الأكسدة البيولوجية

الأكسدة البيولوجية

• الأكسدة البيولوجية هي أكسدة المواد الكيميائية الغنية بالطاقة (الكربوهيدرات والدهون والبروتينات) التي تحدث في الأنظمة البيولوجية لإنتاج الطاقة.
• خلال عمليات الأكسدة، تزيل المواد المؤكسدة البروتونات والإلكترونات، والتي يتم نقلها إلى المستقبلات بواسطة ناقلات خاصة.
• أثناء نقل البروتونات والإلكترونات إلى المستقبلات، سيتم إطلاق الطاقة وتتراكم في جزيء ATP.
• الخلايا تطلق الطاقة من جزيئات الوقود عن طريق تفاعلات الأكسدة التي تتضمن:
  • إزالة الإلكترونات.
  • أو إضافة الأكسجين.
  • أو إزالة ذرات الهيدروجين.
• جميع تفاعلات الأكسدة يرافقها تفاعلات اختزال والتي تتضمن:
  • إضافة ذرات الهيدروجين أو الإلكترونات.
  • أو إزالة الأكسجين.
• يتم نقل ذرات الهيدروجين في البداية إلى جزيئات حاملة تصبح حاملة.
• جزيئات الناقل الرئيسية هي:

• NAD+ و NADP+ و FAD هي جزيئات معقدة تحتوي على مكونات لا يمكن تصنيعها في الجسم ويجب توفيرها في النظام الغذائي (الفيتامينات).
• التفاعلات الماصة للحرارة: الطاقة المنطلقة أكبر من مدخلات الطاقة (تعطي الطاقة).
• التفاعلات الطاردة للحرارة: مدخلات الطاقة أكبر من الطاقة المنطلقة (تأخذ الطاقة).
• ATP هو الجزيء المباشر الذي يمكنه إطلاق الطاقة على الفور.

الأكسدة والاختزال في الأنظمة البيولوجية

• الأكسدة البيولوجية هي تفاعل منتج للطاقة في الخلايا الحية، وهو مقترن بتفاعل اختزال.
• التعريف: هي العملية الخلوية التي تطلق فيها المواد العضوية الطاقة (ATP)، وتنتج ثاني أكسيد الكربون والماء من خلال تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تمثل المصدر الرئيسي للطاقة البيولوجية.
• تحدث تفاعلات الأكسدة والاختزال في وقت واحد، ولا تحدث إحداهما بدون الأخرى.
• الأكسدة: هي إزالة الإلكترونات.
• الاختزال: هو اكتساب الإلكترونات.
• الأكسدة يرافقها دائمًا الاختزال.
• جهد الأكسدة والاختزال أو جهد الاختزال (E'0): هو التغير في الطاقة الحرة الذي يحدث في التفاعلات التي تنطوي على الأكسدة والاختزال.

مراحل أكسدة الغذاء

• المرحلة الأولى: الأيض الأولي (الهضم) في الأمعاء. الكربوهيدرات تتحول إلى جلوكوز، والدهون إلى أحماض دهنية، والبروتينات إلى أحماض أمينية.
• المرحلة الثانية: الأيض الثانوي (الوسيط) - دورة حمض الستريك (TCA).
• المرحلة الثالثة: الأيض الثلاثي - سلسلة نقل الإلكترون (ETC).

تفاعلات الأكسدة والاختزال (Redox)

• كل أكسدة يرافقها دائمًا عملية اختزال.
• تسمى كل هذه التفاعلات بتفاعلات "الأكسدة والاختزال" ويشار إليها اختصارًا بـ "redox".
• ترتبط تفاعلات الأكسدة والاختزال بحركات الإلكترون.
• يُطلق على مانح الإلكترون اسم المختزل أو العامل المختزل.
• يُطلق على مستقبل الإلكترون اسم المؤكسد أو العامل المؤكسد.
• النظام الذي ينقل إلكترونه يتحول إلى شكل مؤكسد، بينما النظام الذي يقبل الإلكترونات يتحول إلى شكل مختزل.
• تُعرف تفاعلات الأكسدة والاختزال التي تحدث في الكائنات الحية بالأكسدة البيولوجية.

