Как осуществляется биологическое окисление. Биологическое окисление. Окислительно-восстановительные реакции: примеры. Классификация процессов биологического окисления

В процессе обмена веществ пищевые продукты (углеводы, липиды) подвергаются катаболизму.

Катаболизм – это процесс расщепления высокомолекулярных веществ до низкомолекулярных веществ, идущий с выделением энергии. В процессе катаболизма происходит упрощение структуры высокомолекулярных веществ.

Энергия, выделившаяся в процессе катаболизма, используется для синтеза новых веществ, т.е. в процессе анаболизма.

Взаимодействие превращения вещества и энергии называются метаболизмом.

Процессы окисления протекают в организме и вне организма. Эти процессы имеют сходства и различия.

Сходство между окислением в организме и вне организма.

1. В результате окисления образуются одинаковые конечные продукты СО 2 и Н 2 О.
2. Выделяется одинаковое количество энергии.

Различия между окислением в организме и вне организма.

1. Вне организма энергия выделяется за счет окисления атомов углерода, а в организме за счет окисления атомов водорода.

1. Вне организма кислород соединяется с окисляемым субстратом. В организме кислород не соединяется с субстратом.
2. Вне организма энергия выделяется одномоментно и не аккумулируется, т.е. не запасается. В организме энергия выделяется порциями, «каскадно» и аккумулируется (запасается). «Каскадное» выделение энергии предохраняет клетку от перегрева.
3. Основной реакцией окисления в организме является реакция дегидрирования, т.е. отщепление водорода (протонов). Вспомогательными реакциями являются реакции дегидратации и декарбоксилирования.
4. Процесс окисления в организме многоступенчатый, ферментативный процесс.

Процесс окисления субстратов в биологических объектах называется биологическим окислением.

Виды биологического окисления.

1. Тканевое дыхание
2. Субстратное окисление

Тканевое дыхание – многоступенчатый ферментативный процесс, в котором конечным акцептором электронов является кислород.

В процессе тканевого дыхания участвую ферменты – оксидоредуктазы, образующие дыхательную цепь.

Дыхательная цепь – это комплекс оксидоредуктаз, участвующих в переносе протонов и электронов от окисляемого субстрата к кислороду.

Дыхательная цепь локализована в кристах митохондрий.

Строение дыхательной цепи.

Дыхательная цепь включает 4 группы ферментов:

1. Пиридинзависимые дегидрогеназы – коферментом является НАД, НАДФ.

2. Флавинзависимые дегидрогеназы – коферментом является ФАД, ФМН.

3. Коэнзим Q или убихинон.

4. Цитохромы b, c, a, a 3 .

Цитохромы являются геминовыми белками, в качестве небелковой части содержат гем. В составе гема содержатся атом железа, который может изменять степень окисления с +3 до +2, присоединяя или отдавая электрон.

В составе дыхательной цепи выделяют два участка:

1. Участок, включающий пиридинзависимые дегидрогеназы – коэнзим Q обеспечивает перенос протонов и электронов. На уровне коэнзима Q протоны уходят в среду митохондрий, т.к. цитохромы по своему строению способны переносить только электроны.

2. Участок цитохромов, обеспечивающий перенос только электронов.

Основное значение цитохромной системы перенос электронов от окисляемого субстрата на молекулярный кислород с образованием воды:

Схема переноса электронов и протонов по дыхательной цепи.

По дыхательной цепи от окисляемого субстрата до кислорода передается 2 протона и два электрона.

Коферменты дыхательной цепи принимая протоны и электроны превращаются в восстановленную форму, а отдавая их снова превращается в окисленную форму.

Движущей силой, обеспечивающей перенос протонов и электронов от субстрата к кислороду, является разность редокс-потенциалов. В дыхательной цепи происходит нарастание редокс-потенциала (от –0,32 в до +0,81 в О 2)

Для синтеза одной макроэргической связи АТФ требуется перепад редокс-потенциалов между участками дыхательной цепи примерно в 0,22 в на пару перенесенных электронов.

Длина дыхательной цепи (количество ферментов) может быть различна и зависит от природы окисляемого субстрата.

Для клетки важно, чтобы молекула кислорода, присоединив 4 электрона, полностью восстановилась до двух молекул воды. При неполном восстановлении кислорода в случае присоединения двух электронов образуется перекись водорода, а в случае присоединения одного электрона – супероксидный радикал . Перекись водорода и супероксидный радикал токсичны для клетки, т.к. повреждают клеточные мембраны, взаимодействую с остатками ненасыщенных жирных кислот мембранных липидов.

Аэробные клетки защищают себя от действия перекиси и супероксида с помощью двух ферментов: супероксиддисмутазы и каталазы.

Пути использования энергии переноса электронов.

При переносе пары электронов происходит изменение свободной энергии и эта энергия используется по двум путям:

1. Энергия переноса электронов используется на синтез АТФ.

2. Энергия переноса электронов используется для выработки тепла.

При переносе пары электронов по дыхательной цепи происходит изменение свободной энергии, равная 52,6 ккал. Этой энергии достаточно для синтеза 3 молекул АТФ. Синтез трех молекул АТФ в стандартных условиях требует затраты ккал.

В трех пунктах переноса электронов происходит наибольшее изменение свободной энергии и эти пункты называются пунктами сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование это процесс ресинтеза АТФ из АДФ и Фн, сопряженный с тканевым дыханием.

Пункты сопряжения находятся на участках:

1. НАД/ФАД

3. ц а/а 3 О 2

Пункты сопряжения постоянны, но их количество зависит от природы окисляемого субстрата.

При окисления НАД – зависимых субстратов имеет место 3 пункта сопряжения, т.е. выделяется 3АТФ, при окислении ФАД – зависимых субстратов имеет место 2 пункта сопряжения и выделяется 3 АТФ, при окислении цитохромзависимых субстратов, количество АТФ, зависит от того, на какой цитохром сбрасываются электроны: при сбросе электронов на цитохром b выделяется 2АТФ в процессе окислительного фосфорилирования, а на цитохром с – 1АТФ.

Коэффициент фосфорилирования – это соотношение Р/О как показатель сопряжения дыхания и фосфорилирования.

Было установлено, что при поглощении одного атома кислорода (или при переносе пары электронов от субстрата к кислороду) поглощается не один атом неорганического фосфата, а примерно три т.е. коэффициент Р/О примерно равен 3. Т.е. в дыхательной цепи имеется как минимум три пункта сопряжения, где неорганический фосфат участвует в образовании АТФ.

Процесс биологического окисления может не сопровождаться синтезом АТФ.

Окисление, не сопровождающееся синтезом АТФ, называется свободным окислением. В этом случае энергия выделяется в виде тепла. Это может наблюдаться при действии токсинов и сопровождается повышением температуры тела.

Причины нарушения биологического окисления.

1. Недостаток субстратов окисления (углеводов, липидов, т.е. пищи).

2. Нарушение работы ферментов в дыхательной цепи:

1. Дефект апофермента (нарушен синтез белковой части фермента).

2. Дефект кофермента (нарушение синтеза коферментов из-зи недостатка витаминов В 2, В 5 , К).

3. Недостаток кислорода.

4. Действие ингибиторов.

Аминобарбитал ингибирует перенос протонов и электронов на участке НАД/ФАД, окисление НАДзависимых субстратов прекращается.

Антимицин ингибирует перенос электронов на участке цитохром b, цитохром с.

Цианады ингибируют перенос электронов на участке цитохромоксидазы/кислород.

