Oksijen- sadece doğada değil, aynı zamanda insan vücudunun bileşiminde de en yaygın unsurlardan biri.

Kimyasal bir element olarak oksijenin özel özellikleri, onu canlıların evrimi sırasında yaşamın temel süreçlerinde gerekli bir ortak haline getirmiştir. Oksijen molekülünün elektronik konfigürasyonu, yüksek derecede reaktif olan eşleşmemiş elektronlara sahip olacak şekildedir. Bu nedenle yüksek oksitleyici özelliklere sahip olan oksijen molekülü, biyolojik sistemlerde, su molekülündeki oksijen ile birleştiğinde enerjisi sönen elektronlar için bir tür tuzak olarak kullanılır.

Oksijenin bir elektron alıcısı olarak biyolojik süreçler için "avluya geldiğine" şüphe yoktur. Hücreleri (özellikle biyolojik zarları) fiziksel ve kimyasal olarak çeşitli bir malzemeden yapılmış bir organizma için çok yararlı olan oksijenin hem sulu hem de lipid fazlarındaki çözünürlüğüdür. Bu, herhangi bir yapısal hücre oluşumuna yayılmasını ve oksidatif reaksiyonlara katılmasını nispeten kolaylaştırır. Doğru, oksijen yağlarda, yağlarda olduğundan birkaç kat daha iyi çözünür. su ortamı ve bu, oksijeni terapötik bir ajan olarak kullanırken dikkate alınır.

Vücudumuzdaki her hücre, çeşitli metabolik reaksiyonlarda kullanıldığı kesintisiz bir oksijen kaynağına ihtiyaç duyar. Hücrelere dağıtmak ve sıralamak için oldukça güçlü bir taşıma aparatına ihtiyacınız var.

Normal bir durumda, vücut hücrelerinin her dakika yaklaşık 200-250 ml oksijen sağlaması gerekir. Günlük ihtiyacın önemli miktarda (yaklaşık 300 litre) olduğunu hesaplamak kolaydır. Sıkı çalışma ile bu ihtiyaç on kat artar.

Oksijenin pulmoner alveollerden kana difüzyonu, oksijen gerilimlerinin alveolar-kılcal farkı (gradyan) nedeniyle oluşur; bu, normal hava ile nefes alırken: 104 (alveollerde pO2) - 45 (pO2 in pulmoner kılcal damarlar) = 59 mm Hg. Sanat.

Alveolar hava (ortalama akciğer kapasitesi 6 litre olan) 850 ml'den fazla oksijen içermez ve bu alveolar rezerv, vücudun normal durumdaki ortalama oksijen ihtiyacının yaklaşık 200 olduğu göz önüne alındığında, vücuda sadece 4 dakika oksijen sağlayabilir. dakikada ml.

Moleküler oksijen kan plazmasında basitçe çözülürse (ve içinde zayıf bir şekilde çözülürse - 100 ml kan başına 0.3 ml), o zaman içindeki hücrelere olan normal ihtiyacı sağlamak için, oranın arttırılması gerektiği hesaplanmıştır. Dakikada 180 l'ye kadar vasküler kan akışı. Aslında kan dakikada sadece 5 litre hızla hareket eder. Oksijenin dokulara verilmesi, harika bir madde olan hemoglobin sayesinde gerçekleştirilir.

Hemoglobin %96 protein (globin) ve %4 protein olmayan bileşen (heme) içerir. Hemoglobin, bir ahtapot gibi, dört dokunaçıyla oksijeni yakalar. Özellikle akciğerlerin arter kanındaki oksijen moleküllerini tutan "dokunaçların" rolü, heme veya daha doğrusu merkezinde bulunan demirli demir atomu tarafından gerçekleştirilir. Demir, dört bağ yardımıyla porfirin halkası içinde "sabitlenir". Porfirin ile böyle bir demir kompleksine protohem veya basitçe hem denir. Diğer iki demir bağı, porfirin halkasının düzlemine dik olarak yönlendirilir. Biri protein alt birimine (globin) gider, diğeri serbesttir, doğrudan moleküler oksijeni yakalayan odur.

Hemoglobin polipeptit zincirleri, konfigürasyonları küresele yakın olacak şekilde uzayda düzenlenir. Dört globülün her biri, içine heme'nin yerleştirildiği bir "cebe" sahiptir. Her heme bir oksijen molekülünü yakalayabilir. Bir hemoglobin molekülü en fazla dört oksijen molekülünü bağlayabilir.

Hemoglobin nasıl çalışır?

Moleküler akciğerin (tanınmış İngiliz bilim adamı M. Perutz'un hemoglobin dediği gibi) solunum döngüsünün gözlemleri, bu pigment proteininin şaşırtıcı özelliklerini ortaya koymaktadır. Dört mücevherin de bağımsız olarak değil, uyum içinde çalıştığı ortaya çıktı. Mücevherlerin her biri, eşinin oksijen ekleyip eklemediği konusunda bilgilendirilir. Deoksihemoglobinde tüm dokunaçlar (demir atomları) porfirin halkasının düzleminden dışarı çıkar ve oksijen molekülünü bağlamaya hazırdır. Bir oksijen molekülünü yakalayan demir, porfirin halkasına çekilir. İlk oksijen molekülü bağlanması en zor olanıdır ve sonraki her biri daha iyi ve daha kolaydır. Yani hemoglobin "iştah yemekle gelir" atasözüne göre hareket eder. Oksijen eklenmesi, hemoglobinin özelliklerini bile değiştirir: daha güçlü bir asit haline gelir. Bu gerçek büyük önem Oksijen ve karbondioksitin taşınmasında.

