntaza. Składa się z dwóch części. Jeden z nich znajduje się w błonie i jest kanałem, przez który protony przedostają się do mitochondriów. To uwalnia energię, która jest wychwytywana przez inną strukturalną część ATP zwaną F1. Zawiera stojan i wirnik. Stojan w błonie jest nieruchomy i składa się z regionu delta oraz podjednostek alfa i beta, które odpowiadają za chemiczną syntezę ATP. Wirnik zawiera podjednostki gamma oraz epsilon. Ta część wiruje wykorzystując energię protonów. Syntaza ta zapewnia syntezę ATP, jeśli protony z błony zewnętrznej są skierowane w stronę środka mitochondriów.

Należy zauważyć, że komórka charakteryzuje się ładem przestrzennym. Produkty oddziaływań chemicznych substancji rozkładają się asymetrycznie (jony naładowane dodatnio idą w jednym kierunku, a cząstki naładowane ujemnie w drugim), tworząc na membranie potencjał elektrochemiczny. Składa się z części chemicznej i elektrycznej. Należy powiedzieć, że to właśnie ten potencjał na powierzchni mitochondriów staje się uniwersalną formą magazynowania energii.

Ten wzór został odkryty przez angielskiego naukowca P. Mitchella. Zasugerował, że substancje po utlenieniu nie wyglądają jak cząsteczki, ale jony naładowane dodatnio i ujemnie, które znajdują się po przeciwnych stronach błony mitochondrialnej. Założenie to pozwoliło wyjaśnić naturę powstawania wiązań makroergicznych między fosforanami podczas syntezy adenozynotrójfosforanu, a także sformułować hipotezę chemiosmotyczną tej reakcji.

faza światła

Przemiana substancji i energii w procesie dysymilacji obejmuje następujące etapy:

ja wystawiam- przygotowawcze: złożone substancje organiczne pod wpływem enzymów trawiennych rozkładają się na proste, podczas gdy uwalniana jest tylko energia cieplna.
Białka ® aminokwasy

Tłuszcze ® glicerol i kwasy tłuszczowe

Skrobia® glukoza

II etap- glikoliza (beztlenowa): przeprowadzana w hialoplazmie, niezwiązana z błonami; obejmuje enzymy; glukoza jest rozkładana:

Etap III- tlen: realizowany w mitochondriach, związany z macierzą mitochondrialną i błoną wewnętrzną, uczestniczą w nim enzymy, kwas pirogronowy ulega rozszczepieniu

CO 2 (dwutlenek węgla) jest uwalniany z mitochondriów do środowiska. Atom wodoru włączony jest w łańcuch reakcji, których końcowym efektem jest synteza ATP. Reakcje te przebiegają w następującej kolejności:

1. Atom wodoru H za pomocą enzymów nośnikowych wchodzi do wewnętrznej błony mitochondriów, gdzie tworzy się cristae, gdzie ulega utlenieniu:

2. Proton H + (kation wodoru) jest przenoszony przez nośniki na zewnętrzną powierzchnię błony cristae. W przypadku protonów ta błona, podobnie jak zewnętrzna błona mitochondriów, jest nieprzepuszczalna, dlatego gromadzą się one w przestrzeni międzybłonowej, tworząc rezerwuar protonów.

3. Elektrony wodoru są przenoszone na wewnętrzną powierzchnię błony cristae i natychmiast przyłączane do tlenu za pomocą enzymu oksydazy, tworząc ujemnie naładowany aktywny tlen (anion):

4. Kationy i aniony po obu stronach membrany wytwarzają przeciwnie naładowane pole elektryczne, a gdy różnica potencjałów osiągnie 200 mV, zaczyna działać kanał protonowy. Występuje w cząsteczkach enzymu syntetazy ATP, które są osadzone w błonie wewnętrznej tworzącej grzebienie.

