Мои учителя биологии никогда не объясняли, почему животным нужно дышать кислородом, просто мы, организмы, умираем, если не получаем кислород слишком долго. Может быть, один из них случайно упомянул, что он используется для производства АТФ. Теперь в моем классе биологии мы, наконец, узнали специфику того, как кислород используется в цепи переноса электронов из-за его высокой электроотрицательности. Но я предполагаю, что это, вероятно, не единственная причина, по которой нам нужен кислород.
Каким еще целям служит кислород, который мы получаем при дыхании? Приводит ли кислородное голодание к смерти только из-за прекращения выработки АТФ или есть еще какая-то причина? Какой процент кислорода, который мы вдыхаем при дыхании, выбрасывается позже вместе с дыханием в виде углекислого газа?
Кислород на самом деле очень токсичен для клеток и организмов — активные формы кислорода вызывают окислительный стресс , по существу повреждая клетки и способствуя их старению. Многие анаэробные организмы так и не научились с этим справляться и почти сразу погибают при контакте с кислородом. Одним из классических примеров этого является C. botulinum .
Кислород входит в состав нескольких молекул клетки (например, рибозы и некоторые аминокислоты), но, насколько я знаю, все это поступает в клетку в виде продуктов метаболизма, а не в виде чистого кислорода.
Кислород ( ) мы дышим полностью расходуется во время аэробного дыхания. Стехиометрия этого определяется следующим упрощенным уравнением :
Ответ WYSIWYG более подробно описан.
Супероксид О 2 - вырабатывается иммунной системой в фагоцитах (включая нейтрофилы, моноциты, макрофаги, дендритные клетки и тучные клетки), которые используют НАДФН-оксидазу для его производства из О 2 для использования против вторгающихся микроорганизмов. Однако в нормальных условиях митохондриальная транспортная цепь электронов является основным источником O 2 - , превращая примерно до 5% O 2 в супероксид. [1]
Кстати, у этой медали есть две стороны. Хотя это полезный инструмент против микроорганизмов, образование активных форм кислорода было инкриминировано аутоиммунным реакциям и диабету (тип 1). [2]
[1] Пакер Л., изд. Methods in Enzymology , Volume 349. Сан-Диего, Калифорния: Academic Press; 2002 г.
[2] Thayer TC, Delano M, et al. (2011) Производство супероксида макрофагами и Т-клетками имеет решающее значение для индукции аутореактивности и диабета 1 типа, 60 (8), 2144-51.
Вы, наверное, уже знаете, что цитохром - с -оксидаза, последний комплекс цепи переноса электронов, принадлежит к классу ферментов, называемых оксидоредуктазами, которые используют атомы кислорода в качестве акцепторов электронов. Одним из типов оксидоредуктаз являются оксидазы, ферменты, которые (по крайней мере, теоретически [1]) используют молекулярный кислород — O 2 , подобно воздуху — в качестве акцептора электронов. Однако из того, что я знаю, иногда это не так: ксантиноксидаза, которая превращает ксантин в мочевую кислоту, получает атомы кислорода из воды [2]. Примеры «настоящих» оксидаз включают оксидазу L-аминокислот и цитохром P450 (также известные как семейство CYP).
Несмотря на то, что цитохром Р450 является многочисленным и важным семейством ферментов, ответственным за метаболизм большинства известных лекарств и превращения некоторых основных липидов, он, вероятно, потребляет лишь часть кислорода, которым дышат животные. удивлен, если это было больше, чем, возможно, 0,1%.
[2] Мец, С. и Тиль, В. Комбинированное исследование КМ/ММ восстановительной полуреакции ксантиноксидазы: ориентация субстрата и механизм . Варенье. хим. соц. 2009, 131, 14885–14902, PMID: 20050623.
Подавляющее использование кислорода заключается в обеспечении нас (в сочетании с пищей) энергией. Нашим клеткам очень нужна энергия, вот почему у нас есть эти легкие, диафрагмы, эритроциты и т. д.; они гарантируют, что мы получим кислород для получения энергии (через цепь переноса электронов).
