Katere industrije uporabljajo omega 3. Hipoteza o vplivu večkrat nenasičenih maščobnih kislin omega-3 na zmanjševanje incidence koronarne bolezni srca

Imenuje se disimilacija. Je skupek organskih spojin, v katerih se sprosti določena količina energije.

Disimilacija poteka v dveh ali treh stopnjah, odvisno od vrste živih organizmov. Torej, pri aerobih je sestavljen iz pripravljalne, brezkisikove in kisikove stopnje. Pri anaerobih (organizmih, ki lahko delujejo v anoksičnem okolju) disimilacija ne zahteva zadnjega koraka.

Končna stopnja energetske presnove pri aerobih se konča s popolno oksidacijo. V tem primeru pride do razgradnje molekul glukoze s tvorbo energije, ki delno gre za tvorbo ATP.

Omeniti velja, da se sinteza ATP pojavi v procesu fosforilacije, ko se ADP doda anorganski fosfat. Hkrati se sintetizira v mitohondrijih s sodelovanjem ATP sintaze.

Kakšna reakcija poteka med nastajanjem te energijske spojine?

Adenozin difosfat in fosfat se združita, da tvorita ATP, katerega tvorba traja približno 30,6 kJ / mol. Adenozin trifosfat, saj se ga precejšnja količina sprosti med hidrolizo ravno visokoenergijskih vezi ATP.

Molekularni stroj, ki je odgovoren za sintezo ATP, je specifična sintaza. Sestavljen je iz dveh delov. Eden od njih se nahaja v membrani in je kanal, skozi katerega protoni vstopajo v mitohondrije. Pri tem se sprosti energija, ki jo ujame drug strukturni del ATP, imenovan F1. Vsebuje stator in rotor. Stator v membrani je fiksen in je sestavljen iz delta regije ter alfa in beta podenot, ki so odgovorne za kemično sintezo ATP. Rotor vsebuje podenote gama in epsilon. Ta del se vrti z uporabo energije protonov. Ta sintaza zagotavlja sintezo ATP, če so protoni iz zunanje membrane usmerjeni proti sredini mitohondrija.

Treba je opozoriti, da je za celico značilen prostorski red. Produkti kemijskih interakcij snovi se porazdelijo asimetrično (pozitivno nabiti ioni gredo v eno smer, negativno nabiti delci pa v drugo smer), kar ustvarja elektrokemični potencial na membrani. Sestavljen je iz kemične in električne komponente. Povedati je treba, da prav ta potencial na površini mitohondrijev postane univerzalna oblika shranjevanja energije.

Ta vzorec je odkril angleški znanstvenik P. Mitchell. Predlagal je, da snovi po oksidaciji niso videti kot molekule, temveč pozitivno in negativno nabiti ioni, ki se nahajajo na nasprotnih straneh mitohondrijske membrane. Ta predpostavka je omogočila razjasnitev narave tvorbe makroergičnih vezi med fosfati med sintezo adenozin trifosfata in tudi oblikovanje kemiosmotske hipoteze te reakcije.

svetlobna faza

Preoblikovanje snovi in ​​energije v procesu disimilacije vključuje naslednje korake:

I faza- pripravljalni: kompleksne organske snovi pod delovanjem prebavnih encimov razpadejo na enostavne, pri tem pa se sprosti le toplotna energija.
Beljakovine ® aminokisline

Maščobe ® glicerol in maščobne kisline

Škrob ® glukoza

II stopnja- glikoliza (brez kisika): izvaja se v hialoplazmi, ki ni povezana z membranami; vključuje encime; glukoza se razgradi:

Stopnja III- kisik: izvaja se v mitohondrijih, povezan z mitohondrijsko matrikso in notranjo membrano, pri tem sodelujejo encimi, piruvična kislina se razgradi

Iz mitohondrijev se v okolje sprošča CO 2 (ogljikov dioksid). Atom vodika je vključen v verigo reakcij, katerih končni rezultat je sinteza ATP. Te reakcije potekajo v naslednjem vrstnem redu:

1. Vodikov atom H s pomočjo nosilnih encimov vstopi v notranjo membrano mitohondrija, ki tvori kriste, kjer se oksidira:

2. Proton H + (vodikov kation) prenašajo nosilci na zunanjo površino membrane krist. Za protone je ta membrana, tako kot zunanja membrana mitohondrijev, neprepustna, zato se kopičijo v medmembranskem prostoru in tvorijo protonski rezervoar.

