Aký význam má vzduch a kyslík pre život človeka, rastlín a všetkých živých organizmov? Ako dlho môže zdravý človek, ľudský mozog, žiť bez vzduchu a kyslíka? Aký je rekord v zadržaní dychu človeka pod vodou? Prečo dýchame? Kyslík
Kyslík- jeden z najbežnejších prvkov nielen v prírode, ale aj v zložení ľudského tela.
Špeciálne vlastnosti kyslíka ako chemického prvku z neho urobili počas evolúcie živých bytostí nevyhnutného partnera v základných procesoch života. Elektrónová konfigurácia molekuly kyslíka je taká, že má nepárové elektróny, ktoré sú vysoko reaktívne. Vďaka svojim vysokým oxidačným vlastnostiam sa molekula kyslíka používa v biologických systémoch ako druh pasce na elektróny, ktorých energia zhasne, keď sú spojené s kyslíkom v molekule vody.
Niet pochýb o tom, že kyslík je „doma“ biologických procesov ako akceptor elektrónov. Rozpustnosť kyslíka vo vodnej aj lipidovej fáze je tiež veľmi užitočná pre organizmus, ktorého bunky (najmä biologické membrány) sú postavené z fyzikálne a chemicky rôznorodých materiálov. To mu umožňuje pomerne ľahko difundovať do akýchkoľvek štruktúrnych útvarov buniek a podieľať sa na oxidačných reakciách. Pravda, kyslík je niekoľkonásobne rozpustnejší v tukoch ako vo vodnom prostredí a s tým sa počíta pri použití kyslíka ako terapeutického prostriedku.
Každá bunka nášho tela vyžaduje neprerušovaný prísun kyslíka, kde sa využíva pri rôznych metabolických reakciách. Na jeho doručenie a roztriedenie do buniek potrebujete pomerne výkonný transportný aparát.
Za normálnych podmienok potrebujú bunky tela každú minútu dodať asi 200-250 ml kyslíka. Je ľahké vypočítať, že jeho potreba za deň je značná (asi 300 litrov). S tvrdou prácou sa táto potreba desaťnásobne zvyšuje.
K difúzii kyslíka z pľúcnych alveol do krvi dochádza v dôsledku alveolárno-kapilárneho rozdielu (gradientu) napätia kyslíka, ktorý pri dýchaní normálneho vzduchu je: 104 (pO 2 v alveolách) - 45 (pO 2 v pľúcnych kapilárach ) = 59 mm Hg. čl.
Alveolárny vzduch (s priemernou kapacitou pľúc 6 litrov) neobsahuje viac ako 850 ml kyslíka a táto alveolárna rezerva môže zásobovať telo kyslíkom len 4 minúty, keďže priemerná potreba kyslíka v tele za normálnych podmienok je približne 200 ml. za minútu.
Bolo vypočítané, že ak by sa molekulárny kyslík jednoducho rozpustil v krvnej plazme (a ten sa v nej rozpúšťa zle - 0,3 ml v 100 ml krvi), tak na zabezpečenie normálnej potreby buniek je potrebné zvýšiť rýchlosť cievneho prietoku krvi na 180 l za minútu. V skutočnosti sa krv pohybuje rýchlosťou iba 5 litrov za minútu. Dodávanie kyslíka do tkanív sa uskutočňuje úžasnou látkou - hemoglobínom.
Hemoglobín obsahuje 96 % bielkovín (globín) a 4 % nebielkovinovej zložky (hém). Hemoglobín, podobne ako chobotnica, zachytáva kyslík svojimi štyrmi chápadlami. Úlohu „chápadiel“, ktoré špecificky zachytávajú molekuly kyslíka v arteriálnej krvi pľúc, zohráva hem, alebo skôr atóm dvojmocného železa umiestnený v jeho strede. Železo je „pripojené“ vo vnútri porfyrínového kruhu pomocou štyroch väzieb. Tento komplex železa s porfyrínom sa nazýva protohem alebo jednoducho hem. Ďalšie dve väzby železa sú nasmerované kolmo na rovinu porfyrínového kruhu. Jeden z nich ide do proteínovej podjednotky (globínu) a druhý je voľný, priamo zachytáva molekulárny kyslík.
Polypeptidové reťazce hemoglobínu sú usporiadané v priestore tak, že ich konfigurácia sa blíži ku sférickej. Každá zo štyroch guľôčok má „vrecko“, v ktorom je umiestnený hem. Každý hem je schopný zachytiť jednu molekulu kyslíka. Molekula hemoglobínu môže viazať maximálne štyri molekuly kyslíka.
Ako hemoglobín „funguje“?
Pozorovania dýchacieho cyklu „molekulových pľúc“ (ako známy anglický vedec M. Perutz nazval hemoglobín) odhaľujú úžasné vlastnosti tohto pigmentového proteínu. Ukazuje sa, že všetky štyri skvosty fungujú skôr v zhode než nezávisle. Každý z drahokamov je akoby informovaný o tom, či jeho partner pridal kyslík alebo nie. V deoxyhemoglobíne všetky „chápadlá“ (atómy železa) vyčnievajú z roviny porfyrínového kruhu a sú pripravené viazať molekulu kyslíka. Po zachytení molekuly kyslíka sa železo vtiahne do porfyrínového kruhu. Najťažšie sa pripája prvá molekula kyslíka a každá ďalšia je lepšia a jednoduchšia. Inými slovami, hemoglobín pôsobí podľa príslovia „chuť do jedla prichádza s jedlom“. Prídavok kyslíka dokonca mení vlastnosti hemoglobínu: stáva sa silnejšou kyselinou. Tento fakt má veľký význam pri prenose kyslíka a oxidu uhličitého.
Keď sa hemoglobín v červených krvinkách nasýti kyslíkom v pľúcach, prenesie ho cez krvný obeh do buniek a tkanív tela. Pred nasýtením hemoglobínu sa však kyslík musí rozpustiť v krvnej plazme a prejsť cez membránu červených krviniek. V praxi, najmä pri použití oxygenoterapie, je dôležité, aby lekár bral do úvahy potenciálne schopnosti erytrocytového hemoglobínu zadržiavať a dodávať kyslík.
Jeden gram hemoglobínu môže za normálnych podmienok viazať 1,34 ml kyslíka. Pri ďalšom uvažovaní môžeme vypočítať, že pri priemernom obsahu hemoglobínu v krvi 14-16 ml% viaže 100 ml krvi 18-21 ml kyslíka. Ak vezmeme do úvahy objem krvi, ktorý je v priemere asi 4,5 litra u mužov a 4 litre u žien, potom maximálna väzbová aktivita erytrocytového hemoglobínu je asi 750-900 ml kyslíka. Samozrejme, je to možné len vtedy, ak je všetok hemoglobín nasýtený kyslíkom.
Pri dýchaní atmosférického vzduchu je hemoglobín neúplne nasýtený - 95-97%. Môžete ho nasýtiť použitím čistého kyslíka na dýchanie. Stačí zvýšiť jeho obsah vo vdychovanom vzduchu na 35 % (namiesto bežných 24 %). V tomto prípade bude kapacita kyslíka maximálna (rovná sa 21 ml O 2 na 100 ml krvi). Kyslík sa už nebude môcť viazať kvôli nedostatku voľného hemoglobínu.
Malé množstvo kyslíka zostáva rozpustené v krvi (0,3 ml na 100 ml krvi) a v tejto forme sa prenáša do tkanív. V prirodzených podmienkach uspokojuje potreby tkanív kyslík viazaný na hemoglobín, pretože kyslíka rozpusteného v plazme je zanedbateľné množstvo – iba 0,3 ml v 100 ml krvi. To vedie k záveru: ak telo potrebuje kyslík, potom nemôže žiť bez hemoglobínu.
Počas svojho života (je to približne 120 dní) vykoná červená krvinka obrovskú prácu, keď prenesie z pľúc do tkanív asi miliardu molekúl kyslíka. Hemoglobín má však zaujímavú vlastnosť: kyslík neabsorbuje vždy s rovnakou chamtivosťou, ani ho s rovnakou ochotou nedáva okolitým bunkám. Toto správanie hemoglobínu je určené jeho priestorovou štruktúrou a môže byť regulované vnútornými aj vonkajšími faktormi.
Proces saturácie hemoglobínu kyslíkom v pľúcach (alebo disociácia hemoglobínu v bunkách) je opísaný krivkou v tvare S. Vďaka tejto závislosti je možné normálne zásobovanie buniek kyslíkom aj pri malých rozdieloch v krvi (od 98 do 40 mm Hg).
Poloha krivky v tvare S nie je konštantná a jej zmena naznačuje dôležité zmeny v biologických vlastnostiach hemoglobínu. Ak sa krivka posunie doľava a jej ohyb sa zníži, znamená to zvýšenie afinity hemoglobínu ku kyslíku a zníženie reverzného procesu - disociácie oxyhemoglobínu. Naopak, posun tejto krivky doprava (a zväčšenie ohybu) naznačuje presne opačný obraz – zníženie afinity hemoglobínu ku kyslíku a jeho lepšie uvoľňovanie do tkanív. Je jasné, že posunutie krivky doľava je vhodné na zachytenie kyslíka v pľúcach a doprava na jeho uvoľnenie do tkanív.
Disociačná krivka oxyhemoglobínu sa mení v závislosti od pH prostredia a teploty. Čím je pH nižšie (posun na kyslú stranu) a čím vyššia je teplota, tým horšie zachytáva kyslík hemoglobín, no o to lepšie ho tkanivám pri disociácii oxyhemoglobínu odovzdáva. Z toho vyplýva záver: v horúcej atmosfére sa nasýtenie krvi kyslíkom vyskytuje neúčinne, ale so zvýšením telesnej teploty je uvoľňovanie oxyhemoglobínu z kyslíka veľmi aktívne.
Červené krvinky majú tiež svoje regulačné zariadenia. Ide o kyselinu 2,3-difosfoglycerínovú, ktorá vzniká pri rozklade glukózy. Od tejto látky závisí aj „nálada“ hemoglobínu vo vzťahu ku kyslíku. Keď sa kyselina 2,3-difosfoglycerová hromadí v červených krvinkách, znižuje afinitu hemoglobínu ku kyslíku a podporuje jeho uvoľňovanie do tkanív. Ak je ho málo, obraz je opačný.
Zaujímavé udalosti sa vyskytujú aj v kapilárach. Na arteriálnom konci kapiláry dochádza k difúzii kyslíka kolmo na pohyb krvi (z krvi do bunky). Pohyb nastáva v smere rozdielu parciálnych tlakov kyslíka, teda do buniek.
Bunky uprednostňujú fyzikálne rozpustený kyslík a ten sa využíva ako prvý. Zároveň sa oxyhemoglobín uvoľní z jeho záťaže. Čím intenzívnejšie orgán pracuje, tým viac kyslíka potrebuje. Keď sa uvoľní kyslík, uvoľnia sa chápadlá hemoglobínu. V dôsledku absorpcie kyslíka tkanivami klesá obsah oxyhemoglobínu v žilovej krvi z 97 na 65-75%.
Uvoľnenie oxyhemoglobínu súčasne podporuje transport oxidu uhličitého. Ten, ktorý vzniká v tkanivách ako konečný produkt spaľovania látok s obsahom uhlíka, sa dostáva do krvi a môže spôsobiť výrazné zníženie pH prostredia (prekyslenie), ktoré je nezlučiteľné so životom. V skutočnosti môže pH arteriálnej a venóznej krvi kolísať v extrémne úzkom rozmedzí (nie viac ako 0,1), a preto je potrebné neutralizovať oxid uhličitý a odstrániť ho z tkanív do pľúc.
