Окисно-відновні реакції – основа біохімічних процесів в організмі людини

Окисно-відновні реакції – основа біохімічних процесів в організмі людини

23

Міністерство освіти і науки України

Чернігівський державний педагогічний університет імені Т.Г. Шевченка

Хіміко-біологічний факультет

КУРСОВА РОБОТА

Окисно-відновні реакції - основа біохімічних процесів в організмі людини

Чернігів - 2006

Вступ

За зміною ступеня окиснення елементів, які входять до складу вихідних речовин та продуктів реакції, хімічні реакції можна поділити на дві групи.

До першої групи належать реакції, що відбуваються без зміни ступенів окиснення елементів. Це реакції подвійного обміну, або витіснення, комплексоутворення, деякі реакції розкладу, реакції ізомеризації, полімеризації, асоціації тощо:

До другої групи належать реакції, що відбуваються із зміною ступенів окиснення елементів реагуючих речовин та продуктів реакції. Такі реакції називаються окисно-відновними, наприклад:

У процесі цієї реакції ступінь окиснення Цинку змінюється від 0 до +2, а Гідрогену - від +1 до 0. Отже, це окисно-відновна реакція.

Речовини, до складу молекул яких входять атоми, здатні приєднувати електрони, тобто знижувати свій ступінь окиснення, називаються окисниками.

Речовини, до складу молекул яких входять атоми, здатні віддавати електрони, тобто підвищувати свій ступінь окиснення, називаються відновниками.

Речовини, що містять у своєму складі елементи з проміжним ступенем окиснення, можуть бути як окисниками (у разі взаємодії з активнішим, ніж вони, відновником), так і відновниками (у разі взаємодії з активнішим, ніж вони, окисником).

Процеси окиснення завжди супроводжуються процесами відновлення. Один процес не може відбуватися без другого, оскільки вони пов'язані лише з переміщенням матеріальних частинок - електронів, а не з їх знищенням або створенням. Процес віддавання електронів, що супроводжується підвищенням ступеня окиснення елемента, називається окисненням. Процес приєднання електронів, що супроводжується зниженням ступеня окиснення елемента, називається відновленням. На процес окиснення - відновлення значною мірою впливають концентрації окисника і відновника. Із збільшенням концентрації окисника або зменшенням концентрації відновника окиснювальна здатність окисника зростає.

Можливість і характер перебігу окисно-відновного процесу іноді залежить від реакції середовища. Наприклад, у кислому середовищі сильний окисник перманганат-іон МnО4 - відновлюється до Мn2+, у лужному - йони Мангану Мn виступають як відновники, окиснюючись до Мn+4(інколи до Мn+6). У нейтральному і слабколужному середовищах як у процесі окиснення, так і в процесі відновлення сполук Мангану утворюється тетрагідроксид Мангану - Мn(ОН)4. У сильнолужному середовищі сполуки Мангану окислюються та відновлюються до манганат-іона МnО4-2.

Окисно-відновні реакції мають величезне значення, особливо для підтримування життєдіяльності біологічних систем. Процеси фотосинтезу, дихання, травлення - все це ланцюги окисно-відновних реакцій.

Мета роботи: з'ясувати особливості окисно-відновних реакцій в організмі людини.

Задачі:

- Розглянути відмінність окисно-відновних реакцій в живій та неживій природі.

- Встановити взаємозв'язок енергетичного та пластичного обміну.

1. Відмінність окисно-відновних реакцій в живій та неживій природі

Обмін речовин і енергії є однією з найважливіших і найсуттєвіших ознак живого організму. Живі організми - відкриті системи, для існування яких необхідний постійний двосторонній зв'язок (обмін) з навколишнім середовищем. З навколишнього середовища вони одержують поживні речовини та енергію, перетворюють їх, видозмінюють, використовуючи утворені сполуки для власних потреб, та повертають в навколишнє середовище кінцеві продукти обміну. Вся сукупність процесів поглинання, засвоєння речовин з навколишнього середовища та утворення і виділення кінцевих продуктів - суть обміну речовин.

