Treść zadania

Rozwiązania

• 

  1 0

  eduso 3.3.2013 (20:00)

  Przystępując do rozwiązania tego zadania należy na wstępie jednoznacznie określić co oznacza symbol NADH + H wg definicji utleniania i rozwinąć na trzy podpunkty a) b) c).
  Zanim jednak do tego przejdziemy słowem wprowadzenia ,określimy podstawowe pojęcia z dziedziny
  utleniania.
  Samo pojęcie z chemicznego puntu widzenia ,czyli proces utleniania można rozpatrywać jako :
  - bezpośrednie przyłączanie tlenu np. w reakcji 2 FeO +C----> CO2 +2Fe
  -jako odłączanie wodoru we wzorze strukturalnym np. R-CH2-CH2-R----->R-CH=CH-R +2H+ +2e
  -oraz jako oderwanie elektronów np. Fe(2+ ) - e ----->Fe (3+ ) --symbole w nawiasach oznaczają wartościowości żelaza . Czyli jak widać następuje przenoszenie elektronów i protonów -gdyż każdy atom jest zbudowany z jądra atomowego oraz występujących w nim nukleonów. Te procesy występują faktycznie w utlenianiu biologicznym.
  Stąd należy teraz z biochemicznego punktu widzenia powiedzieć ,ze oddychanie komórkowe czyli utlenianie biologiczne zachodzące w żywych komórkach jest procesem rozpadu różnych substancji organicznych dostarczające niezbędnej do życia energii. Zewnętrznym przejawem oddychania komórkowego u większości organizmów jest właśnie pobieranie tlenu, wydalanie CO2 i wydzielanie ciepła. Reszta energii natomiast musi podtrzymać funkcje życiowe danej komórki.
  Dlatego proces oddychania komórkowego lub ściślej utleniania biologicznego jest głównym dostawcą energii dla wszelkich reakcji endoergicznych.
  W procesie oddychania przy tworzeniu CO2 uzyskuje się mały efekt energetyczny , a większość energii powstaje już przy wytwarzaniu H2O -a najważniejsza jest jednak ta która zostaje zaakumulowana w postaci energii chemicznej i nie jest tracona na ciepło.
  Ponieważ biochemia jest nauką badającą przemiany chemiczne i energetyczne procesów życiowych przebiegających w żywej komórce to zajmuje się nie tylko badaniem reakcji chemicznych zachodzących w komórce ,ale także sposobami gromadzenia ,magazynowania i użytkowania energii w procesach jej wymagających. Podział na trzy podpunkty zadania jest metodologicznie uzasadniony gdyż utlenianie w erytrocytach ,mózgu czy wątrobie ma sens czysto medyczny pokazujący odrębności z tym związane.
  Teraz scharakteryzujemy czym jest postać wzoru nukleotydu NADH - w skrócie wszystkie nukleotydy
  ( a ten w szczególności występujący pod nazwą zredukowany dwunukleotyd nikotynoamidoadeninowy ) są różnorodnymi związkami chemicznymi zbudowane z zasad purynowych lub pirymidynowych, połączonych z rybozą lub dezoksyrybozą , w których grupa OH (wodorotlenowa) przy piątym atomie węgla jest zestryfikowana kwasem fosforowym .Nukleotydy mają bardzo ważne znaczenie w żywych organizmach gdyż z nich są zbudowane kwasy nukleinowe, ich pochodne są koenzymami wielu enzymów ( m.in. oksydoreduktaz) a dwufosforanowe lub trójfosforanowe pochodne nukleotydów (np. adenozynotrójfosforan ATP) są związkami wysokoenergetycznymi dostarczającymi energii komórce.
  
  Zapis NADH + H mówi właśnie o wspomnianym wyżej przyłączaniu lub odłączaniu elektronów i protonów w takich reakcjach biochemicznych.
  