Je zaujímavé, že akumulácia oxidu uhličitého v kapilárach a mierny pokles pH prostredia práve prispievajú k uvoľňovaniu kyslíka oxyhemoglobínom (disociačná krivka sa posúva doprava a ohyb v tvare S sa zväčšuje). Hemoglobín, ktorý zohráva úlohu samotného systému vyrovnávania krvi, neutralizuje oxid uhličitý. V tomto prípade sa tvoria hydrogénuhličitany. Časť oxidu uhličitého je viazaná samotným hemoglobínom (čo vedie k tvorbe karbhemoglobínu). Odhaduje sa, že hemoglobín sa priamo alebo nepriamo podieľa na transporte až 90 % oxidu uhličitého z tkanív do pľúc. V pľúcach dochádza k reverzným procesom, pretože okysličenie hemoglobínu vedie k zvýšeniu jeho kyslých vlastností a uvoľňovaniu vodíkových iónov do prostredia. Posledne menované v kombinácii s hydrogénuhličitanmi tvoria kyselinu uhličitú, ktorá je štiepená enzýmom karboanhydráza na oxid uhličitý a vodu. Oxid uhličitý sa uvoľňuje v pľúcach a oxyhemoglobín, viažuci katióny (výmenou za odštiepené vodíkové ióny), sa presúva do kapilár periférnych tkanív. Takéto úzke prepojenie medzi úkonmi zásobovania tkanív kyslíkom a odstraňovaním oxidu uhličitého z tkanív do pľúc nám pripomína, že pri využívaní kyslíka na liečebné účely by sme nemali zabúdať na ďalšiu funkciu hemoglobínu – oslobodiť telo od prebytočného oxidu uhličitého.
Arteriálno-venózny rozdiel alebo rozdiel tlaku kyslíka pozdĺž kapiláry (od arteriálneho po venózny koniec) poskytuje predstavu o potrebe kyslíka v tkanivách. Dĺžka kapilárneho prechodu oxyhemoglobínu sa v rôznych orgánoch líši (a ich potreby kyslíka nie sú rovnaké). Preto napríklad napätie kyslíka v mozgu klesá menej ako v myokarde.
Tu je však potrebné urobiť rezerváciu a pripomenúť, že myokard a iné svalové tkanivá sú v špeciálnych podmienkach. Svalové bunky majú aktívny systém na zachytávanie kyslíka z prúdiacej krvi. Túto funkciu plní myoglobín, ktorý má rovnakú štruktúru a funguje na rovnakom princípe ako hemoglobín. Iba myoglobín má jeden proteínový reťazec (a nie štyri, ako hemoglobín), a teda jeden hem. Myoglobín je ako štvrtina hemoglobínu a zachytáva iba jednu molekulu kyslíka.
Jedinečná štruktúra myoglobínu, ktorá je obmedzená iba na terciárnu úroveň organizácie jeho proteínovej molekuly, je spojená s interakciou s kyslíkom. Myoglobín viaže kyslík päťkrát rýchlejšie ako hemoglobín (má vysokú afinitu ku kyslíku). Krivka nasýtenia myoglobínu (alebo disociácie oxymyoglobínu) kyslíkom má skôr tvar hyperboly ako tvaru S. To dáva veľký biologický zmysel, pretože myoglobín, ktorý sa nachádza hlboko vo svalovom tkanive (kde je nízky parciálny tlak kyslíka), nenásytne zachytáva kyslík aj v podmienkach nízkeho napätia. Vytvára sa akási kyslíková rezerva, ktorá sa v prípade potreby vynakladá na tvorbu energie v mitochondriách. Napríklad v srdcovom svale, kde je veľa myoglobínu, sa pri diastole v bunkách tvorí zásoba kyslíka vo forme oxymyoglobínu, ktorý pri systole uspokojuje potreby svalového tkaniva.
Neustála mechanická práca svalových orgánov si zrejme vyžiadala ďalšie zariadenia na zachytávanie a rezervovanie kyslíka. Príroda ho vytvorila vo forme myoglobínu. Je možné, že aj nesvalové bunky majú nejaký zatiaľ neznámy mechanizmus na zachytávanie kyslíka z krvi.
Vo všeobecnosti je užitočnosť práce hemoglobínu červených krviniek určená tým, koľko bol schopný preniesť do bunky a preniesť do nej molekuly kyslíka a odstrániť oxid uhličitý, ktorý sa hromadí v tkanivových kapilárach. Žiaľ, tento robotník niekedy nepracuje na plný výkon a nie vlastnou vinou: uvoľňovanie kyslíka z oxyhemoglobínu v kapiláre závisí od schopnosti biochemických reakcií v bunkách spotrebovať kyslík. Ak sa spotrebuje málo kyslíka, potom sa zdá, že „stagnuje“ a pre svoju nízku rozpustnosť v kvapalnom médiu už nepochádza z arteriálneho riečiska. Lekári pozorujú pokles arteriovenózneho rozdielu kyslíka. Ukázalo sa, že hemoglobín zbytočne prenáša časť kyslíka a okrem toho nesie menej oxidu uhličitého. Situácia nie je príjemná.
Znalosť prevádzkových vzorcov systému transportu kyslíka v prirodzených podmienkach umožňuje lekárovi vyvodiť množstvo užitočných záverov pre správne použitie oxygenoterapie. Je samozrejmé, že spolu s kyslíkom je potrebné používať prostriedky, ktoré stimulujú zytropoézu, zvyšujú prietok krvi v postihnutom organizme a napomáhajú využitiu kyslíka v tkanivách tela.
Zároveň je potrebné jasne vedieť, na aké účely sa v bunkách míňa kyslík, čím sa zabezpečuje ich normálna existencia?
Na svojej ceste k miestu účasti na metabolických reakciách vo vnútri buniek kyslík prekonáva mnohé štrukturálne formácie. Najdôležitejšie z nich sú biologické membrány.
Každá bunka má plazmatickú (alebo vonkajšiu) membránu a bizarné množstvo iných membránových štruktúr, ktoré viažu subcelulárne častice (organely). Membrány nie sú len priečky, ale formácie, ktoré vykonávajú špeciálne funkcie (preprava, rozklad a syntéza látok, výroba energie atď.), Ktoré sú určené ich organizáciou a zložením biomolekúl, ktoré sú v nich obsiahnuté. Napriek variabilite tvarov a veľkostí membrán pozostávajú prevažne z proteínov a lipidov. Iné látky nachádzajúce sa v membránach (napríklad sacharidy) sú prostredníctvom chemických väzieb spojené buď s lipidmi, alebo s proteínmi.
Nebudeme sa venovať detailom organizácie proteín-lipidových molekúl v membránach. Je dôležité poznamenať, že všetky modely štruktúry biomembrán („sendvič“, „mozaika“ atď.) predpokladajú v membránach prítomnosť bimolekulárneho lipidového filmu, ktorý drží pohromade proteínové molekuly.
Lipidová vrstva membrány je tekutý film, ktorý je v neustálom pohybe. Kyslík vďaka svojej dobrej rozpustnosti v tukoch prechádza cez dvojitú lipidovú vrstvu membrán a dostáva sa do buniek. Časť kyslíka sa prenáša do vnútorného prostredia buniek prostredníctvom nosičov, ako je myoglobín. Predpokladá sa, že kyslík je v bunke v rozpustnom stave. Pravdepodobne sa rozpúšťa viac v lipidových formáciách a menej v hydrofilných. Pripomeňme si, že štruktúra kyslíka dokonale spĺňa kritériá oxidačného činidla používaného ako elektrónová pasca. Je známe, že hlavná koncentrácia oxidačných reakcií prebieha v špeciálnych organelách, mitochondriách. Obrazné prirovnania, ktoré biochemici poskytli mitochondriám, hovoria o účele týchto malých (0,5 až 2 mikrónov) častíc. Nazývajú sa „energetické stanice“ aj „elektrárne“ bunky, čím sa zdôrazňuje ich vedúca úloha pri tvorbe zlúčenín bohatých na energiu.
Pravdepodobne tu stojí za to urobiť malú odbočku. Ako viete, jednou zo základných charakteristík živých vecí je efektívne získavanie energie. Ľudský organizmus využíva vonkajšie zdroje energie – živiny (sacharidy, lipidy a bielkoviny), ktoré sú pomocou hydrolytických enzýmov tráviaceho traktu rozdrvené na menšie kúsky (monoméry). Tie sú absorbované a dodávané do buniek. Energetickú hodnotu majú len tie látky, ktoré obsahujú vodík, ktorý má veľkú zásobu voľnej energie. Hlavnou úlohou bunky, respektíve enzýmov v nej obsiahnutých, je spracovať substráty tak, aby sa z nich odstránil vodík.
Takmer všetky enzýmové systémy, ktoré vykonávajú podobnú úlohu, sú lokalizované v mitochondriách. Tu sa oxiduje fragment glukózy (kyselina pyrohroznová), mastné kyseliny a uhlíkové kostry aminokyselín. Po konečnom spracovaní sa zvyšný vodík z týchto látok „zbaví“.
Vodík, ktorý sa oddeľuje od horľavých látok pomocou špeciálnych enzýmov (dehydrogenáz), nie je vo voľnej forme, ale v spojení so špeciálnymi nosičmi - koenzýmami. Sú to deriváty nikotínamidu (vitamín PP) - NAD (nikotínamid adenín dinukleotid), NADP (nikotínamid adenín dinukleotid fosfát) a deriváty riboflavínu (vitamín B 2) - FMN (flavín mononukleotid) a FAD (flavín adenín dinukleotid).
Vodík nehorí okamžite, ale postupne, po častiach. V opačnom prípade by bunka nemohla využiť svoju energiu, pretože pri interakcii vodíka s kyslíkom by došlo k výbuchu, čo sa dá ľahko preukázať laboratórnymi pokusmi. Aby vodík po častiach uvoľnil energiu v ňom obsiahnutú, vo vnútornej membráne mitochondrií sa nachádza reťazec nosičov elektrónov a protónov, inak nazývaný dýchací reťazec. V určitom úseku tohto reťazca sa dráhy elektrónov a protónov rozchádzajú; elektróny preskakujú cez cytochrómy (ktoré sa podobne ako hemoglobín skladajú z bielkovín a hému) a protóny unikajú do okolia. V koncovom bode dýchacieho reťazca, kde sa nachádza cytochrómoxidáza, elektróny „skĺznu“ na kyslík. V tomto prípade je energia elektrónov úplne zhasnutá a kyslík viažuci protóny sa redukuje na molekulu vody. Voda už nemá pre telo energetickú hodnotu.
Energia vydaná elektrónmi skákajúcimi pozdĺž dýchacieho reťazca sa premieňa na energiu chemických väzieb adenozíntrifosfátu - ATP, ktorý slúži ako hlavný energetický akumulátor v živých organizmoch. Keďže sa tu spájajú dva akty: oxidácia a tvorba energeticky bohatých fosfátových väzieb (prítomných v ATP), proces tvorby energie v dýchacom reťazci sa nazýva oxidatívna fosforylácia.
Ako dochádza ku kombinácii pohybu elektrónov pozdĺž dýchacieho reťazca a zachytávania energie pri tomto pohybe? Zatiaľ to nie je úplne jasné. Pôsobenie biologických meničov energie by medzitým umožnilo vyriešiť mnohé problémy súvisiace so záchranou telesných buniek postihnutých patologickým procesom, ktoré spravidla trpia energetickým hladovaním. Podľa odborníkov odhalenie tajomstiev mechanizmu tvorby energie u živých bytostí povedie k vytvoreniu technicky perspektívnejších generátorov energie.
Toto sú perspektívy. Zatiaľ je známe, že k zachyteniu elektrónovej energie dochádza v troch úsekoch dýchacieho reťazca, a preto spaľovanie dvoch atómov vodíka produkuje tri molekuly ATP. Účinnosť takéhoto energetického transformátora sa blíži k 50 %. Ak vezmeme do úvahy, že podiel energie dodanej do bunky pri oxidácii vodíka v dýchacom reťazci je minimálne 70 – 90 %, vyjasňujú sa pestré prirovnania, ktoré dostali mitochondrie.
