Біологічне окиснення
Біологічне окиснення –це сукупність окислювально-відновних перетворень різних речовину живих організмах. Окисно-відновними називають реакції, що протікають зі зміною ступеня окислення атомів внаслідок перерозподілу електронів між ними.
Типи процесів біологічного окиснення:
1) аеробне (мітохондріальне) окисленняпризначено для вилучення енергії поживних речовин за участю кисню та накопичення її у вигляді АТФ. Аеробне окислення називається також тканинним диханнямоскільки при його протіканні тканини активно споживають кисень.
2) анаеробне окислення– це допоміжний спосіб отримання енергії речовин без участі кисню. Анаеробне окисленнямає велике значенняпри нестачі кисню, і навіть під час виконання інтенсивної м'язової роботи.
3) мікросомальне окисненняпризначено для знешкодження ліків та отрут, а також для синтезу різних речовин: адреналіну, норадреналіну, меланіну в шкірі, колагену, жирних кислот, жовчних кислот, стероїдних гормонів.
4) вільнорадикальне окисненнянеобхідно для регуляції оновлення та проникності клітинних мембран.
Основним шляхом біологічного окислення є мітохондріальне, пов'язане із забезпеченням організму енергією у доступній для використання формі. Джерелами енергії в людини є різноманітні органічні сполуки: вуглеводи, жири, білки. В результаті окислення поживні речовини розпадаються до кінцевих продуктів, в основному - до 2 і Н 2 О (при розпаді білків також утворюється NH 3). Енергія, що виділяється при цьому, накопичується у вигляді енергії хімічних зв'язківмакроергічних сполук, переважно – АТФ.
Макроергічні називаються органічні сполуки живих клітин, що містять багаті на енергію зв'язку. При гідролізі макроергічних зв'язків (позначаються звивистою лінією ~) вивільняється більше 4 ккал/моль (20 кДж/моль). Макроергічні зв'язки утворюються внаслідок перерозподілу енергії хімічних зв'язків у процесі обміну речовин. Більшість макроергічних сполук є ангідридами фосфорної кислоти, наприклад АТФ, ГТФ, УТФ і т.д. Аденозинтрифосфат (АТФ) займає центральне місце серед речовин із макроергічними зв'язками.
аденін – рибоза – Р ~ Р ~ Р, де Р – залишок фосфорної кислоти
АТФ знаходиться в кожній клітині в цитоплазмі, мітохондріях та ядрах. Реакції біологічного окислення супроводжуються перенесенням фосфатної групи на АДФ із утворенням АТФ (цей процес називається фосфорилюванням). Таким чином, енергія запасається у формі молекул АТФ і при необхідності використовується для виконання різних видівроботи (механічної, електричної, осмотичної) та для здійснення процесів синтезу.
Система уніфікації субстратів окиснення в організмі людини
Безпосереднє використання хімічної енергії, що міститься в молекулах харчових речовин, неможливо, тому що при розриві внутрішньомолекулярних зв'язків виділяється величезна кількість енергії, яка може призвести до пошкодження клітини. Щоб харчові речовини, що надійшли в організм, повинні пройти низку специфічних перетворень, у ході яких відбувається багатостадійний розпад складних органічних молекулна простіші. Це дає можливість поступового вивільнення енергії та запасання її у вигляді АТФ.
Процес перетворення різноманітних складних речовинв один енергетичний субстрат називається уніфікацією.Виділяють три етапи уніфікації:
1. Підготовчий етаппротікає у травному тракті, а також у цитоплазмі клітин організму . Великі молекули розпадаються на складові структурні блоки: полісахариди (крохмаль, глікоген) – до моносахаридів; білки – до амінокислот; жири – до гліцерину та жирних кислот. При цьому виділяється невелика кількість енергії (близько 1%), що розсіюється як тепла.
2. Тканинні перетворенняпочинаються в цитоплазмі клітин, закінчуються в мітохондріях. Утворюються ще простіші молекули, причому кількість їх типів істотно зменшується. Продукти, що утворюються, є спільними для шляхів обміну різних речовин: піруват, ацетил-коензимА (ацетил-КоА), α-кетоглутарат, оксалоацетат та ін. Найважливішою з таких сполук є ацетил-КоА – залишок оцтової кислоти, до якої макроергічний зв'язок коензим А – активна форма вітаміну В 3 (пантотенової кислоти). Процеси розпаду білків, жирів та вуглеводів сходяться на етапі утворення ацетил-КоА, утворюючи надалі єдиний метаболічний цикл. Для цього етапу характерне часткове (до 20%) звільнення енергії, частина якої акумулюється як АТФ, а частина розсіюється як тепла.
3. Мітохондріальний етап. Продукти, що утворилися на другій стадії, надходять до циклічної окисної системи - цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса)
і пов'язану з ним дихального ланцюга мітохондрій. У циклі Кребса ацетил-КоА окислюється до СО 2 і водню, пов'язаного з переносниками - НАД + Н 2 і ФАД Н 2 . Водень надходить у дихальний ланцюг мітохондрій, де відбувається його окислення киснем до Н2О. Цей процес супроводжується вивільненням приблизно 80% енергії хімічних зв'язків речовин, частина якої використовується на утворення АТФ, а частина виділяється у вигляді тепла.
Етапи |
Білки |
Вуглеводи (полісахариди) |
Жири |
I підготовчий; вивільняється 1% енергії поживних речовин (у вигляді тепла); |
амінокислоти |
|
гліцерин, жирні кислоти |
|
II тканинні перетворення; 20% енергії у вигляді тепла та АТФ |
ацетил-КоА (СН 3 -СО ~ SKoA) |
||
|
ІІІ мітохондріальний етап; 80% енергії (приблизно половина – у вигляді АТФ, решта – у вигляді тепла). |
Цикл трикарбонових кислот Дихальний ланцюг мітохондрій Про 2 |
||
Класифікація та характеристика основних оксидоредуктаз у тканинах
Важливою особливістю біологічного окиснення є те, що воно протікає під дією певних ферментів (оксидоредуктаз).Усі необхідні ферменти кожної стадії об'єднані в ансамблі, які, зазвичай, фіксуються різних клітинних мембранах. Внаслідок злагодженої дії всіх ферментів хімічні перетворення здійснюються поступово, як на конвеєрі. При цьому продукт реакції однієї стадії є вихідним з'єднанням наступної стадії.
Класифікація оксидоредуктаз:
1. Дегідрогенази здійснюють відщеплення водню від субстрату, що окислюється:
SH 2 + A → S + AH 2
У процесах, пов'язаних із вилученням енергії, найпоширеніший тип реакцій біологічного окислення – дегідрування, тобто відщеплення від субстрату, що окислюється, двох атомів водню і перенесення їх на окислювач. Насправді водень у живих системах перебуває над вигляді атомів, а є суму протона і електрона (Н + і ē), маршрути руху яких різні.
Дегідрогенази є складними білками, їх коферменти (небілкова частина складного ферменту) здатні бути і окислювачем, і відновником. Забираючи водень від субстратів, коферменти переходять у відновлену форму. Відновлені форми коферментів можуть віддавати протони та електрони водню іншому коферменту, який має вищий окислювально-відновний потенціал.
1) НАД + - та НАДФ + -залежні дегідрогенази(коферменти - НАД+ та НАДФ+ - Активні форми вітаміну РР ). Приєднують два атоми водню від окислюваного субстрату SH 2 при цьому утворюється відновлена форма - НАД + Н 2:
SH 2 + НАД + ↔ S + НАД + · Н 2
2) ФАД-залежні дегідрогенази(коферменти - ФАД та ФМН – активні форми вітаміну В 2). Окислювальні здібності цих ферментів дозволяють їм приймати водень як безпосередньо від субстрату, що окислюється, так і від відновленого НАДН 2 . При цьому утворюються відновлені форми ФАД Н 2 і ФМН Н 2 .
SH 2 + ФАД ↔ S + ФАД · Н 2
НАД + · Н 2 + ФМН ↔ НАД + + ФМН · Н 2
3) коензимQабо убіхінон,який може дегідрувати ФАД Н 2 і ФМН Н 2 і приєднувати два атоми водню, перетворюючись на КоQ Н 2 ( гідрохінон):
ФМН·Н 2 + КоQ ↔ ФМН + КоQ·Н 2
2. Залізовмісні переносники електронів гемінової природи – цитохромиb, c 1 , c, a, a 3 . Цитохроми - це ферменти, що належать до класу хромопротеїдів (забарвлених білків). Небілкова частина цитохромів представлена гемом, Що містить залізо і близьким за будовою до гему гемоглобіну Одна молекула цитохрому здатна оборотно приймати один електрон, змінюється ступінь окислення заліза:
цитохром(Fe 3+) + ē ↔ цитохром(Fe 2+)
Цитохроми a, a 3
утворюють комплекс, званий цитохромоксидазою. На відміну з інших цитохромів, цитохромоксидаза здатна взаємодіяти з киснем – кінцевим акцептором електронів.