При большинстве физиологических состояний перенос электронов сопряжен с окслительным фосфорилированием.

Ряд соединений может вызвать разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Разобщителями этих процессов являются следующие соединения: 2,4 – динитрофенол, гормон щитовидной железы – тироксин, дикумарин и его производные, жирные кислоты.

Разобщение окислительного фосфорилирования и тканевого дыхания может быть биологически полезным. Разобщение представляет собой способ генерирования тепла для поддержания температуры тела у зимнеспящих животных и млекопитающих адаптированных к холоду. В качестве разобщителя выступают жирные кислоты, которые накапливаются в бурой жировой ткани. Такой бурый жир есть и у новорожденных детей, что позволяет поддерживать температуру тела при еще несовершенной системе терморегуляции.

У больных с гиперфункцией щитовидной железы отмечается повышение температуры тела, что обусловлено разобщением процессов тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования, вызванного тироксином.

При недостатке кислорода в тканях процесс тканевого дыхания затруднен и в тканях протекает субстратное окисление.

Субстратное окисление – это процесс окисления, при котором конечным акцептором электронов является субстрат, а не кислород.

Субстратное окисление – это аварийный источник получения энергии при недостатке кислорода.

Недостаток кислорода (гипоксия) возникает в организме при физической работе, при подъеме в горы, опускании под воду, при заболеваниях органов дыхания, сердечно-сосудистой системы и кроветворной системы.

Субстратное окисление энергетически менее выгодно, чем тканевое дыхание, т.к. редокс-потенциалы субстратов отличаются незначительно.

В организме наряду с окислительным фосфорилированием процессом, дающим энергию является субстратное фосфорилирование.

Субстратное фосфорилирование – это процесс образования макроэргических соединений за счет макроэргических связей субстрата.

Важнейшим макроэргическим соединением является АТФ.

Энергия макроэргических связей аккумулируется в ряде соединений: креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицерат, ГТФ и др.

Биологическое окисление

Тканевое дыхание Свободное окисление Субстратное окисление

Связано с Энергия

окислительным выделяется

фосфорилированием в виде тепла

Энергия выделяется

в виде АТФ

Фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование Субстратное фосфорилирование

связано с мембранами митохондрий не связано с мембранами

Биологическое окисление – это совокупность окислительно-восстановительных реакций, происходящих в живых организмах . На их долю приходится около 99% от всего энергоснабжения организма. С помощью окислительно-восстановительных процессов в организме разрушаются и некоторые токсические вещества, образующиеся в результате обмена веществ (например, пероксид водорода).

Еще со времен французского химика А.Лавуазье окисление в организме отождествляли с горением, ибо продукты окисления и горения глюкозы (СО 2 и Н 2 О) и количество выделяемой энергии (около 2850 кДж/моль) оказались одинаковыми.

Однако между биологическим окислением и горением существуют принципиальные различия:

1. Биологическое окисление протекает в мягких условиях (температура тела, постоянные давление и рН).

2. При биологическом окислении энергия высвобождается ступенчато, причем часть ее аккумулируется в макроэргических соединениях, при горении энергия выделяется сразу и рассеивается в виде тепла.

3. Биологическое окисление более интенсивно протекает в органах и тканях с большим содержанием воды.

Окислительно-восстановительные реакции протекают в организме животных по следующим стадиям:

1.Образование ацетил-КоА (при окислении моносахаридов, глицерина, жирных кислот, аминокислот);

2.Окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот с образованием СО 2 и восстановленных коферментов НАДН(Н +) и ФАДН 2 ;

3. Окисление водорода восстановленных коферментов НАДН(Н +) и ФАДН 2 в дыхательной цепи с образованием воды и АТФ.

· ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ, СОПРЯЖЕННАЯ С ТРАНСФОРМАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ.

Различают 2 вида дыхательной цепи - 1) сопряженная с трансформацией энергии или окислительное фосфорилирование и 2) несопряженная с трансформацией энергии или свободное окисление .

Дыхательная цепь, сопряженная с трансформацией энергии локализована во внутренней мембране митохондрий. Она включает 4 ферментативных комплекса: I - НАДН(Н +) - КоQ-оксидоредуктаза, II – сукцинат – КоQ-оксидоредуктаза, III - КоQ - цитохром с - оксидоредуктаза и IV- цитохромоксидаза. В процессе функционирования такой дыхательной цепи осуществляется перенос электронов от восстановленных коферментов НАДН(Н +) и ФАДН 2 к молекулярному кислороду, сопряженный с синтезом АТФ.

Источником НАДН(Н +) и ФАДН 2 являются дегидрогеназные реакции, протекающие по схеме:

SН 2 + НАД + ® S + НАДН(Н +) ; SН 2 + ФАД ® S + ФАДН 2

В качестве субстратов чаще всего выступают пировиноградная кислота, глутаминовая кислота, промежуточные метаболиты ЦТК (изолимонная кислота, a-кетоглутаровая, яблочная).

Последовательность переноса электронов в дыхательной цепи от НАДН(Н +) и ФАДН 2 к молекулярному кислороду можно представить в виде схемы:

Сукцинат ® ФАДН 2

Железо-серный белок

НАДН(Н +) ® ФМН ® железо-серный белок ® КоQ (убихинон) ® цитохром b ® железо-серный белок ® цитохром с 1 ® цитохром с ® цитохром а ® цитохром а 3 ® О 2

Порядок расположения компонентов в дыхательной цепи зависит от величины их окислительно-восстановительного потенциала. Для каждого последующего компонента характерна более высокая окислительная способность.

В состав III и IV комплексов входят сложные белки из группы хромопротеинов - цитохромы . Их простетическая группа близка к гему и содержит железо. Однако в противоположность гемоглобину, имеющему двухвалентное железо, цитохромы содержат железо, которое может переходить из двухвалентного (восстановленного) в трехвалентное (окисленное) состояние и обратно.

Конечным акцептором электронов является О 2 . Восстановление кислорода до воды происходит по схеме:

2Н + + 2 е + 1/2 О 2 ® Н 2 О или 4 Н + + 4 е + О 2 ® 2 Н 2 О

Ионы Н + для образования воды берутся из матрикса митохондрий.

Согласно хемиосмотической теории П.Митчелла сопряжение переноса электронов и синтеза АТФ обеспечивается градиентом электрохимического потенциала ионов водорода (рис. 3) Dm Н + , который состоит из двух компонентов - разности электрических потенциалов (Dj) и разности концентраций ионов водорода - D рН. Перенос электронов по дыхательной цепи приводит к выбросу протонов из матрикса на цитоплазматическую сторону внутренней митохондриальной мембраны где, таким образом возрастает концентрация ионов водорода. В результате происходит генерирование DрН (защелачивание в матриксе и закисление с внешней стороны внутренней митохондриальной мембраны) и Dj (разности электрических потенциалов, причем та часть внутренней мембраны, которая обращена к матриксу, приобретает отрицательный заряд, а та, которая обращена к межмембранному пространству – положительный). Протонный градиент используется для синтеза АТФ, который осуществляется при помощи ферментного комплекса АТФ-синтазы в ходе обратного поступления протонов в митохондриальный матрикс.