Energia ATP sa používa v rôznych procesoch: na zostavenie zložitých štruktúr (napríklad bielkovín, tukov, uhľohydrátov, nukleových kyselín) zo stavebných bielkovín, mechanická aktivita (svalová kontrakcia), elektrická práca (vznik a šírenie nervových vzruchov). ), transport a hromadenie látok vo vnútri buniek atď. Život bez energie je skrátka nemožný a akonáhle je jej prudký nedostatok, živé bytosti umierajú.
Vráťme sa k otázke miesta kyslíka pri výrobe energie. Na prvý pohľad sa priama účasť kyslíka na tomto životne dôležitom procese javí ako maskovaná. Asi by bolo vhodné porovnať spaľovanie vodíka (a z toho plynúcu tvorbu energie) s výrobnou linkou, hoci dýchací reťazec je linka nie na skladanie, ale na „rozoberanie“ hmoty.
Na začiatku dýchacieho reťazca je vodík. Z nej sa prúd elektrónov rúti do konečného cieľa – kyslíka. Pri nedostatku kyslíka alebo jeho nedostatku sa výrobná linka buď zastaví, alebo nefunguje na plný výkon, pretože ju nemá kto vyložiť, prípadne je efektivita vykládky obmedzená. Žiadny tok elektrónov – žiadna energia. Podľa výstižnej definície vynikajúceho biochemika A. Szent-Gyorgyiho je život riadený tokom elektrónov, ktorých pohyb udáva vonkajší zdroj energie – Slnko. Je lákavé pokračovať v tejto myšlienke a dodať, že keďže život je riadený tokom elektrónov, kyslík udržuje kontinuitu tohto toku.
Je možné nahradiť kyslík iným akceptorom elektrónov, uvoľniť dýchací reťazec a obnoviť produkciu energie? V princípe je to možné. To sa dá ľahko dokázať v laboratórnych experimentoch. Pre telo je výber akceptora elektrónov, akým je kyslík, tak, aby bol ľahko transportovateľný, prenikal do všetkých buniek a podieľal sa na redoxných reakciách, stále nepochopiteľnou úlohou.
Takže kyslík, pri zachovaní kontinuity toku elektrónov v dýchacom reťazci, za normálnych podmienok prispieva k neustálej tvorbe energie z látok vstupujúcich do mitochondrií.
Samozrejme, situácia uvedená vyššie je trochu zjednodušená a urobili sme to preto, aby sme jasnejšie ukázali úlohu kyslíka v regulácii energetických procesov. Účinnosť takejto regulácie je daná činnosťou zariadenia na transformáciu energie pohybujúcich sa elektrónov (elektrický prúd) na chemickú energiu väzieb ATP. Ak sú prítomné živiny aj za prítomnosti kyslíka. horieť v mitochondriách „nadarmo“, uvoľnená tepelná energia je v tomto prípade pre telo zbytočná a môže dôjsť k energetickému hladovaniu so všetkými následkami. Takéto extrémne prípady narušenej fosforylácie pri prenose elektrónov v tkanivových mitochondriách sú však sotva možné a v praxi sa s nimi nestretli.
Oveľa častejšie sú prípady dysregulácie tvorby energie spojené s nedostatočným prísunom kyslíka do buniek. Znamená to okamžitú smrť? Ukazuje sa, že nie. Evolúcia rozhodla múdro a nechala istú rezervu energetickej sily pre ľudské tkanivá. Zabezpečuje ho bezkyslíkatá (anaeróbna) cesta na tvorbu energie zo sacharidov. Jeho účinnosť je však relatívne nízka, pretože oxidácia tých istých živín v prítomnosti kyslíka poskytuje 15-18 krát viac energie ako bez neho. Avšak v kritických situáciách zostávajú telesné tkanivá životaschopné práve vďaka anaeróbnej produkcii energie (prostredníctvom glykolýzy a glykogenolýzy).
Toto je malá odbočka, ktorá hovorí o potenciáli pre tvorbu energie a existencii organizmu bez kyslíka, ďalší dôkaz toho, že kyslík je najdôležitejším regulátorom životných procesov a že existencia bez neho nie je možná.
Nemenej dôležitá je však účasť kyslíka nielen na energetických, ale aj plastových procesoch. Na tento aspekt kyslíka poukázali už v roku 1897 náš vynikajúci krajan A. N. Bach a nemecký vedec K. Engler, ktorí vyvinuli postoj „o pomalej oxidácii látok aktivovaným kyslíkom“. Po dlhú dobu zostali tieto ustanovenia v zabudnutí kvôli prílišnému záujmu výskumníkov o problém účasti kyslíka na energetických reakciách. Až v 60. rokoch nášho storočia bola opäť nastolená otázka úlohy kyslíka pri oxidácii mnohých prírodných a cudzích zlúčenín. Ako sa ukázalo, tento proces nemá nič spoločné s výrobou energie.
Hlavným orgánom, ktorý využíva kyslík na jeho zavedenie do molekuly oxidovanej látky, je pečeň. V pečeňových bunkách sa týmto spôsobom neutralizujú mnohé cudzie zlúčeniny. A ak je pečeň právom nazývaná laboratóriom na neutralizáciu liekov a jedov, potom kyslík v tomto procese má veľmi čestné (ak nie dominantné) miesto.
Stručne o lokalizácii a návrhu prístroja na spotrebu kyslíka na plastové účely. V membránach endoplazmatického retikula, ktoré preniká do cytoplazmy pečeňových buniek, je krátky transportný reťazec elektrónov. Odlišuje sa od dlhého (s veľkým počtom nosičov) dýchacieho reťazca. Zdrojom elektrónov a protónov v tomto reťazci je redukovaný NADP, ktorý vzniká v cytoplazme napríklad pri oxidácii glukózy v pentózofosfátovom cykle (preto možno glukózu nazvať plnohodnotným partnerom pri detoxikácii látok). Elektróny a protóny sú prenesené do špeciálneho proteínu obsahujúceho flavín (FAD) a z neho do konečného článku - špeciálneho cytochrómu nazývaného cytochróm P-450. Podobne ako hemoglobín a mitochondriálne cytochrómy ide o proteín obsahujúci hém. Jeho funkcia je dvojaká: viaže oxidovanú látku a podieľa sa na aktivácii kyslíka. Konečným výsledkom takejto komplexnej funkcie cytochrómu P-450 je, že jeden atóm kyslíka vstupuje do molekuly oxidovanej látky a druhý do molekuly vody. Rozdiely medzi konečnými dejmi spotreby kyslíka pri tvorbe energie v mitochondriách a pri oxidácii látok v endoplazmatickom retikule sú zrejmé. V prvom prípade sa kyslík používa na tvorbu vody av druhom na tvorbu vody aj oxidovaného substrátu. Podiel kyslíka spotrebovaného v organizme na plastové účely môže byť 10-30% (v závislosti od podmienok priaznivého vzniku týchto reakcií).
Kladenie otázky (aj čisto teoreticky) o možnosti nahradenia kyslíka inými prvkami je zbytočné. Vzhľadom na to, že táto cesta využitia kyslíka je potrebná aj pre výmenu najdôležitejších prírodných zlúčenín – cholesterolu, žlčových kyselín, steroidných hormónov – je ľahké pochopiť, kam až siahajú funkcie kyslíka. Ukazuje sa, že reguluje tvorbu množstva dôležitých endogénnych zlúčenín a detoxikáciu cudzorodých látok (alebo, ako sa im dnes hovorí, xenobiotík).
Treba však poznamenať, že enzymatický systém endoplazmatického retikula, ktorý využíva kyslík na oxidáciu xenobiotík, má určité náklady, ktoré sú nasledovné. Niekedy, keď sa do látky zavedie kyslík, vznikne toxickejšia zlúčenina ako tá pôvodná. V takýchto prípadoch pôsobí kyslík ako spolupáchateľ pri otrave tela neškodnými zlúčeninami. Takéto náklady naberajú vážny obrat napríklad vtedy, keď sa karcinogény tvoria z prokarcinogénov za účasti kyslíka. Predovšetkým známa zložka tabakového dymu benzopyrén, ktorý bol považovaný za karcinogén, tieto vlastnosti skutočne získava oxidáciou v organizme na oxybenzpyrén.
Vyššie uvedené skutočnosti nás nútia venovať zvýšenú pozornosť tým enzymatickým procesom, pri ktorých sa ako stavebný materiál využíva kyslík. V niektorých prípadoch je potrebné vypracovať preventívne opatrenia proti tomuto spôsobu spotreby kyslíka. Táto úloha je veľmi náročná, ale je potrebné hľadať k nej prístupy, aby sme rôznymi technikami nasmerovali regulačné potencie kyslíka smerom potrebným pre organizmus.
Posledne menovaný je obzvlášť dôležitý v prípade použitia kyslíka v takom „nekontrolovanom“ procese, akým je oxidácia nenasýtených mastných kyselín peroxidom (alebo voľnými radikálmi). Nenasýtené mastné kyseliny sú súčasťou rôznych lipidov v biologických membránach. Architektúra membrán, ich permeabilita a funkcie enzymatických proteínov obsiahnutých v membránach sú do značnej miery určené pomerom rôznych lipidov. K peroxidácii lipidov dochádza buď pomocou enzýmov, alebo bez nich. Druhá možnosť sa nelíši od oxidácie lipidov voľnými radikálmi v konvenčných chemických systémoch a vyžaduje prítomnosť kyseliny askorbovej. Účasť kyslíka na peroxidácii lipidov samozrejme nie je najlepší spôsob, ako využiť jeho cenné biologické vlastnosti. Voľná radikálna povaha tohto procesu, ktorý môže byť iniciovaný dvojmocným železom (centrum tvorby radikálov), umožňuje rýchlo viesť k rozpadu lipidového hlavného reťazca membrán a následne k bunkovej smrti.
Takáto katastrofa sa však v prírodných podmienkach nevyskytuje. Bunky obsahujú prírodné antioxidanty (vitamín E, selén, niektoré hormóny), ktoré prerušujú reťazec peroxidácie lipidov, čím zabraňujú tvorbe voľných radikálov. Napriek tomu má použitie kyslíka pri peroxidácii lipidov podľa niektorých výskumníkov aj pozitívne stránky. V biologických podmienkach je peroxidácia lipidov nevyhnutná na samoobnovu membrány, pretože peroxidy lipidov sú zlúčeniny rozpustnejšie vo vode a ľahšie sa uvoľňujú z membrány. Sú nahradené novými, hydrofóbnymi molekulami lipidov. Iba nadmernosť tohto procesu vedie k kolapsu membrán a patologickým zmenám v tele.
Je čas urobiť bilanciu. Kyslík je teda najdôležitejším regulátorom životne dôležitých procesov, ktorý bunky tela využívajú ako nevyhnutnú zložku na tvorbu energie v dýchacom reťazci mitochondrií. Potreba kyslíka pri týchto procesoch je splnená nerovnomerne a závisí od mnohých podmienok (na sile enzymatického systému, nadbytku v substráte a samotnej dostupnosti kyslíka), no aj tak sa leví podiel kyslíka vynakladá na energetické procesy. „Životné minimum“ a funkcie jednotlivých tkanív a orgánov pri akútnom nedostatku kyslíka sú teda determinované endogénnymi zásobami kyslíka a silou bezkyslíkatej dráhy výroby energie.
