Биологическое окисление и роль кислорода в тканях 
Живые организмы планеты не могут существовать без энергии. Она жизненно необходима для любого процесса и химической реакции. Многие живые организмы, в том числе и человек, могут получать энергию из пищи. Давайте рассмотрим, откуда берется энергия, и какие реакции происходят при этом в клетках живых организмов.
В основе получения энергии лежит процесс биологического окисления. Этот процесс изучен очень подробно, но до сих пор ученые им занимаются и делают новые открытия. Биологическое окисление — это совокупность окислительно-восстановительных превращений веществ в живых организмах. Окислительно-восстановительные реакции — это реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов за счет перераспределения электронов между ними.
Иллюстрация окислительно-восстановительной реакции
Впервые ученые выдвинули теорию о том, что внутри каждого живого организма происходят сложные химические реакции, в 18 веке. Проблему изучал французский химик Антуан Лавуазье, который заметил, что процессы горения и биологического окисления похожи друг на друга.
Ученый проследил путь кислорода, который поглощается живым организмом в процессе дыхания, и пришел к выводу, что в организме происходит процесс окисления, напоминающий процесс горения, но с меньшей скоростью. Лавуазье обнаружил, что молекулы кислорода, который является окислителем, взаимодействуют с органическими соединениями (содержащими углерод и водород), в результате чего происходит их абсолютное превращение, и соединения распадаются.
Некоторые аспекты этого процесса оставались неясными для ученых:
Ученым понадобилось много лет, чтобы ответить на эти и многие другие вопросы, а также выяснить, что такое биологическое окисление. Сейчас химики изучили связь дыхания с другими процессами обмена веществ, включая процесс фосфорилирования, свойства ферментов, катализирующих реакции биологического окисления, локализацию ферментов в клетке, а также механизм накопления и преобразования энергии.
В различных условиях могут происходить два типа биологического окисления. Многие грибы и микроорганизмы получают энергию, преобразуя питательные вещества анаэробным способом. Анаэробное биологическое окисление — это реакция, протекающая без присутствия кислорода или его участия в процессе каким-либо образом. Этот метод получения энергии используется живыми организмами в среде, в которую не поступает воздух - в глине, под землей, в грязи, в болотах и в гниющих веществах. Анаэробное биологическое окисление называется гликолизом.
Второй, более сложный метод преобразования питательных веществ в энергию — тканевое дыхание. Эта реакция происходит во всех аэробных организмах, которые используют кислород в процессе дыхания. Аэробный метод биологического окисления невозможен без молекулярного кислорода.
Для того чтобы полностью понять, что представляет собой процесс биологического окисления, необходимо рассмотреть его этапы.
Гликолиз — это бескислородное расщепление моносахаридов, которое предшествует процессу клеточного дыхания и сопровождается выделением энергии. Эта стадия является начальной для каждого гетеротрофного организма. После гликолиза у анаэробов начинается процесс брожения.
Окисление пирувата — процесс включает в себя превращение пировиноградной кислоты, полученной в процессе гликолиза, в ацетил-коэнзим. Реакция происходит с помощью ферментного комплекса пируватдегидрогеназы. Местом локализации являются кристы митохондрий.
Расщепление бета-жирных кислот — эта реакция осуществляется параллельно с окислением пирувата в кристах митохондрий. Цель — превратить все жирные кислоты в ацетиловые коферменты и доставить их в цикл трикарбоновых кислот.
Цикл Кребса — сначала ацетил-кофермент превращается в лимонную кислоту, затем подвергается последующим превращениям: дегидратации, декарбоксилированию и регенерации. Все процессы повторяются несколько раз.
Окислительное фосфорилирование является заключительным этапом превращения соединений в организмах эукариот. Аденозиндифосфат превращается в аденозинтрифосфорную кислоту. Необходимая для этого энергия поступает в процессе окисления молекул фермента дегидрогеназы и кофермента дегидрогеназы, образовавшихся на предыдущих этапах. Затем энергия содержится в высокоэнергетических связях аденозинтрифосфорной кислоты.
Окисление веществ осуществляется следующими способами:
В клетках живых организмов встречаются все вышеперечисленные типы реакций окисления, которые катализируются соответствующими ферментами — оксидоредуктазами. Процесс окисления не протекает изолированно, а связан с реакцией восстановления: одновременно происходят реакции сочетания водорода или электрона, т.е. реакции окисления-восстановления. Процесс окисления — это любая химическая реакция, которая сопровождается отдачей электронов с повышением степени окисления — окисленный атом имеет более высокую степень окисления. С окислением вещества может происходить и восстановление — электроны присоединяются к атомам другого вещества.
В последние годы изучение O2 приняло несколько новых драматических поворотов. Вместо того чтобы просто беспокоиться о том, как происходит транспорт O2, исследователи обратили свое внимание на то, как O2 (и особенно его снижение или избыток, возникающие в результате изменения транспорта) может влиять на функции клеток, тканей и органов; O2 — это гораздо больше, чем субстрат для производства энергии.
Многочисленные функции O2 в клетках тканей. Хотя эта схема вряд ли может описать все способы влияния O2 на структуру и функцию клеток, она служит для иллюстрации многочисленных уровней, на которых концентрация кислорода играет роль в таких клеточных событиях, как транспорт, метаболизм, воспаление и транскрипция генов.
