Окислительное фосфорилирование происходит в митохондриях в процессе биологического окисления в дыхательной цепи. Энергия, высвобождающаяся в дыхательной цепи, аккумулируется в макроэргических соединениях АТФ. Энергия, освобождающаяся в процессе биологического окисления только частично рассеивается в виде тепла (около 40%), а большая часть накапливается в форме макроэргических молекул АТФ (около 60%). Молекула АТФ – это универсальный акцептор и донор химической энергии в клетках. Гидролиз каждой макроэргической связи АТФ сопровождается выделением 7,3 килокалорий энергии на 1 грамм-молекулу. В дыхательной цепи при переносе каждой пары электронов на 1 атом кислорода образуется 3 молекулы АТФ, то есть отношение фосфора к кислороду равно трем: P / О = 3. Синтез молекулы АТФ происходит в определенных участках дыхательной цепи. На каждом этапе синтеза АТФ аккумулируется 8 ккал на каждую грамм-молекулу образовавшейся АТФ.
Рис.7.2. Схема дыхательной цепи.
Свободное окисление происходит без фосфорилирования, то есть при этом АТФ не синтезезируется. Такое окисление происходит на наружной поверхности митохондрий с участием таких же ферментов, как внутри митохондрий, промежуточные и конечные продукты окисления также не отличаются от продуктов дыхательной цепи. Отличие только в том, что в этом случае не образуются макроэргические соединения (АТФ). Свободное окисление происходит также в пероксисомах цитоплазмы, где главным ферментом является пероксидаза (каталаза), окисляющая H2O2. Свободное окисление важно для поддержания температуры тела в условиях холода, так как энергия, выделяющаяся при этом, рассеивается в виде тепла.
Микросомальное окисление происходит в микросомах. В мембранах клеток имеется окислительная система, которая катализирует гидроксилирование различных субстратов:
RH + O2 + НАДФН2 ROH + H2O + НАДФ
Реакция происходит с участием кислорода и восстановленной формы НАДФ. При этом один атом молекулярного кислорода включается в R-OH, другой идет на образование воды. Это так называемое монооксигеназное окисление. Фермент цитохром Р450 катализирует образование гидроксильных (-ОН) групп при синтезе желчных кислот, стероидных гормонов, катаболизме чужеродных соединений (ксенобионты).
Токсичность кислорода
Молекулярный кислород O2 в клетках может образовать супероксидный анион O2-, который действует как окислитель (акцептор электрона) и как восстановитель (донор электрона).
Супероксид, пероксид водорода (H2O2), гидроксильный радикал (–ОН) имеют высокую химическую активность, реагируют со многими веществами организма, они оказывают повреждающее действие на липиды.
Активные формы кислорода способны отнимать водород из CH2– групп, жирных кислот, превращая их в свободнорадикальные группы –CH–. Такой радикал жирной кислоты легко присоединяет молекулу кислорода и превращается в пероксидный радикал жирной кислоты.
Такой радикал может отнимать водород от другой молекулы жирной кислоты. В результате возникает цепная реакция. Это пероксидное окисление липидов приводит к разрушению структуры мембран.
Защита от перекисного окисления – окисление каталазой, глутатион-пероксидазой (фермент, соединенный с селеном).
Витамин E совместно с микроэлементом селеном может предотвращать перекисное окисление липидов, так как токоферол может окисляться (отдавать электрон) с образованием малоактивного свободного радикала.
ХИМИЯ И ОБМЕН УГЛЕВОДОВ
Углеводы – органические соединения, состоящие чаще всего из углерода, водорода, кислорода. Известно много углеводов, содержащих, кроме того, фосфор, серу, азот.
Углеводы широко распространены в природе. Они образуются в растениях в результате фотосинтеза и составляют 80-90 % сухой массы растений. В организме животных содержание углеводов составляет 1-2 % сухого веса ткани.
Значение углеводов в организме многогранно. Они являются: 1)основной структурой растительной клетки; 2) источником энергии; 3) откладываются в виде запасных питательных веществ (крахмал).
В организме животных и человека углеводы являются источником химической энергии. Отдельные органы удовлетворяют свои потребности в энергии в основном в результате расщепления глюкозы: головной мозг на 80%, сердце на 70-75%. Углеводы откладываются в тканях животного организма в виде запасных питательных веществ (гликоген). Некоторые из них выполняют опорные функции (гиалуроновая кислота), участвуют в защитных функциях, задерживают развитие микробов (мукополисахариды), являются химической основой для построения молекул биополимеров – нуклеиновых кислот, сложных белков, служат составной частью макроэргических соединений.