Nemenej dôležité je však dodávať kyslík aj ďalším plastikárskym procesom, hoci sa na to spotrebuje jeho menšia časť. Okrem množstva nevyhnutných prirodzených syntéz (cholesterol, žlčové kyseliny, prostaglandíny, steroidné hormóny, biologicky aktívne produkty metabolizmu aminokyselín) je prítomnosť kyslíka potrebná najmä na neutralizáciu liečiv a jedov. V prípade otravy cudzorodými látkami možno možno predpokladať, že kyslík má pre plasty väčší životne dôležitý význam ako pre energetické účely. V prípade intoxikácie nachádza táto strana pôsobenia praktické uplatnenie. A len v jednom prípade musí lekár premýšľať o tom, ako dať do buniek bariéru spotrebe kyslíka. Hovoríme o inhibícii využitia kyslíka pri peroxidácii lipidov.
Ako vidíme, znalosť charakteristík dodávania a ciest spotreby kyslíka v organizme je kľúčom k odhaleniu porúch, ktoré vznikajú pri rôznych typoch hypoxických stavov, a k správnej taktike terapeutického využitia kyslíka na klinike. .
Ak nájdete chybu, zvýraznite časť textu a kliknite Ctrl+Enter.
1. U jednobunkových organizmov plní bunka všetky funkcie charakteristické pre každý živý organizmus Vymenujte tieto funkcie 2. V mnohobunkovom organizme život Svet živých organizmov je rôznorodý. Zástupcovia rôznych kráľovstiev organického sveta však majú spoločné vlastnosti. Vyberte znakycharakteristika: A - pre rastliny; B - zvieratá; B - všetko živé
organizmy:
1 - majú bunkovú štruktúru;
2 - kŕmiť hotovými organickými látkami;
3 - vytvárajú organické látky počas fotosyntézy;
4 - pri dýchaní absorbujú kyslík a uvoľňujú oxid uhličitý;
5 - pozostávajú z anorganických a organických látok;
6 - bunky obsahujú plastidy a vakuoly s bunkovou šťavou;
7 - schopný metabolizmu a energie;
8 - väčšina je prakticky nehybná;
9 - schopný aktívneho pohybu;
10 - prispôsobené podmienkam prostredia:
11 - konečným produktom metabolizmu je močovina;
12 - plazmatická membrána je pokrytá celulózovou bunkovou stenou;
13 - charakteristicky obmedzený rast;
14 - bunky obsahujú bunkové centrum a malé vakuoly bez bunkovej šťavy.
vzdelanie). Uhlie _______________ (aké živé organizmy sa podieľali na jeho vzniku) =)))
Príčinou smrti živých organizmov môžu byť: iné živé organizmy, choroby, nedostatok potravy, nepriaznivé životné podmienky. Je možné pripísaťAsi viete, že dýchanie je nevyhnutné, aby sa s vdychovaným vzduchom dostával do tela aj kyslík potrebný pre život a pri výdychu telo uvoľňuje oxid uhličitý.
Všetky živé veci dýchajú - vrátane zvierat,
vtáky aj rastliny.
Prečo živé organizmy potrebujú kyslík natoľko, že život bez neho nie je možný? A odkiaľ sa v bunkách berie oxid uhličitý, ktorého sa telo potrebuje neustále zbavovať?
Faktom je, že každá bunka živého organizmu predstavuje malú, ale veľmi aktívnu biochemickú produkciu. Viete, že žiadna výroba nie je možná bez energie. Všetky procesy, ktoré sa vyskytujú v bunkách a tkanivách, sa vyskytujú pri spotrebe veľkého množstva energie.
Odkiaľ to pochádza?
S jedlom, ktoré jeme – sacharidy, tuky a bielkoviny. V bunkách tieto látky oxidovať. Reťazec premien zložitých látok najčastejšie vedie k vytvoreniu univerzálneho zdroja energie - glukózy. V dôsledku oxidácie glukózy sa uvoľňuje energia. Kyslík je presne to, čo je potrebné na oxidáciu. Energiu, ktorá sa v dôsledku týchto reakcií uvoľní, bunka ukladá vo forme špeciálnych vysokoenergetických molekúl – tie, podobne ako batérie či akumulátory, uvoľňujú energiu podľa potreby. A konečným produktom oxidácie živín je voda a oxid uhličitý, ktoré sa z tela odstraňujú: z buniek sa dostáva do krvi, ktorá odvádza oxid uhličitý do pľúc a tam sa pri výdychu vylučuje von. Za hodinu človek vypustí cez pľúca 5 až 18 litrov oxidu uhličitého a až 50 gramov vody.
Mimochodom...
Vysokoenergetické molekuly, ktoré sú „palivom“ pre biochemické procesy, sa nazývajú ATP – kyselina adenozíntrifosforečná. U ľudí je životnosť jednej molekuly ATP kratšia ako 1 minúta. Ľudské telo syntetizuje asi 40 kg ATP denne, ale všetko sa takmer okamžite minie a v tele sa nevytvára prakticky žiadna rezerva ATP. Pre normálny život je potrebné neustále syntetizovať nové molekuly ATP. Preto bez kyslíka môže živý organizmus žiť maximálne niekoľko minút.
Existujú živé organizmy, ktoré nepotrebujú kyslík?
Každý z nás pozná procesy anaeróbneho dýchania! Fermentácia cesta alebo kvasu je teda príkladom anaeróbneho procesu vykonávaného kvasinkami: oxidujú glukózu na etanol (alkohol); proces kysnutia mlieka je výsledkom práce baktérií mliečneho kvasenia, ktoré vykonávajú mliečnu fermentáciu - premieňajú mliečny cukor laktózu na kyselinu mliečnu.
Prečo potrebujete kyslíkové dýchanie, ak máte dýchanie bez kyslíka?
Potom je aeróbna oxidácia mnohonásobne účinnejšia ako anaeróbna oxidácia. Porovnaj: pri anaeróbnom rozklade jednej molekuly glukózy vznikajú len 2 molekuly ATP a v dôsledku aeróbneho rozkladu molekuly glukózy vzniká 38 molekúl ATP! Pre zložité organizmy s vysokou rýchlosťou a intenzitou metabolických procesov anaeróbne dýchanie na udržanie života jednoducho nestačí – napríklad elektronická hračka, ktorá na prevádzku vyžaduje 3-4 batérie, sa jednoducho nezapne, ak je do nej vložená iba jedna batéria.
Je možné dýchanie bez kyslíka v bunkách ľudského tela?
Určite! Prvá fáza rozkladu molekuly glukózy, nazývaná glykolýza, prebieha bez prítomnosti kyslíka. Glykolýza je proces spoločný takmer všetkým živým organizmom. Pri glykolýze vzniká kyselina pyrohroznová (pyruvát). Práve ona sa vydáva na cestu ďalších premien vedúcich k syntéze ATP pri kyslíkovom aj bezkyslíkovom dýchaní.
Zásoby ATP vo svaloch sú teda veľmi malé – stačia len na 1-2 sekundy svalovej práce. Ak sval potrebuje krátkodobú, ale aktívnu činnosť, ako prvé sa v ňom zmobilizuje anaeróbne dýchanie – aktivuje sa rýchlejšie a dodá energiu na cca 90 sekúnd aktívnej svalovej práce. Ak sval aktívne pracuje dlhšie ako dve minúty, potom sa naštartuje aeróbne dýchanie: s ním dochádza k produkcii ATP pomaly, ale poskytuje dostatok energie na udržanie fyzickej aktivity na dlhú dobu (až niekoľko hodín).
Všetko o všetkom. Zväzok 5 Likum Arkady
Prečo potrebujeme kyslík?
Prečo potrebujeme kyslík?
Zvieratá dokážu prežiť bez potravy niekoľko týždňov, bez vody niekoľko dní. Ale bez kyslíka zomrú v priebehu niekoľkých minút. Kyslík je chemický prvok a jeden z najbežnejších na Zemi. Nachádza sa všade okolo nás, tvorí asi jednu pätinu vzduchu (a takmer zvyšok tvorí dusík). Kyslík sa spája s takmer všetkými ostatnými prvkami. V živých organizmoch sa spája s vodíkom, uhlíkom a inými látkami, ktoré tvoria približne dve tretiny celkovej hmotnosti ľudského tela.
Za normálnych teplôt kyslík reaguje s inými prvkami veľmi pomaly, pričom vznikajú nové látky nazývané oxidy. Tento proces sa nazýva oxidačná reakcia. Oxidácia prebieha v živých organizmoch neustále. Jedlo je palivom živých buniek.
Pri oxidácii potravy sa uvoľňuje energia, ktorú telo využíva na pohyb a vlastný rast. Pomalá oxidácia, ktorá sa vyskytuje u živých bytostí, sa často nazýva vnútorné dýchanie. Osoba vdychuje kyslík cez pľúca. Z pľúc sa dostáva do obehového systému a prenáša sa do celého tela. Dýchaním vzduchu zásobujeme bunky nášho tela kyslíkom na ich vnútorné dýchanie. Kyslík teda potrebujeme na získanie energie, vďaka ktorej môže telo fungovať.
Ľudia s problémami s dýchaním sú často umiestnení do kyslíkových komôr, kde pacient dýcha vzduch, ktorý obsahuje štyridsať až šesťdesiat percent kyslíka a nemusí vynakladať veľa energie na získanie potrebného množstva kyslíka. Aj keď kyslík neustále odoberajú zo vzduchu živé bytosti na dýchanie, jeho zásoby sa nikdy neminú. Rastliny ho pri výžive uvoľňujú, čím nám dopĺňajú zásoby kyslíka.
Z knihy Kto je kto vo svete umenia autora Sitnikov Vitalij PavlovičPrečo potrebuje orchester dirigenta? Ak ste niekedy boli v opere, určite si pamätáte, aký nepredstaviteľný hluk je pred začiatkom predstavenia. Všetci hudobníci zhromaždení v orchestri ladia nástroje. Aby som to teda zvládla
Z knihy Krajiny a národy. Otázky a odpovede autor Kukanova Yu. V.Prečo bol Alexandrijský maják potrebný? V 3. storočí pred Kristom bol v egyptskej Alexandrii postavený maják, aby lode prichádzajúce do mestského zálivu mohli úspešne preplávať pobrežné útesy. Táto stavba pozostávala z troch mramorových veží, z ktorých najvyššia pripomínala
Z knihy Svet okolo nás autora Sitnikov Vitalij PavlovičPrečo potrebuje orchester dirigenta? Ak ste niekedy boli v opere, určite si pamätáte, aký nepredstaviteľný hluk je pred začiatkom predstavenia. Diriguje veľký Igor Stravinskij (1929) Všetci hudobníci zhromaždení v orchestri ladia svoje
autoraPrečo potrebujete spánok? Spánok vždy priťahoval pozornosť ľudí ako nezvyčajný a tajomný fenomén. Spôsobil nepochopenie a niekedy aj strach. Sen sa zdal niečo blízko smrti, čo znamená, že ho musí ovládať nejaké božstvo. Napríklad starogrécky boh spánku Hypnos bol súčasťou družiny
Z knihy Jednoduché otázky. Kniha podobná encyklopédii autora Antonets Vladimír AlexandrovičPrečo psy potrebujú majiteľa? Presvedčenie, že psy potrebujú majiteľov, je založené na často (ale nie vždy!) pozorovanej pripútanosti a oddanosti psov, ako aj na tom, že ľudia sami seba vnímajú ako majiteľov. Ale majiteľ je čisto ľudský, sociálno-psychologický
autoraPrečo človek potrebuje biotín? Biotín (vitamín H) je koenzým, ktorý sa podieľa na reakciách prenosu oxidu uhličitého na organické zlúčeniny (napríklad pri biosyntéze mastných kyselín). Biotín je syntetizovaný črevnou mikroflórou, a preto je u ľudí nedostatok
Z knihy Najnovšia kniha faktov. Zväzok 1 [Astronómia a astrofyzika. Geografia a iné vedy o Zemi. Biológia a medicína] autora Kondrashov Anatolij PavlovičPrečo človek potrebuje vitamín B6? Vitamín B6 hrá dôležitú úlohu v metabolizme bielkovín a syntéze polynenasýtených mastných kyselín. V prírode sa vyskytuje v troch formách: pyridoxín, pyridoxal a pyridoxamín. Všetky formy vitamínu B6 sa v tele ľahko premieňajú jedna na druhú.