Цикл трикарбонових кислот (ЦТК)
Цей процес називають також цитратним цикломабо циклом Кребсана ім'я англійського вченого, який припустив, що в клітинах є окислювальна циклічна система реакцій. ЦТК являє собою розпад ацетил-КоА, що протікає в мітохондріях, до СО 2 і водню, пов'язаного з переносниками (НАД і ФАД).
На першій стадії процесу ацетил-КоА взаємодіє з оксалоацетатом (щавлевооцтовою кислотою) з утворенням цитрату (лимонної кислоти). Далі від лимонної кислоти послідовно відщеплюються 2 молекули вуглекислого газу і 4 пари атомів водню, і знову утворюється щавлевооцтова кислота, тому процес і називається циклом .
ЦТК пов'язаний із тканинним диханням. Проміжні метаболіти циклу є субстратами окиснення (ізоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат та малат). У циклі відбувається їх окислення (дегідрування) під дією НАД-і ФАД-залежних дегідрогеназ. У цьому НАД і ФАД відновлюються, тобто. приєднують водень:
ізоцитрат + НАД → оксалосукцинат + НАДН 2
(ізолімонна кислота) (щавлевоеянтарна кислота)
α-кетоглутарат + НАД → сукциніл-КоА + НАДН 2
(α-кетоглутарова кислота) (активна форма бурштинової кислоти)
сукцинат + ФАД → фумарат + ФАДН 2
(бурштинова кислота) (фумарова кислота)
малат + НАД → оксалоацетат + НАДН 2
(яблучна кислота) (щавлевооцтова кислота)
Водень з циклу Кребса (у вигляді НАДН 2 і ФАДН 2) надходить у дихальний ланцюг, де він використовується як свого роду паливо. У дихальному ланцюгу відбувається перенесення протонів та електронів водню на кисень з утворенням води. Енергія, що виділяється при цьому, використовується на утворення АТФ.
Біологічна роль циклу:
На рівні циклу Кребса поєднуються шляхи розпаду вуглеводів, ліпідів та білків;
Метаболіти циклу Кребса використовуються для синтезу інших речовин (щавлевооцтова кислота → глюкоза, аспарагінова кислота; α-кетоглутарова кислота → глутамінова кислота, бурштинова кислота → гем);
Цикл Кребса – головна система, що постачає водень для дихального ланцюга мітохондрій. Сумарне рівняння перетворення ацетил-КоА у циклі Кребса:
СН 3 -С~SКоА + 2Н 2 О + Н 3 РО 4 + АДФ + 3НАД + ФАД → 2СО 2 + 3НАД ∙ Н 2 + ФАД ∙ Н 2 + АТФ + КоАSH
║ ↓ ↓Про 9 АТФ 2 АТФ
Таким чином, при окисленні однієї молекули ацетил-КоА у циклі Кребса утворюється 12 молекул АТФ:у сполученому з циклом дихального ланцюга – 11 молекул; в самому циклі - 1 молекула АТФ на етапі перетворення сукциніл-КоА на сукцинат:
ГТФ + АДФ → АТФ + ГДФ (знов надходить у цикл)
Структура та функції дихального ланцюга
Д 
Нахальний (електронтранспортний) ланцюг знаходиться в мітохондріях, які
являють собою органели овальної форми, що входять до складу багатьох клітин організму. Кожна мітохондрія оточена двома мембранами: зовнішньою та внутрішньою. Зовнішня мембрана гладка, внутрішня утворює численні гребенеподібні складки. кристи. Кристи істотно збільшують поверхню внутрішньої мембрани, забезпечуючи місце розміщення ферментних систем дихального ланцюга. Простір між зовнішньою та внутрішньою мембранами – міжмембранний простір. Простір між христами заповнено водним середовищемзваної матриксом. У матриксі знаходяться ферменти циклу трикарбонових кислот та інші окисні ферменти.
Перенесення електронів і протонів водню до кисню здійснюється на внутрішній мембрані мітохондрій за допомогою декількох типів окислювально-відновних ферментних систем, сукупність яких утворює так звану дихальний ланцюг.Компоненти дихального ланцюга вбудовані у внутрішню мембрану мітохондрій та діють як єдиний дихальний ансамбль.
Дихальний ланцюг - це своєрідний конвеєр з перенесення електронів від субстрату, що окислюється, до кисню. Вона складена з кількох типів переносників ē і Н + і її можна представити у вигляді наступної узагальненої схеми:
2Н 2Н 2ē 2ē 2ē 2ē 2ē
Н 
АТ → ФМН → КоQ → 2 цит.b → 2 цит.c 1 → 2 цит.c → 2 цит.aa 3 → ½ Про 2 → Про 2- → Н 2
SН 2 ФАД 2Н +
(ізоцитрат,
α-кетоглутарат, SН 2
малат та ін) (сукцинат та ін)
У процесі розпаду вуглеводів, жирів та білків утворюються сполуки, які є субстратами біологічного окислення (SН 2). Переважно вони утворюються у циклі Кребса (ізоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, малат). Під дією НАД-і ФАД-залежних дегідрогеназ від них відщеплюється по два атоми водню. Після цього починається транспорт протонів і електронів водню дихальним ланцюгом.
Відновлений НАДН 2 взаємодіє з дегідрогеназою, що містить ФМН як кофермент. ФМН акцептує (забирає) водень, що відщеплюється від НАДН 2 .
Наступний компонент дихального ланцюга коензим Q (убіхінон) приймає 2Н від ФМН. Убіхінон являє собою вузловий пункт, куди стікається водень, що надходить в дихальний ланцюг від різних субстратів.
Якщо 3 перші компоненти дихального ланцюга – НАД, ФМН та убіхінон – переносили водень, тобто: і протони, і електрони, то, починаючи з цитохрому bі до кисню потоки протонів і електронів поділяються, тому що подальша ділянка дихального ланцюга містить тільки переносники електронів. Від коензиму Q два електрони переходять на дві молекули цитохрому b,потім послідовно на цитохроми c 1 , c, a, a 3 . Кисень, приєднавши два електрони від двох молекул цитохрому a 3 , взаємодіє з двома протонами та перетворюється на воду.
Напрямок перенесення електронів у дихальному ланцюзі визначають окислювально-відновні потенціали переносників. Окисно-відновний потенціал (Е)характеризує здатність молекули приймати електрони. Що Е компонента ланцюга, то вище його сила як окислювача. Переносники в дихальному ланцюгу розташовані в порядку збільшення Е, так як можлива віддача електронів тільки з'єднанню з більш високим окислювально-відновним потенціалом. У кисню найвища здатність приймати електрони (Е = +0,82В), водню – найменша (Е = -0,42В). Таким чином, кисень, будучи найбільш сильним окислювачем, створює рушійну силудля перенесення електронів дихальним ланцюгом.
Механізм сполучення окислення та фосфорилювання
Перепад потенціалів від Н 2 до О 2 становить 1,24, що теоретично достатньо для синтезу 6 молекул АТФ, проте реально синтезується не більше трьох.
SН 2 + ½ Про 2 S + Н 2 Про (окислення)
3АДФ + 3Н 3 РО 4 3АТФ (фосфорилювання)
АТФ утворюється шляхом приєднання до АДФ залишку фосфорної кислоти. Цей процес називається фосфорилюванням. Таким чином, два процеси: процес біологічного окислення (передача протонів і електронів по дихальному ланцюгу) і процес фосфорилювання (освіта АТФ) є сполученими, оскільки енергія, що утворюється при окисленні, використовується для фосфорилювання. Тому утворення АТФ за рахунок енергії, що виділяється при проходженні електронів по дихальному ланцюгу, називається окисним фосфорилюванням.
Для кількісної характеристики сполучення окислення та фосфорилювання використовується коефіцієнт фосфорилювання- Відношення Р/О. Цей коефіцієнт показує, скільки атомів неорганічного фосфору поглинається мітохондрією при поглинанні одного атома кисню (або при перенесенні однієї пари електронів на кисень).