أنواع الأكسدة البيولوجية

• لا هوائية: يتم نقل البروتونات والإلكترونات إلى ركائز أخرى (مستقبلات) ويتم اختزالها. مثال: في تحلل السكر اللاهوائي، يتم نقل البروتونات والإلكترونات بواسطة NAD إلى البيروفات ويتم اختزالها إلى لاكتات. الطاقة التي يتم إطلاقها في هذه الحالة تتراكم في جزيء 2 ATP.
• هوائية: يتم نقل البروتونات والإلكترونات إلى الأكسجين (المستقبل). في هذه الحالة، تتأكسد مادة كيميائية غنية بالطاقة (الكربوهيدرات والدهون والبروتينات) إلى ثاني أكسيد الكربون والماء. يتم نقل المكافئات المختزلة (البروتونات والإلكترونات) من المواد الوسيطة إلى NAD و FAD لإنتاج أشكال مختزلة من الإنزيمات المساعدة NADH و FADH2. تمر هذه الإنزيمات المساعدة عبر سلسلة نقل الإلكترون (ETC) أو سلسلة التنفس، وأخيرًا تختزل الأكسجين إلى ماء.

سلسلة نقل الإلكترون (ETC)

• هي عملية يتم فيها نقل الإلكترونات إلى الأكسجين بواسطة مكونات خاصة: NAD، FMN، بروتين الحديد والكبريت، الإنزيم المساعد Q، السيتوكرومات (b، c1، c2، a، a3).
• تقع جميع مكونات ETC على الغشاء الداخلي للميتوكوندريا.
• تتكون سلسلة التنفس من خمسة مركبات بروتينية:
  • المركب الأول: نازعة هيدروجين NADH.
  • المركب الثاني: نازعة هيدروجين السكسينات.
  • المركب الثالث: أوكسيدوريكتاز يوبيكوينول سيتوكروم c.
  • المركب الرابع: أوكسيداز سيتوكروم c.
  • المركب الخامس: سينثاز ATP.
• تستخدم الفسفرة التأكسدية سينثاز ATP والطاقة المشتقة من تدرج البروتون (H+) لصنع ATP.
  • تحدث فقط في وجود الأكسجين.
  • تمثل ما يقرب من 90% من ATP المتولد عن طريق التنفس الخلوي.
  • مثال: أكسدة الجلوكوز

أكسدة الجلوكوز

• في وجود الأكسجين (36-38 ATP):
  • تحلل السكر
  • أكسدة البيروفات
  • دورة كريبس
  • سلسلة نقل الإلكترون والكيمياء التناضحية
• في غياب الأكسجين (2 ATP):
  • تحلل السكر
  • تخمر
• يتم جمع NADH و FADH2 أثناء التنفس الخلوي ويعملان كناقلات لجمع الطاقة التي سيتم تحويلها إلى ATP أثناء ETC.
  • NADH = 3 ATP
  • FADH2 = 2 ATP

تنظيم ETC

• يمكن تعطيل الغشاء الداخلي للميتوكوندريا إلى 5 مركبات بروتينية منفصلة.
  • المركب الأول: نازعة هيدروجين NADH.
  • المركب الثاني: نازعة هيدروجين السكسينات.
  • المركب الثالث: مركب سيتوكروم b-c.
  • المركب الرابع: أوكسيداز السيتوكروم (سيتوكروم a+a3).
  • المركب الخامس: سينثاز ATP.
• نواقل الإلكترون المتحركة:
  • الإنزيم المساعد Q.
  • سيتوكروم c.

إنزيمات الأكسدة البيولوجية

• الأكسيدوريدوكتازات:
  • الأكسيدازات (الهوائية واللاهوائية).
  • نازعات الهيدروجين.
  • الهيدروبروكسيدازات.
  • الأكسيجينازات (الأحادية وثنائية).