Исследователи уже много лет знают о том, что избыток O2 вызывает легочную O2-токсичность. Из первых физиологических описаний ясно, что избыток O2 приводит к высоким уровням ROS, воспалению и повреждению тканей. Также в течение многих лет было хорошо известно, что пониженный уровень O2 вызывает серьезные нарушения, такие как гибель тканей в сердце, мозге, конечностях, кишечнике и т.д. Гипоксическая легочная вазоконстрикция влияет на легочное кровообращение, в конечном итоге способствуя развитию потенциально смертельных заболеваний, таких как высотный отек легких.
Исследователи признали, что острая гипоксия в периферических тканях вызывает вазодилатацию в компенсаторной попытке восстановить транспорт O2 и что постоянное снижение O2 (например, на высоте) во время развития и в раннем постнатальном периоде жизни стимулирует ряд характерных изменений, включая увеличение объема легких и способности крови переносить O2.
Кроме того, постнатальное снижение O2 стимулирует типичные реакции, наиболее очевидными из которых являются гипервентиляция через стимуляцию хеморецепторов и эритроцитоз через эритропоэтин, оба, по-видимому, направлены на восстановление доступности O2.
Известно, что во многих тканях как высокий, так и низкий уровень O2 способствует увеличению генерации ROS, что может привести к воспалению, сигнализации и активации генов. Известно, что измененный уровень О2 во многих тканях напрямую влияет на экспрессию генов. Всеобъемлющая роль HIF в регуляции многих генов, связанных с восстановительными реакциями на гипоксию, стала одной из главных историй последних лет. Стабилизация HIF гипоксией, которая обеспечивает достаточное количество этого фактора, чтобы вызвать транскрипционную активацию целого ряда генов, белки которых действуют в противовес снижению доступного O2, теперь достаточно хорошо изучена. Среди генов, регулируемых HIF, выделяются гены, кодирующие ферменты гликолитического пути, транспортеры глюкозы, эритропоэтин и VEGF, и это только четыре категории. Несомненно, механизмы окажутся сложными, гораздо более сложными, чем это тривиальное описание.
Вопрос о том, как уровень О2 может быть воспринят, чтобы инициировать многие вышеупомянутые последствия, остается "горячей темой" с доказательствами наличия различных датчиков на уровне митохондрий, в системе HIF, во время генерации ROS и, возможно, других. Интересно, что по мере того, как многие О2-зависимые пути становятся более понятными, кажется, что связанные с ними ответы не могут быть полностью объяснены только гипоксией. Например, может оказаться, что О2-независимые сигнальные пути в мышцах могут быть вовлечены в активацию VEGF в сочетании с гипоксией.
Понимание деталей этих многочисленных, разнообразных и сложных сигнальных путей остается серьезной проблемой. Но даже когда они будут выяснены, все равно останется необходимость определить их важность. Некоторые из них уже установлены, но для того, чтобы убедиться в важности других, необходимо разработать соответствующие стратегии генной манипуляции.
В качестве примера можно рассмотреть скелетную мышцу. Было установлено, что VEGF действительно является ключевым ангиогенным фактором роста в мышцах. Удаление этого гена in vivo у взрослых мышей путем условного нокаута с использованием метода Cre-LoxP показало, что две трети мышечных капилляров исчезают в областях, где VEGF в значительной степени отсутствует. В течение 8 недель капиллярность не восстанавливается и происходит значительный апоптоз. Аналогичные результаты наблюдаются при пожизненном удалении VEGF во всей мышце с использованием стратегии скрещивания для удаления VEGF на всех стадиях развития эмбриона, но только в мышцах. Примечательно, что эти результаты свидетельствуют о том, что для этого гена и ткани не существует адекватного параллельного или компенсаторного пути. Удаление VEGF в легких с помощью аналогичных методов также приводит к серьезным последствиям, особенно к апоптозу и эмфизематозному фенотипу, но играет ли это роль в клинической эмфиземе у людей, еще предстоит выяснить.
Таким образом, роль кислорода в биологическом организме невозможно переоценить. Начиная с того, что его концентрация в атмосфере опосредованно влияет на максимально возможные размеры живых существ на Земле, и заканчивая влиянием на механизмы экспрессии генов, приводящим к сложным перестройкам в организме. Изучение последствий гипоксии прямо связано с нашим пониманием механизмов многих заболеваний. И чтобы раскрыть сущность всех этих процессов, исследователям необходима надежная аппаратура, позволяющая контролировать уровень кислорода в модельных экспериментах. Обратите внимание на скорректированную по барометру рабочую станцию HypoxyLab™, имитирующую гипоксию на клеточных культурах. А также на волоконно-оптические биосенсоры Oxy Micro и Oxy Mini, измеряющие уровень кислорода при отсутствии его потребления датчиками. Кроме того вам доступны системы OxyLite™, OxyFlo™ и OxyLite Pro, подходящие для неинвазивного измерения уровня кислорода в тканях, Все это оборудование можно купить в НПФ «Биотехнологии» по разумной цене. Пожалуйста, обращайтесь!
The biology of oxygen. P. D. Wagner European Respiratory Journal 2008 31: 887-890; DOI: 10.1183/09031936.00155407
Склад
Каталог
О компании
Услуги
Новости
Контакты
Партнеры
конкурентные цены