Выброс протонов происходит в 3-х пунктах потока электронов по дыхательной цепи от НАДН(Н +) к О 2 – в I, III и IV комплексах; 1-й пункт - это НАДН(Н +) – КоQ - оксидоредуктазный комплекс; 2-й пункт - КоQ - цитохром с - оксидоредуктазный комплекс; 3-й - цитохромоксидазный комплекс. Протонный градиент, генерируемый в каждом из этих пунктов при переносе одной пары электронов от НАДН(Н +) к О 2, используется для синтеза одной молекулы АТФ (АДФ + Н 3 РО 4 ® АТФ). Окисление одной молекулы НАДН(Н +) дает 3 АТФ, тогда как окисление ФАДН 2 - 2 АТФ (энергии, выделяющейся в процессе функционирования сукцинат-КоQ-оксидоредуктазного комплекса недостаточно для синтеза АТФ, т.е. трансформации энергии здесь не происходит).

Рис.3. Схема переноса протонов водорода в митохондриях.

Таким образом, окислительное фосфорилирование представляет собой процесс переноса электронов от восстановленных коферментов НАДН(Н +) и ФАДН 2 к молекулярному кислороду, сопряженный с синтезом АТФ. Окислительное фосфорилирование часто характеризуют отношением Р: О (число молей неорганического фосфата, использованного для синтеза АТФ в расчете на один атом потребляемого кислорода).

Скорость окислительного фосфорилирования зависит, в первую очередь, от содержания АДФ: чем быстрее расходуется АТФ для нужд организма, тем больше накапливается АДФ и тем больше потребность в энергии, а следовательно и в синтезе АТФ. Накопление АТФ, естественно, сопровождается снижением содержания АДФ, скорость образования АТФ при этом также уменьшится. При ограниченной потребности в АТФ падает и скорость окислительного распада субстратов. Регуляцию скорости окислительного фосфорилирования содержанием АТФ называют дыхательным контролем .

· СУБСТРАТНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Субстратное фосфорилирование является альтернативным механизмом образования АТФ, так как оно не требует образования DmН + . В ходе окисления субстратов образуются макроэргические соединения, разрыв макроэргической связи в которых сопряжен с фосфорилированием АДФ (т.е. с синтезом АТФ).

Пример субстратного фосфорилирования:

С – Н +НАД­­­­­ + С - О ~ Р = О СООН

| + H 3 PO 4 | | +АДФ |

Н – С – ОН ОН ¾¾¾® Н – С – ОН ОН ОН ¾¾¾¾® Н – С – ОН ОН

| | -НАДН(Н +) | | -АТФ | |

СН 2 О - Р = О СН 2 – О - Р = О СН 2 – О – Р = О

ГА – 3 – Ф 1,3 – ДФГ 3 – ФОСФОГЛИЦЕРАТ (3-ФГ)

В процессе гликолиза высвобождаемая при окислении глицеральдегид-3-фосфата (ГА-3-Ф) энергия, аккумулируется в макроэргической связи 1,3-дифосфоглицерата (1,3-ДФГ). Расщепление этой связи в дальнейшем сопряжено с фосфорилированием АДФ, в результате чего осуществляется образование АТФ.

· МАКРОЭРГИЧЕСКИЕ СОЕДИНЕНИЯ

Энергия, прежде чем быть использованной для нужд организма, аккумулируется в макроэргических соединениях . Гидролиз таких соединений сопровождается выделением большого количества энергии (свыше 7 ккалмоль). К ним относятся нуклеозидтрифосфаты, ацилфосфаты, енолфосфаты, тиоэфиры, фосфагены.

Нуклеозидтрифосфаты (АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ) содержат по 2 макроэргические связи.

АТФ (рис. 4) является главным, непосредственно используемым донором свободной энергии в биологических системах.

Рис.4. Строение АТФ.

Гидролиз АТФ может происходить двумя путями:

1) АТФ + Н 2 О ® АДФ + Н 3 РО 4 ;

2) АТФ + Н 2 О ® АМФ + Н 4 Р 2 О 7

В обоих случаях при стандартных условиях высвобождается 7,3 ккалмоль энергии (при условиях, существующих в клетке в норме, около 12 ккалмоль).

Высвобождаемая при гидролизе АТФ энергия, используется для процессов биосинтеза сложных веществ из более простых, при мышечном сокращении, для активного транспорта молекул и ионов (рис. 5).

Рис.5. Основные пути использования энергии АТФ.

Примером ацилфосфата является 1,3-дифосфоглицерат, являющийся промежуточным продуктом гликолиза (при его гидролизе выделяется 11,8 ккалмоль энергии).

С - О ~ Р = О

Н – С – ОН ОН ОН

СН 2 – О - Р = О

1,3-дифосфоглицерат

К енолфосфатам относится фосфоенолпируват, также участвующий в процессе гликолиза (гидролиз его макроэргической связи приводит к выделению 14,8 ккалмоль энергии).

С – О ~ Р = О

фосфоенолпируват

Активная уксусная кислота (ацетил-КоА) и активная янтарная кислота (сукцинил-КоА) являются тиоэфирами .

СН 3 – С ~ S – КоА НООС – СН 2 – СН 2 – С ~ S – КоА

ацетил-КоА сукцинил-КоА

Креатинфосфат (при его гидролизе выделяется 10,3 ккалмоль энергии) относится к фосфагенам .

Н – N ~ Р = О

креатинфосфат

Креатинфосфат используется в мышечной ткани для регенерации АТФ (креатинфосфат + АДФ ® креатин + АТФ).

· СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Свободное окисление не сопряжено с синтезом АТФ. Выделяющаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла. Классическим примером разобщения окисления с образованием АТФ является действие 2,4-динитрофенола (ДНФ) . Это соединение использовалось для снижения массы тела. Оно резко увеличивает протонную проницаемость клеточных мембран, разобщает окислительное фосфорилирование и приводит к развитию тяжелых дистрофических процессов в результате недостаточного синтеза клеткой АТФ.

Частичное разобщение окисления с фосфорилированием наблюдается при многих заболеваниях, поскольку митохондрии являются наиболее чувствительными клеточными органеллами к действию неблагоприятных факторов внешней среды. Митохондриальная патология развивается при гипертиреозе. При избыточном выделении щитовидной железой гормонов происходит набухание митохондрий и их распад, что приводит к снижению образования АТФ. При этом усиливаются окислительные процессы, отмечается более высокая чем в норме температура тела, учащается сердцебиение.

Разобщение окислительного фосфорилирования может быть биологически полезным. Оно представляет собой способ генерирования тепла для поддержания температуры тела у зимнеспящих животных, у некоторых новорожденных животных и у млекопитающих, адаптированных к холоду. Для этого процесса термогенеза специализирована бурая жировая ткань, очень богатая митохондриями. В качестве разобщителей в ней выступают жирные кислоты, высвобождение которых в свою очередь регулируется норадреналином. Таким образом, степень разобщения окислительного фосфорилирования в бурой жировой ткани находится под гормональным контролем. Митохондрии в этой ткани могут выполнять функцию генераторов АТФ или миниатюрных обогревательных печей.

В микросомах печени с участием цитохрома Р-450 происходит метаболизм многих лекарственных веществ путем их гидроксилирования. Восстановителями цитохромов являются НАДН(Н +) и НАДФН(Н +):

Лек - Н + О 2 + цитохром Р-450 (Fe 2+) + 2Н + ® Лек - ОН + Н 2 О + цитохром Р-450

Митохондриальные цитохром Р-450 - содержащие монооксигеназные системы находятся в коре надпочечников, в семенниках, яичниках, плаценте. Они участвуют в синтезе стероидных гормонов из холестерина. В печени происходит гидроксилирование холестерина по положению 26 в ходе биосинтеза желчных кислот.

· КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра биоорганической и биологической химии

КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:

Биологическое окисление.

Исполнители: студентки

педиатрического

факультета 223 группы

Заруба Н.С., Чащина Е.Е.

Руководитель: доцент,

к.м.н. Трубачев С.Д.

Рецензент:

Екатеринбург 2002.

I. Введение………………………………………………………………...3

II. Общие представления о биологическом окислении.

Окислительно-восстановительные системы и потенциалы……..3

III. Пути использования кислорода в клетке……………………………...5

Оксидазный путь использования кислорода. Митохондрии.

Ферменты, их локализация и значение в процессах окисления…….5

IV. Этапы утилизации энергии питательных веществ…………………...6

V. Окислительное фосфорилирование……………………………………9

Хемиосмотическая теория Митчелла……..……….………………..9

Редокс – цепь окислительного фосфорилирования………………10

VI. Цикл Кребса…………………………………………………………21

Открытие ЦТК……………………………………………………..22

Реакции, ферменты. Регуляция…………………………………...23

VII. Макроэргические соединения и связи……………………………...29

VIII. Витамин РР. Участие в процессах окисления…………………….30

IX. Микросомальное окисление…………………………………………31

Монооксигеназные реакции………………………………………31

Диоксигеназные реакции………………………………………….32

Цитохромы…………………………………………………………32

X. Пероксидазный путь использования кислорода…………………..33

XI. Ферментативная антиоксидантная защита…………………………34

Супероксиддисмутаза, каталазы, пероксидазы………………….34

XII. Неферментативная антиоксидантная защита………………………35

Витамины С, Е и Р…………………………………………….…...35

XIII. Заключение…………………………………………………………..38

XIV. Список литературы…………………………………………………..39

Введение.

В химии окисление определяется как удаление электронов, а восстановление - как присоединение электронов; это можно проиллюстрировать на примере окисления ферро-иона в ферри-ион:

Fe 2+ -e → Fe 3+

Отсюда следует, что окисление всегда сопровождается восстановлением акцептора электронов. Этот принцип окислительно-восстановительных процессов в равной мере применим к биохимическим системам и характеризует природу процессов биологического окисления.

Хотя некоторые бактерии (анаэробы) живут в отсутствие кислорода, жизнь высших животных полностью зависит от снабжения кислородом. Кислород, главным образом, используется в процессе дыхания – последнее можно определить как процесс улавливания клеточной энергии в виде АТФ при протекании контролируемого присоединения кислорода с водородом с образованием воды. Кроме того, молекулярный кислород включается в различные субстраты при участии ферментов, называемых оксигеназами. Многие лекарства, посторонние для организма вещества, канцерогены (ксенобиотики) атакуются ферментами этого класса, которые в совокупности получили название цитохрома Р 450 .

Гипоксические нарушения метаболизма клетки занимают ведущее место в патогенезе критических состояний. Главную роль в формировании необратимости патологических процессов приписывают крайним проявлениям расстройства клеточного метаболизма. Адекватное обеспечение клетки кислородом является основным условием сохранения ее жизнеспособности.

Введением кислорода можно спасти жизнь больных, у которых нарушено дыхание или кровообращение. В ряде случаев успешно применяется терапия кислородом под высоким давлением; следует однако отметить, что интенсивная или продолжительная терапия кислородом под высоким давлением может вызвать кислородное отравление.

При написании данной работы перед нами стояла цель: изучить биологическое окисление и его значение в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Для этого мы рассмотрели:

Использование кислорода клеткой;

Источники энергии клетки – цикл лимонной кислоты (цикл Кребса), окислительное фосфорилирование;

Микросомальное окисление;

Антиоксидантную защиту

Общие представления о биологическом окислении.

Окислительно-восстановительные системы и потенциалы.

Источник энергии, используемый для выполнения всех видов работ (химической, механической, электрической и осмотической) – это энергия химической связи. Высвобождение энергии углеводов, жиров, белков и других органических соединений происходит при их окислительно-восстановительном распаде. Высвобожденная энергия затрачивается на синтез АТФ.

Изменение свободной энергии, характеризующее реакции окисления и восстановления, пропорционально способности реактантов отдавать или принимать электроны. Следовательно, изменение свободной энергии окислительно-восстановительного процесса можно характеризовать не только величиной DG 0 " , но и величиной окислительно-восстановительного потенциала системы (Ео). Обычно окислительно-восстановительный потенциал системы сравнивают с потенциалом водородного электрода, принимая последний за ноль, 0В при рН=0. Однако для биологических систем удобнее использовать окислительно-восстановительный потенциал при рН=7,0 (Ео"); при таком рН потенциал водородного электрода равен -0,42В.

Пользуясь таблицей 1, можно предсказать, в каком направлении пойдет поток электронов при сопряжении одной окислительно-восстановительной системы.

Таблица 1. Стандартные потенциалы некоторых окислительно-восстановительных систем.

Пути использования кислорода в клетке.

Существует три пути использования кислорода в клетке, которые характеризуются следующими реакциями:

1) оксидазный путь (90% поступившего кислорода восстанавливается до Н 2 О при участии фермента цитохромоксидазы)

0 2 +4е+4Н + → 2Н 2 О

2) оксигеназный путь (включение в субстрат одного атома кислорода - монооксигеназный путь, двух атомов кислорода -диоксигеназный путь) -монооксигеназный путь

Диоксигеназный путь

3) свободно-радикальный путь (идет без участия ферментов и АТФ не образуется).

Оксидазный путь использования кислорода. Митохондрии. Ферменты, их локализация и значение в процессе окисления.

Митохондрии справедливо называют "энергетическими станциями" клетки, поскольку именно в этих органеллах в основном происходит улавливание энергии, поставляемой окислительными процессами. Митохондриальную систему сопряжения окислительных процессов с генерацией высокоэнергетического интермедиатора АТФ называют окислительным фосфорилированием.

Митохондрии имеют наружную мембрану, проницаемую для большинства метаболитов, и избирательно проницаемую внутреннюю мембрану с множеством складок (крист), выступающих в сторону матрикса (внутреннего пространства митохондрий). Наружная мембрана может быть удалена путем обработки дигитонином; она характеризуется наличием моноаминоксидазы и некоторых других ферментов (например, ацил-КоА-синтетазы, глицерофосфат-ацилтрансферазы, моноацилглицерофосфат-ацилтрансферазы, фосфолипазы А2). В межмембранном пространстве находятся аденилаткиназа и креатинкиназа. Во внутренней мембране локализован фосфолипид кардиолипин.

В матриксе находятся растворимые ферменты цикла лимонной кислоты и ферменты b-окисления жирных кислот, в связи с этим возникает необходимость в механизмах транспорта метаболитов и нуклеотидов через внутреннюю мембрану. Сукцинатдегидрогеназа локализована на внутренней поверхности внутренней митохондриальной мембраны, где она передает восстановительные эквиваленты дыхательной цепи на уровне убихинона (минуя первую окислительно-восстановительную петлю). 3-гидроксибутиратдегид рогеназа локализована на матриксной стороне внутренней митохондриальной мембраны. Глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа находится на наружной поверхности внутренней мембраны, где она участвует в функционировании глицерофосфатного челночного механизма.

Этапы утилизации энергии питательных веществ.

Утилизация энергии питательных веществ - сложный процесс, который протекает в три стадии, согласно следующей схеме:

Схема 1. Стадии катаболизма питательных веществ.