  Odnosząc się do naszych podpunktów zadania należy tutaj powiedzieć , ze w przypadku (a)- erytrocyty są krwinkami czerwonymi (lub inaczej mówiąc ) -morfatycznym składnikiem krwi ,którego głównym zadaniem jest przenoszenie tlenu z płuc do pozostałych tkanek organizmu. W przypadku ssaków -erytrocyty nie posiadają jądra komórkowego czyli uzysk energetyczny z takiej wymiany odbywa się na poziomie mitochondriów . Erytrocyty są tutaj przenośnikiem tlenu ,który łatwo wiąże się ze składnikiem krwi -hemoglobiną w procesie utlenowania krwi w krążeniu małym. Polega to na tym, że z powodu wyższego ciśnienia parcjalnego w pęcherzykach płucnych po rozprężeniu płuc -tlen oddawany jest do obiegu innym narządom o niższym ciśnieniu parcjalnym- w cyklu Krebsa-czyli w łańcuchu oddechowym oraz w krążeniu małym krwi. Ponieważ erytrocyty u ssaków nie posiadają jądra komórkowego czyli nie dzielą się-muszą być stale odbudowywane. Hemoglobina jest czerwonym barwnikiem i posiada zdolność do nietrwałego wiązania tlenu poprzez oksyhemoglobinę. W ten sposób polega utlenianie krwi na poziomie erytrocytów.
  Elektrony są przenoszone na tlen za pośrednictwem wielu kolejnych przenośników biologicznych , przy czym tlen ulega w ten sposób aktywacji a protony są w jednym z etapu procesów wydzielane do środowiska, skąd są następnie powtórnie wychwytywane przez zaaktywowany tlen. Przeniesione elektrony mogą aktywować cząsteczkę tlenu w dwojaki sposób: dwuelektronowo lub czteroelektronowo, przy czym przyłącza on odpowiednio 2 lub 4 uprzednio uwolnione protony zgodnie z zapisem reakcji w postaci :
  2H+
  O2 + 2e-  O22 H2O2
  4H+
  O2 + 4e-  2O2 2H2O
  Z przytoczonych reakcji widać , ze aktywacja cząsteczki tlenu dwoma elektronami prowadzi do wytworzenia nadtlenku wodoru, a aktywacja czteroma elektronami do wytworzenia wody H2O.
  Oba przypadki występują w utlenianiu biologicznym i najczęściej zachodzi zapis , ze :
  
  4 H + 4 e + O2 ---------> 2 H2O
  Przemiana ta jest wysoce egzoergiczna i wyliczenie energii pobranej lub wydzielonej w trakcie przenoszenia elektronów i protonów pozostaje w związku ze wzorem ∆G= - n x Fx Eo gdzie n-liczba przenoszonych elektronów , F=stała Faradaya=96500 C/mol.
  Przy różnicy potencjałów 1 V i przeniesieniu 1 elektronu uwalnia się energia Go=96500 J/mol a przy przeniesieniu 2 elektronów 193000 J/mol. Czyli do wytworzenia cząsteczki ATP
  ( adenozynotrójfosforanu ) przy przeniesieniu dwóch elektronów Go=33500 J/mol różnica potencjałów pomiędzy reagującymi układami powinna wynosić co najmniej ( 33500/193000)=0,17 V . Do rzeczywistych wartości i obliczeń należy przyjmować PH środowiska = 7 gdyż przy PH=O enzymy nie działają. W procesach oksydoredukcyjnych należy się tez posługiwać wzorem Nersta.
  
  Sama istota grupy HEM polega na tym, że centralnym atomem jest Fe -żelazo czyli mamy tutaj do czynienia z ogniwem żelazowo wodorowym. Część białkowa zwana globiną jest połączona z czterema cząsteczkami hemu. Sam hem jest zbudowany z czterech podstawowych pierścieni pirolowych. Sama w sobie hemoglobina jest białkiem złożonym.
  