Розглядаючи життя як вищу форму руху живої матерії, як спосіб існування біополімерних тіл та систем, здатних до самооновлення і самовідтворення в умовах постійного взаємозв'язку з навколишнім середовищем, незаперечним є те, що обмін речовин є основою всіх проявів життєдіяльності. Припинення обміну речовин рівнозначне припиненню життя. Обмін речовин відбувається і в неживій природі, однак цей процес значно відрізняється від обміну в живих системах. Ця відмінність зумовлена насамперед тим, що обмін речовин у живих організмах забезпечує постійне самооновлення та самовідтворення його складових частин і здійснюється завдяки злагодженій дії численних систем та специфічних факторів, що забезпечують процеси життєдіяльності. У неживій природі обмін відбувається в одному напрямі, що призводить до видозміни, а часто і руйнування неживих тіл. Оскільки обмін речовин між організмом та навколишнім середовищем зумовлює всі прояви життєдіяльності, його можна розглядати як своєрідну норму реагування організму на зміну умов середовища, тобто в процесі еволюції в живих організмах виникли і вдосконалились специфічні функції, що забезпечили виживання та їх розвиток. Отже, обмін речовин в живих організмах має багато суттєвих ознак. Насамперед для обміну речовин у живих організмах характерним є скоординованість біохімічних перетворень у просторі і часі, завдяки чому різні процеси, інколи прямо протилежні, здійснюються одночасно, не заважаючи один одному. Це значною мірою забезпечується за рахунок кампартменізації - окремі біохімічні перетворення відбуваються на певних ділянках клітин чи в специфічних органелах клітин. Досить важливим є і те, що перебіг процесів проходить у суворо визначеній послідовності, при цьому кожна попередня реакція створює умови для здійснення наступної. В цьому важлива роль належить біологічним каталізаторам - ферментам, які мають багато специфічних властивостей і забезпечують складні біохімічні перетворення численних субстратів та спряженість цих перетворень на метаболічному та енергетичному рівнях. Це створює умови для забезпечення саморегуляції та підтримання гомеостазу - необхідної умови існування живих організмів. [2, с. 322-325]

2. Взаємозв'язок енергетичного та пластичного обміну

2.1 Розкладання вуглеводів в організмі

Вуглеводи займають дуже важливе місце в харчуванні людини і тварин. Вони складають більшу частину харчового раціону людини і є основним джерелом енергії.

Джерелом вуглеводів для людини є продукти рослинного походження - мука, крупи, картопля. Основним вуглеводом їх є крохмаль. З фруктами, ягодами і харчовими цукрами людина одержує переважно сахарозу і фруктозу.

Полісахариди, що надходять із їжею, попередньо підлягають розщепленню в травному каналі під дією певних ферментів. У результаті розщеплення утворюються моносахариди, які потім легко асимілюються тканинами організму.

Перетворення вуглеводів, головним чином глюкози, у тканинах людини і вищих тварин може відбуватися двома шляхами - анаеробним і аеробним.

Найпростішим шляхом окиснення органічних речовин, в основному вуглеводів, є бродіння - окиснення глюкози у безкисневому середовищі, тобто в анаеробних умовах. Акцептором електронів у цьому процесі виступає органічна молекула, що утворюється під час самого бродіння. Тому з хімічної точки зору бродіння - внутрішній окисно-відновний процес.

Найбільш важливу роль відіграють два тісно пов'язані між собою процеси.

1. Молочнокисле бродіння, при якому з молекули глюкози як кінцевий продукт утворюються дві молекули молочної кислоти. Молочнокисле бродіння звичайно називають гліколізом.

2. Спиртове бродіння супроводжується розщепленням молекули глюкози на дві молекули етилового спирту і дві молекули оксиду вуглецю (IV) СО2.

Гліколіз і глікогеноліз. Механізм цих процесів на цей час добре вивчений. Встановлено послідовність окремих стадій, виділено в чистому вигляді ферменти, установлені пункти окиснення і спряжене з ними фосфорилювання АДФ з утворенням АТФ, та енергетика цих процесів.

Гліколіз складається з двох стадій.

Перша стадія гліколізу характеризується утворенням тріозофосфорних ефірів. На цій стадії не відбувається ніяких окислювальних реакцій і не виділяється енергія.