На стадии 1 крупные молекулы полимеров распадаются на мономерные субъединицы: белки на аминокислоты, полисахариды на сахара, а жиры на жирные кислоты и холестеоролы. Этот предварительный процесс, называемый пищеварением, осуществляется главным образом вне клеток под действием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На стадии 2 образовавшиеся небольшие молекулы поступают в клетки и подвергаются дальнейшему расщеплению в цитоплазме. Большая часть углеродных и водородных атомов сахаров превращается в пируват, который, проникнув в митохондрии, образует там ацетильную группу химически активного соединения ацетилкофермента А (ацетил-СоА). Большое количество ацетил-СоА образуется также при окислении жирных кислот. На стадии 3 происходит полное расщепление ацетильной группы ацетил-СоА до СО 2 и Н 2 О. Именно на этой заключительной стадии образуется большая часть АТФ. В серии сопряженных химических реакций больше половины той энергии, которую, согласно теоретическим расчетам, можно извлечь из углеводов и жиров при окислении их до Н 2 О и СО 2 , используется для осуществления энергетически невыгодной реакции Ф н + АДФ ® АТФ. Поскольку остальная часть энергии, высвобождающейся при окислении, выделяется клеткой в виде тепла, результатом образования АТФ является общее возрастание неупорядоченности Вселенной, что полностью соответствует второму закону термодинамики.

окисление биологическое

Окисление биологическое (клеточное или тканевое дыхание) - окислительно-восстановительные реакции, протекающие в клетках организма, в результате которых сложные органические вещества окисляются при участии специфических ферментов кислородом, доставляемым кровью. Конечными продуктами биологического окисления являются вода и двуокись углерода. Освобождающаяся в процессе биологического окисления энергия частично выделяется в виде тепла, основная же ее часть идет на образование молекул сложных фосфорорганических соединений (главным образом аденозинтрифосфата - АТФ), которые являются источниками энергии, необходимой для жизнедеятельности организма.

При этом процесс окисления состоит в отнятии от окисляемого вещества (субстрата) электронов и равного им числа протонов. Субстратами биологического окисления являются продукты превращений жиров, белков и углеводов. Биологическое окисление субстратов до конечных продуктов осуществляется цепью последовательных реакций, в число промежуточных продуктов которых входят трикарбоновые кислоты - лимонная, цисаконитовая и изолимонная кислоты, поэтому вся цепь реакций носит название цикла трикарбоновых кислот, или цикла Кребса (по имени исследователя, установившего этот цикл).

Начальной реакцией цикла Кребса является конденсация щавелево-уксусной кислоты с активированной формой уксусной кислоты (ацетата), которая представляет собой соединение с коферментом ацетилирования - ацетил-КоА. В результате реакции образуется лимонная кислота, которая после четырехкратной дегидрогенизации (отщепление от молекулы 2 атомов водорода) и двукратного декарбоксилирования (отщепление молекулы CO2) образует щавелевоуксусную кислоту. Источниками ацетил-КоА, использующегося в цикле Кребса, являются уксусная кислота, пировиноградная кислота - один из продуктов гликолиза (см.), жирные кислоты (см.) и пр. Наряду с окислением ацетил-КоА в цикле Кребса могут подвергаться окислению и другие вещества, способные превращаться в промежуточные продукты этого цикла, например многие из аминокислот, образующиеся при распаде белка. Ввиду обратимости большинства реакций цикла Кребса продукты распада белков, жиров и углеводов (интермедиаты) в нем могут не только окисляться, но и получаться при его обращении. Так осуществляется связь между обменом жиров, белков и углеводов.

Протекающие в цикле Кребса реакции окисления не сопровождаются, как правило, образованием богатых энергией соединений. Исключение представляет превращение сукцинил-КоА в сукцинат (см. Янтарная кислота), которое сопровождается образованием гуанозинтрифосфата. Большая часть АТФ образуется в цепи дыхательных ферментов (см.), где перенос электронов (а на первых этапах и протонов) к кислороду сопровождается выделением энергии.

Реакции отщепления водорода осуществляются ферментами класса дегидрогеназ, причем атомы водорода (т. е. протоны + электроны) присоединяются к коферментам: никотинамидадениндинуклеотиду (НАД), никотинамидадениндинуклеотид-фосфату (НАДФ), флавинадениндинуклеотиду (ФАД) и др.

Процессы биологического окисления, связанные с циклом Кребса и цепью дыхательных ферментов, протекают преимущественно в митохондриях и локализованы на их мембранах.

Таким образом, процессы биологического окисления, связанные с циклом Кребса, имеют значение как при образовании соединений, богатых энергией, так и для осуществления связи углеводного, жирового и белкового обмена. Другие виды биологического окисления, по-видимому, имеют более узкое значение, например энергообеспечение клеток. Такова стадия гликолиза, заключающаяся в окислении ряда фосфорных соединений с одновременным восстановлением НАД и образованием АТФ или реакции пентозного цикла (т. е. окислительного превращения глюкозо-6-фосфата), сопровождающихся образованием фосфопентоз и восстановленного НАДФ. Пентозный цикл играет важную роль в тканях, характеризующихся интенсивно протекающими синтезами - нуклеиновых, жирных кислот, холестерина и пр. См. также Обмен веществ и энергии.

Окисление биологическое - совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих в биологических объектах. Под процессом окисления понимают потерю веществом электронов или электронов и протонов одновременно (потерю водородных атомов) или присоединение кислорода. Реакции противоположного направления характеризуют процесс восстановления. Восстановителями называют вещества, теряющие электроны, окислителями - вещества, приобретающие электроны. Окисление биологическое составляет основу тканевого, или клеточного, дыхания (процесса, в результате которого ткани и клетки поглощают кислород и выделяют углекислый газ и воду) - главного источника энергии для организма. Веществом, принимающим (акцептирующим) электроны, т. е. восстанавливающимся, является молекулярный кислород, превращающийся в анион кислорода O -- . Водородные атомы, отщепляемые от органического вещества - субстрата окисления (SH2), превращаются при потере электронов в протоны или положительно заряженные катионы водорода:

SH2→S→2H; 2Н→2H + + 2e: ½O2→О; О→2е→O -- ; 2H + + O -- →H2O+55 ккал. В результате реакции между катионами водорода и анионами кислорода образуется вода, а реакция сопровождается выделением значительного количества энергии на каждые 18 г воды). В качестве побочного продукта биологического окисления образуется углекислый газ. Некоторые из реакций О. б. приводят к образованию перекиси водорода, под влиянием каталазы распадающейся на H2O и O2.

Поставщиками энергии в организме человека служат продукты питания - белки , жиры и углеводы . Однако эти вещества не могут служить субстратами О. б. Они предварительно подвергаются расщеплению в пищеварительном тракте, где из белков образуются аминокислоты , из жиров - жирные кислоты и глицерин , из сложных углеводов - моносахариды , в первую очередь гексозы . Все эти соединения всасываются и поступают (прямо или через лимфатическую систему) в кровь . Вместе с аналогичными веществами, образованными в органах и тканях, они составляют «метаболический фонд», из которого организм черпает материал для биосинтезов и для удовлетворения энергетических запросов. Главными субстратами О. б. являются продукты тканевого обмена аминокислот, углеводов и жиров, получившие название веществ «лимоннокислого цикла». К ним относятся кислоты:

лимонная, цисаконитовая, изолимонная, щавелевоянтарная, α-кетоглютаровая, янтарная, фумаровая, яблочная, щавелевоуксусная.