  Hb + O2 --------> Hb ∙ O2
  <---------
  
  Z utlenianego związku organicznego NADH – przeniesienie protonów i elektronów dokonuje się nie bezpośrednio lecz za pomocą kolejno uszeregowanych przenośników biologicznych. Rozpatrując teraz podpunkt ( a ) z erytrocytami – widzimy ,że w tym łańcuchu oddechowym i odwodorowania NADH- prowadzi najpierw do reakcji ortodoks w samej grupie HEM , której wzór strukturalny przedstawiam poniżej :
  
  
  Katabolizm Hemu polega na tym ,ze część białkowa hemoglobiny rozpada się do wolnych aminokwasów. W komórkach układu Fe2+ jest utleniane do Fe3+ i przechodzi do puli ogólnej żelaza w organizmie a z pozostałej części porfirynowej hemu odszczepiony zostaje mostek α-metinowy w postaci tlenku węgla i powstaje biliwerdyna (zielony barwnik). Po redukcji biliwerdyna daje czerwono-pomarańczową . Ta przenika do krwi, gdzie zostaje sprzęgnięta z osoczową albuminą tworząc nierozpuszczalną w wodzie bilirubinę pośrednią (wolną). Schemat delokalizacji wiązań w obrębie Hemu przedstawia poniższy rysunek :
  
  
  
  Rys . Delokalizacja wiązań w obrębie Hemu B .
  
  W przeniesieniu protonów i elektronów na tlen biorą udział kolejno : nukleotydy nikotynamidoadeninowe, współdziałające z dehydrogenezami , nukleotydy Flawinowe ,współdziałające z reduktazami , ubichinon (koenzym Q) , cytochromy i oksydaza cytochromowa.
  W wyniku delokalizacji wiązań szkieletu porfirynowego cząsteczka hemu silnie absorbuje światło widzialne. Hem nadaje białku i krwi kolor czerwony. Produkty uboczne wydalane są z moczem.
  
  Wątroba człowieka realizuje szereg funkcji, które można podzielić na:
  • syntezę
  o produkuje i magazynuje niektóre białka surowicy krwi ( albumina itp.)
  o wytwarza żółć
  o wytwarza heparynę
  o wytwarza i magazynuje enzymy
  o syntetyzuje cholesterol i trójglicerydy
  o syntetyzuje angiotensynę.
  • metabolizm
  o przekształca puryny w kwas moczowy.
  o węglowodany przekształca w łatwo przyswajalną dla organizmu glukozę a jej nadmiar w glikogen lub w tłuszcze (które magazynuje)
  o aminokwasy metabolizuje w tłuszcze
  • magazynowanie
  o magazynuje żelazo i witaminy z grupy K,A,D , które uwalnia w razie potrzeby
  Jednym z zadań wątroby jest filtracja krwi.:
  • neutralizuje toksyny (np. alkohol i leki i inne używki)
  • toksyczny amoniak przekształca w mocznik
  • sprzęga metabolity .
  • Poza tym wątroba:
  • buforuje poziom glukozy we krwi
  • produkuje ciepło, bierze udział w termoregulacji organizmu(krew wypływa cieplejsza o 1 °C)
  • zachowuje w organizmie substancje nadające się do ponownego wykorzystania, zbędne – wydala
  • u płodu pełni funkcję krwiotwórczą (produkcja erytrocytów)
  Podsumowując, wątroba spełnia cztery funkcje:
  • detoksykacyjną
  • metaboliczną
  • filtracyjną
  • magazynującą.
  Zwiększenie zawartości globulin świadczy o stanach chorobowych.
  Krew do wątroby doprowadzana jest na dwa sposoby:
  1. Żyła wrotna wątroby (układ wrotny) – płynie nią odtlenowana krew (tzw. krew czynnościowa) ze żołądka ,jelit ,śledziony i jest bogata w składniki odżywcze i sole mineralne, które wątroba przechwytuje i przetwarza.
  2. Tętnicą wątrobową właściwą doprowadzającą krew bogatą w tlen (tzw. krew odżywcza).
  
