В целом работа дыхательной цепи заключается в следующем:

1. Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН₂ передают атомы водорода (т.е. протоны водорода и электроны) на ферменты дыхательной цепи.

2. Электроны движутся по ферментам дыхательной цепи и теряют энергию.

3. Эта энергия используется на выкачивание протонов Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство.

4. В конце дыхательной цепи электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды.

5. Протоны Н⁺ стремятся обратно в матрикс и проходят через АТФ-синтазу.

6. При этом они теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ.

Таким образом, восстановленные формы НАД и ФАД окисляются ферментами дыхательной цепи, благодаря этому происходит присоединение фосфата к АДФ, т.е. фосфорилирование. Поэтому весь процесс целиком получил название окислительное фосфорилирование. Синтез АТФ возможен только при определенном значении протонного потенциала.

В мембранах митохондрий могут находиться до 50 тысяч дыхательных цепей, поэтому одновременно синтезируется большое количество АТФ. Чем выше функциональная активность клеток, тем с большим напряжением работает эта энергетическая система.

Задания для самостоятельного изучения:

1. Биологическое окисление, его виды. Историческая справка

2. Субстратное фосфорилирование, его значение.

3. Механизм сопряжения окислительного фосфорилирования и синтеза АТФ. Гипотеза Митчелла.

Тема: «ОБМЕН ВОДЫ И МИНЕРАЛЬНЫХ ВЕЩЕСТВ»

Обмен воды

Все превращения в живых организмах в процессе обмена протекают в водной среде. Высокая полярность воды обеспечивает быстрое растворение многих веществ и диссоциацию молекул электролитов на ионы. Это увеличивает скорость химических превращений. Вода участник многих химических процессов. Её реакционная способность очень высока. Она принимает участие в реакциях гидролиза, дегидратации и гидратации. Многие реакции биосинтеза осуществляются с поглощением или выделением воды. Вода обладает низкой вязкостью и хорошей растворяющей способностью, поэтому выполняет транспортную функцию. Она является одним из основных строительных материалов в формировании клеточных структур.

Многие ткани и органы тела животных сильно обводнены, но имеют, несмотря на это, достаточную плотность. Это объясняется тем, что часть воды находится в связанном состоянии. По степени связанности вода может быть полностью связанной (гидратационной), полусвязанной (иммобильной) и свободной (мобильной). Различные состояния воды в организме связаны друг с другом и способны к взаимопревращениям.

1. Гидратационная вода составляет 13–15% всей воды организма. Она входит в состав гидратных оболочек минеральных ионов, полисахаридов, белков, нуклеотидов. Содержится во внутренних зонах молекул биополимеров, участвует в создании их пространственной конфигурации.

2. Иммобильная вода находится между молекулами волокнистых веществ; в порах, пронизанных рибосомами; в ядре; митохондриях, ЭПС и т.д. Она играет большую роль в переносе веществ через мембраны, участвует в поддержании осмотического давления.

3. Мобильная вода. Она является основой крови, лимфы, слюны, желудочного и кишечного соков и т.д. При участии свободной воды происходит обмен между клетками тела и внешней средой.

Некоторые катионы специфически влияют на задержку и отдачу воды клетками и тканями. Так Na⁺  вызывает накопление воды в клетках и тканях, тогда как K⁺ и Са²⁺ оказывают прямо противоположное действие.

В организме животных мощное влияние на баланс воды оказывают гормоны: диуретический гормон, выделяемый передней долей гипофиза, способствует усиленному выделению воды из организма с мочой (диурез); а антидиуретический гормон повышает обратное всасывание воды в почечных канальцах.

На долю воды в организме человека приходится 60–69% веса тела человека. Суточная потребность в воде 40 г на 1 кг веса. Потребность в воде может меняться от температуры, характера деятельности, состава пищи, возраста. Потеря 20% воды опасна для жизни.

Обмен минеральных веществ

Химический состав живых организмов, как было показано в трудах академика В.И.Вернадского, находится в тесной взаимосвязи с химическим составом земной коры и океанов. Академик А.П.Виноградов установил, что количественное содержание химических элементов в организме обратно пропорционально их порядковым номерам, поскольку основу организма составляют элементы трех первых периодов периодической системы Д. И. Менделеева.

Решающее значение в использовании живыми организмами тех или иных химических элементов принадлежит соотношению различных их свойств, их доступности для организмов в окружающей среде, также способности организмов поглощать и концентрировать их.

Благодаря естественному отбору основу живых организмов составляют только шесть элементов: углерод, водород, кислород, азот, фосфор, сера – получивших название органогены. Общая массовая доля этих элементов в организме человека составляет 97,3%. Из них: C – 21,0; H – 9,7; O – 62,4; N – 3,1; P – 0,95; S – 0,16%.

Для органогенов характерно исключительное разнообразие образуемых ими связей, что определяет многообразие биомолекул в живых организмах. Органогены образуют в основном водорастворимые соединения, что способствует их концентрированию в живых организмах, содержащих более 60% воды.

Наряду с органогенами непосредственное и активное участие в ходе жизненных процессов принимают следующие 10 элементов: K , Ca, Na, Mg, Mn, Fe, Co, Cu, Zn, Mo – металлы жизни; на их долю приходится 2,4%.