Общий метаболизм глюкозы (C 6 H 12 O 6 ) представляет собой репрезентативную реакцию:
C 6 H 12 O 6 + 6 O 2 --> 6 CO 2 + 6 H 2 O + энергия
Вы можете видеть, что столько же кислорода выходит в виде газообразного CO 2 , сколько поступает в виде газообразного кислорода (O 2 ).
Энергия временно хранится в форме фосфатной связи в молекулах АТФ, чтобы ее можно было перемещать по клетке для множества клеточных процессов, которым требуется энергия.
Энергия настолько важна для клеточных процессов, которые поддерживают клетки животных, что недостаток этой энергии, быстро возникающий при недостатке кислорода, вскоре вызывает необратимые повреждения и смерть.
Еще одно небольшое дополнение
Существует класс оксидоредуктаз, называемых оксигеназами , которые включают молекулярный кислород в субстраты, а не просто используют его в качестве акцептора электронов, как в оксидазах (обратите внимание, что конечным ферментом в ETC является оксидаза, и есть и другие подобные оксидазы). Другими словами, кислород является не кофактором, а ко-субстратом. Оксигеназы далее классифицируются на диоксигеназы и монооксигеназы, которые включают два атома кислорода и один атом кислорода соответственно. Примеры:
Приводит ли кислородное голодание к смерти только из-за прекращения выработки АТФ или есть еще какая-то причина?
Смерть преимущественно наступает из-за остановки производства АТФ. Некоторые клетки, такие как нейроны (а также, возможно, сердечная мышца) очень чувствительны к потере кислорода (для потребности в энергии), и клиническая смерть из-за гипоксии обычно наступает из-за потери основных функций мозга.
Какой процент кислорода, который мы вдыхаем при дыхании, выбрасывается позже вместе с дыханием в виде углекислого газа?
Как уже упоминалось, говорят, что существует грубое соотношение производства CO 2 и потребления O 2 1:1. Однако, как указано в комментарии CurtF, O 2 не образует CO 2 ; он образует воду в последней реакции ETC. CO 2 образуется в других реакциях цикла Кребса.
Гликолиз производит 32 молекулы АТФ на 1 молекулу глюкозы через ЭТЦ (см. здесь ). В ETC есть три комплекса, и третий зависит от кислорода; поэтому можно считать, что 1/2 молекулы О 2 расходуется на производство 3 молекул АТФ. Следовательно, 32 молекулы АТФ поглотят 4 молекулы O 2 . Похоже, что соотношение производства CO 2 и потребления O 2 составляет 1:1.
Мы можем видеть это так:
FADH 2 входит в ETC во втором комплексе, тогда как NADH входит в первый. Мы можем сказать, что пока присутствует NADH, FADH 2 не требует дополнительного кислорода.
Молекула NADH или FADH 2 потребует 1/2 молекулы O 2 . Во время цикла гликолиза+Кребса образуется 8 молекул НАДН и 2 молекулы ФАДН 2 , для чего потребовалось бы 10/2 = 5 молекул О 2 . Гликолиз производит 4 молекулы CO 2 во время цикла Кребса.
Однако 2 цитозольные молекулы НАДН требуют 2 АТФ (другими словами, другой молекулы НАДН) для транспорта в митохондрии. Таким образом, чистый эффект может быть на самом деле близок к 1:1 O 2 :CO 2 .
Еще один фактор, который следует учитывать, заключается в том, что эти три комплекса на самом деле не производят АТФ; они просто качают протон, чтобы создать химический потенциал. F 0 F 1 -АТФ-синтаза, вероятно, будет работать только после того, как будет установлен порог Н + -потенциала. 1 молекула АТФ на комплекс, скорее всего, является средним значением, а не точно тем, что на самом деле происходит за реакцию.
Габриэль Фэйр