5. Poprzez kanał protonowy protony H+ wpadają do mitochondriów, tworząc wysoki poziom energii, z której większość trafia do syntezy ATP z ADP i F ( ), a same protony H + oddziałują z aktywnym tlenem, tworząc wodę i cząsteczkę O 2:

Tak więc O 2 wchodzące do mitochondriów podczas oddychania organizmu jest niezbędne do dodania protonów H +. W przypadku jej braku cały proces w mitochondriach ustaje, ponieważ łańcuch transportu elektronów przestaje funkcjonować. Ogólna reakcja etapu III:

W wyniku rozpadu jednej cząsteczki glukozy powstaje 38 cząsteczek ATP: na etapie II - 2 ATP, a na etapie III - 36 ATP. Powstałe cząsteczki ATP wychodzą poza mitochondria i uczestniczą we wszystkich procesach komórkowych, w których potrzebna jest energia. Rozszczepiając, ATP oddaje energię (jedno wiązanie fosforanowe zawiera 46 kJ) i powraca do mitochondriów w postaci ADP i F (fosforanu).

Pracę enzymów oddechowych reguluje efekt zwany kontrola oddechowa.

- jest to bezpośredni wpływ gradientu elektrochemicznego na prędkość ruchu elektronów wzdłuż łańcucha oddechowego (tj. na ilość oddychania). Z kolei wielkość gradientu zależy bezpośrednio od stosunki ATP/ADP, której suma ilościowa w komórce jest praktycznie stała ([ATP] + [ADP] = const). Reakcje katabolizmu mają na celu utrzymanie stale wysokiego poziomu ATP i niskiego ADP.

Wzrost gradientu protonów następuje wraz ze spadkiem ilości ADP i akumulacją ATP ( stan uśpienia), tj. gdy Syntaza ATP jest pozbawiona substratu, a jony H+ nie wnikają do macierzy mitochondrialnej. W takim przypadku działanie hamujące gradientu jest wzmocnione i ruch elektronów wzdłuż łańcucha spowalnia. Kompleksy enzymatyczne pozostają w stanie zredukowanym. Konsekwencją jest zmniejszenie utleniania NADH i FADH 2 na kompleksach I i II, hamowanie enzymów TCA z udziałem NADH i spowolnienie katabolizmu w klatce.

Zależność gradientu elektrochemicznego od prędkości elektronów

Spadek gradientu protonów występuje, gdy rezerwy ATP są wyczerpane, a ADP jest w nadmiarze, tj. podczas pracy ogniwa. W tym przypadku Syntaza ATP aktywnie działa, a jony H + przechodzą przez kanał F o do matrycy. W tym przypadku gradient protonów naturalnie maleje, zwiększa się przepływ elektronów wzdłuż łańcucha, a w efekcie wypompowywanie jonów H+ do przestrzeni międzybłonowej i ponowne ich szybkie „wpadanie” przez syntazę ATP do mitochondriów z ATP synteza wzrasta. Kompleksy enzymatyczne I i II zwiększają utlenianie NADH i FADH 2 (jako źródła elektronów) i hamujący wpływ NADH jest usuwany na cyklu kwasu cytrynowego i kompleksie dehydrogenazy pirogronianowej. W rezultacie - aktywowane są reakcje katabolizmu węglowodany i tłuszcze.

Mechanizm syntezy ATP podczas glikolizy jest stosunkowo prosty i można go łatwo odtworzyć w probówce. Jednak nigdy nie było możliwe symulowanie syntezy oddechowej ATP w laboratorium. W 1961 roku angielski biochemik Peter Mitchell zasugerował, że enzymy – sąsiednie w łańcuchu oddechowym – obserwują nie tylko ścisłą sekwencję reakcji, ale także wyraźny porządek w przestrzeni komórki. Łańcuch oddechowy, nie zmieniając swojej kolejności, utrwalany jest w wewnętrznej powłoce (błonie) mitochondriów i „zszywa” go kilkakrotnie jak szwy. Próby odtworzenia oddechowej syntezy ATP nie powiodły się, ponieważ naukowcy nie docenili roli błony. Ale reakcja obejmuje również enzymy skoncentrowane w naroślach przypominających grzyby po wewnętrznej stronie błony. Jeśli te narośla zostaną usunięte, ATP nie zostanie zsyntetyzowane.

