Кислород в организме человека

Кислород — химически активный неметалл, является самым лёгким элементом из группы халькогенов. Как простое вещество при нормальных условиях представляет собой газ без цвета, вкуса и запаха, молекула которого состоит из двух атомов кислорода (формула O2), в связи с чем его также называют дикислород

Распространение кислорода
Кислород – самый распространенные элемент
47 % массы твёрдой земной коры
Морские и пресные воды содержат огромное количество связанного кислорода — 85,82 % (по массе)
Более 1500 соединений земной коры в своём составе содержат кислород
В атмосфере содержание свободного кислорода составляет 20,95 % по объёму и 23,10 % по массе (около 1015 тонн)
По числу атомов в живых клетках он составляет около 25 %, по массовой доле — около 65 %.

Немного истории
До появления первых фотосинтезирующих микробов в архее 3,5 млрд лет назад, в атмосфере его практически не было. Первый миллиард лет практически весь кислород поглощался растворённым в океанах железом и формировал залежи джеспилита. 3—2,7 млрд лет назад он начал выделяться в атмосферу и 1,7 млрд лет назад достиг 10 % от нынешнего уровня. Наличие большого количества растворённого и свободного кислорода в океанах и атмосфере привело к вымиранию большинства анаэробных организмов. Тем не менее, клеточное дыхание с помощью кислорода позволило аэробным организмам производить гораздо больше АТФ, чем анаэробным, сделав их доминирующими.

Об потреблении кислорода
Основная часть кислорода на Земле выделяется фитопланктоном Мирового океана.
Около 60 % кислорода от используемого живыми существами расходуется на процессы гниения и разложения
80 % кислорода, производимого лесами, уходит на гниение и разложение растительности лесов.

Объяснение функций кислорода в организме через его химические свойства
Химические свойства
Как правило, реакция окисления протекает с выделением тепла и ускоряется при повышении температуры
Окисляет большинство органических соединений в реакциях горения
При определённых условиях можно провести мягкое окисление органического соединения
Объяснение функций кислорода в организме исходя из химических свойств
В организме кислород участвует в окислительно-восстановительных реакциях, в которых выделяется много тепла и энергии

Как кислород поступает в организм? Дыхательная система.
Дыхательная система человека — совокупность органов и тканей, обеспечивающих в организме человека обмен газов между кровью и внешней средой.
Состоит: лёгких и дыхательных путей.
Дыхательные пути:
носовая полость
Глотка
гортань
трахея
бронхи
бронхиолы

Важнейший механизм газообмена – это диффузия
Благодаря данному процессу процесс транспорта молекул проходит без затраты энергии(без затраты энергии). Кислород(среда) Альвеолы Кровь
Гемоглобин+ О2 Оксигемоглобин Карбогемоглобин (гемоглобин +СО2)
(кровь венозная становится артериальной)
Ткани

Функции кислорода в организме
Биологическая роль кислорода
входит в состав молекул множества веществ - от самых простых до сложных полимеров
участвует практически во всех биохимических процессах, протекающих в организме
Главной функцией молекулярного кислорода в организме является окисление различных соединений
необходим для дыхания, окисления жиров, белков, углеводов, аминокислот, а также для многих других биохимических процессов.
Метаболизм кислорода

Пониженное содержание кислорода в организме
При недостаточном снабжении тканей организма кислородом или нарушении его утилизации развиваются явления гипоксии (кислородного голодания).
Основные причины дефицита кислорода
•Прекращение или снижение поступления кислорода в легкие
•Значительное уменьшение количества эритроцитов или резкое понижение содержания в них гемоглобина.
•Нарушение способности гемоглобина связывать, транспортировать или отдавать тканям кислород.
•Нарушение способности тканей утилизировать кислород.
•Угнетение окислительно-восстановительных процессов в тканях.
•Застойные явления в сосудистом русле вследствие расстройств сердечной деятельности, кровообращения и/или дыхания.
•Эндокринопатии.
•Авитаминозы.
•Острые отравления
Основные проявления дефицита кислорода
-В острых случаях (при полном прекращении поступления кислорода, острых отравлениях):
•потеря сознания,
•расстройство функций высших отделов ЦНС.
-В хронических случаях:
•повышенная утомляемость,
•функциональные нарушения деятельности ЦНС,
•сердцебиение и одышка при незначительной физической нагрузке,
•снижение реактивности иммунной системы.