Z knihy Najnovšia kniha faktov. Zväzok 1 [Astronómia a astrofyzika. Geografia a iné vedy o Zemi. Biológia a medicína] autora Kondrashov Anatolij PavlovičPrečo ľudské telo potrebuje riboflavín? Riboflavín (vitamín B2) sa podieľa na procesoch tkanivového dýchania, a tým prispieva k tvorbe energie v tele. Nedostatok riboflavínu vedie k poškodeniu kože, slizníc a poškodeniu
autora Kondrashov Anatolij Pavlovič Z knihy Najnovšia kniha faktov. 1. zväzok. Astronómia a astrofyzika. Geografia a iné vedy o Zemi. Biológia a medicína autora Kondrashov Anatolij Pavlovič Z knihy Tematická návštevnosť: Ako predať niekomu, koho ešte nenapadlo kúpiť od spoločnosti SEMANTICA autora Syabitova Roza RaifovnaPrečo potrebuješ muža? Jedna z veľkých žien vyjadrila zaujímavú myšlienku: „Niektoré ženy plačú, že nenašli muža svojich snov, zatiaľ čo iné plačú, že áno. Najčastejšie si žena myslí, že ak nájde muža svojich snov, teda ideálneho muža (toho, ktorý sa jej hodí...
Z knihy Prečo niektorí ľudia milujú a berú si iných? Tajomstvo úspešného manželstva autora Syabitova Roza RaifovnaPrečo potrebujete manželskú zmluvu Hudba utíchla, novomanželské gratulácie sa skončili a začína sa čisto pozemský každodenný život. Nie každému sa podarí žiť šťastne v manželstve – v láske a harmónii – a zomrieť v ten istý deň. Podľa Štátneho výboru pre štatistiku je počet rozvodov
Z knihy Lekcie od majstra sveta v kulturistike. Ako si vybudovať telo svojich snov autora Spasokukotsky Jurij AlexandrovičPrečo potrebujete silné uchopenie? V tomto prípade stojí za to premýšľať o tom, prečo potrebujete silné uchopenie? Úprimne, ani v kulturistike, ani zvlášť vo fitness nie je silný úchop vlastnosťou, ktorú je bezpodmienečne nutné mať. Nikdy som úchop netrénoval, ten hrubý neviem zlomiť
Z knihy Omyly kapitalizmu alebo zhubná domýšľavosť profesora Hayeka autora Zoznámte sa s Abramom Iľjičom14. Prečo potrebujeme kapitalistu? Obľúbeným argumentom prívržencov kapitalizmu je, že majiteľ podniku – kapitalista – je zároveň robotníkom, a to „organizátorom výroby“, ktorý má špeciálne schopnosti iniciatívy, vedenia a súťaženia, bez ktorých
Z knihy Ako predať samizdat! autor Angelov Andrey- Prečítajte si recenziu komplexného lieku na hemoroidy Proctonol
- Ako schudnúť 20 kg - skutočné recenzie o Guarchibao
Nadbytok kyslíka
Nedostatok kyslíka
Príčiny:
- Zníženie parciálneho tlaku O2 vo vdychovanom vzduchu;
Prečo dýchame?
Asi viete, že dýchanie je nevyhnutné, aby sa s vdychovaným vzduchom dostával do tela aj kyslík potrebný pre život a pri výdychu telo uvoľňuje oxid uhličitý.
Všetky živé veci dýchajú - zvieratá, vtáky a rastliny.
Prečo živé organizmy potrebujú kyslík natoľko, že život bez neho nie je možný? A odkiaľ sa v bunkách berie oxid uhličitý, ktorého sa telo potrebuje neustále zbavovať?
Faktom je, že každá bunka živého organizmu predstavuje malú, ale veľmi aktívnu biochemickú produkciu. Viete, že žiadna výroba nie je možná bez energie. Všetky procesy, ktoré sa vyskytujú v bunkách a tkanivách, sa vyskytujú pri spotrebe veľkého množstva energie.
Odkiaľ to pochádza?
S jedlom, ktoré jeme – sacharidy, tuky a bielkoviny. V bunkách sa tieto látky oxidujú. Reťazec premien zložitých látok najčastejšie vedie k vytvoreniu univerzálneho zdroja energie - glukózy. V dôsledku oxidácie glukózy sa uvoľňuje energia. Kyslík je presne to, čo je potrebné na oxidáciu. Energiu, ktorá sa v dôsledku týchto reakcií uvoľní, bunka ukladá vo forme špeciálnych vysokoenergetických molekúl – tie, podobne ako batérie či akumulátory, uvoľňujú energiu podľa potreby. A konečným produktom oxidácie živín je voda a oxid uhličitý, ktoré sa z tela odstraňujú: z buniek sa dostáva do krvi, ktorá odvádza oxid uhličitý do pľúc a tam sa pri výdychu vylučuje von. Za hodinu človek vypustí cez pľúca 5 až 18 litrov oxidu uhličitého a až 50 gramov vody.
Mimochodom.
Vysokoenergetické molekuly, ktoré sú „palivom“ pre biochemické procesy, sa nazývajú ATP – kyselina adenozíntrifosforečná. U ľudí je životnosť jednej molekuly ATP kratšia ako 1 minúta. Ľudské telo syntetizuje asi 40 kg ATP denne, ale všetko sa takmer okamžite minie a v tele sa nevytvára prakticky žiadna rezerva ATP. Pre normálny život je potrebné neustále syntetizovať nové molekuly ATP. Preto bez kyslíka môže živý organizmus žiť maximálne niekoľko minút.
Existujú živé organizmy, ktoré nepotrebujú kyslík?
Každý z nás pozná procesy anaeróbneho dýchania! Fermentácia cesta alebo kvasu je teda príkladom anaeróbneho procesu vykonávaného kvasinkami: oxidujú glukózu na etanol (alkohol); proces kysnutia mlieka je výsledkom práce baktérií mliečneho kvasenia, ktoré vykonávajú mliečnu fermentáciu - premieňajú mliečny cukor laktózu na kyselinu mliečnu.
Prečo potrebujete dýchanie s kyslíkom, ak je k dispozícii dýchanie bez kyslíka?
Potom je aeróbna oxidácia mnohonásobne účinnejšia ako anaeróbna oxidácia. Porovnaj: pri anaeróbnom rozklade jednej molekuly glukózy vznikajú len 2 molekuly ATP a v dôsledku aeróbneho rozkladu molekuly glukózy vzniká 38 molekúl ATP! Pre zložité organizmy s vysokou rýchlosťou a intenzitou metabolických procesov anaeróbne dýchanie na udržanie života jednoducho nestačí – napríklad elektronická hračka, ktorá na prevádzku vyžaduje 3-4 batérie, sa jednoducho nezapne, ak je do nej vložená iba jedna batéria.
Je možné dýchanie bez kyslíka v bunkách ľudského tela?
Určite! Prvá fáza rozkladu molekuly glukózy, nazývaná glykolýza, prebieha bez prítomnosti kyslíka. Glykolýza je proces spoločný takmer všetkým živým organizmom. Pri glykolýze vzniká kyselina pyrohroznová (pyruvát). Práve ona sa vydáva na cestu ďalších premien vedúcich k syntéze ATP pri kyslíkovom aj bezkyslíkovom dýchaní.
Zásoby ATP vo svaloch sú teda veľmi malé – stačia len na 1-2 sekundy svalovej práce. Ak sval potrebuje krátkodobú, ale aktívnu činnosť, ako prvé sa v ňom zmobilizuje anaeróbne dýchanie – aktivuje sa rýchlejšie a dodá energiu na cca 90 sekúnd aktívnej svalovej práce. Ak sval aktívne pracuje dlhšie ako dve minúty, potom sa naštartuje aeróbne dýchanie: s ním dochádza k produkcii ATP pomaly, ale poskytuje dostatok energie na udržanie fyzickej aktivity na dlhú dobu (až niekoľko hodín).
Tvoje komentáre:
Sami obviňujú z chýb, dokonca ani netušia, že to, čo hovoria, je správne.
ATP voda. očividne sa ľudia v škole veľa neučili
Prečo je potrebný prirodzený kyslík?
Na čo slúži kyslík?
Zvýšená duševná výkonnosť;
Zvýšenie odolnosti tela voči stresu a zníženie nervového stresu;
Udržiavanie normálnej hladiny kyslíka v krvi, čím sa zlepšuje výživa kožných buniek a orgánov;
Fungovanie vnútorných orgánov sa normalizuje, metabolizmus sa zrýchľuje;
Chudnutie - kyslík podporuje aktívne štiepenie tukov;
Normalizácia spánku - v dôsledku nasýtenia buniek kyslíkom sa telo uvoľňuje, spánok sa prehlbuje a trvá dlhšie;
Riešenie problému hypoxie (t.j. nedostatok kyslíka).
Prírodný kyslík je podľa vedcov a lekárov celkom schopný zvládnuť tieto úlohy, ale bohužiaľ v mestských podmienkach vznikajú problémy s dostatočným množstvom kyslíka.
Vedci zistili, že pred 200 rokmi človek prijímal až 40 % prírodného kyslíka zo vzduchu a dnes sa toto číslo znížilo 2-krát – na 21 %.
Prečo živé organizmy potrebujú kyslík?
Zvieratá dokážu prežiť bez potravy niekoľko týždňov, bez vody niekoľko dní. Ale bez kyslíka zomrú v priebehu niekoľkých minút.
Kyslík je chemický prvok a jeden z najbežnejších na Zemi. Nachádza sa všade okolo nás, tvorí asi jednu pätinu vzduchu (a takmer zvyšok tvorí dusík).
Kyslík sa spája s takmer všetkými ostatnými prvkami. V živých organizmoch sa spája s vodíkom, uhlíkom a inými látkami, ktoré tvoria približne dve tretiny celkovej hmotnosti ľudského tela.
Za normálnych teplôt kyslík reaguje s inými prvkami veľmi pomaly, pričom vznikajú nové látky nazývané oxidy. Tento proces sa nazýva oxidačná reakcia.
Oxidácia prebieha v živých organizmoch neustále. Jedlo je palivom živých buniek. Pri oxidácii potravy sa uvoľňuje energia, ktorú telo využíva na pohyb a vlastný rast. Pomalá oxidácia, ktorá sa vyskytuje u živých bytostí, sa často nazýva vnútorné dýchanie.
Osoba vdychuje kyslík cez pľúca. Z pľúc sa dostáva do obehového systému a prenáša sa do celého tela. Dýchaním vzduchu zásobujeme bunky nášho tela kyslíkom na ich vnútorné dýchanie. Kyslík teda potrebujeme na získanie energie, vďaka ktorej môže telo fungovať.
Ľudia s problémami s dýchaním sú často umiestnení do kyslíkových komôr, kde pacient dýcha vzduch, ktorý obsahuje štyridsať až šesťdesiat percent kyslíka a nemusí vynakladať veľa energie na získanie potrebného množstva kyslíka.
Aj keď kyslík neustále odoberajú zo vzduchu živé bytosti na dýchanie, jeho zásoby sa nikdy neminú. Rastliny ho pri výžive uvoľňujú, čím nám dopĺňajú zásoby kyslíka.
Prečo telo potrebuje kyslík?
Kyslík- jeden z najbežnejších prvkov nielen v prírode, ale aj v zložení ľudského tela.
Špeciálne vlastnosti kyslíka ako chemického prvku z neho urobili počas evolúcie živých bytostí nevyhnutného partnera v základných procesoch života. Elektrónová konfigurácia molekuly kyslíka je taká, že má nepárové elektróny, ktoré sú vysoko reaktívne. Vďaka svojim vysokým oxidačným vlastnostiam sa molekula kyslíka používa v biologických systémoch ako druh pasce na elektróny, ktorých energia zhasne, keď sú spojené s kyslíkom v molekule vody.