Akciğerlerde oksijenle doyurulmuş olan hemoglobin, kırmızı kan hücrelerinin bileşimindeki kan akışıyla birlikte vücudun hücrelerine ve dokularına taşır. Ancak hemoglobini doyurmadan önce oksijenin kan plazmasında çözünmesi ve eritrosit zarından geçmesi gerekir. Pratikte, özellikle oksijen tedavisi kullanılırken, doktorun eritrosit hemoglobininin oksijeni tutma ve iletme potansiyelini hesaba katması önemlidir.

Normal şartlar altında bir gram hemoglobin 1.34 ml oksijen bağlayabilir. Daha fazla akıl yürüterek, kandaki ortalama hemoglobin içeriği %14-16 ml olduğunda, 100 ml kanın 18-21 ml oksijen bağladığı hesaplanabilir. Erkeklerde ortalama 4,5 litre, kadınlarda 4 litre olan kan hacmini hesaba katarsak, eritrosit hemoglobininin maksimum bağlanma aktivitesi yaklaşık 750-900 ml oksijendir. Tabii ki, bu ancak tüm hemoglobin oksijenle doyurulursa mümkündür.

nefes alırken atmosferik hava hemoglobin eksik doymuş -% 95-97. Nefes almak için saf oksijen kullanarak doyurabilirsiniz. Solunan havadaki içeriğini %35'e çıkarmak yeterlidir (normal %24 yerine). Bu durumda oksijen kapasitesi maksimum olacaktır (100 ml kan başına 21 ml O2'ye eşittir). Serbest hemoglobin eksikliği nedeniyle daha fazla oksijen bağlanamaz.

Az miktarda oksijen kanda çözünmüş halde kalır (100 ml kanda 0,3 ml) ve bu formda dokulara taşınır. Doğal koşullar altında, dokuların ihtiyaçları, hemoglobin ile ilişkili oksijen pahasına karşılanır, çünkü plazmada çözünen oksijen ihmal edilebilir - 100 ml kan başına sadece 0,3 ml. Dolayısıyla sonuç şudur: Vücudun oksijene ihtiyacı varsa, hemoglobin olmadan yaşayamaz.

Ömrü boyunca (yaklaşık 120 gün) eritrosit, akciğerlerden dokulara yaklaşık bir milyar oksijen molekülü transfer ederek devasa bir iş yapar. Ancak hemoglobinin ilginç bir özelliği vardır: Oksijeni her zaman aynı hırsla bağlamaz, çevresindeki hücrelere de aynı istekle vermez. Hemoglobinin bu davranışı uzamsal yapısı tarafından belirlenir ve hem iç hem de dış faktörler tarafından düzenlenebilir.

Hemoglobinin akciğerlerde oksijenle doygunluğu (veya hücrelerde hemoglobinin ayrışması) süreci, S şeklinde bir eğri ile tanımlanır. Bu bağımlılık sayesinde, kandaki küçük damlalarla bile (98 ila 40 mm Hg) hücrelere normal bir oksijen temini mümkündür.

S-şekilli eğrinin konumu sabit değildir ve değişimi, hemoglobinin biyolojik özelliklerinde önemli değişiklikleri gösterir. Eğri sola kayar ve bükülmesi azalırsa, bu hemoglobinin oksijene olan afinitesinde bir artışa, ters işlemde bir azalmaya - oksihemoglobinin ayrışmasına işaret eder. Aksine, bu eğrinin sağa kayması (ve bükülmede bir artış) zıt resmi gösterir - hemoglobinin oksijene olan afinitesinde bir azalma ve dokularına daha iyi bir dönüş. Eğrinin sola kaymasının, oksijenin akciğerlerde tutulması ve sağa - dokularda salınması için uygun olduğu açıktır.

Oksihemoglobinin ayrışma eğrisi, ortamın pH'ına ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. PH ne kadar düşükse (asidik tarafa kayma) ve sıcaklık ne kadar yüksek olursa, hemoglobin tarafından o kadar kötü oksijen yakalanır, ancak oksihemoglobinin ayrışması sırasında dokulara o kadar iyi verilir. Dolayısıyla sonuç: sıcak bir atmosferde kanın oksijen doygunluğu verimsizdir, ancak vücut sıcaklığındaki bir artışla oksihemoglobinin oksijenden boşaltılması çok aktiftir.

Eritrositlerin ayrıca kendi düzenleyici cihazları vardır. Glikozun parçalanması sırasında oluşan 2,3-difosfogliserik asittir. Hemoglobinin oksijene göre "ruh hali" de bu maddeye bağlıdır. 2,3-difosfogliserik asit kırmızı kan hücrelerinde biriktiğinde, hemoglobinin oksijene olan afinitesini azaltır ve dokulara dönüşünü destekler. Yeterli değilse - resim tersine çevrilir.

Kılcal damarlarda da ilginç olaylar meydana gelir. Kılcal damarın arter ucunda oksijen, kanın hareketine (kandan hücreye) dik olarak yayılır. Hareket, oksijenin kısmi basınçlarındaki fark yönünde, yani hücrelere doğru gerçekleşir.

Hücrenin tercihi fiziksel olarak çözünmüş oksijene verilir ve ilk etapta kullanılır. Aynı zamanda oksihemoglobin de yükünden kurtulur. Vücut ne kadar yoğun çalışırsa, oksijene o kadar çok ihtiyaç duyar. Oksijen serbest bırakıldığında, hemoglobinin dokunaçları serbest bırakılır. Oksijenin dokular tarafından emilmesi nedeniyle, venöz kandaki oksihemoglobin içeriği %97'den %65-75'e düşer.

Yol boyunca oksihemoglobinin boşaltılması, karbondioksitin taşınmasına katkıda bulunur. Karbon içeren maddelerin yanmasının son ürünü olarak dokularda oluşan ikincisi, kan dolaşımına girer ve yaşamla bağdaşmayan ortamın pH'ında önemli bir düşüşe (asitleşme) neden olabilir. Aslında, arteriyel ve venöz kanın pH'ı son derece dar bir aralıkta (0,1'den fazla olmayan) dalgalanabilir ve bunun için karbondioksiti nötralize etmek ve dokulardan akciğerlere çıkarmak gerekir.

