анестезіологія2 / Введення

Введення

Клітинне або тканинне дихання - сукупність біохімічних реакцій, що протікають в клітинах живих організмів, в ході яких відбувається окислення вуглеводів,ліпідів і амінокислот до вуглекислого газу і води. Вивільнена енергія запасається в хімічних зв'язках макроергічних сполук ( АТФ тощо) і може бути використана в міру необхідності. Входить до групи процесів катаболізму. Про фізіологічних процесах транспортування до клітин багатоклітинних організмів кисню і видаленню від них вуглекислого газу см. статтю Дихання.

Схема гліколізу

1. Використання різних початкових субстратів

В якості вихідних субстратів дихання можуть виступати різні речовини, що перетворюються в ході специфічних метаболічних процесів в Ацетил-КоА з вивільненням ряду побічних продуктів. Відновлення НАД ( НАДФ) і освіта АТФ може відбуватися вже на цьому етапі, однак більша їх частина утворюється в циклі трикарбонових кислот при переробці Ацетил-КоА.

1.1. Гліколіз

Гліколіз - шлях ферментативного розщеплення глюкози - є загальним практично для всіх живих організмів процесом. У аеробів він передує власне клітинному диханню, у анаеробів завершується бродінням. Сам по собі гліколіз є повністю анаеробним процесом і для здійснення не вимагає присутності кисню.

Перший його етап протікає з витратою енергії 2 молекул АТФ і включає в себе розщеплення молекули глюкози на 2 молекули гліцеральдегід-3-фосфату. На другому етапі відбувається НАД -залежне окислення гліцеральдегід-3-фосфату, що супроводжується субстратною фосфорилюванням, тобто приєднанням до молекули залишку фосфорної кислоти і формуванням в ній макроергічним зв'язку, після якого залишок переноситься на АДФ з утворенням АТФ.

Таким чином, рівняння гліколізу має наступний вигляд:

Глюкоза + 2 НАД ⁺ + 4 АДФ + 2 АТФ + 2Ф _н = 2 ПВК + 2 НАД ∙ Н + 2 АДФ + 4 АТФ + 2 H ₂ O + 4Н ^+.

Скоротивши АТФ і АДФ з лівої і правої частин рівняння реакції, отримаємо:

Глюкоза + 2 НАД ⁺ + 2 АДФ + 2Ф _н = 2 НАД ∙ Н + 2 ПВК + 2 АТФ + 2 H ₂ O + 2Н ^+.

1.2. Окислювальне декарбоксилювання пірувату

Новоутворена в ході гліколізу піровиноградна кислота (піруват) під дією піруватдегідрогеназного комплексу (складна структура з 3 різних ферментів і більше 60 субодиниць) розпадається на вуглекислий газ і ацетальдегід, який разом з Кофермент А утворює Ацетил-КоА. Реакція супроводжується відновленням НАД доНАД ∙ Н.

У еукаріотів процес протікає в матриксі мітохондрій.

1.3. β-окислення жирних кислот

Деградація жирних кислот (у деяких організмів також алканов) відбувається у еукаріот в матриксі мітохондрій. Суть цього процесу полягає в наступному. На першій стадії до жирної кислоти приєднується кофермент А з утворенням ацил-KoA. Він дегидрируются з послідовним переносом відновлювальних еквівалентів на убіхінон дихальної ЕТЦ. На другій стадії відбувається гідратірованіем по подвійному зв'язку С = С, після чого на третій стадії відбувається окислення отриманої гідроксильної групи. В ході цієї реакції відновлюється НАД.

Нарешті, на четвертій стадії утворилася β-кетокислот розщеплюється β-кетотіолазой в присутності коферменту А на ацетил-КоА і новий ацил-КоА, в якій вуглецева ланцюг на 2 атома коротше. Цикл β-окислення повторюється до тих пір, поки вся жирна кислота не буде перероблена в ацетил-КоА.