الأكسيدازات

• تحفز أكسدة مستقلب (AH2) لتكوين الماء (H2O) أو فوق أكسيد الهيدروجين (H2O2).
• أ- أوكسيداز السيتوكروم (سيتوكروم aa3): بروتين هيمي موجود على نطاق واسع في العديد من الأنسجة وهو أحد مكونات سلسلة التنفس. يتم تثبيطه بواسطة أول أكسيد الكربون والسيانيد وكبريتيد الهيدروجين. يحتوي على جزيئين من الهيم كمجموعة اصطناعية.
• ب- إنزيمات الفلافوبروتين: تحتوي على FMN أو FAD كمجموعات اصطناعية.
  • Metalloflavoproteins (فلافوبروتين يحتوي على معدن واحد أو أكثر كعوامل مساعدة أساسية).
  • أمثلة على إنزيمات الفلافوبروتين:
    • L-أمينو أسيد أوكسيداز: الكلى.
    • زانثين أوكسيداز: يحتوي على الموليبدينوم، مهم في تخليق حمض اليوريك.

نازعات الهيدروجين

• تنقل الهيدروجين من مستقلب إلى آخر من خلال ناقل.
• الإنزيم محدد للمستقلب A والناقل محدد للمستقلب B.
• الإنزيمات المساعدة (ناقلات الهيدروجين):
  • أ) نيكوتيناميدات (NAD+ و NADP+):
  • NAD+: يستخدم في تحلل السكر ودورة حمض الستريك وسلسلة التنفس.
  • NADP+: يستخدم في تخليق الأحماض الدهنية وتخليق الستيرويد وفي مسار فوسفات البنتوز.

الهيدروبروكسيدازات

• تحمي الجسم من التأثير الضار للبيروكسيدات.
• تشمل الهيدروبروكسيدازات:
  • البيروكسيدازات.
  • الكاتلاز.
    • 1- البيروكسيدازات: موجودة في الحليب وفي أنسجة مختلفة مثل الكريات البيضاء والصفائح الدموية.
    • 2- الكاتلاز: بروتين هيمي يحتوي على أربع مجموعات هيم.

الأكسيجينازات

• تحفز النقل المباشر ودمج الأكسجين في جزيء الركيزة.
• مجموعتين:
  • أ) ثنائية الأكسيجينازات.
  • ب) أحادية الأكسيجينازات.
    • أ) ثنائية الأكسيجينازات: تدمج جزيئين من الأكسجين في الركيزة.
    • ب) أحادية الأكسيجينازات: تدمج ذرة أكسجين واحدة في الركيزة والأخرى في الماء.
      • السيتوكرومات P450: أحادية الأكسيجينازات التي تحتوي على الهيم وتقع بشكل رئيسي في الشبكة الإندوبلازمية للكبد والأمعاء، وكذلك في الميتوكوندريا.

ديسموتاز الفائق الأكسيد

• نقل إلكترون واحد إلى O2 يولد أنيون فائق الأكسيد الجذري الحر الضار المحتمل (O2-).
• الخطوة الأولى: يتم تحويل أنيون فائق الأكسيد إلى فوق أكسيد الهيدروجين بواسطة ديسموتاز فائق الأكسيد (مضاد للأكسدة).
• الخطوة الثانية: يتم تحويل فوق أكسيد الهيدروجين إلى ماء بواسطة جلوتاثيون بيروكسيداز (مضاد للأكسدة) أو كاتلاز (مضاد للأكسدة).

ATP

• الناقل الأساسي للطاقة الخلوية.
• 1 جزيء ATP طاقة: -7.3 كيلو كالوري/مول
• وظائف ATP:
  • الحركة.
  • نقل الغشاء.
  • نقل الإشارة.
  • تخليق النيوكليوتيدات.