İlginç bir şekilde, kılcal damarlarda karbon dioksit birikmesi ve ortamın pH'ında hafif bir düşüş, sadece oksijenin oksihemoglobin tarafından salınmasına katkıda bulunur (ayrışma eğrisi sağa kayar ve S-şekilli bükülme artar). Kanın tampon sisteminin rolünü oynayan hemoglobin, karbondioksiti nötralize eder. Bu bikarbonatlar üretir. Karbondioksitin bir kısmı hemoglobinin kendisi tarafından bağlanır (sonuç olarak, karbhemoglobin oluşur). Hemoglobinin, karbondioksitin dokulardan akciğerlere %90'ına kadar taşınmasında doğrudan veya dolaylı olarak yer aldığı tahmin edilmektedir. Akciğerlerde ters işlemler meydana gelir, çünkü hemoglobinin oksijenlenmesi asidik özelliklerinde bir artışa ve hidrojen iyonlarının çevreye geri dönüşüne yol açar. İkincisi oluşturmak için bikarbonatlarla birleşir karbonik asit karbonik anhidraz enzimi tarafından karbondioksit ve suya parçalanır. Karbondioksit akciğerler tarafından salınır ve oksihemoglobin, bağlayıcı katyonlar (ayrılan hidrojen iyonları karşılığında), periferik dokuların kılcal damarlarına hareket eder. Dokulara oksijen sağlama eylemleri ile dokulardan karbondioksitin akciğerlere çıkarılması arasındaki bu kadar yakın ilişki bize, oksijen terapötik amaçlar için kullanıldığında, hemoglobinin başka bir işlevini unutmamak gerektiğini hatırlatır - vücudu fazlalıktan kurtarmak için. karbon dioksit.

Kılcal damar boyunca arteriyel-venöz fark veya oksijen basıncı farkı (arteriyelden venöz uca) dokuların oksijen ihtiyacı hakkında fikir verir. Oksihemoglobinin kılcal akışının uzunluğu farklı organlarda değişir (ve oksijen ihtiyaçları aynı değildir). Bu nedenle örneğin beyindeki oksijen gerilimi miyokarddan daha az düşer.

Ancak burada bir rezervasyon yapmak ve miyokard ve diğer kas dokularının özel koşullarda olduğunu hatırlamak gerekir. Kas hücreleri, akan kandan oksijeni yakalamak için aktif bir sisteme sahiptir. Bu işlev, hemoglobin ile aynı yapıya sahip olan ve aynı prensipte çalışan miyoglobin tarafından gerçekleştirilir. Sadece miyoglobin bir protein zincirine (hemoglobin gibi dördü değil) ve buna göre bir heme sahiptir. Miyoglobin, hemoglobinin dörtte biri gibidir ve sadece bir oksijen molekülünü yakalar.

Yalnızca protein molekülünün üçüncül organizasyon düzeyi ile sınırlı olan miyoglobinin yapısının özelliği, oksijen ile etkileşim ile ilişkilidir. Miyoglobin oksijeni hemoglobinden beş kat daha hızlı bağlar (oksijene yüksek afinitesi vardır). Miyoglobinin (veya oksimiyoglobinin oksijen ile ayrışmasının) doygunluk eğrisi, bir S-şekli değil, bir hiperbol şeklindedir. Bu biyolojik açıdan çok mantıklıdır, çünkü kas dokusunun derinliklerinde (oksijen kısmi basıncının düşük olduğu yerde) bulunan miyoglobin, düşük gerilim koşullarında bile oksijeni açgözlülükle yakalar. Gerekirse mitokondride enerji oluşumuna harcanan bir oksijen rezervi yaratılır. Örneğin, miyoglobinin çok olduğu kalp kasında, diyastol döneminde hücrelerde oksimiyoglobin şeklinde bir oksijen rezervi oluşur ve bu sistol sırasında kas dokusunun ihtiyaçlarını karşılar.

Görünüşe göre sabit mekanik iş kas organları oksijeni yakalamak ve saklamak için ek cihazlar gerektiriyordu. Doğa onu miyoglobin şeklinde yarattı. Kas dışı hücrelerde, kandan oksijeni yakalamak için henüz bilinmeyen bazı mekanizmalar olması mümkündür.

Genel olarak, eritrosit hemoglobininin çalışmasının faydası, hücreye ne kadar iletebildiği ve oksijen moleküllerini ona ne kadar aktarabildiği ve doku kılcal damarlarında biriken karbondioksiti ne kadar çıkarabildiği ile belirlenir. Ne yazık ki, bu işçi bazen tam güçte ve kendi hatası olmadan çalışmaz: kılcal damardaki oksihemoglobinden oksijen salınımı, hücrelerdeki biyokimyasal reaksiyonların oksijen tüketme yeteneğine bağlıdır. Az oksijen tüketilirse, "durgun" görünür ve sıvı ortamdaki düşük çözünürlüğü nedeniyle artık arteriyel yataktan gelmez. Aynı zamanda doktorlar arteriyovenöz oksijen farkında bir azalma gözlemler. Hemoglobinin oksijenin bir kısmını gereksiz yere taşıdığı ve ayrıca daha az karbondioksit çıkardığı ortaya çıktı. Durum hoş değil.

Doğal koşullarda oksijen taşıma sisteminin çalışma yasalarının bilgisi, doktorun oksijen tedavisinin doğru kullanımı için bir dizi yararlı sonuç çıkarmasına izin verir. Oksijenle birlikte eritropoezi uyaran, etkilenen organizmada kan akışını artıran ve vücut dokularında oksijen kullanımına yardımcı olan ajanların kullanılması gerektiğini söylemeye gerek yok.