Розрахунки показують, що для утворення одного макроергічного зв'язку АТФ, витрати на який становлять не менше 40 кДж/моль, потрібен перепад окислювально-відновних потенціалів між учасниками дихального ланцюга приблизно 0,22 на пару перенесених електронів. У дихальному ланцюгу є лише три ділянки з різницею про/в потенціалів, достатньої для синтезу АТФ ( три ділянки сполучення окислення та фосфорилювання):
I – між НАД∙Н 2 та ФМН;
II – між цитохромами bі c;
III – між цитохромами aі a 3 .
На цих етапах виділення енергії достатньо для синтезу АТФ. На інших етапах перепад о/в потенціалів недостатній для синтезу АТФ і енергія, що виділяється (близько 40-50%), розсіюється у вигляді тепла. Таким чином, при проходженні двох електронів по дихальному ланцюгу, який починається НАД-залежними дегідрогеназами утворюється три молекули АТФ. У цьому випадку коефіцієнт Р/О = 3.
Деякі субстрати окислення (сукцинат, жирні кислоти) мають вищий окислювально-відновний потенціал, ніж НАД. Тому вони окислюються не НАД, а ФАД-залежними дегідрогеназами. При окисленні таких речовин утворюється лише дві молекули АТФ, оскільки пропускається один пункт сполучення окислення та фосфорилювання. Тому коефіцієнт Р/О = 2.
Наведені значення коефіцієнтів фосфорилювання є розрахунковими, реальне значення цього коефіцієнта у фізіологічних умовах становить Р/О ≈ 2,5.
Коефіцієнт Р/О може мати ще нижчі значення (Р/О роз'єднання окислення та фосфорилювання. При цьому окисно-відновні процеси в дихальному ланцюгу протікають, але фосфорилювання (синтез АТФ) не відбувається, тобто дихальний ланцюг працює як би на холостому ходу Вся енергія окислюваних речовин перетворюється на теплоту Мітохондрії стають своєрідною клітинною «пічкою», що виробляє теплоту Це необхідно в тих ситуаціях, коли потреба в теплоті для організму більша, ніж потреба в АТФ, наприклад, для підтримки температури тіла при охолодженні.
Мікросомальне окиснення
Поряд з тканинним диханням, яке залучається від 80% до 90% споживаного людиною кисню, в організмі постійно протікають й інші реакції за участю кисню, в тому числі мікросомальнеі вільнорадикальнеокиснення.
Мікросомальне окиснення не пов'язане із синтезом АТФ. Механізм даного типу окислення субстрату киснем передбачає таку взаємодію субстрату (S) з молекулярним киснем, при якому один атом кисню включається в субстрат, що окислюється, інший - в молекулу води. За рахунок включення кисню в молекулі субстрату, що окислюється, виникає гідроксильна група (-ОН), тому даний видокиснення називається гідроксилюванням.
SН + О 2 + А∙Н 2 → S-ОН + Н 2 О + А
де SН - субстрат, що окислюється; А∙Н 2 – донор водню (аскорбінова кислота або НАДФ∙Н 2).
Ферменти, що беруть участь у оксигеназному окисненні, називаються гідроксилазами, або оксигеназами. Ці ферменти містять у активному центрі іони металів із змінною валентністю (Fe, Cu). Гідроксилази можуть існувати в розчинному вигляді в клітинному соку, або у вигляді спеціальних груп окисних ферментів, розташованих у мембранах цитоплазматичної мережі печінкових клітин, мітохондрі клітин кори надниркових залоз і т.д. При розтиранні тканини фрагменти цитоплазматичної мережі мимоволі замикаються в бульбашкоподібні структури, які називаються мікросомамитому цей тип окислення називають мікросомальним. Група окислювальних ферментів мікросом є циклічним ланцюгом транспорту електронів і протонів, джерелом яких служить переважно НАДФ∙Н 2 . Головним компонентом цієї системи є цитохром Р 450 з катіоном заліза (Fe 3+ ↔ Fe 2+) в активному центрі, де починається окислення субстратів. Назва цитохрому пов'язана з тим, що його відновлена форма зв'язує оксид вуглецю СО і набуває характерного поглинання світла при 450 нм.
При взаємодії цитохрому Р 450 з субстратом та киснем відбувається їх активація та окислення не тільки субстрату, але й НАДФ Н 2 . Завдяки цьому цитохром Р 450 віддає молекулі кисню чотири електрони. В результаті один з атомів кисню впроваджується по зв'язку С-Нмолекули субстрату, що окислюється, а інший – відновлюється з утворенням води.
Біологічна роль мікросомального окиснення:
1. Синтез різних речовин. Розчинні ферменти за участю аскорбінової кислоти як донор водню здійснюють синтез адреналіну та норадреналіну в хромафінній тканині; пігменту меланіну з тирозину в шкірі, райдужці та сітківці ока; основного білка сполучної тканини – колагену. Ферменти мікросом беруть участь у освіті ненасичених жирних кислот; жовчних кислот та стероїдних гормонів надниркових залоз з холестерину, лейкотрієнів з арахідонової кислоти.
2. Знешкодження різних токсичних речовин у печінці. Особливо це стосується чужорідних речовин не природного походження, які називаються ксенобіотиками. При мікросомальному окисненні токсичні речовини стають водорозчинними, в результаті вони не накопичуються в клітині, а легко виводяться із сечею. Відомо понад 7000 найменувань сполук, що окислюються мікросомальною системою печінки. Однією з головних особливостей цитохрому Р 450 є здатність його білка змінювати свою конформацію у відповідь на появу в організмі того чи іншого ксенобіотика, забезпечуючи тим самим ефективну взаємодію з ним. За рахунок такої адаптації цитохром Р 450 є універсальним ферментом детоксикації, здатним взаємодіяти майже з будь-якими сполуками. Єдиною вимогою до окислюваного субстрату – він має бути неполярним, оскільки цитохром Р 450 знаходиться у ліпідному шарі мембран.
Вільнорадикальне окиснення
Вільні радикали – це частки з неспареним електроном (наявність неспареного електрона позначається точкою). Головним джерелом радикалів в людини є молекулярний кисень, а разі радіаційного впливу – вода ( радіоліз води). Від 1 до 3% кисню, що споживається людиною, витрачається на утворення вільних радикалів. Молекула кисню містить два неспарені електрони і являє собою бірадикал · Про 2 ·. Однак неспарені електрони розташовані так, що молекула 2 залишається відносно стабільною. При повному відновленні (тканинному диханні) молекула кисню, приймаючи чотири електрони і чотири протони, перетворюється на дві молекули води. При неповному відновленні кисню утворюються різноманітні активні форми. До активним формам киснювідносяться:
В· 2 ‾ - супероксидний радикал(+ Н + → АЛЕ 2 гідроперекисний радикал)
↓+ ē (+2Н +)Н 2 Про 2 - перекис водню
·ВІН - гідроксильний радикал
Під впливом світла молекулярний кисень перетворюється на синглетное стан, тобто. в синглетний кисеньПро 2”, в якому всі електрони спарені. Синглетний кисень нестійкий, період напіврозпаду – 45 хв. Він більш активний у реакціях окиснення, ніж молекулярний кисень. Окисна здатність активних форм кисню зростає в наступній послідовності:
Про 2 → Про 2 " → ·Про 2 ─ → АЛЕ 2 → Н 2 О 2 → АЛЕ
Освіта активних форм кисню відбувається у організмі постійно. В організмі токсичні кисневмісні радикали виникають при взаємодії Про 2 з металопротеїнами (гемоглобін, цитохроми), що містять катіони металів нижчих ступеняхокислення (Fe 2+ , Cu + , Mn 2+), отримуючи від них електрон:
Fe 2+ + Про 2 → Fe 3+ + ·Про 2 ─
Хімічні реакції, що призводять до появи вільних радикалів є нормальними процесами людського організму. Вільні радикали з'являються в результаті тканинного дихання, перенесення кисню гемоглобіном, синтезу гормонів, простагландинів, фагоцитозу, знешкодження лікарських препаратів та різних токсичних речовин печінкою, фізичної активностіі т.д.