3. Vodikovi elektroni se prenesejo na notranjo površino membrane kriste in se s pomočjo encima oksidaze takoj vežejo na kisik in tvorijo negativno nabit aktivni kisik (anion):

4. Kationi in anioni na obeh straneh membrane ustvarijo nasprotno nabito električno polje in ko potencialna razlika doseže 200 mV, začne delovati protonski kanal. Pojavlja se v encimskih molekulah ATP sintetaze, ki so vgrajene v notranjo membrano, ki tvori kriste.

5. Skozi protonski kanal protoni H + hitijo v mitohondrije in ustvarjajo visoko raven energije, večina pa gre za sintezo ATP iz ADP in F ( ), protoni H + sami medsebojno delujejo z aktivnim kisikom, pri čemer tvorijo vodo in molekularni O 2:

Tako je O 2, ki vstopa v mitohondrije med dihanjem organizma, potreben za dodajanje protonov H +. Če ga ni, se celoten proces v mitohondrijih ustavi, saj transportna veriga elektronov preneha delovati. Splošna reakcija stopnje III:

Kot posledica razgradnje ene molekule glukoze nastane 38 molekul ATP: na stopnji II - 2 ATP in na stopnji III - 36 ATP. Nastale molekule ATP presegajo mitohondrije in sodelujejo v vseh celičnih procesih, kjer je potrebna energija. Pri cepljenju ATP odda energijo (ena fosfatna vez vsebuje 46 kJ) in se vrne v mitohondrije v obliki ADP in F (fosfata).

Delo dihalnih encimov uravnava učinek, imenovan nadzor dihanja.

- to je neposredni učinek elektrokemičnega gradienta na hitrost gibanja elektronov vzdolž dihalne verige (tj. na količino dihanja). Po drugi strani pa je velikost gradienta neposredno odvisna od razmerja ATP / ADP, katerih kvantitativna vsota v celici je praktično konstantna ([ATP] + [ADP] = const). Reakcije katabolizma so usmerjene v vzdrževanje konstantno visoke ravni ATP in nizke ADP.

Povečanje protonskega gradienta se pojavi z zmanjšanjem količine ADP in kopičenjem ATP ( stanje mirovanja), tj. kdaj ATP sintaza je prikrajšana za svoj substrat in H + ioni ne prodrejo v mitohondrijski matriks. V tem primeru se zaviralni učinek gradienta poveča in gibanje elektronov po verigi se upočasni. Encimski kompleksi ostanejo v reduciranem stanju. Posledica je zmanjšanje oksidacije NADH in FADH 2 na kompleksih I in II, inhibicija encimov TCA s sodelovanjem NADH in upočasnitev katabolizma v kletki.

Odvisnost elektrokemičnega gradienta od hitrosti elektronov

Zmanjšanje protonskega gradienta se pojavi, ko so rezerve ATP izčrpane in je ADP v presežku, tj. med delovanjem celice. V tem primeru ATP sintaza aktivno deluje in ioni H + prehajajo skozi F o kanal v matriks. V tem primeru se protonski gradient naravno zmanjša, pretok elektronov vzdolž verige se poveča in posledično črpanje H + ionov v medmembranski prostor in ponovno njihovo hitro "padanje" skozi ATP sintazo v mitohondrije z ATP sinteza se poveča. Encimska kompleksa I in II povečata oksidacijo NADH in FADH 2 (kot vira elektronov) in zaviralni učinek NADH se odstrani na cikel citronske kisline in kompleks piruvat dehidrogenaze. Kot rezultat - aktivirajo se katabolične reakcije ogljikovih hidratov in maščob.