Aynı zamanda, hücrelerde oksijenin hangi amaçlarla tüketildiğini, normal varlıklarını sağlamak için açıkça bilmek gerekir?

Oksijen, hücrelerin içindeki metabolik reaksiyonlara katılım yerine giderken birçok yapısal oluşumun üstesinden gelir. Bunlardan en önemlileri biyolojik membranlardır.

Herhangi bir hücrenin bir plazma (veya dış) zarı ve hücre altı partiküllerini (organelleri) sınırlayan tuhaf çeşitlilikte başka zar yapıları vardır. Zarlar sadece bölümler değil, organizasyonları ve biyomoleküllerinin bileşimi tarafından belirlenen özel işlevleri (maddelerin taşınması, çürümesi ve sentezi, enerji üretimi vb.) Gerçekleştiren oluşumlardır. Zarların şekil ve boyutlarındaki değişkenliğe rağmen, esas olarak proteinlerden ve lipitlerden oluşurlar. Membranlarda da bulunan geri kalan maddeler (örneğin karbonhidratlar) kullanılarak bağlanır. Kimyasal bağlar ya lipidler ya da proteinler.

Protein-lipid moleküllerinin zarlardaki organizasyonunun detayları üzerinde durmayacağız. Biyomembran yapısının tüm modellerinin (“sandviç”, “mozaik”, vb.), protein molekülleri tarafından bir arada tutulan bir bimoleküler lipid filminin zarlarında mevcudiyetine işaret ettiğini belirtmek önemlidir.

Membranın lipid tabakası, sürekli hareket halinde olan bir sıvı filmdir. Oksijen, yağlarda iyi çözünürlüğü nedeniyle çift lipid zar tabakasından geçerek hücrelere girer. Oksijenin bir kısmı, miyoglobin gibi taşıyıcılar aracılığıyla hücrelerin iç ortamına aktarılır. Oksijenin hücrede çözünür bir durumda olduğuna inanılmaktadır. Muhtemelen lipid oluşumlarında daha fazla, hidrofilik oluşumlarda daha az çözünür. Oksijenin yapısının, elektron tuzağı olarak kullanılan oksitleyici ajan kriterlerini mükemmel şekilde karşıladığını hatırlayın. Oksidatif reaksiyonların ana konsantrasyonunun özel organellerde - mitokondride meydana geldiği bilinmektedir. Biyokimyacıların mitokondri bahşettiği mecazi karşılaştırmalar, bu küçük (0,5 ila 2 mikron boyutunda) parçacıkların amacını gösterir. Hücrenin hem "enerji istasyonları" hem de "güç istasyonları" olarak adlandırılırlar, böylece enerji açısından zengin bileşiklerin oluşumundaki öncü rollerini vurgularlar.

Burada, belki de küçük bir konu açmaya değer. Bildiğiniz gibi canlıların temel özelliklerinden biri de enerjinin verimli bir şekilde alınmasıdır. İnsan vücudu, gastrointestinal sistemin hidrolitik enzimlerinin yardımıyla daha küçük parçalara (monomerler) ayrılan besinler (karbonhidratlar, lipitler ve proteinler) gibi harici enerji kaynakları kullanır. İkincisi emilir ve hücrelere verilir. Enerji değeri, yalnızca büyük miktarda serbest enerji kaynağı olan hidrojen içeren maddelerdir. Hücrenin veya daha doğrusu içerdiği enzimlerin asıl görevi, substratları hidrojeni onlardan koparacak şekilde işlemek.

Benzer bir rol oynayan hemen hemen tüm enzim sistemleri mitokondride lokalizedir. Burada, bir glikoz parçası (piruvik asit), yağ asitleri ve amino asitlerin karbon iskeletleri oksitlenir. Son işlemden sonra, kalan hidrojen bu maddelerden "ayırılır".

Özel enzimler (dehidrojenazlar) yardımıyla yanıcı maddelerden ayrılan hidrojen, serbest formda değil, özel taşıyıcılar - koenzimlerle bağlantılıdır. Bunlar nikotinamid (PP vitamini) türevleridir - NAD (nikotinamid adenin dinükleotit), NADP (nikotinamid adenin dinükleotit fosfat) ve riboflavin (B2 vitamini) türevleri - FMN (flavin mononükleotit) ve FAD (flavin adenin dinükleotidi).

Hidrojen hemen yanmaz, kademeli olarak porsiyonlar halinde yanar. Aksi takdirde hücre enerjisini kullanamazdı, çünkü hidrojenin oksijenle etkileşimi bir patlamaya neden olurdu, bu da kolayca gösterilebilir. Laboratuvar deneyleri. Hidrojenin parçalar halinde depoladığı enerjiden vazgeçmesi için mitokondrinin iç zarında diğer adıyla solunum zinciri adı verilen bir elektron ve proton taşıyıcı zinciri vardır. Bu zincirin belirli bir bölümünde elektronların ve protonların yolları birbirinden ayrılır; elektronlar (hemoglobin gibi protein ve hemden oluşan) sitokromlardan atlar ve protonlar çevreye çıkar. Sitokrom oksidazın bulunduğu solunum zincirinin son noktasında elektronlar oksijene “kayar”. Bu durumda elektronların enerjisi tamamen söner ve protonları bağlayan oksijen bir su molekülüne indirgenir. Suyun vücut için hiçbir enerji değeri yoktur.

Solunum zinciri boyunca atlayan elektronların verdiği enerji, canlı organizmalarda ana enerji akümülatörü olarak hizmet eden adenosin trifosfat - ATP'nin kimyasal bağlarının enerjisine dönüştürülür. Burada iki eylem birleştirildiğinden: oksidasyon ve enerji açısından zengin fosfat bağlarının oluşumu (ATP'de bulunur), solunum zincirinde enerji üretimi sürecine oksidatif fosforilasyon denir.