Радикальні частинки, що утворилися, насамперед радикал АЛЕ, мають надзвичайно високу реакційною здатністю. Вільні радикали реагують практично з будь-якими молекулами, викликаючи порушення їх структури та функцій: білками, нуклеїновими кислотами, вуглеводами, ліпідами. Особливо агресивні вільні радикали щодо ДНК та ліпідів. Їхня взаємодія з ДНК призводить до порушення генетичного коду, і може стати джерелом розвитку ракової пухлини. Однак насамперед вільні радикали беруть участь у реакціях перекисного окислення ліпідів (ПОЛ). При цьому окислення піддаються ненасичені жирні кислоти, що входять до складу фосфоліпідів клітинних мембран. Процес ПОЛ можна умовно поділити на три етапи:
Iетап – утворення вільних радикалів ліпідів:
RH + ВІН → R (R─CH 2 ─CH═CH─R" + АЛЕ → R─CH ─CH═CH─R" + Н 2 О)
алільний радикалIIетап – продукція перекисів ліпідів: окислення алільного радикалу молекулярним киснем з утворенням пероксидних радикалів:
R + О 2 → ROO (R─CH ─CH═CH─R" + О 2 → R─CH─CH═CH─R")
│Пероксидний радикал потім відновлюється гідропероксид за рахунок окислення іншої молекули жирної кислоти у вільний радикал: ROO + RH → ROOH + R
Реакції ПОЛ мають ланцюговий характер, і радикал R, що утворився, бере участь у розвитку ланцюга.
IIIетап – обрив ланцюгавідбувається, коли радикали взаємодіють друг з одним із заснуванням неактивних продуктів, чи з антиоксидантом. Продуктами перекисного окислення ненасичених ліпідів служать гідроперекиси ліпідів, а також спирти, альдегіди, карбонові кислоти. Так, при розпаді гідроперекисів ліпідів утворюється малоновий діальдегід О-СН-СН 2 -СН-О, який утворює «зшивки», що порушують структуру білків.Фізіологічна роль процесу ПОЛ полягає у регуляції оновлення та проникності ліпідів біологічних мембран. Однак, якщо створюються умови для утворення великої кількості вільних радикалів, то процес ПОЛ може набувати лавиноподібного характеру. Це може призвести до зміни фізико-хімічних властивостей ліпідної фази мембрани, що веде до порушення транспортних, рецепторних та інших функцій, і порушення структурної цілісності мембран аж до повного їх руйнування та загибелі клітини. Крім того, пригнічується активність ферментів і накопичуються перекисні сполуки, небезпечні для здоров'я.
При екстремальних та патогенних впливах на організм утворення кисневих радикалів різко посилюється, почасти через активацію окисного фосфорилювання та гідроксилювання ксенобіотиків. Посилення процесів ПОЛ має універсальний шкідливий характер і відіграє важливу роль у процесі старіння та розвитку різних патологічних станів: захворювання серцево-судинної системи, печінки, легень тощо.
У нормі організм контролює процеси ПОЛ, регулюючи кількість та активність вільних радикалів. Для цього існує антиоксидантна система (АВС)організму, що перешкоджає надмірній активації ПОЛ. АОС включає:
ферментативна ланка, що перешкоджає утворенню АФК- це ферменти, що виробляються в самому організмі: каталаза, супероксиддисмутаза, глютатіонредуктаза, глютатіонпероксидаза;
В· 2 ─ + 2Н + Н 2 О 2 + О 2
Каталаза глутатіонпероксидаза (містить селен і трипептид глутатіон G-SH)
2Н 2 О + О 2 2G─SH + Н 2 О 2 → G─S─S─G + 2 Н 2 О
неферментні антиоксиданти, що знешкоджують продукти ПОЛ(перешкоджають утворенню перекисів ліпідів). Вони включають не синтезовані в нашому організмі вітаміни А, С, Е, β-каротин, біофлавоноїди. Всі ці речовини, за винятком вітаміну С, добре розчиняються в жирах. Їх називають «пастками вільних радикалів» в організмі. Антиоксиданти, взаємодіючи з радикалами, переходять в окислені форми, які під дією відповідних ферментів знову перетворюються на відновлені форми. Наприклад, вітамін Е, який є в мембранах, є своєрідною хімічною системою захисту мембран від перекисного окислення ліпідів. Крім того, антиоксидантні властивості мають багато речовин, що виробляються самим організмом - коензим Q, сечова кислота, стероїдні гормони, тироксин. Ефективними антиоксидантами є тіолиR─ SH, які необхідні для роботи ферменту глутатіонпероксидази До природних тіолів відносяться глутатіон, цистеїн, дегідроліпоат.
сторінка 1
|
|
Біоенергетичні процеси, що призводять до синтезу АТФ, до зарядки «біологічних акумуляторів», протікають у спеціалізованих мембранах мітохондрій. Саме тут локалізовані та просторово організовані молекулярні системи, відповідальні за енергетику живих організмів. Синтез АТФ у мітохондріях пов'язаний з електронним та іонним транспортом та з механохімічними явищами. Функції мітохондріальних мембран дуже складні та різноманітні. Інший тип біоенергетичних сполучних мембран - мембрани хлоропластів рослин, відповідальні за фотосинтез - розглядається в гл.7.
Джерелом енергії, що витрачається клітиною на біосинтез, активний транспорт, механічну та електричну роботу, є дихання, тобто окислення органічних сполук киснем повітря. У 1780 р. Лавуазьє показав, що дихання та горіння мають єдину природу. За наступні майже два століття дослідження хіміків, біологів та фізиків призвели до розкриття основних особливостей біологічного окислення - одного з найважливіших процесів (або, швидше, системи процесів), що відбуваються у живій природі.
Паливо, т. е. речовини, що окислюються, надходить в організм тварини з їжею у вигляді жирів, вуглеводів і білків. Жири є тригліцеридами жирних кислот, головним чином багатоатомних. Вони розщеплюються, т. е. гідролізуються у реакціях, що каталізуються спеціальними ферментами. Жирні кислоти активуються за участю специфічних ферментів та АТФ, перетворюючись на ацилпохідні так званого кофер-менту А, Ко А – SH, структура якого показана на рис. 6.1. Окислення ацилпроизводного Ко А - SH відбувається у ряді стадій, кожної з яких утворюється залишок жирної кислоти, що містить на два атоми вуглецю менше, ніж попередній . Повне рівнянняреакції окислення жирної кислоти з парною кількістю атомів вуглецю до ацетил-S - Ко А має вигляд
Н3С(СН2СН2)„С02Н + АТФ + (п + 1) КоА - SH + лНАД+ +
ПЕ ■ ФАД + лН20 ->- (п + 1) CH3COS - КоА +
+ (£5ф + £фч) + "НАД-Н + пЕ - ФАД-Н +
Тут НАД - кофермент нікотинамідаденіндінуклеотид (рис.
6.2), Е - фермент, ФАД-кофермент флавінаденіндінуклеотид
Рис. 6.1. Кофермент А.
TOC \o "1-3" \h \z (рис. 6.3), АДФ та АМФ - аденозиндифосфат та аденозинмоно - фосфат, Фн, ФФН - неорганічні моно- та дифосфати. Звернімо увагу принагідно на спільність і
Будова АТФ, КоА-SH, НАД та НВ
ФАД (див., гл. 2). При зруйнуванні - /\ / \
Нії жирів зрештою обра - н| 9 NH2
Зується ацетил-КоА, а також про-п^
ПІОНІЛ-КО А І ГЛІЦЕРИН. - g_p_Q_QH
Розщеплення та окислення вугле-і | |
Водів (зокрема, крохмалю) при - \ С^н н^С веде до утворення тріозофосфу - і |
Тов і піровиноградної кислоти I н L L н I 2
(Пірувата). н°-рГ° 0Н 0Н „/год
При руйнуванні білків, поряд / С N
З індивідуальними амінокислота - \ НСч J I
Мі, що використовуються в синтезі біл - СН2 0 \
Ков de novo, утворюються ацетил - N
К А, оксалацетат, а-кетоглутарат, INc^c/I
Фумарат та сукцинат. Ці процеси н і і н
Метаболізму детально вивчені в він ВІН
Сучасної біохімії (див.). Рис. в-2- Нікотинамідаденін-
Основні продукти розщеплення - динуклеотид (НАД),
Нію та окислення жирів, вуглеводів
І білків зазнають подальших перетворень у циклічній системі реакцій, що називається циклом лимонної кислоти або циклом Кребса. Ця система локалізована в мітохондріях. Цикл Кребса, «образно кажучи, та головна вісь, навколо якої крутиться метаболізм багатьох існуючих клітин... Цикл
Кребса є «фокусом», у якому сходяться всі метаболічні шляхи».
Цикл Кребса зображено на рис. 6.4. За один оберт циклу, що складається з восьми реакцій, зазначених на малюнку цифрами в гуртках, відбувається деградація однієї молекули ацетил-КоА
Н2с-СН-СН-СН-СН,-О-Р-О-Р-О-СН, n-^Ч
A/\A/NH він він
Н, С V N С s Н II
Рис. 6.3. Флавіаденіндинуклеотид (ФАД).