Недостаточное поступление кислорода может быть обусловлено несколькими причинами
Внешними
Пониженное содержание кислорода во вдыхаемом воздухе
увеличение содержания углекислого газа и др. вредных веществ
Внутренними
интенсивная мышечная нагрузка
заболевания сердечно-сосудистой системы
дыхательной и др. систем

Механизмы защиты от гипоксии
Усиление вентиляции легких
Расширяются кровеносные сосуды легких и дыхательных путей
Увеличивается скорость тока крови
Активируется работа дыхательных нейронов
Кроме того, в мышечной ткани есть особый белок (миоглобин), способный обратимо связывать кислород

Саморегуляция дыхания
Частота и глубина дыхания регулируются нервной системой: центральной и вегетативной
Процесс дыхания: СО2 образуется Н2СО3
легочное (внешнее) дыхание стимуляция центральной дых. системы
транспорт газа кровью в мышцах образуется молочная кислота
тканевое (внутреннее) дыхание частота и глубина дыхания
В стенках крупных сосудов, отходящих от сердца, имеются специальные рецепторы:
Содержание О2 увеличение интенсивности дыхания

Ведущим дыхательным центром, как было установлено Н. А. Миславским в 1885 году, является дыхательный центр, расположенный в области продолговатого мозга.
Дыхательные центры обнаружены в:
области гипоталамуса (участие в организации более сложных адаптационных дыхательных рефлексов)
коре головного мозга (высшие формы адаптационных процессов)
области продолговатого мозга

Способы дыхания
В состоянии покоя кислород относительно интенсивно поглощается миокардом, серым веществом головного мозга (в частности, корой головного мозга), клетками печени и корковым веществом почек
Гипервентиляция увел. поступления О2, но содержание О2 в тканях , Н2СО3
респираторному алкалозу
Гиповентиляция – поверхностное и замедленное дыхание О2 , Н2СО3

Физиология дыхания
Все процессы жизнедеятельности протекают при обязательном участии кислорода, т. е. являются аэробными. Особенно чувствительной к кислородной недостаточности является ЦНС
Метаболизм кислорода
биологическое окисление – это процесс дегидрирования субстрата с помощью промежуточных переносчиков водорода и его конечного акцептора. Основная функция – обеспечение клетки энергией
Акцептор: О2 аэробное окисление( тканевое дыхание)
не О2 анаэробное окисление

Тканевое дыхание – процесс окисления водорода кислородом до воды ферментами цепи тканевого дыхания
Выделяют 2 типа окисляемых субстратов:
Пиридинзависимые – спиртовые или альдегидные – в их дегидрировании участвуют НАД-зависимые дегидрогеназы. ( слева)
флавинзависимые – являются производными углеводородов – при дегидрировании передают водород на ФАД-зависимые дегидрогеназы. (справа)

Цепь тканевого дыхания(ЦТД) – последовательность переносчиков протонов водорода (Н+) и электронов от окисляемого субстрата на кислород, локализованных на внутренней мембране митохондрий.
Компоненты ЦТД: 1. НАД-зависимые дегидрогеназы дегидрируют пиридинзависимые субстраты и акцептируют 2ē и один Н+.
2. ФАД (ФМН) - зависимые дегидрогеназы акцептируют 2 атома водорода (2Н+ и 2ē). 3. Жирорастворимый переносчик убихинон(справа) – свободно перемещается по мембране митохондрий и акцептирует два атома водорода и превращается в КоQH2.
4. Система цитохромов – переносит только электроны. Цитохромы - железосодержащие белки, простетическая группа которых по структуре напоминает гем.

Компоненты дыхательной цепи во внутренней мембране михохондрий формируют комплексы:
I комплекс (НАДН-КоQН2-редуктаза) – принимает электроны от митохондриального НАДН и транспортирует их на КоQ.( акцептор и переносчик ФМН и железосерные белки)
II комплекс – сукцинат – КоQ - редуктаза – включает ФАД- зависимые дегидрогеназы и железосерные белки. Он транспортирует электроны и протоны от флавинзависимых субстратов на убихинон
III комплекс – КоQН2 - цитохром с - редуктаза – цитрохромы b и с1, железосерные белки. Разделение потока протонов и электронов: протоны в межмембранное пространство митохондрий, а электроны - далее по ЦТД.
IV комплекс – цитохром а - цитохромоксидаза – содержит цитохромоксидазу и транспортирует электроны на кислород

Разновидности ЦТД:
1. Полная цепь – в нее вступают пиридинзависимые субстраты и предают атомы водорода на НАД-зависимые дегидрогеназы
2. Неполная - ЦТД в которой атомы водорода передаются от ФАД-зависимых субстратов, в обход первого комплекса.