Elektronların solunum zinciri boyunca hareketi ve bu hareket sırasında enerjinin yakalanması kombinasyonu nasıl gerçekleşir? Henüz tam olarak belli değil. Bu arada, biyolojik enerji dönüştürücülerinin eylemi, bir kural olarak, enerji açlığı yaşayan patolojik süreçten etkilenen vücut hücrelerinin kurtuluşu ile ilgili birçok sorunu çözecektir. Uzmanlara göre, canlılarda enerji üretim mekanizmasının sırlarının açığa çıkması, teknik olarak daha umut verici enerji üreticilerinin yaratılmasına yol açacaktır.

Bunlar bakış açılarıdır. Şimdiye kadar, elektron enerjisinin yakalanmasının solunum zincirinin üç bölümünde gerçekleştiği ve bu nedenle iki hidrojen atomu yandığında üç ATP molekülleri. katsayı faydalı eylem Böyle bir enerji transformatörünün %50'sine yaklaşır. Hidrojenin solunum zincirinde oksidasyonu sırasında hücreye verilen enerjinin payının en az %70-90 olduğu göz önüne alındığında mitokondriye verilen renkli karşılaştırmalar anlaşılır hale gelmektedir.

ATP'nin enerjisi çeşitli işlemlerde kullanılır: yapı proteinlerinden karmaşık yapıların (örneğin proteinler, yağlar, karbonhidratlar, nükleik asitler) birleştirilmesi, mekanik faaliyetler (kas kasılması), elektrik işi(sinir uyarılarının ortaya çıkması ve yayılması), maddelerin hücreler içinde taşınması ve birikmesi vb. Kısacası, enerjisiz yaşam imkansızdır ve keskin bir kıtlık olduğu anda canlılar ölür.

Enerji üretiminde oksijenin yeri sorusuna dönelim. İlk bakışta, oksijenin bu hayati sürece doğrudan katılımı gizli görünüyor. Hidrojenin yanmasını (ve yol boyunca enerji üretimini) bir üretim hattıyla karşılaştırmak muhtemelen uygun olacaktır, ancak solunum zinciri bir maddeyi monte etmek için değil, bir maddeyi “sökmek” için bir hat olsa da.

Hidrojen, solunum zincirinin kökenindedir. Ondan, bir elektron akışı son noktaya koşar - oksijen. Oksijen yokluğunda veya yetersizliğinde, üretim hattı ya durur ya da tam yükte çalışmaz, çünkü onu boşaltacak kimse yoktur ya da boşaltma verimliliği sınırlıdır. Elektron akışı yok - enerji yok. Olağanüstü biyokimyacı A. Szent-Gyorgyi'nin uygun tanımına göre, yaşam, hareketi harici bir enerji kaynağı olan Güneş tarafından belirlenen elektron akışı tarafından kontrol edilir. Bu düşünceyi sürdürmek ve yaşam elektronların akışı tarafından kontrol edildiğinden, oksijenin böyle bir akışın sürekliliğini koruduğunu eklemek caziptir.

Oksijeni başka bir elektron alıcısıyla değiştirmek, solunum zincirini boşaltmak ve enerji üretimini yeniden sağlamak mümkün müdür? Prensip olarak, mümkündür. Bu, laboratuvar deneylerinde kolayca kanıtlanmıştır. Vücudun oksijen gibi bir elektron alıcısını seçmesi, böylece kolayca taşınması, tüm hücrelere nüfuz etmesi ve redoks reaksiyonlarına katılması hala anlaşılmaz bir iştir.

Böylece oksijen, normal şartlar altında solunum zincirindeki elektron akışının sürekliliğini korurken, mitokondriye giren maddelerden sürekli enerji oluşumuna katkıda bulunur.

Tabii ki, yukarıda sunulan durum biraz basitleştirilmiştir ve bunu oksijenin enerji süreçlerinin düzenlenmesindeki rolünü daha açık bir şekilde göstermek için yaptık. Bu düzenlemenin etkinliği, hareketli elektronların enerjisini (elektrik akımı) ATP bağlarının kimyasal enerjisine dönüştürmek için aparatın çalışmasıyla belirlenir. Oksijen varlığında bile besin maddeleri. mitokondride "hiçbir şey için" yanma, bu durumda açığa çıkan termal enerji vücut için işe yaramaz ve tüm sonuçlarla birlikte enerji açlığı meydana gelebilir. Bununla birlikte, doku mitokondrilerinde elektron transferi sırasında bu tür aşırı fosforilasyon bozukluğu vakaları pek mümkün değildir ve pratikte karşılaşılmamıştır.

Hücrelere yetersiz oksijen temini ile ilişkili enerji üretiminin düzensizliği vakaları çok daha sıktır. Bu ani ölüm anlamına mı geliyor? Değil çıkıyor. Evrim, insan dokularına belirli bir enerji gücü marjı bırakarak akıllıca yönetildi. Karbonhidratlardan enerji oluşumu için oksijensiz (anaerobik) bir yolla sağlanır. Bununla birlikte, verimliliği nispeten düşüktür, çünkü aynı besinlerin oksijen varlığında oksidasyonu, oksijensiz olduğundan 15-18 kat daha fazla enerji sağlar. Bununla birlikte, kritik durumlarda, vücudun dokuları tam olarak anaerobik enerji üretimi nedeniyle (glikoliz ve glikojenoliz yoluyla) canlı kalır.

Enerji oluşturma potansiyelini ve oksijensiz bir organizmanın varlığını anlatan bu küçük arasöz, oksijenin yaşam süreçlerinin en önemli düzenleyicisi olduğunun ve onsuz var olmanın imkansız olduğunun ek kanıtıdır.