Mehanizem sinteze ATP med glikolizo je razmeroma preprost in ga je mogoče zlahka reproducirati v epruveti. Vendar nikoli ni bilo mogoče simulirati dihalne sinteze ATP v laboratoriju. Leta 1961 je angleški biokemik Peter Mitchell predlagal, da encimi - sosedje v dihalni verigi - opazujejo ne le strogo zaporedje reakcij, temveč tudi jasen red v prostoru celice. Dihalna veriga, ne da bi spremenila svoj vrstni red, je pritrjena na notranjo lupino (membrano) mitohondrijev in jo večkrat "šije" kot šive. Poskusi reprodukcije dihalne sinteze ATP niso uspeli, ker so raziskovalci podcenjevali vlogo membrane. Toda reakcija vključuje tudi encime, koncentrirane v gobastih izrastkih na notranji strani membrane. Če te izrastke odstranimo, ATP ne bo sintetiziran.

Oksidativna fosforilacija, sinteza ATP iz adenozin difosfata in anorganskega fosfata, ki se izvaja v živih celicah, zaradi energije, ki se sprosti pri oksidaciji org. snovi med celičnim dihanjem. Na splošno lahko oksidativno fosforilacijo in njeno mesto v presnovi predstavimo s shemo:

AN2 - organske snovi, oksidirane v dihalne verige (tako imenovani substrati oksidacije ali dihanja), ADP-adenozin difosfat, P-anorganski fosfat.

Ker je ATP potreben za izvajanje številnih procesov, ki zahtevajo porabo energije (biosinteza, mehansko delo, transport snovi itd.), ima oksidativna fosforilacija ključno vlogo v življenju aerobnih organizmov. Tvorba ATP v celici se pojavi tudi zaradi drugih procesov, na primer med glikolizo in različnimi vrstami fermentacije. poteka brez sodelovanja kisika. Njihov prispevek k sintezi ATP v pogojih aerobnega dihanja je nepomemben del prispevka oksidativne fosforilacije (približno 5%).

Pri živalih, rastlinah in glivah se oksidativna fosforilacija pojavi v specializiranih subceličnih strukturah – mitohondrijih (slika 1); pri bakterijah se encimski sistemi, ki izvajajo ta proces, nahajajo v celični membrani.

Mitohondriji so obdani z beljakovinsko-fosfolipidno membrano. Znotraj mitohondrijev (v t. i. matriksu) poteka vrsta presnovnih procesov razgradnje hranil, ki oskrbujejo substrate za oksidacijo AH2 za oksidativno fosforilacijo Naib. pomemben od teh procesov je cikel trikarboksilne kisline in t.i. -oksidacija maščobnih kislin (oksidativna cepitev maščobne kisline, da nastane acetil koencim A in kislina, ki vsebuje 2 atoma C manj kot prvotna; novonastala maščobna kislina je lahko tudi podvržena -oksidaciji). Intermediati teh procesov so podvrženi dehidrogenaciji (oksidaciji) s sodelovanjem encimov dehidrogenaze; elektroni se nato prenesejo v mitohondrijsko dihalno verigo, skupek redoks encimov, vgrajenih v notranjo mitohondrijsko membrano. Dihalna veriga izvaja večstopenjski eksergonski prenos elektronov (ki ga spremlja zmanjšanje proste energije) od substratov do kisika, sproščeno energijo pa uporabi encim ATP sintetaza, ki se nahaja v isti membrani, da fosforilira ADP v ATP. V nepoškodovani (intaktni) mitohondrijski membrani sta prenos elektronov v dihalni verigi in fosforilacija tesno povezana. Tako na primer zaustavitev fosforilacije po izčrpanju ADP ali anorganskega fosfata spremlja zaviranje dihanja (učinek nadzora dihanja). Veliko število učinkov, ki poškodujejo mitohondrijsko membrano, moti sklopitev med oksidacijo in fosforilacijo, kar omogoča nadaljevanje prenosa elektronov tudi v odsotnosti sinteze ATP (učinek ločevanja).