По химическим свойствам углеводы являются полиоксиальдегидами и полиоксикето-спиртами. Различают углеводы простые (моносахариды) и сложные (полисахариды).
Моносахариды
Моносахариды классифицируют: 1) по наличию альдегидной или кетонной группы (альдозы и кетозы); 2) по числу углеродных атомов - триозы, тетрозы, пентозы, гексозы; 3) по химической природе: нейтральные сахара, кислые сахара, аминосахара.
Моносахариды – белые кристаллические вещества, хорошо растворимые в воде, сладкие на вкус, оптически активны. Вступают в химические реакции, характерные для альдегидо- и кетоспиртов:
- Моносахариды (альдозы) восстанавливают ионы серебра или меди в аммиачном растворе. Эта реакция используется для обнаружения и количественного определения Сахаров.
- Моносахариды реагируют с аминами (фенилгидразином) с образованием озазонов.
- Нециклические формы моносахаридов в мягких условиях восстанавливаются до многоатомных спиртов. При восстановлении глюкозы и фруктозы образуется сорбит, галактозы - дульцит, маннозы - маннит, рибозы - рибит.
- Продуктами окисления моносахаридов по C-I являются альдоновые кислоты. Их получают окислением альдоз бромом или другими мягкими окислителями; название зависит от углевода: глюконовая из глюкозы, галактоновая из галактозы, рибоновая из рибозы и т.д.
- При действии более сильных окислителей (азотная кислота) наступает окисление при двух углеродных атомах C-I и C-6 с образованием двухкарбоновых сахарных кислот. При окислении С-6 (в организме) образуются альдуроновые кислоты.
Триозы. Общая формула C3H6O3. По химическим свойствам являются альдегидо- и кетоспиртами.
Содержатся в тканях в виде сложных эфиров с ортофосфорной кислотой.
Тетрозы – С4H8O4 по химическим свойствам альдозы и кетозы. Наибольшее значение имеет эритроза - продукт пентозного пути окисления углеводов.
Пентозы – С5Н10О5, в природе широко распространены, входят в состав сложных соединений, могут существовать в альдо- и кетоформах и в циклической фуранозной форме. Наиболее широко распространена D-рибоза.
Фосфорилированная рибоза входит в состав нуклеотидов – составных частей РНК. В тканях находится также кеторибоза D-рибулоза, в виде D-рибулозо-5-фосфата:
Кроме того, широко распространена в природе 2-D-дезоксирибоза, входящая в состав ДНК.
Ксилоза, ксилулоза, арабиноза имеют значительное распространение. D-арабиноза входит в состав возбудителя туберкулеза.
Гексозы – C6H12O6 (рис.8.1) – наиболее широко распространены в природе: составные части моно- и полисахаридов:
D (+)-глюкоза L(-)-глюкоза D(+)-галактоза L(-)-галактоза
D (+)-манноза L(-)-манноза D(-)-фруктоза L(+)-фруктоза
Рис. 8.1. Структурные формулы гексоз.
Рис.8.1. Структурные формулы глюкозы
D-глюкоза (декстроза, виноградный сахар, виноградный сахар содержит до 20%) – альдогексоза, наиболее часто встречающаяся в пиранозной форме. Они являются структурными компонентами олиго- и полисахаридов в тканях. В крови D-глюкопиранозы содержится 0,04-0,1 %.
D-манноза в виде (β-D-маннопиранозы входит в состав белков, гликолипидов. Манноза – составная часть полисахаридов бактерий, дрожжей, гликопротеидов крови. Используется в качестве питательной среды в бактериологии.
D-галактоза встречается в виде β-D-галактопиранозы, которая входит в состав молочного сахара (лактозы).
Галактоза находится в составе полисахаридов, гликозидов, цереброзидов и т.д. Кроме того, встречается L-лактоза, которая входит в состав агар-агара, полисахаридов, слизи льняного семени.
D-фруктоза (левулеза, фруктовый сахар) встречается в свободном виде – кетогексоза во фруктах, меде, овощах и т.д. Фруктоза – самый сладкий сахар, входит в состав сахарозы.
Гептозы – С7Н14О7 могут быть в виде альдоз и кетоз, входят в состав полисахаридов. Наиболее распространенной является D-седогептулоза, которая участвует в процессах пентозофосфатного пути окисления углеводов в клетке в виде фосфорных эфиров.
D-седогептулоза-7-фосфат D-седогептулоза-1,7-дифосфат
