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.
Значение биологического окисления и история развития знаний о нем
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:
- почему окисление происходит при низкой температуре тела, в отличие от аналогичного процесса горения;
- почему реакция окисления не сопровождается появлением пламени и большим выделением освобожденной энергии;
- как питательные вещества могут «гореть» в организме живого существа, тело которого на 80% состоит из воды.
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.
Биологическое окисление и его формы
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.
Пути биологического окисления и участники процесса
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:
- водород отщепляется от окисляемого субстрата (процесс дегидратации);
- субстрат отдает электрон;
- кислород присоединяется к субстрату.
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.
О2 и ткани: нехорошо, когда его слишком много или слишком мало
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.
Патофизиология, связанная с О2: механизмы
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.
O2: как он воспринимается
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.
О2 и геном: причина и следствие
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.
Резюме
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!
Использованная литература
The biology of oxygen. P. D. Wagner European Respiratory Journal 2008 31: 887-890; DOI: 10.1183/09031936.00155407
Физика — Итоговый тест для самопроверки — Синергия — 1 семестр — 2024 год
Данная работа является оригиналом, включая скриншоты( смотрите дату сдачи и дату загрузки в магазин).
Перед покупкой проверяйте актуальность работы для вас
Комментарии: 1.Излучение вроде радио и телефона является безопасным, так как в отличие от всех … излучений оно не способно вступать в химические реакции и не может навредить нам
2. В отличие от конденсатора, … является устройством, способным накапливать электрическую энергию за счёт обратимых химических реакций внутри себя
3.Угловая частота маятника с периодом колебаний 3 с составляет …
4. Установите соответствие между изо-процессами и свойствами газа в данных процессах:
5.При запуске тела в далёком космосе в дали от планет и звёзд с определённой скоростью с течением времени это тело будет …
6.При начальном толчке тело приобретает определённую скорость, которая, в частности, определит … тела, на которую сможет максимально отклониться в процессе колебаний
7.Маятник с частотой 10 Гц за 10 секунд успеет совершить …
8. Наибольший коэффициент полезного действия (КПД) достигается в …
9. Устройство под названием … используется для записи звука в электронных устройствах посредством электромагнитной индукции, возбуждённой звуковыми колебаниями магнита
10. В паре зарядов заменили один из зарядов +q на заряд ¬4q, при этом значение силы взаимодействия зарядов увеличится в … раза
11. Математический маятник с угловой частотой … рад/с и максимальным отклонением в 10 см может приобрести максимальную скорость 20 м/с
12. В результате распространения … волн по телу периодически локальные участки тела начинают сжиматься и растягиваться
13. Температура газа сама по себе в первую очередь определяет …
14. При электризации …
15. Из-за такого явления, как … движение, молекулы постоянно сталкиваются и меняют своё положение, образуя непредсказуемый хаос
16. Установите последовательность излучений в порядке возрастания энергии фотонов:
17. Согласно первому закону термодинамики, полученная газом энергия затрачивается на работу и изменение … энергии газа
18. Скорость диффузии в веществах зависит от … тел
19. Молярная масса кислорода O2 равная 32 г/моль, это означает, что …
20. Количество вещества (моль), содержащееся в газе, который при температуре 300 K
21. Согласно закону Кулона, при увеличении расстояния между зарядами в 3 раза сила взаимодействия между ними уменьшится в … раз
22. Установите соответствие между физическими характеристиками колебательного движения и их характеристиками:
23. Колебания качелей, пружины, волны на воде и периодическое движение Земли вокруг Солнца относятся к … колебаниям, так как в них меняют положение физические массивные тела
24. Установите последовательность процессов, протекающих в металле при экранировании зарядов:
25. Положительные заряды существуют …
26. Энергия может существовать в виде … энергии (укажите 4 варианта ответов)
27. Установите соответствие между физическими характеристиками колебательного движения и их характеристиками:
28. … эффект в жидкости позволяет за счёт смачивания стенок узких щелей и трубок самопроизвольно подниматься на некоторую высоту в узких трубках и щелях
29. В открытом космосе возможно …
30. Устройство, защищающее точные электронные устройства от внешних электрических полей, – это …
31. Вещества состоят из …
32. Установите последовательность процессов, протекающих в клетке Фарадея:
33. Примером … может служить перемешивание жидкостей, например, при заваривании чая частицы чая проникают между молекулами воды и постепенно окрашивают воду
34. Установите соответствие между физическими объектами и их свойствами:
35. Если постоянный магнит с северным и южным полюсом разрезать пополам, то …
36. Установите последовательность процессов, происходящих с газом в классической тепловой машине:
37. Напряжённость электрического поля – это вектор, который … (укажите 2 варианта ответа)
Размер файла: 70,8 Кбайт
Фаил: (.zip)
Последовательность процессов протекающих в клетке фарадея
ВЫ СТУДЕНТ СИНЕРГИЯ или МосАП (МАП) или МОИ или МТИ и ОБУЧАЕТЕСЬ ДИСТАНЦИОННО?
На ЭТОМ сайте, Вы найдете ответы на вопросы тестов Синергия, МосАП (МАП), МОИ, МТИ и другую помощь с учебными работами.
Регистрируйтесь , находите Ваш предмет, пополняйте баланс и без проблем сдавайте тест.
Как посмотреть ответ: ИНСТРУКЦИЯ
Установите последовательность процессов, протекающих в клетке Фарадея:
Тип ответа: Сортировка
положительные частицы оказываются в избытке на одной стороне
электрическое поле притягивает отрицательные частицы в металле
внешнее и внутреннее поля нейтрализуются внутри тела
создаётся поле от положительно-заряженной части тела к отрицательной
ОТВЕТ предоставляется за плату. Цена 5 руб. ВОЙТИ и ОПЛАТИТЬ
Предмет: Теоретическая механика Куплено раз: 41
Надоело, глазами искать вопросы, посмотри видео, в нем я рассказываю как облегчить поиск и сдачу тестов, быстро искать ответы по всей базе.
СМОТРЕТЬ
Техническая информация
Создается на крыше здания путем соединения проводников через определенные интервалы в зависимости от уровня защиты таким образом, чтобы они образовали клетку, и их заземления. Считается, что система обеспечивает угол защиты вследствие метода шаровой молнии. Молниеуловители, называемые точками удара (0.50-2 м), устанавливаются во все важные точки на поверхности крыши (дымоходы, надстройки на крыше и т.д.).
Для защиты по методу клетки Фарадея здание должно быть оплетено проводниками от самых высоких точек, включая все вторичные компоненты, до земли таким образом, чтобы образовался непрерывный токопроводящий путь. Такая клетка, сформированная из проводников, дополненных горизонтальными соединениями, и имеющая большое количество молниеуловителей, подключается к системе заземления. Все металлические выступы, расположенные на основной крыше или в верхней части здания, преднамеренно или случайно подсоединенные к основной массе заземления, должны быть связаны с молниеуловителями и стать частью системы. Если между отдельными частями здания имеются значительные перепады высоты, то молниеуловитель или система молниеуловителей нижнего уровня должны быть подключены не только к своему токоотводу, но и токоотводам высоких частей здания.