Mehanizem oksidativne fosforilacije lahko predstavimo s shemo: Prenos elektronov (dihanje) A ~ B ATP A ~ B je visokoenergetski intermediat. Predpostavljeno je bilo, da je A ~ B kemična spojina z makroergično vezjo, na primer fosforiliran encim dihalne verige (hipoteza kemične konjugacije) ali napeta konformacija nekega proteina, vključenega v oksidativno fosforilacijo (hipoteza konformacijske konjugacije). Vendar te hipoteze niso bile eksperimentalno potrjene. Največjo prepoznavnost uživa kemiosmotski koncept konjugacije, ki ga je leta 1961 predlagal P. Mitchell (za razvoj tega koncepta je leta 1979 prejel Nobelovo nagrado). Po tej teoriji se prosta energija transporta elektronov v dihalni verigi porabi za prenos H+ ionov iz mitohondrijev skozi mitohondrijsko membrano na njeno zunanjo stran (slika 2, proces 1). Zaradi tega se na membrani pojavi električna razlika. potenciali in kemijska razlika. aktivnosti H+ ionov (v mitohondrijih je pH višji kot zunaj). Če povzamemo, te komponente dajejo transmembransko razliko v elektrokemijskih potencialih vodikovih ionov med mitohondrijskim matriksom in zunanjo vodno fazo, ločeno z membrano:

kjer je R univerzalna plinska konstanta, T absolutna temperatura, F Faradayevo število. Vrednost je običajno približno 0,25 V, pri čemer je glavni del (0,15-0,20 V) električna komponenta. Energijo, ki se sprosti, ko se protoni premikajo znotraj mitohondrijev vzdolž električnega polja proti njihovi nižji koncentraciji (slika 2, proces 2), uporablja ATP sintetaza za sintezo ATP. Tako lahko shemo oksidativne fosforilacije v skladu s tem konceptom predstavimo na naslednji način:

Prenos elektronov (dihanje) ATP

Konjugacija oksidacije in fosforilacije prek omogoča razlago, zakaj je oksidativna fosforilacija v nasprotju z glikolitično (»substratno«) fosforilacijo, ki poteka v raztopini, možna le v zaprtih membranskih strukturah in zakaj vsi vplivi, ki zmanjšujejo električni upor in povečujejo protonska prevodnost membrane zavira (odklopi) oksidativno fosforilacijo Energijo lahko celica poleg sinteze ATP neposredno porabi za druge namene - transport metabolitov, gibanje (pri bakterijah), redukcija nikotinamidnih koencimov itd.

V dihalni verigi je več odsekov, za katere je značilen pomemben padec redoks potenciala in so povezani s shranjevanjem (generiranjem) energije. Običajno obstajajo tri taka mesta, imenovana točke ali konjugacijske točke: NADH: enota ubikinon reduktaze (0,35–0,4 V), ubikinol: enota citokrom-c-reduktaze (~ ~ 0,25 V) in kompleks citokrom-c-oksidaze (~0,6 V ) - konjugacijske točke 1, 2 in 3 oz. (slika 3). Vsako od točk konjugacije dihalne verige je mogoče izolirati iz membrane v obliki posameznega encimskega kompleksa z redoks aktivnostjo. Takšen kompleks, vgrajen v fosfolipidno membrano, lahko deluje kot protonska črpalka.

Običajno se za karakterizacijo učinkovitosti oksidativne fosforilacije uporabljajo vrednosti H + / 2e ali q / 2e, ki kažejo, koliko protonov (ali električnih nabojev) se prenese skozi membrano med transportom para elektronov skozi določen odsek dihalne verige, kot tudi razmerje H + / ATP, ki kaže, koliko protonov je treba prenesti od zunaj v notranjost mitohondrijev preko ATP sintetaze za sintezo 1 molekule ATP. Vrednost q/2e je za stičišča 1, 2 in 3. 3-4, 2 in 4. Vrednost H+/ATP med sintezo ATP znotraj mitohondrijev je 2; lahko pa se še en H+ porabi za odstranitev sintetiziranega ATP4- iz matriksa v citoplazmo z nosilcem adenin nukleotidov v zameno za ADP-3. Zato je navidezna vrednost H + / ATP navzven 3.