Друга стадія гліколізу починається реакцією окиснення гліцеральдегід-3-фосфату. Ця реакція є одним з найбільш важливих етапів гліколізу, оскільки в результаті окиснення альдегідної групи гліцеральдегід-3-фосфату звільняється енергія, що зберігається у формі високоенергетичного окисненого продукту цієї реакції 1,3-дифосфогліцерату. Процес окиснення гліцеральдегід-3-фосфату й утворення АТФ складається з декількох етапів.

Спочатку:

Утворена при цьому нестійка макроергічна сполука взаємодіє з фосфатною кислотою:

У результаті цієї реакції енергія карбоксил-тіолового макроергічного зв'язку зосереджується в карбоксил-фосфатному макроергічному зв'язку 1,3-дифосфогліцеринової кислоти, потім передається на фосфатну кислоту, унаслідок чого вона стає активованою і здатна вступати в реакцію фосфорилювання АДФ з утворенням АТФ. Такий механізм утворення АТФ носить назву субстратного фосфорилювання, або фосфорилювання:

За допомогою ферменту фосфогліцеромутази 3-фосфогліцеринова кислота перетворюється у 2-фосфогліцеринову:

яка під дією енолази втрачає молекулу води, перетворюється у фосфоенолпіруват. Це друга реакція в процесі гліколізу, у результаті якої утворюється високоенергетичний зв'язок. Відщеплення молекули води - це внутрішньомолекулярний окисно-відновний процес, що супроводжується перерозподілом енергії всередині молекули.

Під дією піруваткінази залишок активованої фосфатної кислоти переноситься від фосфоенолпірувату на АДФ з утворенням АТФ і піровиноградної кислоти, тобто здійснюється друга реакція фосфорилювання АДФ на рівні субстрату:

Завершальною реакцією усього процесу гліколізу є відновлення піровиноградної кислоти до молочної під дією лактатдегідрогенази:

Утворенням молочної кислоти завершується друга стадія гліколізу, а водночас і весь процес перетворення глюкози в анаеробних умовах.

Анаеробне окиснення вуглеводів має ряд характерних рис. По-перше, воно відбувається багатоступінчато. Це забезпечує поступове звільнення енергії субстратами і її засвоєння. По-друге, енергія, що звільняється в процесі гліколізу, використовується не безпосередньо для тих або інших процесів, а запасається спочатку в макроергічних фосфатних зв'язках молекул АТФ. І, по-третє, активування неорганічної фосфатної кислоти і реакція фосфорилювання АДФ з утворенням АТФ здійснюються за рахунок енергії внутрішнього окисно-відновного процесу гліколізу. Таким чином, ці реакції свідчать про те, що гліколіз як один із видів бродіння являє собою внутрішній окисно-відновний процес.

Аналогічним способом і за участі тих же ферментів відбувається і спиртове бродіння. Виняток становлять тільки останні дві реакції: піровиноградна кислота під дією піруватдекарбоксилази перетворюється в оцтовий альдегід, який під впливом відновленого коферменту НАД * Н + Н+ і алкогольдегідрогенази відновлюється до етилового спирту:

23

Як вихідна речовина для молочнокислого бродіння може використовуватися глікоген. У цьому випадку анаеробне окиснення називають глікогенолізом.

Дихання. Аеробне окиснення вуглеводів відбувається за участі кисню повітря, тому його часто називають диханням. На відміну від гліколізу (глікогенолізу), при диханні роль акцептора виконує кисень.

Дихання, як і гліколіз, супроводжується утворенням однакових ефірів, фосфатів, а також проміжних продуктів. Багато реакцій гліколізу і дихання каталізуються тими самими ферментами. Іншими словами, при диханні перетворення глюкози до молочної кислоти проходить усі ті етапи, що і при гліколізі. Проте при цьому атоми водню, відщеплені від гліцеральдегід-3-фосфату, не відновлюють піровиноградну кислоту, а передаються на кисень, подолавши складну систему ферментів дихального ланцюга.