  Cykl kwasu cytrynowego, cykl kwasów trikarboksylowych (TCA) lub cykl Krebsa – cykliczny szereg reakcji biochemicznych. Stanowi końcowy metabolizmu aeorobów czyli oddychających tlenem. Mechanizm cyklu zbadał w latach trzydziestych XX w-Krebs
  Cykl kwasu cytrynowego przebiega w macierzy mitochondrialnej. Substratem cyklu jest acetylokoenzymA (acetylo-CoA, czynny octan), który po połączeniu ze szczawiooctanemdaje cytrynian (koenzym A odłącza się), a następnie w wyniku kolejnych reakcji powstają dwie cząsteczki dwutlenku węgla. Sumaryczny zysk energetyczny cyklu to 12 wiązań wysokoenergetycznych z jedne cząsteczki acetylo-CoA.
  
  
  Głównym substratem cyklu kwasu cytrynowego jest acetylo-CoA (CoASAc). Może on pochodzić z różnych źródeł. Zwykle powstaje z pirogronianu (produktu glikolizy) w reakcji katalizowanej przez kompleks dehydrogenazy pirogronianowej w mitochondrium. Stanowi także produkt β-oksydacji kwasów tłuszczowych.
  O O
  ǁ ǁ
  C− O C −O
  │ │
  NADH + H + C =O ↔ NAD + + HO - C - H
  │
  pirogronian CH3 mleczan
  schemat pirogranianu
  
  
  Enzymy oddechowe są bardzo ściśle związane ze strukturą mitochondriów ,że uszkodzenie jej powoduje utratę ich aktywności. Jak wyżej wspominano pierwszym krokiem utleniania jest zwykle przeniesienie atomów wodoru z substratu na jeden z nukleotydów NADH, katalizowane przez dehydrogenazy . NAD + oraz NADP+ występują w mitochondriach w znacznych stężeniach. Znane są przypadki , ze regeneracja NADH przy niedoborze tlenu , która odbywa się kosztem redukcji pirogronianu do mleczanu .Za pomocą transhydrogenazy
  NADPH + NAD -- NADP + NADH .
  
  Ponieważ wątroba jest odpowiedzialna za właściwa regulacje i gospodarkę enzymami to w tym cyklu
  Cytrynowym Krebsa mamy określoną zależność w tym cyklu.
  
  Regulacja stężenia glukozy przez wątrobę :
  
  
  