Niet pochýb o tom, že kyslík je „doma“ biologických procesov ako akceptor elektrónov. Rozpustnosť kyslíka vo vodnej aj lipidovej fáze je tiež veľmi užitočná pre organizmus, ktorého bunky (najmä biologické membrány) sú postavené z fyzikálne a chemicky rôznorodých materiálov. To mu umožňuje pomerne ľahko difundovať do akýchkoľvek štruktúrnych útvarov buniek a podieľať sa na oxidačných reakciách. Pravda, kyslík je niekoľkonásobne rozpustnejší v tukoch ako vo vodnom prostredí a s tým sa počíta pri použití kyslíka ako terapeutického prostriedku.
Každá bunka nášho tela vyžaduje neprerušovaný prísun kyslíka, kde sa využíva pri rôznych metabolických reakciách. Na jeho doručenie a roztriedenie do buniek potrebujete pomerne výkonný transportný aparát.
Za normálnych podmienok potrebujú bunky tela každú minútu dodať asi 200-250 ml kyslíka. Je ľahké vypočítať, že jeho potreba za deň je značná (asi 300 litrov). S tvrdou prácou sa táto potreba desaťnásobne zvyšuje.
K difúzii kyslíka z pľúcnych alveol do krvi dochádza v dôsledku alveolárno-kapilárneho rozdielu (gradientu) napätia kyslíka, ktorý pri dýchaní normálneho vzduchu je: 104 (pO 2 v alveolách) - 45 (pO 2 v pľúcnych kapilárach ) = 59 mm Hg. čl.
Alveolárny vzduch (s priemernou kapacitou pľúc 6 litrov) neobsahuje viac ako 850 ml kyslíka a táto alveolárna rezerva môže zásobovať telo kyslíkom len 4 minúty, keďže priemerná potreba kyslíka v tele za normálnych podmienok je približne 200 ml. za minútu.
Bolo vypočítané, že ak by sa molekulárny kyslík jednoducho rozpustil v krvnej plazme (a ten sa v nej rozpúšťa zle - 0,3 ml v 100 ml krvi), tak na zabezpečenie normálnej potreby buniek je potrebné zvýšiť rýchlosť cievneho prietoku krvi na 180 l za minútu. V skutočnosti sa krv pohybuje rýchlosťou iba 5 litrov za minútu. Dodávanie kyslíka do tkanív sa uskutočňuje úžasnou látkou - hemoglobínom.
Hemoglobín obsahuje 96 % bielkovín (globín) a 4 % nebielkovinovej zložky (hém). Hemoglobín, podobne ako chobotnica, zachytáva kyslík svojimi štyrmi chápadlami. Úlohu „chápadiel“, ktoré špecificky zachytávajú molekuly kyslíka v arteriálnej krvi pľúc, zohráva hem, alebo skôr atóm dvojmocného železa umiestnený v jeho strede. Železo je „pripojené“ vo vnútri porfyrínového kruhu pomocou štyroch väzieb. Tento komplex železa s porfyrínom sa nazýva protohem alebo jednoducho hem. Ďalšie dve väzby železa sú nasmerované kolmo na rovinu porfyrínového kruhu. Jeden z nich ide do proteínovej podjednotky (globínu) a druhý je voľný, priamo zachytáva molekulárny kyslík.
Polypeptidové reťazce hemoglobínu sú usporiadané v priestore tak, že ich konfigurácia sa blíži ku sférickej. Každá zo štyroch guľôčok má „vrecko“, v ktorom je umiestnený hem. Každý hem je schopný zachytiť jednu molekulu kyslíka. Molekula hemoglobínu môže viazať maximálne štyri molekuly kyslíka.
Ako hemoglobín „funguje“?
Pozorovania dýchacieho cyklu „molekulových pľúc“ (ako známy anglický vedec M. Perutz nazval hemoglobín) odhaľujú úžasné vlastnosti tohto pigmentového proteínu. Ukazuje sa, že všetky štyri skvosty fungujú skôr v zhode než nezávisle. Každý z drahokamov je akoby informovaný o tom, či jeho partner pridal kyslík alebo nie. V deoxyhemoglobíne všetky „chápadlá“ (atómy železa) vyčnievajú z roviny porfyrínového kruhu a sú pripravené viazať molekulu kyslíka. Po zachytení molekuly kyslíka sa železo vtiahne do porfyrínového kruhu. Najťažšie sa pripája prvá molekula kyslíka a každá ďalšia je lepšia a jednoduchšia. Inými slovami, hemoglobín pôsobí podľa príslovia „chuť do jedla prichádza s jedlom“. Prídavok kyslíka dokonca mení vlastnosti hemoglobínu: stáva sa silnejšou kyselinou. Tento fakt má veľký význam pri prenose kyslíka a oxidu uhličitého.
Keď sa hemoglobín v červených krvinkách nasýti kyslíkom v pľúcach, prenesie ho cez krvný obeh do buniek a tkanív tela. Pred nasýtením hemoglobínu sa však kyslík musí rozpustiť v krvnej plazme a prejsť cez membránu červených krviniek. V praxi, najmä pri použití oxygenoterapie, je dôležité, aby lekár bral do úvahy potenciálne schopnosti erytrocytového hemoglobínu zadržiavať a dodávať kyslík.
Jeden gram hemoglobínu môže za normálnych podmienok viazať 1,34 ml kyslíka. Pri ďalšom uvažovaní môžeme vypočítať, že pri priemernom obsahu hemoglobínu v krvi 14-16 ml% viaže 100 ml krvi 18-21 ml kyslíka. Ak vezmeme do úvahy objem krvi, ktorý je v priemere asi 4,5 litra u mužov a 4 litre u žien, potom maximálna väzbová aktivita erytrocytového hemoglobínu je asi 750-900 ml kyslíka. Samozrejme, je to možné len vtedy, ak je všetok hemoglobín nasýtený kyslíkom.
Pri dýchaní atmosférického vzduchu je hemoglobín neúplne nasýtený - 95-97%. Môžete ho nasýtiť použitím čistého kyslíka na dýchanie. Stačí zvýšiť jeho obsah vo vdychovanom vzduchu na 35 % (namiesto bežných 24 %). V tomto prípade bude kapacita kyslíka maximálna (rovná sa 21 ml O 2 na 100 ml krvi). Kyslík sa už nebude môcť viazať kvôli nedostatku voľného hemoglobínu.
Malé množstvo kyslíka zostáva rozpustené v krvi (0,3 ml na 100 ml krvi) a v tejto forme sa prenáša do tkanív. V prirodzených podmienkach uspokojuje potreby tkanív kyslík viazaný na hemoglobín, pretože kyslíka rozpusteného v plazme je zanedbateľné množstvo – iba 0,3 ml v 100 ml krvi. To vedie k záveru: ak telo potrebuje kyslík, potom nemôže žiť bez hemoglobínu.
Počas svojho života (je to približne 120 dní) vykoná červená krvinka obrovskú prácu, keď prenesie z pľúc do tkanív asi miliardu molekúl kyslíka. Hemoglobín má však zaujímavú vlastnosť: kyslík neabsorbuje vždy s rovnakou chamtivosťou, ani ho s rovnakou ochotou nedáva okolitým bunkám. Toto správanie hemoglobínu je určené jeho priestorovou štruktúrou a môže byť regulované vnútornými aj vonkajšími faktormi.
Proces saturácie hemoglobínu kyslíkom v pľúcach (alebo disociácia hemoglobínu v bunkách) je opísaný krivkou v tvare S. Vďaka tejto závislosti je možné normálne zásobovanie buniek kyslíkom aj pri malých rozdieloch v krvi (od 98 do 40 mm Hg).
Poloha krivky v tvare S nie je konštantná a jej zmena naznačuje dôležité zmeny v biologických vlastnostiach hemoglobínu. Ak sa krivka posunie doľava a jej ohyb sa zníži, znamená to zvýšenie afinity hemoglobínu ku kyslíku a zníženie reverzného procesu - disociácie oxyhemoglobínu. Naopak, posun tejto krivky doprava (a zväčšenie ohybu) naznačuje presne opačný obraz – zníženie afinity hemoglobínu ku kyslíku a jeho lepšie uvoľňovanie do tkanív. Je jasné, že posunutie krivky doľava je vhodné na zachytenie kyslíka v pľúcach a doprava na jeho uvoľnenie do tkanív.
Disociačná krivka oxyhemoglobínu sa mení v závislosti od pH prostredia a teploty. Čím je pH nižšie (posun na kyslú stranu) a čím vyššia je teplota, tým horšie zachytáva kyslík hemoglobín, no o to lepšie ho tkanivám pri disociácii oxyhemoglobínu odovzdáva. Z toho vyplýva záver: v horúcej atmosfére sa nasýtenie krvi kyslíkom vyskytuje neúčinne, ale so zvýšením telesnej teploty je uvoľňovanie oxyhemoglobínu z kyslíka veľmi aktívne.
Červené krvinky majú tiež svoje regulačné zariadenia. Ide o kyselinu 2,3-difosfoglycerínovú, ktorá vzniká pri rozklade glukózy. Od tejto látky závisí aj „nálada“ hemoglobínu vo vzťahu ku kyslíku. Keď sa kyselina 2,3-difosfoglycerová hromadí v červených krvinkách, znižuje afinitu hemoglobínu ku kyslíku a podporuje jeho uvoľňovanie do tkanív. Ak je ho málo, obraz je opačný.
Zaujímavé udalosti sa vyskytujú aj v kapilárach. Na arteriálnom konci kapiláry dochádza k difúzii kyslíka kolmo na pohyb krvi (z krvi do bunky). Pohyb nastáva v smere rozdielu parciálnych tlakov kyslíka, teda do buniek.
Bunky uprednostňujú fyzikálne rozpustený kyslík a ten sa využíva ako prvý. Zároveň sa oxyhemoglobín uvoľní z jeho záťaže. Čím intenzívnejšie orgán pracuje, tým viac kyslíka potrebuje. Keď sa uvoľní kyslík, uvoľnia sa chápadlá hemoglobínu. V dôsledku absorpcie kyslíka tkanivami klesá obsah oxyhemoglobínu v žilovej krvi z 97 na 65-75%.
Uvoľnenie oxyhemoglobínu súčasne podporuje transport oxidu uhličitého. Ten, ktorý vzniká v tkanivách ako konečný produkt spaľovania látok s obsahom uhlíka, sa dostáva do krvi a môže spôsobiť výrazné zníženie pH prostredia (prekyslenie), ktoré je nezlučiteľné so životom. V skutočnosti môže pH arteriálnej a venóznej krvi kolísať v extrémne úzkom rozmedzí (nie viac ako 0,1), a preto je potrebné neutralizovať oxid uhličitý a odstrániť ho z tkanív do pľúc.
Je zaujímavé, že akumulácia oxidu uhličitého v kapilárach a mierny pokles pH prostredia práve prispievajú k uvoľňovaniu kyslíka oxyhemoglobínom (disociačná krivka sa posúva doprava a ohyb v tvare S sa zväčšuje). Hemoglobín, ktorý zohráva úlohu samotného systému vyrovnávania krvi, neutralizuje oxid uhličitý. V tomto prípade sa tvoria hydrogénuhličitany. Časť oxidu uhličitého je viazaná samotným hemoglobínom (čo vedie k tvorbe karbhemoglobínu). Odhaduje sa, že hemoglobín sa priamo alebo nepriamo podieľa na transporte až 90 % oxidu uhličitého z tkanív do pľúc. V pľúcach dochádza k reverzným procesom, pretože okysličenie hemoglobínu vedie k zvýšeniu jeho kyslých vlastností a uvoľňovaniu vodíkových iónov do prostredia. Posledne menované v kombinácii s hydrogénuhličitanmi tvoria kyselinu uhličitú, ktorá je štiepená enzýmom karboanhydráza na oxid uhličitý a vodu. Oxid uhličitý sa uvoľňuje v pľúcach a oxyhemoglobín, viažuci katióny (výmenou za odštiepené vodíkové ióny), sa presúva do kapilár periférnych tkanív. Takéto úzke prepojenie medzi úkonmi zásobovania tkanív kyslíkom a odstraňovaním oxidu uhličitého z tkanív do pľúc nám pripomína, že pri využívaní kyslíka na liečebné účely by sme nemali zabúdať na ďalšiu funkciu hemoglobínu – oslobodiť telo od prebytočného oxidu uhličitého.