Або однієї молекули піру вату до С02 і Н20, тобто «згоряння» цих молекул. Відповідні сумарні реакції мають вигляд
CH, COS - КоА + З НАЦ + + (ФАД) + ГДФ + Ф„ + 2 Н20 -
2 С02 + КоА - SH + З НАД-Н + (ФАД-Н) + ГТФ + ЗН +, Піруват + КоА - SH + НАД + - * CH3COS - КоА + НАД-Н + + Н + + С02.
(Купки позначають, що ФАД тісно пов'язаний з білком.)
Від циклу Кребса йдуть шляхи багатьох біосієтіческіх реакцій-шляхи синтезу вуглеводів, ліпідів, пуринів, піримідії і порфірн. Синтез білків також пов'язані з циклом, у якому створюються попередники низки амінокислот. Разом з тим, як ми побачимо, біологічне окиснення є джерелом енергії, що запасається в АТФ та необхідною для біосинтетичних процесів.
У реакціях циклу виникають С02 та іони Н+. Одночасно відбувається відновлення коферментів НАД та ФАД. Для безперервного та повного біологічного окислення ці кофермеї - ти маєш окислюватися знову. Окислення здійснюється сукупністю переносників електронів, що утворюють ланцюг перенесення електронів (ЦПЕ), фіксований у мітохондріях. ЦПЕ забезпечує наступні реакції:
З НАД-Н + 1,5 02 + ДТ + з НАД + + 3 Н20 - 3 52,4 ккал/моль,
(ФАД-Н) + 0,5 О - (ФАД) + Н20 - 36,2 ккал/моль.
Реакція ацетил-КоА має вигляд
CH3COS - КоА + 202 -> 2 С02 + Н20 + КоА - SH - 215,2 ккал/моль.
ЦПЕ, інакше називається дихальним ланцюгом, є
Вуглеводи-*-CH-CDC07 п
ПіруВат у Жирні
У v4*- "Ацетил-КоК С02 2Н ■
^ з = про (Т) г «
Фн Сущиніл-Ш KoA_SH Мал. 6.4. Цикл Кребса.
Тре-"ЪА.-ізоцитрац
А-кетоглутарапі
АЛЕ-СН С02 fiOj (2)
СН2 Оксалацетат Цитрат
FQ) l-тлат \ Vz
Поліферментну систему, що акцептує електрони з циклу Кребса та циклу окислення жирних кислот.
Електрон переноситься по наступному ланцюгу: Сукцинат-ФП3 1
Субстрат -*■ НАД -»- ФП0 ->■ Цитохром Ь ->- -*■ Цитохром С) -» Цитохром з -»- Цитохроми а + аз -*■ 02.
Флавопротеїди - специфічні ферменти, що містять флаві-нові коферменти-ФАД (див. рис. 6.3) і флавінмононуклео-тид ФМН, рибофлавін-5"-фосфат. Цитохроми містять групу гема, атом заліза якого під час роботи ланцюга піддається окисленню та відновленню
Fe2+ Fe3+ - f e~.
Перенесення електронів у наведеному ланцюзі відбувається ліворуч, завершуючись відновленням кисню, який з'єднується з воднем і утворює воду. Електрон, що звільняється при окисленні, з'єднується з наступною ланкою ланцюга. Перенесення електронів супроводжується зміною вільної енергії, оскільки електрони переміщаються по каскаду зростаючих окислювально-відновних потенціалів. Їхні значення наведені в табл. 6.1.
Таблиця 6.1
Окисно-відновні потенціали деяких систем
Перенесення електронів з дихального ланцюга пов'язане із запасанням енергії в макроергічних молекулах АТФ. Іншими словами, вільна енергія, що звільняється, конвертується в хімічну енергію АТФ. Відбувається окисне фосфорилування.
Це найважливіше явище було вперше відкрито Енгельгард-том у 1930 році. Беліцер і Цибакова докладно вивчили стехіометричні співвідношення між окисленням і фосфори - люванням, провели перші визначення коефіцієнта Фн О. т. е. відношення числа молекул етерифікованого неорганічного
ського фосфату до атомів поглиненого кисню, і показали, що значення цього коефіцієнта не менше 2. У роботі були дані термодинамічні оцінки, що показали, що енергія перенесення електронів на кисень достатня для утворення двох або більшого числамолекул АТФ однією атом поглиненого кисню. Калькар встановив, що аеробне фосфорилювання пов'язане з диханням і не залежить від гліколітичного фосфорилювання. Кількісні співвідношення було уточнено Очоа. Коефіцієнт Фн: Про для окисних реакційциклу Кребса та реакцій за участю НАД дорівнює 3. Ленінджер вперше встановив, що процеси окисного фосфорилювання локалізовані саме в мітохондріях.
Прямі стрілки показують місця входження електронів. ФП. ФП, ...-флавопротеїди.
KoQ – кофермент Q.
10], і у роботах його лабораторії було знайдено вузлові пункти дихального ланцюга, у яких відбувається фосфорилювання. Вказане значення Фн: Про випливає з рівняння
НАД-Н + Н + + З АДФ + 3 Ф "+ V2O2 - НАД + + 4 Н20 + 3 АТФ. У цьому рівнянні підсумовуються екзергонічну реакцію НАД-Н + Н+ + V2O2 -> НАД+ + Н20 + 52,7 ккал/моль
І ендергонічна реакція
3 АДФ + 3 Фн ->■ З АТФ + 3 Н20 - 21,9 ккал/моль.
Фосфорилювання АДФ -> АТФ відбувається у трьох вузлових пунктах - в ділянці ланцюга НАД-Н - флавопротеїд, в ділянці цитохром Ь цитохром сі та в ділянці цитохром з -* цитохроми а + а3.
Загальна схема сполучення окислення з фосфорилюванням наведена на рис. 6.5.
Напишемо знову брутто-рівняння фосфорилювання
ПіруВат ^ Сущинагп
АДФ + H2P04" - f Н+ +=± АТФ + HgO - ДО,
Де AG – зміна вільної енергії. Маємо
TOC \o "1-3" \h \z [адф] Гн, ро:1 [н+] , >4
AG = AG" + RT ІП. (6.1)
AG0 - стандартна змінавільної енергії в калоріях, тобто значення AG при рН 7,0, 25°З концентраціях всіх компонентів, рівних 1,0 М. Як відомо,
AG0 = - RT In К, (6.2)
де К - константа рівноваги реакції. Для фосфорилювання AG0 = 7,3 ккал/моль. Спостережуване значення AG in vivo залежить від концентрації протонів з обох боків мембрани і, отже, від мембранної різниці потенціалів. AG залежить також від концентрації іонів Mg++. При зміні рН від 6,0 до 9,0 = 10 мМ AG змінюється від 6,17 до 9,29 ккал/моль (див. ).
Зміна вільної енергії при перенесенні двох електронних еквівалентів ЦПЕ від НАД-Н до 02 визначається різницею окислювально-відновних потенціалів 0,82 - (-0,32) = = 1,14 В, тобто.
AG0 = z Д-ф = - 2 23,06 -1,14 ккал/моль = - 52,7 ккал/моль.
Це забезпечує з надлишком синтез 3 молей АТФ із АДФ та Фн. Ефективність процесу виражається величиною 21,9/52,7, тобто приблизно дорівнює 40%.
Енергетичний сенс дихання полягає у синтезі АТФ. Енергія, акумульована в АТФ, використовується клітиною виконання всіх видів її роботи.
Розкриття хімізму біологічного окислення – найбільше досягнення біохімії. Тут викладено лише деякі найважливіші відомості, докладний розгляд складної біохімічної системи окиснення міститься у спеціальній літературі (див. ).
Особливість системи окисного фосфорилювання, що відрізняє її від ряду ферментативних реакцій, що протікають у розчині, полягає в строгій просторовій локалізації ланок багатоступінчастого процесу. Окислювальне фосфоріліро-вання локалізовано в мітохондріях і безпосередньо пов'язане з транспортною та механохімічною функціональністю їх мембран. Мабуть, так складна системаБіохімічних реакцій принципово вимагає просторової неоднорідності і не могла б реалізуватися в гомогенному середовищі.