Bununla birlikte, oksijenin sadece enerjiye değil, aynı zamanda plastik işlemlere de katılımı daha az önemli değildir. 1897'ye kadar, seçkin yurttaşımız A. N. Bach ve “maddelerin aktif oksijenle yavaş oksidasyonu” konusundaki konumunu geliştiren Alman bilim adamı K. Engler, oksijenin bu tarafına işaret etti. Uzun bir süre, bu hükümler, araştırmacıların oksijenin enerji reaksiyonlarına katılımı sorununa çok fazla ilgisi nedeniyle unutulmaya devam etti. Birçok doğal ve yabancı bileşiğin oksidasyonunda oksijenin rolü sorusu ancak 1960'larda yeniden gündeme geldi. Anlaşıldığı üzere, bu sürecin enerji oluşumu ile hiçbir ilgisi yoktur.

Oksijeni oksitlenmiş maddenin molekülüne sokmak için kullanan ana organ karaciğerdir. Karaciğer hücrelerinde birçok yabancı bileşik bu şekilde nötralize edilir. Ve karaciğer haklı olarak ilaçların ve zehirlerin nötralizasyonu için bir laboratuvar olarak adlandırılırsa, bu süreçte oksijene çok onurlu (baskın değilse) bir yer verilir.

Plastik amaçlar için oksijen tüketim aparatının lokalizasyonu ve düzenlenmesi hakkında kısaca. Karaciğer hücrelerinin sitoplazmasına nüfuz eden endoplazmik retikulumun zarlarında, kısa bir elektron taşıma zinciri vardır. Uzun olandan farklıdır Büyük bir sayı solunum zincirinin taşıyıcıları). Bu zincirdeki elektronların ve protonların kaynağı, örneğin pentoz fosfat döngüsünde glikozun oksidasyonu sırasında sitoplazmada oluşan azaltılmış NADP'dir (bu nedenle, glikoz, maddelerin detoksifikasyonunda tam bir ortak olarak adlandırılabilir). Elektronlar ve protonlar, flavin (FAD) içeren özel bir proteine ​​​​ve ondan son bağlantıya - sitokrom P-450 adı verilen özel bir sitokroma aktarılır. Hemoglobin ve mitokondriyal sitokromlar gibi, hem içeren bir proteindir. İşlevi çifttir: oksitlenmiş maddeyi bağlar ve oksijenin aktivasyonuna katılır. Sonuç böyle karmaşık fonksiyon sitokrom P-450, bir oksijen atomunun oksitlenmiş maddenin molekülüne, ikincisi ise su molekülüne girmesiyle ifade edilir. Mitokondride enerji oluşumu sırasında ve endoplazmik retikulum maddelerinin oksidasyonu sırasında oksijen tüketiminin son eylemleri arasındaki farklar açıktır. İlk durumda oksijen, su oluşumu için ve ikinci durumda hem su hem de oksitlenmiş bir substrat oluşumu için kullanılır. Vücutta plastik amaçlı tüketilen oksijen oranı %10-30 olabilir (bu reaksiyonların uygun seyri için koşullara bağlı olarak).

Oksijeni diğer elementlerle değiştirme olasılığı hakkında soru sormak (tamamen teorik olarak bile) anlamsızdır. Oksijen kullanımının bu yolunun aynı zamanda en önemli doğal bileşiklerin - kolesterol, safra asitleri, steroid hormonlarının - değiş tokuşu için de gerekli olduğu düşünüldüğünde, oksijenin işlevlerinin ne kadar genişlediğini anlamak kolaydır. Bir dizi önemli endojen bileşiğin oluşumunu ve yabancı maddelerin (veya şimdiki adıyla ksenobiyotikler) detoksifikasyonunu düzenlediği ortaya çıktı.

Bununla birlikte, ksenobiyotikleri oksitlemek için oksijen kullanan endoplazmik retikulumun enzimatik sisteminin aşağıdaki gibi bazı maliyetleri olduğu belirtilmelidir. Bazen, bir maddeye oksijen verildiğinde, orijinalinden daha toksik bir bileşik oluşur. Bu gibi durumlarda oksijen, vücudu zararsız bileşiklerle zehirlemeye suç ortağı gibi davranır. Bu tür maliyetler, örneğin oksijenin katılımıyla prokarsinojenlerden kanserojenler oluştuğunda ciddi bir dönüş alır. Özellikle, bir kanserojen olarak kabul edilen tütün dumanının iyi bilinen bileşeni, benzpiren, aslında bu özellikleri vücutta oksitlenerek oksibenzopiren oluşturmak üzere kazanır.

Bu gerçekler, oksijenin kimyasal olarak kullanıldığı enzimatik süreçlere dikkat etmemizi sağlar. inşaat malzemesi. Bazı durumlarda, bu oksijen tüketimi yöntemine karşı önleyici tedbirler geliştirmek gerekir. Bu görev oldukça zordur ancak düzenleyici oksijen potansiyellerini çeşitli yöntemler yardımıyla vücut için gerekli olan yöne yönlendirmek için ona yaklaşımlar aramak gerekir.

İkincisi, doymamış yağ asitlerinin peroksit (veya serbest radikal) oksidasyonu gibi "kontrolsüz" bir işlemde oksijen kullanıldığında özellikle önemlidir. Doymamış yağ asitleri biyolojik zarlardaki çeşitli lipidlerin bir parçasıdır. Zarların arkitektoniği, geçirgenlikleri ve zarları oluşturan enzimatik proteinlerin işlevleri büyük ölçüde çeşitli lipidlerin oranıyla belirlenir. Lipid peroksidasyonu ya enzimlerin yardımıyla ya da onlarsız gerçekleşir. İkinci seçenek, geleneksel kimyasal sistemlerdeki serbest radikal lipid oksidasyonundan farklı değildir ve askorbik asidin varlığını gerektirir. Oksijenin lipid peroksidasyonuna katılması, elbette, onun değerli biyolojik özelliklerini uygulamanın en iyi yolu değildir. Demirli demir (radikal oluşum merkezi) tarafından başlatılabilen bu sürecin serbest radikal doğası, kısa sürede zarların lipit omurgasının parçalanmasına ve dolayısıyla hücre ölümüne yol açmasına izin verir.