Arteriálno-venózny rozdiel alebo rozdiel tlaku kyslíka pozdĺž kapiláry (od arteriálneho po venózny koniec) poskytuje predstavu o potrebe kyslíka v tkanivách. Dĺžka kapilárneho prechodu oxyhemoglobínu sa v rôznych orgánoch líši (a ich potreby kyslíka nie sú rovnaké). Preto napríklad napätie kyslíka v mozgu klesá menej ako v myokarde.
Tu je však potrebné urobiť rezerváciu a pripomenúť, že myokard a iné svalové tkanivá sú v špeciálnych podmienkach. Svalové bunky majú aktívny systém na zachytávanie kyslíka z prúdiacej krvi. Túto funkciu plní myoglobín, ktorý má rovnakú štruktúru a funguje na rovnakom princípe ako hemoglobín. Iba myoglobín má jeden proteínový reťazec (a nie štyri, ako hemoglobín), a teda jeden hem. Myoglobín je ako štvrtina hemoglobínu a zachytáva iba jednu molekulu kyslíka.
Jedinečná štruktúra myoglobínu, ktorá je obmedzená iba na terciárnu úroveň organizácie jeho proteínovej molekuly, je spojená s interakciou s kyslíkom. Myoglobín viaže kyslík päťkrát rýchlejšie ako hemoglobín (má vysokú afinitu ku kyslíku). Krivka nasýtenia myoglobínu (alebo disociácie oxymyoglobínu) kyslíkom má skôr tvar hyperboly ako tvaru S. To dáva veľký biologický zmysel, pretože myoglobín, ktorý sa nachádza hlboko vo svalovom tkanive (kde je nízky parciálny tlak kyslíka), nenásytne zachytáva kyslík aj v podmienkach nízkeho napätia. Vytvára sa akási kyslíková rezerva, ktorá sa v prípade potreby vynakladá na tvorbu energie v mitochondriách. Napríklad v srdcovom svale, kde je veľa myoglobínu, sa pri diastole v bunkách tvorí zásoba kyslíka vo forme oxymyoglobínu, ktorý pri systole uspokojuje potreby svalového tkaniva.
Neustála mechanická práca svalových orgánov si zrejme vyžiadala ďalšie zariadenia na zachytávanie a rezervovanie kyslíka. Príroda ho vytvorila vo forme myoglobínu. Je možné, že aj nesvalové bunky majú nejaký zatiaľ neznámy mechanizmus na zachytávanie kyslíka z krvi.
Vo všeobecnosti je užitočnosť práce hemoglobínu červených krviniek určená tým, koľko bol schopný preniesť do bunky a preniesť do nej molekuly kyslíka a odstrániť oxid uhličitý, ktorý sa hromadí v tkanivových kapilárach. Žiaľ, tento robotník niekedy nepracuje na plný výkon a nie vlastnou vinou: uvoľňovanie kyslíka z oxyhemoglobínu v kapiláre závisí od schopnosti biochemických reakcií v bunkách spotrebovať kyslík. Ak sa spotrebuje málo kyslíka, potom sa zdá, že „stagnuje“ a pre svoju nízku rozpustnosť v kvapalnom médiu už nepochádza z arteriálneho riečiska. Lekári pozorujú pokles arteriovenózneho rozdielu kyslíka. Ukázalo sa, že hemoglobín zbytočne prenáša časť kyslíka a okrem toho nesie menej oxidu uhličitého. Situácia nie je príjemná.
Znalosť prevádzkových vzorcov systému transportu kyslíka v prirodzených podmienkach umožňuje lekárovi vyvodiť množstvo užitočných záverov pre správne použitie oxygenoterapie. Je samozrejmé, že spolu s kyslíkom je potrebné používať prostriedky, ktoré stimulujú zytropoézu, zvyšujú prietok krvi v postihnutom organizme a napomáhajú využitiu kyslíka v tkanivách tela.
Zároveň je potrebné jasne vedieť, na aké účely sa v bunkách míňa kyslík, čím sa zabezpečuje ich normálna existencia?
Na svojej ceste k miestu účasti na metabolických reakciách vo vnútri buniek kyslík prekonáva mnohé štrukturálne formácie. Najdôležitejšie z nich sú biologické membrány.
Každá bunka má plazmatickú (alebo vonkajšiu) membránu a bizarné množstvo iných membránových štruktúr, ktoré viažu subcelulárne častice (organely). Membrány nie sú len priečky, ale formácie, ktoré vykonávajú špeciálne funkcie (preprava, rozklad a syntéza látok, výroba energie atď.), Ktoré sú určené ich organizáciou a zložením biomolekúl, ktoré sú v nich obsiahnuté. Napriek variabilite tvarov a veľkostí membrán pozostávajú prevažne z proteínov a lipidov. Iné látky nachádzajúce sa v membránach (napríklad sacharidy) sú prostredníctvom chemických väzieb spojené buď s lipidmi, alebo s proteínmi.
Nebudeme sa venovať detailom organizácie proteín-lipidových molekúl v membránach. Je dôležité poznamenať, že všetky modely štruktúry biomembrán („sendvič“, „mozaika“ atď.) predpokladajú v membránach prítomnosť bimolekulárneho lipidového filmu, ktorý drží pohromade proteínové molekuly.
Lipidová vrstva membrány je tekutý film, ktorý je v neustálom pohybe. Kyslík vďaka svojej dobrej rozpustnosti v tukoch prechádza cez dvojitú lipidovú vrstvu membrán a dostáva sa do buniek. Časť kyslíka sa prenáša do vnútorného prostredia buniek prostredníctvom nosičov, ako je myoglobín. Predpokladá sa, že kyslík je v bunke v rozpustnom stave. Pravdepodobne sa rozpúšťa viac v lipidových formáciách a menej v hydrofilných. Pripomeňme si, že štruktúra kyslíka dokonale spĺňa kritériá oxidačného činidla používaného ako elektrónová pasca. Je známe, že hlavná koncentrácia oxidačných reakcií prebieha v špeciálnych organelách, mitochondriách. Obrazné prirovnania, ktoré biochemici poskytli mitochondriám, hovoria o účele týchto malých (0,5 až 2 mikrónov) častíc. Nazývajú sa „energetické stanice“ aj „elektrárne“ bunky, čím sa zdôrazňuje ich vedúca úloha pri tvorbe zlúčenín bohatých na energiu.
Pravdepodobne tu stojí za to urobiť malú odbočku. Ako viete, jednou zo základných charakteristík živých vecí je efektívne získavanie energie. Ľudský organizmus využíva vonkajšie zdroje energie – živiny (sacharidy, lipidy a bielkoviny), ktoré sú pomocou hydrolytických enzýmov tráviaceho traktu rozdrvené na menšie kúsky (monoméry). Tie sú absorbované a dodávané do buniek. Energetickú hodnotu majú len tie látky, ktoré obsahujú vodík, ktorý má veľkú zásobu voľnej energie. Hlavnou úlohou bunky, respektíve enzýmov v nej obsiahnutých, je spracovať substráty tak, aby sa z nich odstránil vodík.
Takmer všetky enzýmové systémy, ktoré vykonávajú podobnú úlohu, sú lokalizované v mitochondriách. Tu sa oxiduje fragment glukózy (kyselina pyrohroznová), mastné kyseliny a uhlíkové kostry aminokyselín. Po konečnom spracovaní sa zvyšný vodík z týchto látok „zbaví“.
Vodík, ktorý sa oddeľuje od horľavých látok pomocou špeciálnych enzýmov (dehydrogenáz), nie je vo voľnej forme, ale v spojení so špeciálnymi nosičmi - koenzýmami. Sú to deriváty nikotínamidu (vitamín PP) - NAD (nikotínamid adenín dinukleotid), NADP (nikotínamid adenín dinukleotid fosfát) a deriváty riboflavínu (vitamín B 2) - FMN (flavín mononukleotid) a FAD (flavín adenín dinukleotid).
Vodík nehorí okamžite, ale postupne, po častiach. V opačnom prípade by bunka nemohla využiť svoju energiu, pretože pri interakcii vodíka s kyslíkom by došlo k výbuchu, čo sa dá ľahko preukázať laboratórnymi pokusmi. Aby vodík po častiach uvoľnil energiu v ňom obsiahnutú, vo vnútornej membráne mitochondrií sa nachádza reťazec nosičov elektrónov a protónov, inak nazývaný dýchací reťazec. V určitom úseku tohto reťazca sa dráhy elektrónov a protónov rozchádzajú; elektróny preskakujú cez cytochrómy (ktoré sa podobne ako hemoglobín skladajú z bielkovín a hému) a protóny unikajú do okolia. V koncovom bode dýchacieho reťazca, kde sa nachádza cytochrómoxidáza, elektróny „skĺznu“ na kyslík. V tomto prípade je energia elektrónov úplne zhasnutá a kyslík viažuci protóny sa redukuje na molekulu vody. Voda už nemá pre telo energetickú hodnotu.
Energia vydaná elektrónmi skákajúcimi pozdĺž dýchacieho reťazca sa premieňa na energiu chemických väzieb adenozíntrifosfátu - ATP, ktorý slúži ako hlavný energetický akumulátor v živých organizmoch. Keďže sa tu spájajú dva akty: oxidácia a tvorba energeticky bohatých fosfátových väzieb (prítomných v ATP), proces tvorby energie v dýchacom reťazci sa nazýva oxidatívna fosforylácia.
Ako dochádza ku kombinácii pohybu elektrónov pozdĺž dýchacieho reťazca a zachytávania energie pri tomto pohybe? Zatiaľ to nie je úplne jasné. Pôsobenie biologických meničov energie by medzitým umožnilo vyriešiť mnohé problémy súvisiace so záchranou telesných buniek postihnutých patologickým procesom, ktoré spravidla trpia energetickým hladovaním. Podľa odborníkov odhalenie tajomstiev mechanizmu tvorby energie u živých bytostí povedie k vytvoreniu technicky perspektívnejších generátorov energie.
Toto sú perspektívy. Zatiaľ je známe, že k zachyteniu elektrónovej energie dochádza v troch úsekoch dýchacieho reťazca, a preto spaľovanie dvoch atómov vodíka produkuje tri molekuly ATP. Účinnosť takéhoto energetického transformátora sa blíži k 50 %. Ak vezmeme do úvahy, že podiel energie dodanej do bunky pri oxidácii vodíka v dýchacom reťazci je minimálne 70 – 90 %, vyjasňujú sa pestré prirovnania, ktoré dostali mitochondrie.
Energia ATP sa používa v rôznych procesoch: na zostavenie zložitých štruktúr (napríklad bielkovín, tukov, uhľohydrátov, nukleových kyselín) zo stavebných bielkovín, mechanická aktivita (svalová kontrakcia), elektrická práca (vznik a šírenie nervových vzruchov). ), transport a hromadenie látok vo vnútri buniek atď. Život bez energie je skrátka nemožný a akonáhle je jej prudký nedostatok, živé bytosti umierajú.
Vráťme sa k otázke miesta kyslíka pri výrobe energie. Na prvý pohľad sa priama účasť kyslíka na tomto životne dôležitom procese javí ako maskovaná. Asi by bolo vhodné porovnať spaľovanie vodíka (a z toho plynúcu tvorbu energie) s výrobnou linkou, hoci dýchací reťazec je linka nie na skladanie, ale na „rozoberanie“ hmoty.