Перетворення молочної кислоти. Утворена в анаеробних умовах при окисненні глюкози, молочна кислота окиснюється до СО2 і Н2О в такий спосіб. Спочатку під дією ферменту лактатдегідрогенази, коферментом якої є НАД+, вона окислюється до піровиноградної кислоти:

остання під впливом складного поліферментного комплексу, піддається окиснювальному декарбоксилюванню з утворенням активної форми оцтової кислоти - ацетил-КоА:

де ТПФ - тіамінпірофосфат; ЛК - ліпоєва кислота; НЗКоА - коензим А.

Перетворення піровиноградної кислоти в ацетил-КоА є перехідною стадією, завдяки якій вуглеводи включаються в новий етап - кисневе окиснення. Цей процес - сполучна ланка між гліколізом і власне диханням.

Цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса) являє собою більш досконалий механізм окиснення вуглеводів, вироблений живими організмами з появою на Землі кисню. За допомогою цього механізму відбувається подальше перетворення оцтової кислоти у формі ацетил-КоА до СО2 і Н2О. Першою реакцією циклу є реакція конденсації ацетил-КоА з щавлево-оцтовою кислотою, яку каталізує фермент цитрат-синтаза. У результаті утворюється активна форма лимонної кислоти - цитрил-КоА:

Гідролізуючись, цитрил-КоА перетворюється в лимонну кислоту:

Остання під дією ферменту аконітатгідратази перетворюється в цис-аконітову кислоту, яка, приєднуючи воду, перетворюється в ізолимонну кислоту:

Ізолимонна кислота далі окислюється шляхом відщеплення двох атомів водню, перетворюючись у щавлево-янтарну. Щавлево-янтарна кислота, декарбоксилюючись, перетворюється в ?-кетоглутарову кислоту НАД+:

Наступним етапом циклу трикарбонових кислот є реакція окислювального декарбоксилювання ?-кетоглутарової кислоти, у результаті якої утворюється янтарна кислота. Цей процес здійснюється у дві стадії. Перша стадія:

Друга стадія:

Утворений у результаті цієї реакції ГТФ взаємодіє з АДФ, утворюючи АТФ:

Надалі в ході циклу трикарбонових кислот відбувається ще два дегідрування.

Регенерована щавлево-оцтова кислота може знову вступати в реакцію з новою молекулою ацетил-КоА, і процес почнеться в тому ж порядку.

Загальну схему циклу трикарбонових кислот можна представити таким чином:

З даної схеми видно, що основна функція циклу Кребса полягає в дегідруванні оцтової кислоти.

Сумарна реакція цього циклу описується таким рівнянням:

із якого випливає, що чотири атоми водню належать воді. Отже, інші чотири утворилися при дегідруванні оцтової кислоти. Одночасно з цим у вигляді оксиду вуглецю (IV) двічі виділилося два атоми вуглецю тобто саме стільки, скільки їх надійшло в цикл у формі ацетильної групи.

Біосинтез вуглеводів. Існує два основні шляхи біосинтезу вуглеводів із відносно нескладних метаболітів. Перший полягає у відновленні вуглекислого газу до глюкози. Він характерний для зелених рослин і названий фотосинтезом, здійснюється за рахунок енергії сонячних променів за допомогою хлорофілу згідно з рівнянням:

У печінці, нирках і скелетних м'язах людини і вищих тварин існує інший шлях біосинтезу вуглеводів, який називають глюконеогенезом. Глюконеогенез - це шлях, обернений гліколізу. Проте цей шлях має три стадії, що в енергетичному відношенні не можуть бути використані при перетворенні піровиноградної кислоти в глюкозу. Ці три стадії гліколізу замінені «обхідними» реакціями з меншою витратою енергії.

Першою обхідною реакцією є перетворення піровиноградної кислоти у фосфоенолпіровиноградну:

Далі відбувається ціла серія обернених реакцій, які закінчуються утворенням фруктозо - 1,6-дифосфату. Перетворення фруктозо - 1,6-дифосфату у фруктозо-6-фосфат - друга незворотна реакція гліколізу.

На наступній (оборотній) стадії біосинтезу глюкози фруктозо-6-фосфат перетворюється в глюкозо-6-фосфат під дією фосфоглюкоізомерази гліколізу.

Розщеплення глюкозо-6-фосфату до глюкози - третя незворотна реакція, яка не здійснюється шляхом обернення гексокіназою.