Пировиноградная кислота СН3-СО-СООН не входит непосредственно в лимоннокислый цикл, но играет в нем существенную роль, как и продукт ее декарбоксилирования - активная форма уксусной кислоты СН3СОКоА (ацетил-коэнзим А).

Процессы, входящие в «лимоннокислый цикл» («цикл Кребса», «цикл трикарбоновых кислот»), протекают под действием ферментов, заключенных в клеточных органеллах, называемых митохондриями. Элементарный акт окисления любого вещества, входящего в лимоннокислый цикл,- это отнятие от этого вещества водорода, т. е. акт дегидрогенизации, обусловленный активностью соответствующего специфически действующего фермента дегидрогеназы (рис. 1).

Рис. 1. Схема лимоннокислого цикла Кребса.

Если процесс начинается с пировиноградной кислоты, то отщепление двух атомов водорода (2Н) в цикле Кребса повторяется 5 раз и сопровождается тремя последовательными этапами декарбоксилирования. Первый акт - дегидрогенизация - происходит при превращении пировиноградной кислоты в ацетил-КоА, конденсирующийся с щавелевоуксусной кислотой в лимонную. Второй раз дегидрогенизация приводит к образованию щавелевоянтарной кислоты из изолимонной. Третий акт - отщепление двух атомов водорода - связан с превращением кетоглютаровой кислоты в сукцинил-КоА; четвертый - с дегидрогенизацией янтарной кислоты и, наконец, пятый - с превращением яблочной кислоты в щавелевоуксусную, которая вновь может вступить в конденсацию с ацетил-КоА и обеспечить образование лимонной кислоты. При распаде сукцинил-КоА образуется богатая энергией связь (~Р) - это так называемое субстратное фосфорилирование : Сукцинил-КоА + Н3РО4 + АДФ → янтарная кислота + КоА + АТФ.

Рис. 2. Схема дегидрогенизации субстратов лимоннокислого цикла специфическими ферментами, состоящими из диссоциирующих комплексов: белков - б1, б2, б3 и б4 с НАД и НАДН2 и белка б5, образующего комплекс с ФАД (сукциндегидрогеназу); ЦАК - цисаконитовая кислота.

Четыре из названных актов дегидрогенизации осуществляются при участии специфических дегидрогеназ, коферментом которых является никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Один акт - превращение янтарной кислоты в фумаровую - происходит под влиянием сукциндегидрогеназы - флавопротеида I. В данном случае коферментом является флавинадениндинуклеотид (ФАД). В результате пяти повторных актов дегидрогенизации (рис. 2) при реакциях, происходящих в лимоннокислом цикле, образуются восстановленные формы коферментов: 4-НАДН2 1-ФАДН2. Дегидрогеназа восстановленного НАД, т. е. принимающая водород с НАДН2, принадлежит также к флавиновым ферментам - это флавопротеид II. Однако он отличается от сукциндегидрогеназы структурой как белка, так и флавинового компонента. Дальнейшее окисление восстановленных форм флавопротеидов I и II, содержащих ФАДН2, происходит при участии цитохромов (см.), представляющих собой сложные белки - хромопротеиды, содержащие в своем составе железопорфирины - гемы.

При окислении ФАДН2 пути протона и электронов расходятся: протоны поступают в окружающую среду в виде ионов водорода, а электроны через серию цитохромов (рис.3) передаются на кислород, превращая его в анион кислорода O -- . Между ФАДН2 и системой цитохромов, по-видимому, участвует еще один фактор - коэнзим Q. Каждое следующее звено в дыхательной цепи от НАДН2 до кислорода характеризуется более высоким окислительно-восстановительным потенциалом (см.). На протяжении всей дыхательной цепи от НАДН2 до ½O2 потенциал меняется на 1,1 в (от -0,29в до+0,81в). При полном окислении, например пировиноградной кислоты, сопровождающемся пятикратным отщеплением водорода, энергетическая эффективность процесса составит около 275 ккал (55X5). Эта энергия не рассеивается полностью в виде тепла; примерно 50% ее аккумулируется в виде богатых энергией

фосфорных соединений, главным образом аденозинтрифосфата (АТФ).

Процесс трансформации энергии окисления в богатые энергией связи (~Р) конечного фосфатного остатка молекулы АТФ локализован во внутренних митохондриальных мембранах и связан с определенными этапами переноса водорода и электронов по дыхательной цепи (рис. 4). Принято считать, что первое фосфорилирование связано с транспортом водорода от НАДН2 к ФАД, второе сопряжено с переносом электронов на цитохром c1 и, наконец, третье, менее всего изученное, расположено между цитохромами c и a.

Механизм образования богатых энергией связей еще не расшифрован. Выяснено, однако, что процесс складывается из нескольких промежуточных реакций (на рис. 4- от J~X до АТФ), лишь последней из которых является образование богатого энергией фосфатного остатка АТФ. Богатая энергией связь конечной фосфатной группы в АТФ оценивается в 8,5 ккал на грамм-молекулу (в физиологических условиях - около 10 ккал). При переносе водорода и электронов по дыхательной цепи, начиная с НАДН2 и кончая образованием воды, освобождается 55 ккал и аккумулируется в виде АТФ не менее 25,5 ккал (8,5X3). Следовательно, энергетическая эффективность процесса биологического окисления составляет около 50%.

Рис. 3. Схема передачи водорода и электронов по дыхательной цепи; Е0 - окислительно-восстановительный потенциал.

Рис. 5. Схема использования энергии фосфатных связей АТФ (АМФ-Р~Р) для различных физиологических функций.

Биологический смысл фосфорилирующего окисления понятен (рис. 5): все процессы жизнедеятельности (мышечная работа, нервная деятельность, биосинтезы) требуют затраты энергии, края обеспечивается разрывом богатых энергией фосфатных связей (~Р). Биологический смысл нефосфорилирующего - свободного - окисления можно видеть в многочисленных реакциях окисления, не связанных с лимоннокислым циклом и переносом водорода и электронов по дыхательной цепи. Сюда относятся, например, все внемитохондриальные процессы окисления, окислительное удаление токсически действующих веществ и многие акты регуляции количественного содержания биологически активных соединений (некоторых аминокислот, биогенных аминов, адреналина, гистидина, серотонина и т. д., альдегидов и пр.) путем более или менее интенсивного их окисления. Соотношение свободного и фосфорилирующего окисления является также одним из путей терморегуляции у человека и теплокровных животных. См. также Обмен веществ и энергии.

Биоэнергетические процессы, приводящие к синтезу АТФ, к зарядке «биологических аккумуляторов», протекают в специали­зированных мембранах митохондрий. Именно здесь локализо­ваны и пространственно организованы молекулярные системы, ответственные за энергетику живых организмов. Синтез АТФ в митохондриях сопряжен с электронным и ионным транспортом и с механохимическими явлениями. Функции митохондриальных мембран весьма сложны и многообразны. Другой тип биоэнерге­тических сопрягающих мембран - мембраны хлоропластов рас­тений, ответственные за фотосинтез, - рассматривается в гл.7.

Источником энергии, расходуемой клеткой на биосинтез, ак­тивный транспорт, механическую и электрическую работу, яв­ляется дыхание, т. е. окисление органических соединений кисло­родом воздуха. В 1780 г. Лавуазье показал, что дыхание и горе­ние имеют единую природу. За последующие почти два столетия исследования химиков, биологов и физиков привели к раскры­тию основных особенностей биологического окисления - одного из важнейших процессов (или, скорее, системы процессов), про­исходящих в живой природе.