2. Цикл трикарбонових кислот

Ацетил-КоА під дією цітратсінтази передає ацетильную групу оксалоацетат з утворенням лимонної кислоти, яка поcтупает в цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса). В ході одного обороту циклу лимонна кислота кілька разів дегидрируются і двічі декарбоксилируется з регенерацією оксалоацетата і утворенням однієї молекули ГТФ (способом субстратного фосфорилювання), трьох НАДН і ФАДН ₂.

Сумарне рівняння реакцій:

Ацетил-КоА + 3НАД ⁺ + ФАД + ГДФ + Ф _н + 2H ₂ O + КоА-SH = 2КоА-SH + 3НАДH + 3H ⁺ + ФАДН ₂ + ГТФ + 2CO ₂

У еукаріот ферменти циклу знаходяться у вільному стані в матриксі мітохондрій, тільки сукцинатдегідрогеназа вбудована у внутрішню мітохондріальну мембрану.

3. Окисне фосфорилювання

Основна кількість молекул АТФ виробляється за способом окисного фосфорилювання на останній стадії клітинного дихання: в електронтранспортной ланцюга. Тут відбувається окислення НАД ∙ Н і ФАДН ₂, відновлених в процесах гліколізу, β-окислення, циклу Кребса і т. д.. Енергія, що виділяється в ході цих реакцій, завдяки ланцюгу переносників електронів, локалізованої у внутрішній мембрані мітохондрій (у прокаріотів - в цитоплазматичної мембрани), трансформується в трансмембранний протонний потенціал. Фермент АТФ-синтаза використовує цей градієнт для синтезу АТФ, перетворюючи його енергію в енергію хімічних зв'язків. Підраховано, що молекула НАД ∙ Н може дати в ході цього процесу 2.5 молекули АТФ, ФАДН ₂ - 1.5 молекули.

Кінцевим акцептором електрона в дихального ланцюга аеробів є кисень.

3.1. Анаеробне дихання

Якщо в електронтранспортной ланцюга замість кисню використовується інший кінцевий акцептор (тривалентне залізо, нітрат - або сульфат -аніон), дихання називається анаеробним. Анаеробне дихання властиво в основному бактеріям, які завдяки цьому відіграють важливу роль в біогеохімічному циклі сірки, азоту та заліза. Денітрифікація - один з типів анаеробного дихання - є одним з джерел парникових газів, железобактерії беруть участь в утворенні залізомарганцевих конкрецій. Серед еукаріотів анаеробне дихання зустрічається у деяких грибів, морських донних безхребетних, паразитичних черв'яків ^[1] і протистов - наприклад, форамініфер [1].

4. Загальне рівняння дихання, баланс АТФ

Стадія	Вихід коферменту	Вихід АТФ (ГТФ)	Спосіб отримання АТФ
Перша фаза гліколізу		-2	Фосфорилювання глюкози і фруктозо-6-фосфату з використанням 2 АТФ з цитоплазми.
Друга фаза гліколізу		4	Субстратне фосфорилування
	2 НАДН	3 (5)	Окисне фосфорилювання. Тільки 2 АТФ утворюється з НАДН в електронтранспортной ланцюга, оскільки кофермент утворюється в цитоплазмі і повинен бути транспортований в мітохондрії. При використанні малат-аспартатних човника для транспорту в мітохондрії з НАДН утворюється 3 моль АТФ. При використанні ж гліцерофосфатного човника утворюється 2 моль АТФ.
Декарбоксилювання пірувату	2 НАДН	5	Окисне фосфорилювання
Цикл Кребса		2	Субстратне фосфорилування
	6 НАДН	15	Окисне фосфорилювання
	2 ФАДН 2	3	Окисне фосфорилювання
Загальний вихід		30 (32) АТФ[2]	При повному окисленні глюкози до вуглекислого газу і окисленні всіх утворюються коферментів.

Примітки

1. Tielens AGM, Rotte C., van Hellemond JJ, Martin W. Mitochondria as we don't know them (Trends in Biochem.Sci. ,2002,27,11,564-572

2. David L. Nelson, Michael M. Cox Lehninger Principles of Biochemistry. - 4. - WH Freeman, 2004. - 1100 с.