Na začiatku dýchacieho reťazca je vodík. Z nej sa prúd elektrónov rúti do konečného cieľa – kyslíka. Pri nedostatku kyslíka alebo jeho nedostatku sa výrobná linka buď zastaví, alebo nefunguje na plný výkon, pretože ju nemá kto vyložiť, prípadne je efektivita vykládky obmedzená. Žiadny tok elektrónov – žiadna energia. Podľa výstižnej definície vynikajúceho biochemika A. Szent-Gyorgyiho je život riadený tokom elektrónov, ktorých pohyb udáva vonkajší zdroj energie – Slnko. Je lákavé pokračovať v tejto myšlienke a dodať, že keďže život je riadený tokom elektrónov, kyslík udržuje kontinuitu tohto toku.
Je možné nahradiť kyslík iným akceptorom elektrónov, uvoľniť dýchací reťazec a obnoviť produkciu energie? V princípe je to možné. To sa dá ľahko dokázať v laboratórnych experimentoch. Pre telo je výber akceptora elektrónov, akým je kyslík, tak, aby bol ľahko transportovateľný, prenikal do všetkých buniek a podieľal sa na redoxných reakciách, stále nepochopiteľnou úlohou.
Takže kyslík, pri zachovaní kontinuity toku elektrónov v dýchacom reťazci, za normálnych podmienok prispieva k neustálej tvorbe energie z látok vstupujúcich do mitochondrií.
Samozrejme, situácia uvedená vyššie je trochu zjednodušená a urobili sme to preto, aby sme jasnejšie ukázali úlohu kyslíka v regulácii energetických procesov. Účinnosť takejto regulácie je daná činnosťou zariadenia na transformáciu energie pohybujúcich sa elektrónov (elektrický prúd) na chemickú energiu väzieb ATP. Ak sú prítomné živiny aj za prítomnosti kyslíka. horieť v mitochondriách „nadarmo“, uvoľnená tepelná energia je v tomto prípade pre telo zbytočná a môže dôjsť k energetickému hladovaniu so všetkými následkami. Takéto extrémne prípady narušenej fosforylácie pri prenose elektrónov v tkanivových mitochondriách sú však sotva možné a v praxi sa s nimi nestretli.
Oveľa častejšie sú prípady dysregulácie tvorby energie spojené s nedostatočným prísunom kyslíka do buniek. Znamená to okamžitú smrť? Ukazuje sa, že nie. Evolúcia rozhodla múdro a nechala istú rezervu energetickej sily pre ľudské tkanivá. Zabezpečuje ho bezkyslíkatá (anaeróbna) cesta na tvorbu energie zo sacharidov. Jeho účinnosť je však relatívne nízka, pretože oxidácia tých istých živín v prítomnosti kyslíka poskytuje 15-18 krát viac energie ako bez neho. Avšak v kritických situáciách zostávajú telesné tkanivá životaschopné práve vďaka anaeróbnej produkcii energie (prostredníctvom glykolýzy a glykogenolýzy).
Toto je malá odbočka, ktorá hovorí o potenciáli pre tvorbu energie a existencii organizmu bez kyslíka, ďalší dôkaz toho, že kyslík je najdôležitejším regulátorom životných procesov a že existencia bez neho nie je možná.
Nemenej dôležitá je však účasť kyslíka nielen na energetických, ale aj plastových procesoch. Na tento aspekt kyslíka poukázali už v roku 1897 náš vynikajúci krajan A. N. Bach a nemecký vedec K. Engler, ktorí vyvinuli postoj „o pomalej oxidácii látok aktivovaným kyslíkom“. Po dlhú dobu zostali tieto ustanovenia v zabudnutí kvôli prílišnému záujmu výskumníkov o problém účasti kyslíka na energetických reakciách. Až v 60. rokoch nášho storočia bola opäť nastolená otázka úlohy kyslíka pri oxidácii mnohých prírodných a cudzích zlúčenín. Ako sa ukázalo, tento proces nemá nič spoločné s výrobou energie.
Hlavným orgánom, ktorý využíva kyslík na jeho zavedenie do molekuly oxidovanej látky, je pečeň. V pečeňových bunkách sa týmto spôsobom neutralizujú mnohé cudzie zlúčeniny. A ak je pečeň právom nazývaná laboratóriom na neutralizáciu liekov a jedov, potom kyslík v tomto procese má veľmi čestné (ak nie dominantné) miesto.
Stručne o lokalizácii a návrhu prístroja na spotrebu kyslíka na plastové účely. V membránach endoplazmatického retikula, ktoré preniká do cytoplazmy pečeňových buniek, je krátky transportný reťazec elektrónov. Odlišuje sa od dlhého (s veľkým počtom nosičov) dýchacieho reťazca. Zdrojom elektrónov a protónov v tomto reťazci je redukovaný NADP, ktorý vzniká v cytoplazme napríklad pri oxidácii glukózy v pentózofosfátovom cykle (preto možno glukózu nazvať plnohodnotným partnerom pri detoxikácii látok). Elektróny a protóny sú prenesené do špeciálneho proteínu obsahujúceho flavín (FAD) a z neho do konečného článku - špeciálneho cytochrómu nazývaného cytochróm P-450. Podobne ako hemoglobín a mitochondriálne cytochrómy ide o proteín obsahujúci hém. Jeho funkcia je dvojaká: viaže oxidovanú látku a podieľa sa na aktivácii kyslíka. Konečným výsledkom takejto komplexnej funkcie cytochrómu P-450 je, že jeden atóm kyslíka vstupuje do molekuly oxidovanej látky a druhý do molekuly vody. Rozdiely medzi konečnými dejmi spotreby kyslíka pri tvorbe energie v mitochondriách a pri oxidácii látok v endoplazmatickom retikule sú zrejmé. V prvom prípade sa kyslík používa na tvorbu vody av druhom na tvorbu vody aj oxidovaného substrátu. Podiel kyslíka spotrebovaného v organizme na plastové účely môže byť 10-30% (v závislosti od podmienok priaznivého vzniku týchto reakcií).
Kladenie otázky (aj čisto teoreticky) o možnosti nahradenia kyslíka inými prvkami je zbytočné. Vzhľadom na to, že táto cesta využitia kyslíka je potrebná aj pre výmenu najdôležitejších prírodných zlúčenín – cholesterolu, žlčových kyselín, steroidných hormónov – je ľahké pochopiť, kam až siahajú funkcie kyslíka. Ukazuje sa, že reguluje tvorbu množstva dôležitých endogénnych zlúčenín a detoxikáciu cudzorodých látok (alebo, ako sa im dnes hovorí, xenobiotík).
Treba však poznamenať, že enzymatický systém endoplazmatického retikula, ktorý využíva kyslík na oxidáciu xenobiotík, má určité náklady, ktoré sú nasledovné. Niekedy, keď sa do látky zavedie kyslík, vznikne toxickejšia zlúčenina ako tá pôvodná. V takýchto prípadoch pôsobí kyslík ako spolupáchateľ pri otrave tela neškodnými zlúčeninami. Takéto náklady naberajú vážny obrat napríklad vtedy, keď sa karcinogény tvoria z prokarcinogénov za účasti kyslíka. Predovšetkým známa zložka tabakového dymu benzopyrén, ktorý bol považovaný za karcinogén, tieto vlastnosti skutočne získava oxidáciou v organizme na oxybenzpyrén.
Vyššie uvedené skutočnosti nás nútia venovať zvýšenú pozornosť tým enzymatickým procesom, pri ktorých sa ako stavebný materiál využíva kyslík. V niektorých prípadoch je potrebné vypracovať preventívne opatrenia proti tomuto spôsobu spotreby kyslíka. Táto úloha je veľmi náročná, ale je potrebné hľadať k nej prístupy, aby sme rôznymi technikami nasmerovali regulačné potencie kyslíka smerom potrebným pre organizmus.
Posledne menovaný je obzvlášť dôležitý v prípade použitia kyslíka v takom „nekontrolovanom“ procese, akým je oxidácia nenasýtených mastných kyselín peroxidom (alebo voľnými radikálmi). Nenasýtené mastné kyseliny sú súčasťou rôznych lipidov v biologických membránach. Architektúra membrán, ich permeabilita a funkcie enzymatických proteínov obsiahnutých v membránach sú do značnej miery určené pomerom rôznych lipidov. K peroxidácii lipidov dochádza buď pomocou enzýmov, alebo bez nich. Druhá možnosť sa nelíši od oxidácie lipidov voľnými radikálmi v konvenčných chemických systémoch a vyžaduje prítomnosť kyseliny askorbovej. Účasť kyslíka na peroxidácii lipidov samozrejme nie je najlepší spôsob, ako využiť jeho cenné biologické vlastnosti. Voľná radikálna povaha tohto procesu, ktorý môže byť iniciovaný dvojmocným železom (centrum tvorby radikálov), umožňuje rýchlo viesť k rozpadu lipidového hlavného reťazca membrán a následne k bunkovej smrti.
Takáto katastrofa sa však v prírodných podmienkach nevyskytuje. Bunky obsahujú prírodné antioxidanty (vitamín E, selén, niektoré hormóny), ktoré prerušujú reťazec peroxidácie lipidov, čím zabraňujú tvorbe voľných radikálov. Napriek tomu má použitie kyslíka pri peroxidácii lipidov podľa niektorých výskumníkov aj pozitívne stránky. V biologických podmienkach je peroxidácia lipidov nevyhnutná na samoobnovu membrány, pretože peroxidy lipidov sú zlúčeniny rozpustnejšie vo vode a ľahšie sa uvoľňujú z membrány. Sú nahradené novými, hydrofóbnymi molekulami lipidov. Iba nadmernosť tohto procesu vedie k kolapsu membrán a patologickým zmenám v tele.
Je čas urobiť bilanciu. Kyslík je teda najdôležitejším regulátorom životne dôležitých procesov, ktorý bunky tela využívajú ako nevyhnutnú zložku na tvorbu energie v dýchacom reťazci mitochondrií. Potreba kyslíka pri týchto procesoch je splnená nerovnomerne a závisí od mnohých podmienok (na sile enzymatického systému, nadbytku v substráte a samotnej dostupnosti kyslíka), no aj tak sa leví podiel kyslíka vynakladá na energetické procesy. „Životné minimum“ a funkcie jednotlivých tkanív a orgánov pri akútnom nedostatku kyslíka sú teda determinované endogénnymi zásobami kyslíka a silou bezkyslíkatej dráhy výroby energie.
Nemenej dôležité je však dodávať kyslík aj ďalším plastikárskym procesom, hoci sa na to spotrebuje jeho menšia časť. Okrem množstva nevyhnutných prirodzených syntéz (cholesterol, žlčové kyseliny, prostaglandíny, steroidné hormóny, biologicky aktívne produkty metabolizmu aminokyselín) je prítomnosť kyslíka potrebná najmä na neutralizáciu liečiv a jedov. V prípade otravy cudzorodými látkami možno možno predpokladať, že kyslík má pre plasty väčší životne dôležitý význam ako pre energetické účely. V prípade intoxikácie nachádza táto strana pôsobenia praktické uplatnenie. A len v jednom prípade musí lekár premýšľať o tom, ako dať do buniek bariéru spotrebe kyslíka. Hovoríme o inhibícii využitia kyslíka pri peroxidácii lipidov.
Ako vidíme, znalosť charakteristík dodávania a ciest spotreby kyslíka v organizme je kľúčom k odhaleniu porúch, ktoré vznikajú pri rôznych typoch hypoxických stavov, a k správnej taktike terapeutického využitia kyslíka na klinike. .
Zooinžinierska fakulta Moskovskej poľnohospodárskej akadémie. Neoficiálna stránka