Розшифрування коротко описаних тут окиснювально-відновних реакцій було отримано в результаті застосування тонких хімічних та фізичних методів. Тут, зокрема,
відіграли велику роль роботи Чаїса, присвячені спектроскопії переносників електронів (НАД, ФП, цитохромів) в інтактних мітохондріях. Ці переносники мають характерні смуги поглинання у видимій та близькій ультрафіолетовій областях спектру, і різницеві спектри дозволяють вивчати кінетику їх окислення та відновлення. Були застосовані різні способи видалення мітохондрій специфічних ферментів н. тим самим, збереження лише певних ланок
Рис. 6.6. Розподіл білків за комплексами ЦПЕ І, ІІ, ІІІ, ІV.
А, Ь, с. Сі, йі->нтохроми, Сі - медьсодержащіе білкн, (Fe -be) -негемннове залізо, fs - сукцинатдегідрогеназу, iq-НАД Н-дегідрогеназу.
процес. Мітохондрії піддавалися розчленуванню, з субмітохондріальних частинок виділялися комплекси дихальних ферментів, вільні від структурних білків. Такі комплекси виявилося можливим очищати та детально досліджувати. Були проведені успішні досліди щодо відновлення ЦПЕ з виділених препаратів та розчинних ферментів. Нарешті, дуже цінна інформація була отримана в дослідах щодо інгібування окремих стадій процесу та роз'єднання окислювального фосфорилювання та перенесення електронів (див. § 6.5).
Можна вважати встановленим, що переносники ЦПЕ згруповані на чотири комплекси, іменовані комплексами Гріна (див. ). Відповідну схему наведено на рис. 6.6. Молекулярна вага кожного комплексу дорівнює приблизно 3-Ю5 Він містить близько 64% білка та 36% ліпідів. Електрон-переносить
комплекс визначається як мінімальна одиниця ЦПЕ, що зберігає здатність переносити електрон зі швидкістю, порівнянною із цією швидкістю в інтактних мітохондріях.
Вивчення біологічного окислення зустрічається з необхідністю вирішення низки фізичних проблем, що належать до різних рівнів організації та функціонування системи.
Структура та функції молекулярних переносників електронів вивчені ще недостатньо. У § 6.7 розглянуто сучасні дані, що відносяться до будови та властивостей цитохрому с. Цитохром з досліджувався дуже детально, але його динамічні властивості не можна вважати повністю встановленими та поясненими.
Будова та функціональна організація мітохондрій стали предметом інтенсивного вивчення. Тим не менш, багато найважливіших питань, що сюди ставляться, поки що не мають відповіді. Специфічна мембранна структура мигохондрій, присутність у яких автономної програми синтезу білків (ДНК), механохімічна активність мітохондрій безпосередньо пов'язані зі своїми роллю «силових станцій» клітини. Подальший розвитокФізика мітохондрій вимагає цілісного підходу.
Загальна теорія електронного транспорту у локалізованій системі біологічного окислення інтенсивно розвивається. Запропоновано змістовні кінетичні моделі, розпочато теоретичні дослідження, засновані на розгляді електронно-конформаційних взаємодій. Ці проблеми становлять першорядний інтерес для біофізики.
Необхідно встановити молекулярну природу біологічного окислення, що здійснюється в результаті поєднання ферментативних, транспортних та механохімічних процесів. Мітохондрія є місцем інтегрування широкої сукупності молекулярно-біологічних явищ, цілісна система, що вимагає всебічного вивчення - теоретичного та експериментального розбирання та складання «чорної скриньки».
Всі живі організми за джерелами енергії, що використовується для життєдіяльності, ділять на автотрофи (що використовують енергію сонячного світла) та гетеротрофи (які використовують енергію хімічних зв'язків). Одержання енергії у клітинах гетеротрофних організмів здійснюється з допомогою окислення складних органічних сполук: вуглеводів, жирів, білків, які організми отримують із довкілля, тобто. як їх хімічних зв'язків тварини споживають енергію з довкілля. Ці речовини є енергетичними ресурсами клітин гетеротрофних організмів.
Виділяють три етапи вилученняенергії з них (рис. 1):
1. Розщеплення полімерних молекул до мономерів. На цій стадії немає вивільнення біологічно корисної енергії. Близько 1% енергії виділяється та розсіюється у вигляді тепла.
2. Розщеплення мономерів із заснуванням основних проміжних продуктів – пірувата, ацетил-КоА. Тут виділяється 20% енергії із запасанням її в макроергічних зв'язках АТФ та частковим розсіюванням у вигляді тепла.
3. Окислення ацетил-КоА в циклі трикарбонових кислот до СО 2 і Н 2 Про і вивільненням атомарних водень з подальшим їх окисленням киснем в дихальному ланцюзі ферментів, пов'язаних із синтезом АТФ. Тут виділяється 80% енергії, більша частина (близько 60%) якої запасається у формі АТФ.
Рис. 1. Основні етапи біологічного окислення, що з фосфорилированием.
Класифікація процесів біологічного окиснення.
Процеси біологічного окислення можна розділити на два основні типи:
1.Вільне окиснення- Окислення, при якому вся енергія окисної реакції виділяється виключно у вигляді тепла. Ці процеси пов'язані з синтезом АТФ, тобто. немає перетворення енергії, що виділяється при окисленні в енергію макроергічних зв'язків. Вільне окиснення грає допоміжну роль - воно служить для теплопродукції та детоксикації шкідливих продуктів обміну речовин.
За типом вільного окислення йдуть усі оксигеназні реакції, всі окислювальні реакції, що прискорюються пероксидазами або супроводжуються утворенням Н 2 Про 2 багато реакції, що каталізуються оксидазами.
Процеси вільного окислення зосереджені в цитозолі, мембранах ендоплазматичної мережі клітини, мембранах лізосом, пероксисом і апарату Гольджі, на зовнішніх мембранах мітохондрій і хлоропластів, в ядерному апараті клітини.
2. Сполучене окислення- окислення, при якому енергія окисної реакції використовується для синтезу АТФ. Тому даний вид окислення називають окисленням, пов'язаним із фосфорилюванням АДФ. Він може здійснюватися двома способами.
Якщо при окисленні субстрату утворюється макроергічна сполука, енергія якої використовується для синтезу АТФ, такий вид біологічного окислення називають субстратним фосфорилюваннямабо фосфорилюванням на рівні субстратуабо окисленням, пов'язаним з фосфорилюванням АДФ на рівні субстрату. Прикладом таких реакцій є 2 реакції гліколізу: перетворення 1,3-дифосфогліцеринової кислоти на 3-фосфогліцеринову кислоту та фосфоенолпірувату (ФЕП) на піруват, а також реакція циклу Кребса – гідроліз сукциніл-КоА до сукцинату. Ці реакції протікають з синтезом АТФ.
Якщо процеси окислення, що протікають у дихальному ланцюгу ферментів на внутрішній мембрані мітохондрій, де відбувається перенесення протонів і електронів від субстрату до кисню, що окислюється, пов'язані з синтезом АТФ, то такий вид біологічного окислення називають окисним фосфорилюваннямабо фосфорилювання на рівні електронно-транспортного ланцюга.
Схема класифікації біологічного окиснення
Біологічне окиснення
Вільне окиснення Пов'язане окиснення
Субстратне окислювальне
фосфорилювання фосфорилювання
В окислювальному фосфорилюванні використовуються реакції дегідрогенні окислюваного субстрату з подальшим перенесенням атомів водню (протонів і електронів) на кисень за участю оксидоредуктаз. Перенесення водню на кисень відбувається через низку окислювально-відновних систем, які розташовуються у суворій послідовності - відповідно до значення їх потенціалу. Така послідовність реакцій, пов'язаних із перенесенням водню на кисень за участю специфічних переносників електронів, називається дихальним (або електронно-транспортним) ланцюгом. У тварин і людини вона складена з чотирьох основних типів переносників, кожен з яких здатний зазнавати оборотного окислення та відновлення внаслідок втрати та приєднання електронів при взаємодії з іншим переносником.
Рис. 2. Взаємне розташування компонентів дихального ланцюга із зазначенням місць фосфорилювання та специфічних інгібіторів.
окислення біологічне
Окислення біологічне (клітинне або тканинне дихання) - окислювально-відновні реакції, що протікають у клітинах організму, в результаті яких складні органічні речовини окислюються за участю специфічних ферментів киснем, що доставляється кров'ю. Кінцевими продуктами біологічного окислення є вода та двоокис вуглецю. Енергія, що звільняється в процесі біологічного окислення, частково виділяється у вигляді тепла, основна ж її частина йде на утворення молекул складних фосфорорганічних сполук (головним чином аденозинтрифосфату - АТФ), які є джерелами енергії, необхідної для життєдіяльності організму.