У більшості клітин глюкозо-6-фосфат, який утворюється в процесі глікогенолізу, використовується як попередник для біосинтезу оліго- і полісахаридів. Велику роль у біосинтезі цих складних сахаридів відіграє сполука уридиндифосфоглюкоза, яка виконує роль проміжного переносника глюкози.

2.2 Обмін тригліцеридів

Розщеплення тригліцеридів. Одним з досить важливих етапів використання тригліцеридів у тканинах організму є розщеплення їх на складові частини - гліцерин і вищі жирні кислоти. Процес проходить за участю тканинних ліпаз. Перетворення гліцерину і жирних кислот протікає різними шляхами, що видно з наведеної схеми:

Окислення гліцерину. Як видно з наведеної схеми, гліцерин, незалежно від дальшого використання у тканинах організму, насамперед піддається реакції фосфорилювання за участю АТФ при каталітичній дії ферменту гліцераткінази:

Найінтенсивніше цей процес проходить у клітинах печінки. Далі утворений 3-фосфогліцерин окислюється в тканинах до 3-фосфодіоксіацетону. Реакцію каталізує фермент гліцерофосфатдегідрогеназа:

З-Фосфодіоксіацетон, що утворився, ізомеризується в 3-фосфогліцериновий альдегід, який далі вступає в процеси перетворення, властиві для вуглеводів.

Окислення насичених жирних кислот. Оскільки процес окислення жирних кислот розпочинається від вуглецевого атома, який знаходиться в ?-положенні й окислюється в найбільшій мірі, він дістав назву ?-окислення.

Так, було встановлено, що процес ?-окислення жирних кислот здійснюється лише після активації їх специфічними ферментами, що містять у вигляді коферменту КоА-SH, який за участю сульфгідрильної групи утворює з жирними кислотами тіоефіри.

Процес ?-окислення відбувається у мітохондріях клітин різних органів печінки, нирок, серцевого м'яза, скелетних м'язів тощо. Він включає такі основні етапи: активацію жирних кислот за участю АТФ і утворення тіоефірів КоА; ?-окислення тіоефірів ацил-КоА, що утворились шляхом послідовного відщеплення атомів водню від алкільного ланцюга і відсікання двовуглецевих фрагментів у вигляді ацетил-КоА; окислення молекул ацетил-КоА в циклі Кребса до СО2 і Н2О.

Активація жирних кислот є енергозалежним процесом, що здійснюється за рахунок енергії АТФ. Спочатку за участю ферменту аденілаткінази і АТФ утворюється ациладенілат:

Далі ациладенілат взаємодіє з коензимом А. При цьому утворюється активна форма жирної кислоти - ацил-КоА.

Процес активації жирних кислот є ключовою реакцією, підготовкою жирних кислот до всіх наступних перетворень.

Завдяки численним експериментальним дослідженням було встановлено, що крім ?-окислення жирних кислот існує інший, другорядний шлях їх перетворення, який відбувається в цитоплазмі. Це, зокрема, процес ?-окислення. Проміжними продуктами даного процесу є ?-оксикислоти і ?-кетокислоти, які далі перетворюються на жирні кислоти з непарною кількістю атомів вуглецю. В процесі ?-окислення беруть участь пероксид водню і ферменти пероксидаза та альдегіддегідрогеназа жирних кислот:

Альдегід жирної кислоти, що утворився, за участю НАД-залежної дегідрогенази окислюється до жирної кислоти, яка має на один атом вуглецю менше, ніж вихідна кислота:

Далі процес повторюється. Отже, ?-окислення жирних кислот є двостадійним процесом.

Біосинтез гліцерину. В організмах людини і тварин основним шляхом утворення гліцерину є відновлення діоксіацетонмонофосфату - проміжного продукту обміну вуглеводів за участю ферменту гліцерофосфатдегідрогенази:

З-Фосфогліцерин, що утворюється внаслідок цієї реакції, є активною формою гліцерину і може використовуватися для синтезу тригліцеридів і фосфоліпідів.

Страницы: 1, 2



Реклама
В соцсетях
рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать рефераты скачать