Топливо, т. е. окисляемые вещества, поступает в организм животного с пищей в виде жиров, углеводов и белков. Жиры представляют собой триглицериды жирных кислот, главным об­разом многоатомных. Они расщепляются, т. е. гидролизуются в реакциях, катализируемых специальными ферментами. Жирные кислоты активируются с участием специфических ферментов и АТФ, превращаясь в ацилпроизводные так называемого кофер - мента А, Ко А - SH, структура которого показана на рис. 6.1. Окисление ацилпроизводного Ко А - SH происходит в ряде стадий, на каждой из которых образуется остаток жирной кис­лоты, содержащий на два атома углерода меньше, чем преды­дущий . Полное уравнение реакции окисления жирной кис­лоты с четным числом атомов углерода до ацетил-S - Ко А имеет вид

Н3С(СН2СН2)„С02Н + АТФ + (п + 1) КоА - SH + лНАД+ +

ПЕ ■ ФАД + лН20 ->- (п + 1)CH3COS - КоА +

+ (£5ф + £фч) + "НАД-Н + пЕ - ФАД-Н +

Здесь НАД - кофермент никотинамидадениндинуклеотид (рис.

6.2), Е - фермент, ФАД- кофермент флавинадениндинуклеотид

Рис. 6.1. Кофермент А.

TOC \o "1-3" \h \z (рис. 6.3), АДФ и АМФ - аденозиндифосфат и аденозинмоно - фосфат, Фн, ФФН - неорганические моно - и дифосфаты. Обратим внимание попутно на общность и

Строения АТФ, КоА-SH, НАД и Н В

ФАД (см. , гл. 2). При разруше - /\ / \

Нии жиров в конечном счете обра - н| 9 NH2

Зуется ацетил-КоА, а также про - п ^

ПИОНИЛ-КО А И ГЛИЦерИН. - g_p_Q_QH

Расщепление и окисление угле - і | |

Водов (в частности, крахмала) при - \ С^н н^С водит к образованию триозофосфа - і |>с«исг I NH

Тов и пировиноградной кислоты I н L L н I 2

(пирувата). н°-рГ° 0Н 0Н „ /ч

При разрушении белков, наряду / С N

С индивидуальными аминокислота - \ НСч J I

Ми, используемыми в синтезе бел - СН2 0 \

Ков de novo, образуются ацетил - N

Ко А, оксалацетат, а-кетоглутарат, INc^c/I

Фумарат и сукцинат. Эти процессы н і і н

Метаболизма детально изучены в он ОН

Современной биохимии (см. ). Рис. в-2- Никотинамидаденин-

Основные продукты расщепле - динуклеотид (НАД),

Ния и окисления жиров, углеводов

И белков претерпевают дальнейшие превращения в цикличе­ской системе реакций, именуемой циклом лимонной кислоты или циклом Кребса. Эта система локализована в митохондриях. Цикл Кребса, «образно говоря, та главная ось, вокруг которой вертится метаболизм почти всех существующих клеток... Цикл

Кребса является «фокусом», в котором сходятся все метаболи­ческие пути» .

Цикл Кребса изображен на рис. 6.4. За один оборот цикла, состоящего из восьми реакций, отмеченных на рисунке цифрами в кружках, происходит деградация одной молекулы ацетил-КоА

Н2с-СН-СН-СН-СН,-О-Р-О-Р-О-СН, n-^Ч

A/\A/NH он он

Н, С V N С s Н II

Рис. 6.3. Флавииадениндинуклеотид (ФАД).

Или одной молекулы пиру вата до С02 и Н20, т. е. «сгорание» этих молекул. Соответствующие суммарные реакции имеют вид

CH, COS - КоА + З НАЦ+ + (ФАД) + ГДФ + Ф„ + 2 Н20 -

2 С02 + КоА - SH + З НАД-Н + (ФАД-Н) + ГТФ + ЗН+, Пируват" + КоА - SH + НАД+ -* CH3COS - КоА + НАД-Н+ + Н+ + С02.

(Скобки обозначают, что ФАД тесно связан с белком.)

От цикла Кребса идут пути многих биосиитетических реак­ций- пути синтеза углеводов, липидов, пуринов, пиримидииов и порфирннов. Синтез белков также связан с циклом, в котором создаются предшественники ряда аминокислот. Вместе с тем, как мы увидим, биологическое окисление является источником энергии, запасаемой в АТФ и необходимой для биосинтетических процессов.

В реакциях цикла возникают С02 и ионы Н+. Одновременно происходит восстановление коферментов НАД и ФАД. Для не­прерывного и полного биологического окисления эти кофермеи - ты должны окисляться вновь. Окисление осуществляется сово­купностью переносчиков электронов, образующих цепь переноса электронов (ЦПЭ), фиксированную в митохондриях. ЦПЭ обес­печивает следующие реакции:

З НАД-Н + 1,5 02 + ЗН+ з НАД+ + 3 Н20 - 3 52,4 ккал/моль,

(ФАД-Н) + 0,5 О, - (ФАД) + Н20 - 36,2 ккал/моль.

Реакция ацетил-КоА имеет вид

CH3COS - КоА + 2 02 -> 2 С02 + Н20 + КоА - SH - 215,2 ккал/моль.

ЦПЭ, иначе именуемая дыхательной цепью, представляет собой

Углеводы-*- CH-CDC07 п

ПируВат у Жирные

У v4*- "Ацетил-КоК С02 2Н ■

^ с=о (Т) г«

Фн Сущинил-Ш KoA_SH Рис. 6.4. Цикл Кребса.

Тре-"ЪА.-изоцитрац

А-кетоглутарапі

НО-СН С02 fiOj (2)

" СН2 Оксалацетат Цитрат

FQ) l-тлат \ Vz

Полиферментную систему, акцептирующую электроны из цикла Кребса и цикла окисления жирных кислот.

Электрон переносится по следующей цепи : Сукцинат - ФП3 1

Субстрат -*■ НАД -»- ФП0 ->■ Цитохром Ь ->- -*■ Цитохром С) -» Цитохром с -»- Цитохромы а + аз -*■ 02.

Флавопротеиды - специфические ферменты, содержащие флави- новые коферменты-ФАД (см. рис. 6.3) и флавинмононуклео - тид ФМН, рибофлавин-5"-фосфат. Цитохромы содержат группу гема, атом железа которого при работе цепи подвергается окис­лению и восстановлению:

Fe2+ Fe3+ - f e~.

Перенос электронов в приведенной цепи происходит слева на­право, завершаясь восстановлением кислорода, который соеди­няется с водородом и образует воду. Освобождаемый при окис­лении электрон соединяется со следующим звеном цепи. Перенос электронов сопровождается изменением свободной энергии, так как электроны перемещаются по каскаду возрастающих окисли­тельно-восстановительных потенциалов. Их значения приведены в табл. 6.1 .

Таблица 6.1

Окислительно-восстановительные потенциалы некоторых систем

Перенос электронов по дыхательной цепи сопряжен с запа­санием энергии в макроэргических молекулах АТФ. Иными сло­вами, освобождаемая свободная энергия конвертируется в хи­мическую энергию АТФ. Происходит окислительное фосфорили - рование.