При цьому процес окислення полягає у відібранні від окислюваної речовини (субстрату) електронів і рівного їм числа протонів. Субстратами біологічного окиснення є продукти перетворень жирів, білків та вуглеводів. Біологічне окислення субстратів до кінцевих продуктів здійснюється ланцюгом послідовних реакцій, до числа проміжних продуктів яких входять трикарбонові кислоти - лимонна, цисаконітова та ізолімонна кислоти, тому весь ланцюг реакцій зветься циклом трикарбонових кислот, або циклу Кребса (на ім'я дослідника, який встановив цей цикл).
Початковою реакцією циклу Кребса є конденсація щавлево- оцтової кислотиз активованою формою оцтової кислоти (ацетату), яка є сполукою з коферментом ацетилювання - ацетил-КоА. В результаті реакції утворюється лимонна кислота, яка після чотириразової дегідрогізації (відщеплення від молекули 2 атомів водню) та дворазового декарбоксилювання (відщеплення молекули CO2) утворює щавлевооцтову кислоту. Джерелами ацетил-КоА, що використовується в циклі Кребса, є оцтова кислота, піровиноградна кислота - один з продуктів гліколізу (див.), жирні кислоти (див.) та ін. , здатні перетворюватися на проміжні продукти цього циклу, наприклад багато амінокислот, що утворюються при розпаді білка. Зважаючи на оборотність більшості реакцій циклу Кребса продукти розпаду білків, жирів і вуглеводів (інтермедіати) в ньому можуть не тільки окислюватися, але й виходити при його зверненні. Так здійснюється зв'язок між обміном жирів, білків та вуглеводів.
Реакції окислення, що протікають у циклі Кребса, не супроводжуються, як правило, утворенням багатих енергією сполук. Винятком є перетворення сукциніл-КоА на сукцинат (див. Янтарна кислота), яке супроводжується утворенням гуанозинтрифосфату. Більшість АТФ утворюється в ланцюгу дихальних ферментів (див.), де перенесення електронів (а перших етапах і протонів) до кисню супроводжується виділенням енергії.
Реакції відщеплення водню здійснюються ферментами класу дегідрогеназ, причому атоми водню (тобто протони + електрони) приєднуються до коферментів: нікотинамідаденіндінуклеотиду (НАД), нікотинамідаденіндінуклеотид-фосфату (НАДФ), флавінаден.
Процеси біологічного окислення, пов'язані з циклом Кребса та ланцюгом дихальних ферментів, протікають переважно у мітохондріях та локалізовані на їх мембранах.
Таким чином, процеси біологічного окислення, пов'язані з циклом Кребса, мають значення як при утворенні сполук, багатих на енергію, так і для здійснення зв'язку вуглеводного, жирового та білкового обміну. Інші види біологічного окислення, мабуть, мають більш вузьке значення, наприклад, енергозабезпечення клітин. Така стадія гліколізу, що полягає в окисленні низки фосфорних сполук з одночасним відновленням НАД та утворенням АТФ або реакції пентозного циклу (тобто окислювального перетворення глюкозо-6-фосфату), що супроводжуються утворенням фосфопентоз та відновленого НАДФ. Пентозний цикл відіграє важливу роль у тканинах, що характеризуються інтенсивно протікаючими синтезами - нуклеїнових, жирних кислот, холестерину та ін. Див. також Обмін речовин та енергії.
Окислення біологічне - сукупність окислювально-відновних реакцій, які у біологічних об'єктах. Під процесом окислення розуміють втрату речовиною електронів чи електронів і протонів одночасно (втрату водневих атомів) чи приєднання кисню. Реакції протилежного спрямування характеризують процес відновлення. Відновниками називають речовини, що втрачають електрони, окислювачами - речовини, що набувають електрони. Окислення біологічне становить основу тканинного, або клітинного дихання (процесу, в результаті якого тканини і клітини поглинають кисень і виділяють вуглекислий газта воду) - головного джерела енергії для організму. Речовиною, що приймає (акцептує) електрони, тобто відновлюється, є молекулярний кисень, що перетворюється на аніон кисню O - . Водневі атоми, що відщеплюються від органічної речовини - субстрату окислення (SH2), перетворюються при втраті електронів на протони або позитивно заряджені катіони водню:
SH2→S→2H; 2Н→2H + + 2e: ½O2→О; О→2е→O - ; 2H + + O - →H2O+55 ккал. Внаслідок реакції між катіонами водню та аніонами кисню утворюється вода, а реакція супроводжується виділенням значної кількості енергії на кожні 18 г води). Як побічний продукт біологічного окислення утворюється вуглекислий газ. Деякі з реакцій О. б. приводять до утворення перекису водню, під впливом каталази, що розпадається на H2O і O2.
Постачальниками енергії в організмі людини служать продукти харчування-білки, жири та вуглеводи. Однак ці речовини не можуть бути субстратами О. б. Вони попередньо піддаються розщепленню в травному тракті, де з білків утворюються амінокислоти, з жирів – жирні кислоти та гліцерин, зі складних вуглеводів – моносахариди, насамперед гексози. Всі ці сполуки всмоктуються та надходять (прямо чи через лімфатичну систему) у кров . Разом з аналогічними речовинами, утвореними в органах та тканинах, вони складають «метаболічний фонд», з якого організм черпає матеріал для біосинтезів та задоволення енергетичних запитів. Головними субстратами О. б. є продукти тканинного обміну амінокислот, вуглеводів і жирів, що дістали назву речовин лимоннокислого циклу. До них відносяться кислоти:
лимонна, цисаконітова, ізолімонна, щавлевоерантова, α-кетоглютарова, янтарна, фумарова, яблучна, щавлевооцтова.
Пировиноградная кислота СН3-СО-СООН не входить безпосередньо в лимоннокислий цикл, але відіграє в ньому істотну роль, як і продукт її декарбоксилювання - активна форма оцтової кислоти СН3СОКоА (ацетил-коензим А).
Процеси, що входять до «лимоннокислого циклу» («цикл Кребса», «цикл трикарбонових кислот»), протікають під дією ферментів, укладених у клітинних органелах, званих мітохондріями. Елементарний акт окислення будь-якої речовини, що входить у лимоннокислий цикл, - це відібрання від цієї речовини водню, тобто акт дегідрогізації, обумовлений активністю відповідного специфічно діючого ферменту дегідрогенази (рис. 1).
Рис. 1. Схема лимоннокислого циклу Кребса.
Якщо процес починається з піровиноградної кислоти, то відщеплення двох атомів водню (2Н) у циклі Кребса повторюється 5 разів і супроводжується трьома послідовними етапами декарбоксилювання. Перший акт - дегідрогенізація - відбувається при перетворенні піровиноградної кислоти в ацетил-КоА, що конденсується з щавлевооцтовою кислотою на лимонну. Вдруге дегідрогенізація призводить до утворення щавлевоеянтарної кислоти з ізолімонної. Третій акт - відщеплення двох атомів водню - пов'язаний з перетворенням кетоглютарової кислоти на сукциніл-КоА; четвертий - з дегідрогенізацією бурштинової кислоти і, нарешті, п'ятий - з перетворенням яблучної кислоти на щавлевооцтову, яка знову може вступити в конденсацію з ацетил-КоА і забезпечити утворення лимонної кислоти. При розпаді сукциніл-КоА утворюється багатий на енергію зв'язок (~Р) - це так зване субстратне фосфорилювання: Сукциніл-КоА + Н3РО4 + АДФ → янтарна кислота + КоА + АТФ.
Рис. 2. Схема дегідрогізації субстратів лимоннокислого циклу специфічними ферментами, що складаються з дисоціюючих комплексів: білків - б1, б2, б3 і б4 з НАД і НАДН2 і білка б5, що утворює комплекс з ФАД (сукциндегідрогеназу); ЦАК – цисаконітова кислота.
Чотири з названих актів дегідрогізації здійснюються за участю специфічних дегідрогеназ, коферментом яких є нікотинамідаденіндінуклеотид (НАД). Один акт – перетворення бурштинової кислоти на фумарову – відбувається під впливом сукциндегідрогенази – флавопротеїду I. У даному випадку коферментом є флавінаденіндінуклеотид (ФАД). В результаті п'яти повторних актів дегідрогізації (рис. 2) при реакціях, що відбуваються в лимоннокислому циклі, утворюються відновлені форми коферментів: 4-НАДН2 1-ФАДН2. Дегідрогеназа відновленого НАД, тобто приймає водень з НАДН2, належить також до флавінових ферментів - це флавопротеїд II. Однак він відрізняється від сукциндегідрогенази структурою як білка, так і флавінового компонента. Подальше окислення відновлених форм флавопротеїдів I і II, що містять ФАДН2, відбувається за участю цитохромів (див.), Що являють собою складні білки - хромопротеїди, що містять у своєму складі залізопорфірини - геми.