  
  Ad c.) Oddychanie komórkowe – jest wielostopniowym biochemicznym procesem utleniania związków organicznych związanym z wytwarzaniem energii użytecznej metabolicznie. Oddychanie przebiega w każdej żywej komórce w sposób stały. Zachodzi ono nawet wtedy, gdy inne procesy metaboliczne zostaną zahamowane. Chociaż istnieją różnice w przebiegu procesu oddychania u poszczególnych grup organizmów, to zestaw enzymów katalizujących poszczególne reakcje składające się na oddychanie jest zbliżony u wszystkich organizmów żywych. Zachodzenie oddychania jest jednym z najczęściej stosownych wskaźników zachodzenia procesów życiowych. Jedynie wirusy będące strukturami na pograniczu życia i cząstek chemicznych nie przeprowadzają procesu oddychania. Ponieważ mozg w większości składa się z tkanki tłuszczowej i glejowej oraz szeroko unerwionej to oddychanie komórkowe odbywa się najczęściej poprzez mitochondria. Głównym pokarmem dla zdrowego mózgu jest glukoza. Białka stanowią około 40%, tłuszcze około 50%, składniki drobnocząsteczkowe około 9% z czego najwięcej jest: NAD, ATP, fosfokreatyny, witaminy C i niacyny – łatwo zamienianej przez mózg na NAD. Składniki mineralne stanowią około 1% z czego w większości to kationy sodu i potasu, nieco wapnia, a z anionów – chlorki, fosforany i siarczany.
  Węglowodanów zaś jest śladowa ilość w formie estrów fosforanowych glukozy, mukopolisacharydów i glikogenu związanego z białkiem. Komórki nerwowe wskutek braku dopływu tlenu umierają. Jedynym liczącym się źródłem energii dla mózgu jest energia swobodna, którą organizm kumuluje w postaci ATP.
  Proces wytwarzania ATP związany jest z mitochondrialnym transportem elektronów składającym się z pięciu kompleksów i fosforylacją oksydacyjną. W wyniku tych procesów utleniany jest wodór, z którego powstaje woda i ATP. Stwierdzono, że tkanka nerwowa mózgu może zużywać od 9 do 25% tlenu wykorzystywanego przez cały organizm.
  Wróćmy teraz do glukozy. Co się dzieje z glukozą wchodzącą do cytozolu komórki?
  Po pierwsze: ze względu na bardzo intensywną przemianę białkową w mózgu, a co za tym idzie, szybkimi przemianami kwasów nukleinowych, konieczna jest synteza z glukozy – pentoz w szlaku pentozofosforanowym. W wyniku tego procesu uwalniany jest dwutlenek węgla.
  Ciekawostka: ustalono, że proces zapamiętywania krótkotrwałego związany jest z syntezą RNA, natomiast proces zapamiętywania długotrwałego z tworzeniem nowych wypustek i synaps.
  Po drugie: ze względu na bardzo intensywną przemianę białkową w mózgu, a co za tym idzie ubytkom metabolitów pośrednich cyklu Krebsa w - szczawiooctan.
  Po trzecie: ze względu na bardzo szybką przemianę tłuszczu mitochondrialnego, na acetylo-CoA, z uwolnieniem dwutlenku węgla, celem ciągłego odbudowania zapasów tłuszczu energetycznego. Może odbywać się to w dwojaki sposób, albo przez mitochondrialną elongację, albo przez cytozolową syntezę de novo.
  Jak wspomniałem na wstępie - jedynym liczącym się źródłem energii dla mózgu jest energia swobodna, którą organizm kumuluje w postaci ATP.
  Wytworzona w ten sposób energia jest zużytkowana przez mózg głównie w trojaki sposób.
  Po pierwsze: do tak zwanej chemicznej pracy biosyntezy – około 30-40%
  Po drugie: do aktywnego transportu jonów przez błonę komórkową – około 50-60%
  Po trzecie: rozpraszana w formie ciepła – resztę.
  Podane wartości są przybliżone, zmienne i ściśle powiązane ze stanem fizjologicznym mózgu – głównie faz: snu (przeważa anabolizm), czuwania (przeważa katabolizm) i podrażnienia (głównie metabolizm z uwalnianiem glukozy z rezerwy glikogenowej mózgu).
  Czy mózg gromadzi substraty energetyczne? Odpowiedź – tak.
  Wynika to ze składu chemicznego mózgu, który jest narządem stosunkowo bogatym i w białka i w tłuszcze, które może spożytkować do wytworzenia energii w formie ATP. Możliwe jest to jednak jedynie przy stałym dostępie tlenu, gdyż tkanka nerwowa w stosunku do innych tkanek wyjątkowo szybko zużywa ATP.
  W związku z tym brak możliwości wytwarzania ATP w mózgu spowodowany niedotlenieniem, powoduje szybko szereg nieodwracalnych zmian biochemicznych, dokładnie opisanych w literaturze medycznej, dotyczących problematyki udarów mózgowych i zatorów mózgu.
  Drugie pytanie: dlaczego nie jest możliwe magazynowanie większej ilości energii swobodnej w formie ATP?
  Odpowiedź – nie ma takiej możliwości, ponieważ masa jednego mola ATP wynosi 507g, natomiast ogólna ilość ATP w organizmie człowieka wynosi zaledwie około 50g, czyli jedną dziesiątą mola. Oznacza to, że obrót cząsteczką ATP jest bardzo krótki i wynosi od czasu wytworzenia do hydrolizy tylko około 100 sekund.
  Wynika z tego, że w ciągu doby organizm może wytworzyć około jeden kilogram ATP na jeden kilogram należnej masy ciała. Właśnie, dlatego przekazywanie sercu i mózgowi wytworzonego w wątrobie ATP przez krwinki czerwone, pełni jedynie formę pomocniczą.

  Załączniki

  • wskazowki_rozwiazanie_do_zadanianadhh.docx (295 KB)

  Dodawanie komentarzy zablokowane - Zgłoś nadużycie