الفسفرة التأكسدية

• "تخليق ATP عن طريق نقل الإلكترون إلى الأكسجين الجزيئي".
• الفسفرة التأكسدية تمكن الكائنات الحية الهوائية من التقاط نسبة أكبر بكثير من الطاقة الحرة المتاحة للمواد المؤكسدة في شكل ATP.

أعضاء سلسلة نقل الإلكترون

• المركب الأول: نازعة هيدروجين NADH، تسمى أيضًا NADH أنزيم Q ريدوكتيز، تقع في الغشاء الداخلي للميتوكوندريا وتحتوي أيضًا على ذرات حديد غير هيمية.
• لا يتفاعل إنزيم نازعة الهيدروجين هذا مع الأكسجين، بل يتم إدخال ناقل إلكترون بين المستقلب والعضو التالي في السلسلة.
• تتكون هذه الإنزيمات من جزء بروتيني وجزء غير بروتيني وهو إنزيم مساعد. يتم استخدام الإنزيمات المساعدة NAD+ أو NADP+ كناقلات رئيسية للهيدروجين.
• المركب الثاني: أنزيم Q (Q للكوينون) أو سيتوكروم c ريدوكتيز هو يوبيكوينون.
• يوجد في الغشاء الداخلي في الشكل الحر أو الشكل المرتبط بالبروتين.
• يحتل أنزيم Q الموضع بين المعادن الفلافوبروتينية والسيتوكروم في السلسلة.
• عند نقطة الأنزيم المساعد، تنفصل أيونات الهيدروجين وتذهب إلى المحلول، تاركة الإلكترونات للسيتوكرومات.
• المركب الثالث: أوكسيداز سيتوكروم c.
• تشبه السيتوكرومات إلى حد كبير بنية الميوغلوبين أو الهيموغلوبين.
• السمة الهامة هي بنية الهيم التي تحتوي على أيونات الحديد (Fe)، في البداية في حالة +3 وتتغير إلى حالة +2 بإضافة إلكترون.
• المركب الرابع (أوكسيداز السيتوكروم): يحفز نقل الإلكترونات من سيتوكروم c إلى الأكسجين الجزيئي وبالتالي اختزال O2 إلى H2O.
• يحتوي على سيتوكروم a و a3.
• المركب الخامس: سينثاز ATP، يُعرف أيضًا بجسيم FO F1، له مكونان FO و F1 (F يشير إلى العامل). يمتد F1 إلى المصفوفة من الغشاء الداخلي، بينما يتم تضمين FO ويمتد عبر الغشاء الداخلي.
• F1 البارز ضروري لربط الطاقة بجزيء ATP.
• يؤدي الإزالة الدقيقة لهذا المكون (تجريبيًا) إلى ضعف في إنتاج ATP على الرغم من وجود سلسلة تنفس سليمة.

آلية الفسفرة التأكسدية

• الأهم من بينها - وهما الاقتران الكيميائي والكيمياء التناضحية - نوقش أدناه:
  • فرضية الاقتران الكيميائي: تم طرح هذه الفرضية من قبل إدوارد سلاتر (1953). وفقًا لهذه الفرضية، أثناء نقل الإلكترون في سلسلة التنفس، يتم إنتاج سلسلة من الوسائط عالية الطاقة المفسفرة أولاً والتي يتم استخدامها لتخليق ATP. يُعتقد أن هذه التفاعلات مشابهة للفسفرة على مستوى الركيزة التي تحدث في تحلل السكر أو دورة حمض الستريك. ومع ذلك، تفتقر هذه الفرضية إلى الأدلة التجريبية، حيث أن جميع المحاولات حتى الآن لعزل أي من الوسائط عالية الطاقة لم تنجح.
  • فرضية الكيمياء التناضحية: تم اقتراح هذه الآلية في الأصل من قبل بيتر ميتشل (1961)، وهي مقبولة الآن على نطاق واسع. تشرح كيف يتم استخدام نقل الإلكترونات عبر سلسلة التنفس بشكل فعال لإنتاج ATP من ADP + Pi. مفهوم فرضية الكيمياء التناضحية قابل للمقارنة مع الطاقة المخزنة في بطارية مفصولة بشحنات موجبة وسالبة.