V telesu oksidativno fosforilacijo zavirajo številne toksične snovi, ki jih lahko glede na mesto delovanja razdelimo v tri skupine: 1) zaviralci dihalne verige ali tako imenovani respiratorni strupi. 2) Inhibitorji ATP sintetaze. Najpogostejša zaviralca tega razreda, ki se uporabljata v laboratorijskih študijah, sta antibiotik oligomicin in modifikator proteinske karboksilne skupine dicikloheksilkarbodiimid. 3) Tako imenovani razdruževalci oksidativne fosforilacije.Ne zavirajo niti prenosa elektronov niti same fosforilacije ADP, imajo pa sposobnost zmanjšanja vrednosti na membrani, zaradi česar je motena konjugacija energije med dihanjem in sintezo ATP. Ločevalni učinek izkazuje veliko število spojin najrazličnejše kemijske strukture. Klasični ločilniki so snovi, ki imajo šibke kisle lastnosti in lahko prodrejo skozi membrano v ionizirani (deprotonirani) in nevtralni (protonirani) obliki. Takšne snovi vključujejo na primer 1-(2-dicianometilen)hidrazino-4-trifluorometoksibenzen ali karbonil cianid-p-trifluorometoksifenilhidrazon in 2,4-dinitrofenol (formuli I oziroma II; prikazani sta protonirana in deprotonirana oblika).

Ko se giblje skozi membrano v električnem polju v ionizirani obliki, se ločilnik zmanjša; ko se vrne nazaj v protonirano stanje, se ločilnik spusti (slika 4). Torej arr., Takšna "shuttle" vrsta delovanja ločilnika vodi do zmanjšanja

Ionoforji (na primer gramicidin), ki povečajo električno prevodnost membrane zaradi tvorbe ionskih kanalov, ali snovi, ki uničijo membrano (na primer detergenti), imajo tudi učinek ločevanja.

Oksidativno fosforilacijo je odkril V. A. Engelgardt leta 1930 med delom s ptičjimi eritrociti. Leta 1939 sta V. A. Belitser in E. T. Tsybakova pokazala, da je oksidativna fosforilacija povezana s prenosom elektronov med dihanjem; Do iste ugotovitve je nekoliko kasneje prišel GM Kalkar.

Mehanizem sinteze ATP. Difuzija protonov nazaj skozi notranjo mitohondrijsko membrano je povezana s sintezo ATP s pomočjo kompleksa ATPaze, imenovanega sklopitveni faktor F. Na elektronskih mikroskopskih slikah so ti dejavniki videti kot kroglaste gobaste tvorbe na notranji membrani mitohondrijev, njihove "glave" pa štrlijo v matriks. F1 je vodotopna beljakovina, sestavljena iz 9 podenot petih različnih vrst. Protein je ATP-aza in je vezan na membrano preko drugega proteinskega kompleksa F0, ki veže membrano. F0 ne kaže katalitične aktivnosti, ampak služi kot kanal za transport H+ ionov skozi membrano do Fx.

Mehanizem sinteze ATP v kompleksu Fi ~ F0 ni povsem pojasnjen. V zvezi s tem obstajajo številne hipoteze.

Eno od hipotez, ki pojasnjuje nastanek ATP s tako imenovanim neposrednim mehanizmom, je predlagal Mitchell.

Po tej shemi se na prvi stopnji fosforilacije fosfatni ion in ADP vežeta na r komponento encimskega kompleksa (A). Protoni potujejo skozi kanal v komponenti F0 in se v fosfatu združijo z enim od atomov kisika, ki se odstrani kot molekula vode (B). Atom kisika ADP se združi z atomom fosforja in tvori ATP, nakar se molekula ATP loči od encima (B).

Za posredni mehanizem so možne različne možnosti. ADP in anorganski fosfat sta pritrjena na aktivno mesto encima brez dotoka proste energije. Ioni H +, ki se gibljejo vzdolž protonskega kanala vzdolž gradienta njihovega elektrokemičnega potenciala, se vežejo v določenih območjih Fb in povzročijo konformacijo. spremembe v encimu (P. Boyer), zaradi česar se ATP sintetizira iz ADP in Pi. Sprostitev protonov v matriks spremlja vrnitev kompleksa ATP-sintetaze v prvotno konformacijsko stanje in sproščanje ATP.

Ko je pod napetostjo, F1 deluje kot ATP sintetaza. V odsotnosti konjugacije med elektrokemičnim potencialom ionov H+ in sintezo ATP se lahko energija, ki se sprosti kot posledica obratnega transporta ionov H+ v matriksu, pretvori v toploto. Včasih je to koristno, saj zvišanje temperature v celicah aktivira delo encimov.