Окислительное фосфорилирование АТФ
Окислительное фосфорилирование – процесс образования АТФ, сопряженный с транспортом электронов по цепи тканевого дыхания от окисляемого субстрата на АДФ кислород. В ходе этого процесса выделяется энергия достаточная для синтеза АТФ +
Фосфат

Все живые клетки постоянно нуждаются в АТФ для осуществления различных видов деятельности. Нарушение какого-либо этапа метаболизма, приводящие к прекращению синтеза АТФ, гибельны для клетки.
Состояния, при которых синтез АТФ снижен объединяют термином «гипоэнергетические». Причины данных состояний можно разбить на две группы:
Алиментарные – голодание и гиповитаминозы В2 и РР – возникает нарушение поставки окисляемых субстратов в ЦТД или синтез коферментов.
Гипоксические – возникают при нарушении доставки или утилизации кислорода в клетке.

Регуляция ЦТД.
Осуществляется с помощью дыхательного контроля.
Дыхательный контроль – это регуляция скорости переноса электронов по дыхательной цепи отношением АТФ/АДФ. Характеризуется высокой точностью и имеет важное значение, т.к. в результате его действия скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии. Запасов АТФ в клетке не существует.

Американский биохимик Д. Чанс предложил рассматривать 5 состояний митохондрий:
1. Недостаток SH2 и АДФ – скорость дыхания очень низкая.
2. Недостаток SH2 при наличии АДФ – скорость ограничена.
3. Есть SH2 и АДФ – дыхание очень активно (лимитируется только скоростью транспорта ионов через мембрану).
4. Недостаток АДФ при наличии SH2 – дыхание тормозится (состояние дыхательного контроля).
5. Недостаток кислорода, при наличии SH2 и АДФ – состояние анаэробиоза.

Ингибиторы ЦТД – это лекарственные препараты, которые блокируют перенос электронов по ЦТД.
Ингибиторы окислительного фосфорилирования (олигомицин) – это вещества, которые блокируют транспорт Н+ по протонному каналу АТФ-синтазы.
Разобщители окислительного фосфорилирования (ионофоры) – это вещества, которые подавляют окислительное фосфорилирование, не влияя при этом на процесс переноса электронов по ЦТД. Выделяющаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла.
На разобщении дыхания и фосфорилирования базируется терморегуляторная функция тканевого дыхания.

Антиоксидантные системы
выделяют четыре типа реакций с участием кислорода

Активные формы кислорода (свободные радикалы)
В организме в результате окислительно-восстановительных реакций постоянно происходит генерация активных форм кислорода (АФК)
Источники АФК:
1. ЦТД
2. реакции, катализируемые оксидазами, гемопротеинами, цитохромом Р450;
3. реакции окисления в лейкоцитах, макрофагах и пероксисомах;
4. радиолиз воды;
5. под воздействием ксенобиотиков, пестицидов;
6. реакции самопроизвольного (неферментативного) окисления ряда веществ.

Кислородные радикалы обладают высокой реакционной способностью и легко вступают в химические реакции с органическими молекулами для приобретения недостающего электрона. Кислородные радикалы оказывают воздействие на различные структурные компоненты клеток: ДНК (повреждение азотистых оснований); белки (окисление аминокислотных остатков, образование ковалентных «сшивок»); липиды; мембранные структуры. Активные формы кислорода могут отщеплять электроны от многих соединений, превращая их в новые свободные радикалы, и инициируют тем самым цепные окислительные реакции.

Антиоксидантные системы организма
В организме токсическое действие активных форм кислорода предотвращается за счет функционирования систем антиоксидантной защиты. Она представлена ферментными и неферментативными компонентами.
ферменты антиоксидантной системы:
1. супероксиддисмутаза,
2. каталаза,
3. пероксидаза (глутатионпероксидаза),
4. глутатионредуктаза.
Наиболее активны эти ферменты в печени, почках и надпочечниках.

Неферментативные антиоксиданты:
Природные водорастворимые антиоксиданты (витамин С; карнозин; таурин; восстановленные тиолы, содержащие SH-группы; цистеин; НS-КоА; белки, содержащие селен).
Липофильные низкомолекулярные антиоксиданты, локализованные в мембранах клеток (витамин Е; β-каротин; КоQ; нафтахоиноны).

Токсичность кислорода
Токсическая доза для человека: токсичен в виде О3. Летальная доза для человека для кислорода не определена.
Токсическое действие озона и избытка кислорода связывают с образованием в тканях большого числа радикалов, возникающих в результате разрыва химических связей. В небольшом количестве радикалы образуются и в норме, как промежуточный продукт клеточного метаболизма. При избытке радикалов инициируется процесс окисления органических веществ

Заключение
Кислород – один из самых важных элементов. Он участвует в реакциях горения, окисления. Благодаря ему огромное количество видов получают энергию. Кислород окружает нас: он в воде, воздухе, земле и в организмах.

Спасибо за просмотр