مثبطات الفسفرة التأكسدية

• يعطي استخدام المثبطات الكثير من المعلومات حول سلسلة نقل الإلكترون.
• تصنف على أنها:
  • أ. مثبطات سلسلة التنفس.
  • ب. مثبطات الفسفرة التأكسدية.
  • ج. عوامل فصل الفسفرة.
    • أ. مثبطات سلسلة التنفس: ترتبط المثبطات بأحد مكونات ETC وتمنع نقل الإلكترونات. (لا يوجد ATP) يعتمد تخليق ATP (الفسفرة) على نقل الإلكترون. وبالتالي، فإن جميع المثبطات الخاصة بالموقع لـ ETC تثبط أيضًا تكوين ATP. تم تحديد ثلاثة مواقع عمل ممكنة لمثبطات ETC.
      1. مثبطات المركب الأول.
      2. مثبطات المركب الثاني.
      3. مثبطات المركب الثالث.
      4. مثبطات المركب الرابع.
    • ب. مثبطات الفسفرة التأكسدية: مثبطات المركب الخامس (مثبطات سينثاز ATP).
      • تعمل المضادات الحيوية مثل أوليغوميسين وأوروفرتين وفينتوريسيدين وأتراكتيلوزيد كمثبطات.
    • ج. عوامل فصل الفسفرة: تذوب عوامل الفصل في الغشاء وتعمل كناقلات لأيونات الهيدروجين أو يمكن أن تكون أيونوفورات. تمنع عوامل الفصل الفسفرة التأكسدية عن طريق تبديد تدرج كيميائية كهربائية الهيدروجين عن طريق فصل الارتباط الأساسي بين نقل الإلكترون وتخليق ATP. عوامل الفصل هي 2،4 ثنائي نيتروفينول، ثنائي نيترو كريسول، خماسي كلوروفينول.
      • الأيونوفورات (نواقل الأيونات) هي مواد قابلة للذوبان في الدهون قادرة على حمل أيونات معينة عبر الغشاء. تختلف قليلاً في عملها عن عوامل الفصل لأنها تنقل أيضًا كاتيونات أخرى غير أيونات الهيدروجين عبر الغشاء. يشكل فاليوميسين مركبًا دهنيًا يمكن لأيون K+ المرور عبره بسهولة. يحفز الأيونوفور جراميسيدين اختراق الهيدروجين والبوتاسيوم والصوديوم ويفصل الفسفرة الأكسدة.
    • د. عوامل الفصل الفسيولوجية:
      1. هرمون الغدة الدرقية (ثيروكسين).
      2. ترموجينين في الأنسجة الدهنية البنية يمنع إنتاج طاقة ATP ويحول الإلكترونات إلى حرارة أثناء النمو ويجعل الطفل يشعر بالدفء. الأنسجة الدهنية البنية هي الأنسجة الدهنية البيضاء في حديثي الولادة.

ملخص

• في الأنظمة البيولوجية، كما هو الحال في الأنظمة الكيميائية، دائمًا ما تصاحب الأكسدة (فقدان الإلكترونات) اختزال لمستقبل الإلكترون.
• الأكسيدوريكتازات لها وظائف متنوعة في الأيض؛ تلعب الأكسيدازات ونازعات الهيدروجين أدوارًا رئيسية في التنفس؛ تحمي الهيدروبروكسيدازات الجسم من التلف الناتج عن الجذور الحرة؛ وتحفز الأكسيجينازات هيدروكسيل الأدوية والستيرويدات.
• تحمي الأنسجة من سمية الأكسجين الناتجة عن جذور الأكسيد الفائق الحرة بواسطة إنزيم ديسموتاز فائق الأكسيد المحدد.