Все металлы жизни находятся в организме в виде свободных катионов, или являются ионами-комплексообразователями, связанными и биолигандами. В виде свободных катионов находятся только К и Na, катионы кальция и магния находятся как в свободном, так и в связанном состоянии. Катионы остальных металлов входят в состав биокомплексов организма, устойчивость которых варьирует в широких пределах.

Кроме названных элементов в состав живых организмов входят многие другие. Все эти элементы называют биогенными. Перечислить все биогенные элементы в настоящее время невозможно из–за трудности определения очень низких концентраций элементов и установления их биологических функций. Однако биогенность следующих неметаллов: F , Cl , Br , I , Si , Se , As и металлов: Li , Ba , Sr , Sn , Ti , V , Cr практически не вызывает сомнений.

Элементы, содержание которых в организме больше 10^-3%, называют макроэлементами. Главная функция их состоит в построении тканей и поддержании осмотического, водно–электролитного, кислотно-–основного, окислительно-восстановительного и металло–лигандного гомеостаза.

Элементы, содержание которых в организме находится в пределах 10^-6 – 10^-3%, называют микроэлементами. Они входят в состав ферментов, гормонов, витаминов и других биологически активных соединений или активаторов обмена веществ.

Количественное содержание микроэлементов в организме человека подвержено значительным колебаниям и зависит от ряда условий: возраста, пола, времени года и суток, условий труда, вида трудовой деятельности, а также различных физиологических и патологических состояний.

Натрий и калий

В организме взрослого человека содержится около 100г катионов натрия, при этом в сутки поступает Na⁺ 8-12 г, K⁺ 2-6 г.

Ионы натрия и калия имеют устойчивую электронную структуру, низкую плотность, положительный заряд, поэтому они не проявляют склонность к комплексообразованию.

Они обладают различной способностью к гидратации (плотность положительного заряда у Na⁺ выше, поэтому он сильнее удерживается водой). Именно поэтому К⁺ и Na⁺ в организме являются антагонистами, К⁺ находится во внутриклеточных жидкостях, а Na⁺  в межклеточных.

Концентрация ионов калия внутри клетки в 35 раз выше, чем вне ее, а концентрация ионов натрия во внеклеточной жидкости в 15 раз больше, чем внутри клетки. Для осуществления многих биологических процессов необходимо постоянно поддерживать такое неравномерное распределение этих ионов, на что требуется затрата энергии. Это реализуется с помощью К– Na насоса, который за счет энергии гидролиза 1 моль АТФ выводит 3 иона натрия из клетки, а 2 иона калия посылает внутрь клетки. В результате внутренняя поверхность мембраны заряжена отрицательно, а внешняя - положительно.

Na⁺ входит в состав плазмы крови, лимфы, спинномозговой жидкости и межтканевой жидкости. Основная роль – поддержание осмотического давления, удержание воды тканями. Вместе с K⁺, Ca^2+, Mg^2+, Cl^- ионы  Na⁺ участвуют в процессе передачи нервных импульсов. Высокая концентрация К⁺ обеспечивает осмотическое давление внутри клетки, активирует ферменты синтеза белка на рибосоме, окисление глюкозы (гликолиз).

Na⁺ и К⁺ активируют АТФ – азу (аденозинтрифосфотаза) клеточных мембран, оказывают существенное влияние на деятельность ЦНС. Избыток Na⁺ в коре головного мозга вызывает депрессию. Избыток К⁺ в этих же клетках возбуждает ЦНС.

Кальций

Ионы кальция сосредоточены в межклеточных жидкостях. Обмен кальция контролируется гормонами паращитовидных желез, а также витамином D. Поступление кальция из пищи осложняется плохим его всасыванием из-за образования в желудочно-кишечном тракте нерастворимых кальциевых солей жирных кислот.

Основным компонентом костной ткани является гидроксоапатит. Костная ткань обеспечивает поддержания Са²⁺ на определенном уровне. В заметных количествах в костную ткань включаются и все элементы 2 группы, из которых Be²⁺, Sr²⁺, Ba²⁺ приводят к патологическим изменениям.

Ионы кальция участвуют в передаче нервного импульса, сокращении мышц, регуляции сердечного ритма, в процессе свертывания крови.

Ионы кальция участвуют в передаче нервного импульса, сокращении мышц, регуляции сердечного ритма, в процессе свертывания крови.

Ионы кальция понижают возбудимость ЦНС, поэтому уменьшение их содержания в организме проявляется в судорогах. Ионы Са²⁺ влияют на кислотно-щелочной баланс организма, действие эндокринных желез, обладают противовоспалительным и антиаллергическим действием.

Общая концентрация ионов кальция в плазме крови составляет 2,5·10^-3 м, из них 40% связаны в комплексы с белками, 14% - в комплексы с лактатами и цитратами и 46% в ионизированной форме.

Если концентрация в плазме превысит 3,75·10^-3 м, немедленно вводят внутривенно фосфаты натрия и калия, чтобы не произошла остановка сердца. Для связывания Са также используются соли лимонной кислоты, которые предотвращают свертывание крови. В народной медицине лимоны применяются для уменьшения отложения солей.