Fosforylacja oksydacyjna, synteza ATP z adenozynodifosforanu i nieorganicznego fosforanu, prowadzona w żywych komórkach, ze względu na energię uwalnianą podczas utleniania org. substancje podczas oddychania komórkowego. Ogólnie fosforylację oksydacyjną i jej miejsce w metabolizmie można przedstawić za pomocą schematu:

AN2 - substancje organiczne utlenione do łańcuchów oddechowych (tzw. substraty utleniania, czyli oddychania), ADP-adenozynodifosforan, P-fosforan nieorganiczny.

Ponieważ ATP jest niezbędny do realizacji wielu procesów wymagających energii (biosynteza, praca mechaniczna, transport substancji itp.), fosforylacja oksydacyjna odgrywa kluczową rolę w życiu organizmów tlenowych. Do powstawania ATP w komórce dochodzi również w wyniku innych procesów, na przykład w toku glikolizy i różnego rodzaju fermentacji. postępowanie bez udziału tlenu. Ich udział w syntezie ATP w warunkach oddychania tlenowego jest nieznaczną częścią udziału fosforylacji oksydacyjnej (około 5%).

U zwierząt, roślin i grzybów fosforylacja oksydacyjna zachodzi w wyspecjalizowanych strukturach subkomórkowych — mitochondriach (ryc. 1); u bakterii układy enzymatyczne, które przeprowadzają ten proces, znajdują się w błonie komórkowej.

Mitochondria otoczone są błoną białkowo-fosfolipidową. Wewnątrz mitochondriów (w tzw. matrixie) zachodzi szereg procesów metabolicznych rozkładu składników odżywczych dostarczających substraty do utleniania AH2 do fosforylacji oksydacyjnej Naib. Ważnym z tych procesów jest cykl kwasów trikarboksylowych oraz tzw. -utlenianie kwasów tłuszczowych (rozszczepienie oksydacyjne kwasu tłuszczowego z wytworzeniem acetylokoenzymu A i kwasu zawierającego 2 atomy C mniej niż pierwotny; nowo powstały kwas tłuszczowy może również ulegać utlenianiu). Produkty pośrednie tych procesów ulegają odwodornieniu (utlenianiu) przy udziale enzymów dehydrogenaz; elektrony są następnie przenoszone do mitochondrialnego łańcucha oddechowego, zespołu enzymów redoks osadzonych w wewnętrznej błonie mitochondrialnej. Łańcuch oddechowy dokonuje wieloetapowego egzergicznego przeniesienia elektronów (z towarzyszącym spadkiem energii swobodnej) z substratów do tlenu, a uwolniona energia jest wykorzystywana przez znajdujący się w tej samej błonie enzym syntetaza ATP do fosforylowania ADP do ATP. W nienaruszonej (nienaruszonej) błonie mitochondrialnej transfer elektronów w łańcuchu oddechowym i fosforylacja są ściśle ze sobą powiązane. Tak więc na przykład zatrzymaniu fosforylacji po wyczerpaniu ADP lub fosforanu nieorganicznego towarzyszy zahamowanie oddychania (efekt kontroli oddechu). Duża liczba efektów uszkadzających błonę mitochondrialną zaburza sprzężenie między utlenianiem a fosforylacją, umożliwiając przenoszenie elektronów nawet przy braku syntezy ATP (efekt rozprzęgania).

Mechanizm fosforylacji oksydacyjnej można przedstawić za pomocą schematu: Przenoszenie elektronów (oddychanie) A ~ B ATP A ~ B jest półproduktem o wysokiej energii. Założono, że A ~ B jest związkiem chemicznym z wiązaniem makroergicznym, na przykład fosforylowanym enzymem łańcucha oddechowego (hipoteza koniugacji chemicznej) lub naprężoną konformacją jakiegoś białka zaangażowanego w fosforylację oksydacyjną (hipoteza koniugacji konformacyjnej). Jednak te hipotezy nie uzyskały eksperymentalnego potwierdzenia. Największym uznaniem cieszy się chemiosmotyczna koncepcja koniugacji, zaproponowana w 1961 roku przez P. Mitchella (za opracowanie tej koncepcji otrzymał w 1979 roku Nagrodę Nobla). Zgodnie z tą teorią, swobodna energia transportu elektronów w łańcuchu oddechowym jest zużywana na przenoszenie jonów H+ z mitochondriów przez błonę mitochondrialną na jej zewnętrzną stronę (rys. 2, proces 1). W rezultacie na membranie pojawia się różnica elektryczna. potencjały i różnica chemiczna. aktywność jonów H+ (pH wewnątrz mitochondriów jest wyższe niż na zewnątrz). Podsumowując, składniki te dają transbłonową różnicę potencjałów elektrochemicznych jonów wodorowych między matrycą mitochondrialną a zewnętrzną fazą wodną oddzieloną membraną:

gdzie R to uniwersalna stała gazowa, T to temperatura bezwzględna, F to liczba Faradaya. Wartość zwykle wynosi około 0,25 V, przy czym główna część (0,15-0,20 V) jest komponentem elektrycznym. Energia uwalniana, gdy protony poruszają się wewnątrz mitochondriów wzdłuż pola elektrycznego w kierunku ich niższego stężenia (rys. 2, proces 2) jest wykorzystywana przez syntetazę ATP do syntezy ATP. Tak więc schemat fosforylacji oksydacyjnej, zgodnie z tą koncepcją, można przedstawić w następujący sposób:

Transport elektronów (oddychanie) ATP

Sprzężenie utleniania i fosforylacji poprzez umożliwia wyjaśnienie, dlaczego fosforylacja oksydacyjna, w przeciwieństwie do fosforylacji glikolitycznej („podłożowej”), zachodzącej w roztworze, jest możliwa tylko w zamkniętych strukturach membranowych, a także dlaczego wszystkie wpływy, które zmniejszają opór elektryczny i zwiększają przewodność protonowa błony hamuje (rozprzęga) fosforylację oksydacyjną Energia, oprócz syntezy ATP, może być bezpośrednio wykorzystywana przez komórkę do innych celów - transportu metabolitów, ruchu (w bakteriach), redukcji koenzymów nikotynamidu itp.

W łańcuchu oddechowym znajduje się kilka odcinków, które charakteryzują się znacznym spadkiem potencjału redoks i są związane z magazynowaniem (wytwarzaniem) energii. Zwykle są trzy takie miejsca, zwane punktami lub punktami koniugacji: NADH: jednostka reduktazy ubichinonu (0,35-0,4 V), ubichinol: jednostka cytochromu-c-reduktazy (~~0,25 V) i kompleks cytochrom-c-oksydaza (~0,6 V ) - koniugacja punkty 1, 2 i 3 odpowiednio. (rys. 3). Każdy z punktów sprzężenia łańcucha oddechowego może być wyizolowany z błony w postaci indywidualnego kompleksu enzymatycznego o aktywności redoks. Taki kompleks osadzony w błonie fosfolipidowej może pełnić funkcję pompy protonowej.

Zwykle, aby scharakteryzować skuteczność fosforylacji oksydacyjnej, stosuje się wartości H + / 2e lub q / 2e, wskazujące, ile protonów (lub ładunków elektrycznych) jest przenoszonych przez membranę podczas transportu pary elektronów przez dany odcinek łańcucha oddechowego, a także stosunek H+/ATP, pokazujący ile protonów musi zostać przeniesionych z zewnątrz do wnętrza mitochondriów przez syntetazę ATP do syntezy 1 cząsteczki ATP. Wartość q/2e dotyczy odpowiednio punktów połączenia 1, 2 i 3. 3-4, 2 i 4. Wartość H+/ATP podczas syntezy ATP w mitochondriach wynosi 2; jednak jeszcze jeden H+ można wydać na usunięcie zsyntetyzowanego ATP4- z matrycy do cytoplazmy przez nośnik nukleotydów adeninowych w zamian za ADP-3. Dlatego pozorna wartość H + / ATP na zewnątrz wynosi 3.