Ancak doğal koşullarda böyle bir felaket meydana gelmez. Hücreler, lipit peroksidasyon zincirini kıran ve serbest radikal oluşumunu engelleyen doğal antioksidanlar (E vitamini, selenyum, bazı hormonlar) içerir. Yine de bazı araştırmacılara göre lipid peroksidasyonunda oksijen kullanımının bazı olumlu yönleri de vardır. Biyolojik koşullar altında, lipit peroksitler suda daha fazla çözünür bileşikler olduğundan ve zardan daha kolay salındıklarından, zarın kendini yenilemesi için lipit peroksidasyonu gereklidir. Bunların yerini yeni, hidrofobik lipid molekülleri alır. Sadece bu sürecin fazlalığı, zarların çökmesine ve vücutta patolojik değişikliklere yol açar.

Stok alma zamanı. Bu nedenle oksijen, vücut hücreleri tarafından mitokondri solunum zincirinde enerji oluşumu için gerekli bir bileşen olarak kullanılan hayati süreçlerin en önemli düzenleyicisidir. Bu süreçlerin oksijen gereksinimleri farklı şekilde sağlanır ve birçok koşula bağlıdır (enzimatik sistemin gücü, substrattaki bolluk ve oksijenin kendisinin mevcudiyeti), ancak yine de oksijenin aslan payı enerji süreçlerine harcanır. Bu nedenle, akut oksijen eksikliği durumunda “geçim ücreti” ve bireysel doku ve organların işlevleri, endojen oksijen rezervleri ve oksijensiz enerji üretim yolunun gücü tarafından belirlenir.

Bununla birlikte, daha küçük bir kısmını tüketmesine rağmen, diğer plastik işlemlere oksijen sağlamak da aynı derecede önemlidir. Bir dizi gerekli doğal senteze (kolesterol, safra asitleri, prostaglandinler, steroid hormonları, amino asit metabolizmasının biyolojik olarak aktif ürünleri) ek olarak, oksijenin varlığı, ilaçların ve zehirlerin nötralizasyonu için özellikle gereklidir. Yabancı maddelerle zehirlenme durumunda, oksijenin plastik için enerji amaçlı olduğundan daha büyük hayati öneme sahip olduğu varsayılabilir. Zehirlenme ile, eylemin bu tarafı sadece pratik uygulama bulur. Ve sadece bir durumda doktorun hücrelerde oksijen tüketiminin önüne nasıl bir bariyer koyacağını düşünmesi gerekir. Lipidlerin peroksidasyonunda oksijen kullanımının inhibisyonundan bahsediyoruz.

Gördüğünüz gibi, vücutta oksijenin iletimi ve tüketiminin özelliklerini bilmek, oksijenin vücutta meydana geldiği rahatsızlıkları çözmenin anahtarıdır. Çeşitli türler hipoksik koşullar ve klinikte oksijenin terapötik kullanımının doğru taktikleri.

Bir hata bulursanız, lütfen bir metin parçasını vurgulayın ve tıklayın. Ctrl+Enter.

Neden kanda oksijene ihtiyacımız var?

Vücudun normal çalışması için kanın tamamen oksijenle beslenmesi gerekir. Neden bu kadar önemli?

Akciğerlerden akan kanda oksijenin tamamına yakını hemoglobine kimyasal olarak bağlı durumdadır ve kan plazmasında çözünmez. Kandaki bir solunum pigmenti - hemoglobinin varlığı, az miktarda sıvı ile önemli miktarda gaz taşımasına izin verir. Ek olarak, gazların kimyasal bağlanması ve salınması işlemlerinin uygulanması, kanın fizikokimyasal özelliklerinde (hidrojen iyonlarının konsantrasyonu ve ozmotik basınç) keskin bir değişiklik olmadan gerçekleşir.

Kanın oksijen kapasitesi, hemoglobinin bağlayabileceği oksijen miktarı ile belirlenir. Oksijen ve hemoglobin arasındaki reaksiyon tersine çevrilebilir. Hemoglobin oksijene bağlandığında oksihemoglobin olur. Deniz seviyesinden 2000 m'ye kadar olan yüksekliklerde arteriyel kan %96-98 oksijenlenir. Kas istirahatinde, akciğerlere akan venöz kandaki oksijen içeriği, arteriyel kandaki içeriğin %65-75'idir. Yoğun kas çalışması ile bu fark artar.

Oksihemoglobin hemoglobine dönüştürüldüğünde, kanın rengi değişir: kırmızıdan koyu mor olur ve bunun tersi de geçerlidir. Daha az oksihemoglobin, daha koyu kan. Ve çok küçük olduğunda, mukoza zarları grimsi-siyanotik bir renk alır.