При окисленні ФАДН2 шляхи протону та електронів розходяться: протони надходять у навколишнє середовищеяк іонів водню, а електрони через серію цитохромів (рис.3) передаються на кисень, перетворюючи їх у аніон кисню O -- . Між ФАДН2 і системою цитохромів, мабуть, бере участь ще один фактор - коензим Q. Кожна наступна ланка в дихальному ланцюгу від НАДН2 до кисню характеризується вищим окисно-відновним потенціалом (див.). Протягом усього дихального ланцюга від НАДН2 до ½O2 потенціал змінюється на 1,1 (від -0,29 до +0,81). При повному окисненнінаприклад, піровиноградної кислоти, що супроводжується п'ятикратним відщепленням водню, енергетична ефективність процесу складе близько 275 ккал (55X5). Ця енергія не розсіюється повністю як тепла; приблизно 50% її акумулюється у вигляді багатих на енергію
фосфорних сполук, головним чином аденозинтрифосфату (АТФ).
Процес трансформації енергії окислення в багаті на енергію зв'язку (~Р) кінцевого фосфатного залишку молекули АТФ локалізовано у внутрішніх мітохондріальних мембранах і пов'язаний з певними етапами перенесення водню та електронів по дихальному ланцюгу (рис. 4). Прийнято вважати, що перше фосфорилювання пов'язане з транспортом водню від НАДН2 до ФАД, друге пов'язане з перенесенням електронів на цитохром c1 і, нарешті, третє, найменш вивчене, розташоване між цитохромами c і a.
Механізм освіти багатих на енергію зв'язків ще не розшифрований. З'ясовано, проте, що складається з кількох проміжних реакцій (на рис. 4- від J~X до АТФ), лише останньої з яких є утворення багатого енергією фосфатного залишку АТФ. Багатий на енергію зв'язок кінцевої фосфатної групи в АТФ оцінюється в 8,5 ккал на грам-молекулу (у фізіологічних умовах - близько 10 ккал). При перенесенні водню та електронів по дихальному ланцюгу, починаючи з НАДН2 і закінчуючи утворенням води, звільняється 55 ккал та акумулюється у вигляді АТФ не менше 25,5 ккал (8,5X3). Отже, енергетична ефективність біологічного окислення становить близько 50%.
Рис. 3. Схема передачі водню та електронів з дихального ланцюга; Е0 - окисно-відновний потенціал.
Рис. 5. Схема використання енергії фосфатних зв'язків АТФ (АМФ-Р~Р) для різноманітних фізіологічних функцій.
Біологічний зміст фосфорилюючого окислення зрозумілий (рис. 5): всі процеси життєдіяльності (м'язова робота, нервова діяльність, біосинтези) вимагають витрати енергії, краї забезпечується розривом багатих на енергію фосфатних зв'язків (~Р). Біологічний сенс нефосфорилюючого – вільного – окислення можна бачити у численних реакціях окислення, не пов'язаних з лимоннокислим циклом та перенесенням водню та електронів по дихальному ланцюгу. Сюди відносяться, наприклад, всі позамітохондріальні процеси окислення, окислювальне видалення токсично діючих речовин і багато актів регуляції кількісного вмісту біологічно активних сполук (деяких амінокислот, біогенних амінів, адреналіну, гістидину, серотоніну і т.д., альдегі). менш інтенсивного їхнього окиснення. Співвідношення вільного та фосфорилюючого окислення є також одним із шляхів терморегуляції у людини та теплокровних тварин. також Обмін речовин та енергії.
Живі організми що неспроможні існувати без енергії. Її вимагає кожен процес, кожна хімічна реакція. Отримувати енергію багато живих істот, у тому числі і людина, можуть з їжею. Варто детально розібратися, звідки з'являється енергія, і які реакції протікають у клітинах живих організмів.
Значення біологічного окислення та історія його дослідження
В основі одержання енергії лежить процес біологічного окислення. Зараз він вивчений, створена навіть ціла наука, яка займається всіма тонкощами та механізмами процесу – біохімія. Біологічне окислення - це сукупність окислювально-відновних перетворень речовин живими. Окисно-відновними називають реакції, які протікають зі зміною ступеня окислення атомів внаслідок перерозподілу електронів між ними.
Перші припущення вчених про те, що всередині кожного живого організму протікають складні, були висунуті у XVIII столітті. Вивченням проблеми займався французький хімік Антуан Лавуазьє, який звернув увагу на те, що процеси горіння та біологічного окислення схожі один на одного.
Вчений простежив шлях кисню, який поглинається живим організмом у процесі дихання, і зробив висновок, що в організмі відбувається процес окислення, що нагадує процес горіння, але протікає повільніше. Лавуазьє виявив, що молекули кисню (окислювач) взаємодіють з органічними сполуками, що містять вуглець та водень. В результаті відбувається абсолютне, при якому з'єднання розкладаються.
Деякі моменти у процесі вивчення проблеми залишалися для вчених незрозумілими:
- чому окиснення відбувається при низькій температурі тіла, на відміну від схожого йому процесу горіння;
- чому окислення не супроводжується викидом полум'я і не великим викидом енергії, що звільнилася;
- як можуть "горіти" поживні речовини в організмі, якщо тіло приблизно на 80% складається з води.
Щоб відповісти на ці та багато інших питань, а також усвідомити, що таке біологічне окислення, ученим знадобився не один рік. На цей час хіміками були вивчені: зв'язок дихання коїться з іншими процесами обміну речовин, зокрема. процес фосфорилювання. Крім того, вчені досліджували властивості ферментів, що каталізують реакції біологічного окиснення; локалізацію у клітині; механізм акумуляції та перетворення енергії.
Більш складний спосіб перетворення поживних речовин на енергію - аеробне біологічне окислення, чи тканинне дихання. Ця реакція здійснюється у всіх аеробних організмах, які використовують кисень у процесі дихання. Аеробний спосіб біологічного окиснення неможливий без молекулярного кисню.
Шляхи біологічного окислення та учасники процесу
Щоб остаточно зрозуміти, що є процес біологічного окислення, слід розглянути його стадії.
Гліколіз- це безкисневе розщеплення моносахаридів, що передує процесу клітинного диханняі що супроводжується виходом енергії. Така стадія є початковою кожному за організму-гетеротрофа. Після гліколізу у анаеробів настає процес бродіння.
Окислення піруватуполягає у перетворенні піровиноградної кислоти, одержуваної в процесі гліколізу, в ацетилкоензим. Реакція відбувається за допомогою ферментного комплексу піруватдегідрогенази. Локалізація – кристи мітохондрій.
Розпад бета-жирних кислотздійснюється паралельно з окисленням пірувату на кристах мітохондрій. Мета - переробка всіх жирних кислот в ацетилкоензим і постановка їх у цикл трикарбонових кислот.
Цикл Кребса: спочатку ацетилкоензим перетворюється на лимонну кислоту, потім вона піддається наступним перетворенням (дегідрування, декарбоксилювання та регенерації). Усі процеси кілька разів повторюються.
Окисне фосфорилювання- Заключна стадія перетворення в організмах еукаріотів сполук. Здійснюється перетворення аденозиндифосфату на аденозинтрифосфорну кислоту. Необхідна для цього енергія надходить у процесі окислення молекул фермент-дегідрогеназу та коферменту дегідрогеназу, що сформувалися в попередніх стадіях. Потім енергія полягає в макроергічних зв'язках аденозинтрифосфорної кислоти.
АТФ
Таким чином, окислення речовин здійснюється такими способами:
- відщепленням водню від субстрату, що окислюється (процес дегідрування);
- віддачею субстратом електрона;
- приєднання кисню до субстрату.
У клітинах живих організмів зустрічаються усі перелічені типи окисних реакцій, що каталізуються відповідними ферментами – оксидоредуктазами. Процес окислення відбувається неізольовано, він пов'язаний з реакцією відновлення: одночасно відбуваються реакції приєднання водню або електрона, тобто здійснюються окислювально-відновлювальні реакції. Процес окислення - це кожна , яка супроводжується віддачею електронів зі збільшенням ступенів окислення (окислений атом має велику міру окислення). З окисненням речовини може відбуватися і відновлення - приєднання електронів до атомів іншої речовини.