W organizmie fosforylację oksydacyjną hamuje wiele substancji toksycznych, które w zależności od miejsca działania można podzielić na trzy grupy: 1) inhibitory łańcucha oddechowego, czyli tzw. trucizny oddechowe. 2) Inhibitory syntetazy ATP. Najpowszechniejszymi inhibitorami tej klasy stosowanymi w badaniach laboratoryjnych są antybiotyk oligomycyna i dicykloheksylokarbodiimid, modyfikator grup karboksylowych białka. 3) tzw. Efekt rozprzęgania wykazuje duża liczba związków o najbardziej zróżnicowanej budowie chemicznej. Klasyczne rozprzęgacze to substancje, które mają słabe właściwości kwasowe i są w stanie przenikać przez błonę zarówno w postaci zjonizowanej (zdeprotonowanej), jak i obojętnej (protonowanej). Takie substancje obejmują, na przykład, 1-(2-dicyjanometyleno)hydrazyno-4-trifluorometoksybenzen lub p-trifluorometoksyfenylohydrazon karbonylocyjanku i 2,4-dinitrofenol (odpowiednio wzory I i II; pokazano formy protonowane i deprotonowane).

Przemieszczając się przez membranę w polu elektrycznym w postaci zjonizowanej, rozprzęgacz zmniejsza się; wracając z powrotem do stanu protonowanego, rozprzęgacz obniża się (ryc. 4). Czyli taki „wahadłowy” rodzaj działania odsprzęgacza prowadzi do spadku

Jonofory (na przykład gramicydyna), które zwiększają przewodność elektryczną membrany w wyniku tworzenia kanałów jonowych lub substancji niszczących membranę (na przykład detergenty), również mają działanie rozprzęgające.

Fosforylacja oksydacyjna została odkryta przez V. A. Engelgardta w 1930 roku podczas pracy z erytrocytami ptaków. W 1939 r. V. A. Belitser i ET Tsybakova wykazali, że fosforylacja oksydacyjna jest związana z przenoszeniem elektronów podczas oddychania; GM Kalkar doszedł do tego samego wniosku nieco później.

Mechanizm syntezy ATP. Dyfuzja protonów z powrotem przez wewnętrzną błonę mitochondrialną jest sprzężona z syntezą ATP przez kompleks ATPazy, zwany czynnikiem sprzęgającym F,. Na obrazach z mikroskopu elektronowego czynniki te wyglądają jak kuliste formacje w kształcie grzyba na wewnętrznej błonie mitochondriów, a ich „głowy” wystają w macierz. F1 to rozpuszczalne w wodzie białko składające się z 9 podjednostek pięciu różnych typów. Białko jest ATPazą i jest związane z błoną przez inny kompleks białkowy F0, który łączy błonę. F0 nie wykazuje aktywności katalitycznej, ale służy jako kanał transportu jonów H+ przez błonę do Fx.

Mechanizm syntezy ATP w kompleksie Fi ~ F0 nie został do końca poznany. Istnieje wiele hipotez w tym zakresie.

Jedną z hipotez wyjaśniających powstawanie ATP poprzez tzw. mechanizm bezpośredni zaproponował Mitchell.

Zgodnie z tym schematem, w pierwszym etapie fosforylacji jon fosforanowy i ADP wiążą się ze składnikiem r kompleksu enzymatycznego (A). Protony przechodzą przez kanał w składniku F0 i łączą się w fosforanie z jednym z atomów tlenu, który jest usuwany jako cząsteczka wody (B). Atom tlenu ADP łączy się z atomem fosforu, tworząc ATP, po czym cząsteczka ATP jest oddzielana od enzymu (B).

Dla mechanizmu pośredniego możliwe są różne opcje. ADP i nieorganiczny fosforan są przyłączone do aktywnego miejsca enzymu bez dopływu swobodnej energii. Jony H + , poruszając się wzdłuż kanału protonowego wzdłuż gradientu ich potencjału elektrochemicznego, wiążą się w pewnych obszarach Fb powodując konformację. zmiany w enzymie (P. Boyer), w wyniku których ATP jest syntetyzowany z ADP i Pi. Uwolnieniu protonów do macierzy towarzyszy powrót kompleksu syntetazy ATP do pierwotnego stanu konformacyjnego i uwolnienie ATP.

Pod napięciem F1 działa jako syntetaza ATP. W przypadku braku sprzężenia między potencjałem elektrochemicznym jonów H+ a syntezą ATP, energia uwolniona w wyniku odwrotnego transportu jonów H+ w matrycy może zostać zamieniona na ciepło. Czasami jest to korzystne, ponieważ podwyższenie temperatury w komórkach aktywuje pracę enzymów.