Это важнейшее явление было впервые открыто Энгельгард - том в 1930 г. . Белицер и Цыбакова подробно изучили стехиометрические соотношения между окислением и фосфори - лированием, провели первые определения коэффициента Фн О. т. е. отношения числа молекул этерифицированного неорганиче­
ского фосфата к числу атомов поглощенного кислорода, и по­казали, что значение этого коэффициента не менее 2. В работе были даны термодинамические оценки, показавшие, что энер­гия переноса электронов на кислород достаточна для образова­ния двух или большего числа молекул АТФ на один атом по­глощенного кислорода. Калькар установил, что аэробное фосфо - рилирование сопряжено с дыханием и не зависит от гликолити - ческого фосфорилирования . Количественные соотношения были уточнены Очоа . Коэффициент Фн: О для окислительных реакций цикла Кребса и реакций с участием НАД равен 3. Ленинджер впервые установил, что процессы окислительного фосфорилирования локализованы именно в митохондриях .

Прямые стрелки показывают места вхождения электронов. ФП,. ФП, ...-флавопротеиды.

KoQ - кофермент Q.

10], и в работах его лаборатории были найдены узловые пункты дыхательной цепи, в которых происходит фосфорилирование. Указанное значение Фн: О следует из уравнения

НАД-Н + Н+ + З АДФ + 3 Ф„ + V2O2 - НАД+ + 4 Н20 + 3 АТФ. В этом уравнении суммируются экзергоническая реакция НАД-Н + Н+ + V2O2 -> НАД+ + Н20 + 52,7 ккал/моль

И эндергоническая реакция

3 АДФ + 3 Фн ->■ З АТФ + 3 Н20 - 21,9 ккал/моль.

Фосфорилирование АДФ -> АТФ происходит в трех узловых пунктах - в участке цепи НАД-Н - флавопротеид, в участке цитохром Ь цитохром сі и в участке цитохром с -* цитохромы а + а3.

Общая схема сопряжения окисления с фосфорилированием приведена на рис. 6.5.

Напишем вновь брутто-уравнение фосфорилирования

ПируВат^ Сущинагп

АДФ + H2P04" - f Н+ +=± АТФ + HgO - ДО,

Где AG - изменение свободной энергии. Имеем

TOC \o "1-3" \h \z [адф] Гн, ро:1 [н+] , >4

AG = AG" + RT ІП. (6.1)

AG0 - стандартное изменение свободной энергии в калориях, т. е. значение AG при рН 7,0, 25°С и концентрациях всех компо­нентов, равных 1,0 М. Как известно,

AG0 = - RT In К, (6.2)

где К - константа равновесия реакции. Для фосфорилирования AG0 = 7,3 ккал/моль. Наблюдаемое значение AG in vivo зависит от концентрации протонов по обе стороны мембраны и, следо­вательно, от мембранной разности потенциалов. AG зависит так­же от концентрации ионов Mg++. При изменении рН от 6,0 до 9,0 при = 10 мМ AG меняется от 6,17 до 9,29 ккал/моль (см. ).

Изменение свободной энергии при переносе двух электронных эквивалентов по ЦПЭ от НАД-Н к 02 определяется разностью окислительно-восстановительных потенциалов 0,82 - (-0,32) = = 1,14 В, т. е.

AG0 = z Д-ф = - 2 23,06 -1,14 ккал/моль = - 52,7 ккал/моль.

Это обеспечивает с избытком синтез 3 молей АТФ из АДФ и Фн. Эффективность процесса выражается величиной 21,9/52,7, т. е. примерно равна 40%.

Энергетический смысл дыхания состоит в синтезе АТФ. Энер­гия, аккумулированная в АТФ, используется клеткой для выпол­нения всех видов ее работы.

Раскрытие химизма биологического окисления - крупнейшее достижение биохимии. Здесь изложены лишь некоторые важней­шие сведения, подробное рассмотрение сложной биохимической системы окисления содержится в специальной литературе (см. ).

Особенность системы окислительного фосфорилирования, от­личающая ее от ряда ферментативных реакций, протекающих в растворе, состоит в строгой пространственной локализации зве­ньев многоступенчатого процесса. Окислительное фосфорилиро - вание локализовано в митохондриях и непосредственно связано с транспортной и механохимической функциональностью их мембран. По-видимому, столь сложная система биохимических реакций принципиально требует пространственной неоднородно­сти и не могла бы реализоваться в гомогенной среде.

Расшифровка кратко описанных здесь окислительно-восста­новительных реакций была получена в результате применения тонких химических и физических методов. Здесь, в частности,
сыграли большую роль работы Чаиса, посвященные спектроско­пии переносчиков электронов (НАД, ФП, цитохромов) в интакт - ных митохондриях. Эти переносчики обладают характерными полосами поглощения в видимой и близкой ультрафиолетовой областях спектра, и разностные спектры позволяют изучать ки­нетику их окисления и восстановления . Были применены различные способы удаления из митохондрий специфических ферментов н. тем самым, сохранения лишь определенных звеньев

Рис. 6.6. Распределение белков по комплексам ЦПЭ І, II, III, IV.

А, Ь, с. Сі, йі- >нтохромы, Си - медьсодержащие белкн, (Fe -be) -негемнновое железо, fs - сукцинатдегидрогеназа, iq-НАД Н-дегидрогеназа.

Процесса. Митохондрии подвергались расчленению, из субмито- хондриальных частиц выделялись комплексы дыхательных фер­ментов, свободные от структурных белков. Такие комплексы оказалось возможным очищать и детально исследовать. Были проведены успешные опыты по восстановлению ЦПЭ из выде­ленных препаратов и растворимых ферментов. Наконец, очень ценная информация была получена в опытах по ингибированию отдельных стадий процесса и по разобщению окислительного фосфорилирования и переноса электронов (см. § 6.5).

Можно считать установленным, что переносчики ЦПЭ сгруп­пированы в четыре комплекса, именуемые комплексами Грина (см. ). Соответствующая схема приведена на рис. 6.6. Моле­кулярный вес каждого комплекса равен примерно 3-Ю5 Он со­держит около 64% белка и 36% липидов. Электрон-переносящий
комплекс определяется как минимальная единица ЦПЭ, сохра­няющая способность переносить электрон со скоростью, сравни­мой с этой скоростью в интактных митохондриях.

Изучение биологического окисления встречается с необходи­мостью решения ряда физических проблем, относящихся к раз­личным уровням организации и функционирования системы.

Структура и функции молекулярных переносчиков электро­нов изучены еще недостаточно. В § 6.7 рассмотрены современ­ные данные, относящиеся к строению и свойствам цитохрома с. Цитохром с исследовался очень детально, но его динамические свойства нельзя считать полностью установленными и объяснен­ными.

Строение и функциональная организация митохондрий яви­лись предметом интенсивного изучения. Тем не менее, многие важнейшие вопросы, сюда относящиеся, пока не имеют ответа. Специфическая мембранная структура мигохондрий, присутствие в них автономной программы синтеза белков (ДНК), механохи - мическая активность митохондрий непосредственно связаны с их ролью «силовых станций» клетки. Дальнейшее развитие физики митохондрий требует целостного подхода.

Общая теория электронного транспорта в локализованной системе биологического окисления интенсивно развивается. Предложены содержательные кинетические модели, начаты тео­ретические исследования, основанные на рассмотрении элект - ронно-конформационных взаимодействий. Эти проблемы пред­ставляют первостепенный интерес для биофизики.

Необходимо установить молекулярную природу биологиче­ского окисления, осуществляемого в результате сопряжения фер­ментативных, транспортных и механохимических процессов. Ми­тохондрия есть место интегрирования широкой совокупности мо - лекулярно-биологических явлений, целостная система, требую­щая всестороннего изучения - теоретической и эксперименталь­ной разборки и сборки «черного ящика».