Kanın alkali tarafa reaksiyonundaki değişimin en önemli nedeni, içindeki karbondioksit içeriğidir ve bu da kandaki karbondioksit varlığına bağlıdır. Bu nedenle, kanda ne kadar fazla karbondioksit varsa, o kadar fazla karbondioksit ve dolayısıyla kanın asit-baz dengesinin asit tarafına kayması o kadar güçlü olur, bu da kanın oksijenle doymasına daha iyi katkıda bulunur ve kanın oksijenle doymasını kolaylaştırır. dokulara geri döner. Aynı zamanda, karbon dioksit ve kandaki konsantrasyonu, yukarıdaki tüm faktörlerden en güçlü şekilde, kanın oksijenle doygunluğunu ve dokulara dönüşünü etkiler. Ancak kan basıncı, özellikle kas çalışmasından veya bir organın artan aktivitesinden güçlü bir şekilde etkilenir, bu da sıcaklıkta bir artışa, önemli bir karbondioksit oluşumuna, doğal olarak asit tarafına daha büyük bir kaymaya, oksijen geriliminde bir azalmaya yol açar. Bu durumlarda, kanın ve bir bütün olarak tüm organizmanın en büyük oksijen doygunluğu meydana gelir. Kandaki oksijen doygunluğu seviyesi, başlıca alveolar zarların toplam yüzeyi, zarın kendisinin kalınlığı ve özelliği, hemoglobin kalitesi olan birçok faktöre bağlı olarak bireysel bir insan sabitidir. zihinsel durum kişi. Bu kavramları daha ayrıntılı olarak inceleyelim.

1. Gazların difüzyonunun meydana geldiği alveolar zarların toplam yüzeyi 30 ila 30 arasında değişir. metrekare derin bir nefesle 100'e kadar nefes verirken.

2. Alveolar zarın kalınlığı ve özellikleri, üzerinde vücuttan akciğerler yoluyla salgılanan mukusun varlığına bağlıdır ve zarın kendisinin özellikleri, ne yazık ki, yaşla birlikte kaybolan ve belirlenen elastikiyetine bağlıdır. Bir insanın nasıl yediğine göre.

3. Hemoglobinde hemin (demir içeren) grupları herkes için aynı olmasına rağmen, globin (protein) grupları farklıdır, bu da hemoglobinin oksijen bağlama yeteneğini etkiler. Hemoglobin, fetal yaşam sırasında en büyük bağlama kapasitesine sahiptir. Ayrıca, bu özellik özel olarak eğitilmemişse kaybolur.

4. Alveollerin duvarlarında sinir uçları bulunduğundan, duygular vb.'nin neden olduğu çeşitli sinir uyarıları alveolar membranların geçirgenliğini önemli ölçüde etkileyebilir. Örneğin, bir kişi depresyondayken ağır nefes alır ve neşeli bir durumdayken havanın kendisi akciğerlere akar.

Bu nedenle, her insan için kan oksijen doygunluğu seviyesi farklıdır ve yaşa, nefes alma şekline, vücudun temizliğine ve kişinin duygusal dengesine bağlıdır. Ve aynı kişide yukarıdaki faktörlere bağlı olarak bile, dakikada 25-65 mm oksijen miktarında önemli ölçüde dalgalanır.

Kan ve dokular arasındaki oksijen değişimi, alveolar hava ve kan arasındaki değişime benzer. Dokularda sürekli oksijen tüketimi olduğu için yoğunluğu azalır. Sonuç olarak, oksijen doku sıvısından tüketildiği hücrelere geçer. Oksijeni tükenmiş doku sıvısı, kan içeren kılcal damarın duvarı ile temas halinde, oksijenin kandan doku sıvısına difüzyonuna yol açar. Doku değişimi ne kadar yüksek olursa dokudaki oksijen gerilimi o kadar düşük olur. Ve bu fark (kan ve doku arasındaki) ne kadar büyük olursa, kılcal kanda aynı oksijen geriliminde kandan dokulara girebilecek oksijen miktarı o kadar fazladır.

Karbondioksiti çıkarma işlemi, oksijen alma işleminin tersini andırır. Oksidatif süreçler sırasında dokularda oluşan karbondioksit, geriliminin daha az olduğu interstisyel sıvıya yayılır ve oradan kılcal duvardan, geriliminin interstisyel sıvıdan daha az olduğu kana yayılır.

Karbondioksit, doku kılcal damarlarının duvarlarından geçerek, suda yüksek oranda çözünen bir gaz olarak kısmen doğrudan kan plazmasında çözünür ve kısmen de çeşitli bazlarla bağlanarak bikarbonatlar oluşturur. Bu tuzlar daha sonra pulmoner kılcal damarlarda serbest karbon dioksit salınımı ile ayrışır ve bu da karbonik anhidraz enziminin etkisi altında hızla su ve karbondioksite ayrışır. Ayrıca, alveolar hava ile kandaki içeriği arasındaki kısmi karbondioksit basıncındaki fark nedeniyle, atıldığı yerden akciğerlere geçer. Ana karbondioksit miktarı, karbondioksit ile reaksiyona girdikten sonra bikarbonatlar oluşturan hemoglobinin katılımıyla taşınır ve karbondioksitin sadece küçük bir kısmı plazma tarafından taşınır.

Solunumu düzenleyen ana faktörün kandaki karbondioksit konsantrasyonu olduğu daha önce belirtilmişti. Beyne akan kandaki CO2'deki artış, hem solunum hem de pnömotoksik merkezlerin uyarılabilirliğini arttırır. Bunlardan birincisinin aktivitesinde bir artış, solunum kaslarının kasılmalarında bir artışa ve ikincisi - solunumda bir artışa yol açar. CO2 içeriği tekrar normale döndüğünde, bu merkezlerin uyarılması durur ve solunum sıklığı ve derinliği normal seviyelere döner. Bu mekanizma da ters yönde çalışır. Kişi gönüllü olarak bir dizi derin nefes alıp verirse, alveolar havadaki ve kandaki CO2 içeriği o kadar azalacaktır ki, derin nefes almayı bıraktıktan sonra kandaki CO2 seviyesi tekrar ulaşıncaya kadar solunum hareketleri tamamen duracaktır. normal. Bu nedenle, zaten alveolar havada bulunan denge için çabalayan vücut, CO2'nin kısmi basıncını sabit bir seviyede tutar.