Процесс биологического окисления происходит в. Биологическое окисление. Окислительно-восстановительные реакции: примеры. Виды биологического окисления
Биологическое окисление
Биологическое окисление – это совокупность окислительно-восстановительных превращений различных веществ в живых организмах. Окислительно-восстановительными называют реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов вследствие перераспределения электронов между ними.
Типы процессов биологического окисления :
1) аэробное (митохондриальное) окисление предназначено для извлечения энергии питательных веществ с участием кислорода и накоплении её в виде АТФ. Аэробное окисление называется также тканевым дыханием , поскольку при его протекании ткани активно потребляют кислород.
2) анаэробное окисление – это вспомогательный способ извлечения энергии веществ без участия кислорода. Анаэробное окисление имеет большое значение при недостатке кислорода, а также при выполнении интенсивной мышечной работы.
3) микросомальное окисление предназначено для обезвреживания лекарств и ядов, а также для синтеза различных веществ: адреналина, норадреналина, меланина в коже, коллагена, жирных кислот, желчных кислот, стероидных гормонов.
4) свободнорадикальное окисление необходимо для регуляции обновления и проницаемости клеточных мембран.
Основным путём биологического окисления является митохондриальное , связанное с обеспечением организма энергией в доступной для использования форме. Источниками энергии для человека являются разнообразные органические соединения: углеводы, жиры, белки. В результате окисления питательные вещества распадаются до конечных продуктов, в основном - до СО 2 и Н 2 О (при распаде белков также образуется NH 3). Выделяемая при этом энергия накапливается в виде энергии химических связей макроэргических соединений, преимущественно – АТФ.
Макроэргическими называются органические соединения живых клеток, содержащие богатые энергией связи. При гидролизе макроэргических связей (обозначаются извилистой линией ~) высвобождается более 4 ккал/моль (20 кДж/моль). Макроэргические связи образуются в результате перераспределения энергии химических связей в процессе обмена веществ. Большинство макроэргических соединений являются ангидридами фосфорной кислоты, например, АТФ, ГТФ, УТФ и т.д. Аденозинтрифосфат (АТФ) занимает центральное место среди веществ с макроэргическими связями.
аденин – рибоза – Р ~ Р ~ Р, где Р – остаток фосфорной кислоты
АТФ находится в каждой клетке в цитоплазме, митохондриях и ядрах. Реакции биологического окисления сопровождаются переносом фосфатной группы на АДФ с образованием АТФ (этот процесс называется фосфорилированием ). Таким образом, энергия запасается в форме молекул АТФ и при необходимости используется для выполнения различных видов работы (механической, электрической, осмотической) и для осуществления процессов синтеза.
Система унификации субстратов окисления в организме человека
Непосредственное использование химической энергии, содержащейся в молекулах пищевых веществ невозможно, потому что при разрыве внутримолекулярных связей выделяется огромное количество энергии, которое может привести к повреждению клетки. Чтобы пищевые вещества, поступившие в организм, должны пройти ряд специфических превращений, в ходе которых происходит многостадийный распад сложных органических молекул на более простые. Это даёт возможность постепенного высвобождения энергии и запасания её в виде АТФ.
Процесс превращения разнообразных сложных веществ в один энергетический субстрат называется унификацией. Выделяют три этапа унификации:
1. Подготовительный этап протекает в пищеварительном тракте, а также в цитоплазме клеток организма. Крупные молекулы распадаются на составляющие их структурные блоки: полисахариды (крахмал, гликоген) – до моносахаридов; белки – до аминокислот; жиры – до глицерина и жирных кислот. При этом выделяется небольшое количество энергии (около 1%), которая рассеивается в виде тепла.
2. Тканевые превращения начинаются в цитоплазме клеток, заканчиваются в митохондриях. Образуются ещё более простые молекулы, причём число их типов существенно уменьшается. Образующиеся продукты являются общими для путей обмена разных веществ: пируват, ацетил-коэнзимА (ацетил-КоА), α-кетоглутарат, оксалоацетат и др. Важнейшим из таких соединений является ацетил-КоА – остаток уксусной кислота, к которому макроэргической связью через серу S присоединён коэнзим А - активная форма витамина В 3 (пантотеновой кислоты). Процессы распада белков, жиров и углеводов сходятся на этапе образования ацетил-КоА, образуя в дальнейшем единый метаболический цикл. Для этого этапа характерно частичное (до 20%) освобождение энергии, часть которой аккумулируется в виде АТФ, а часть рассеивается в виде тепла.
3. Митохондриальный этап
. Продукты, образовавшиеся на второй стадии, поступают в циклическую окислительную систему - цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса)
и связанную с ним дыхательной цепи митохондрий. В цикле Кребса ацетил-КоА окисляется до СО 2 и водорода, связанного с переносчиками – НАД + ·Н 2 и ФАД·Н 2 . Водород поступает в дыхательную цепь митохондрий, где происходит его окисление кислородом до Н 2 О. Этот процесс сопровождается высвобождением примерно 80% энергии химических связей веществ, часть которой используется на образование АТФ, а часть - выделяется в виде тепла.
Этапы |
Белки |
Углеводы (полисахариды) |
Жиры |
I подготовительный; высвобождается 1% энергии питательных веществ (в виде тепла); |
аминокислоты |
|
глицерин, жирные кислоты
|
|
II тканевые превращения; 20% энергии в виде тепла и АТФ |
ацетил-КоА (СН 3 -СО~SKoA) |
||
|
III митохондриальный этап; 80% энергии (примерно половина - в виде АТФ, остальное - в виде тепла). |
Цикл трикарбоновых кислот Дыхательная цепь митохондрий О 2 |
||
Классификация и характеристика основных оксидоредуктаз в тканях
Важной особенностью биологического окисления является то, что оно протекает под действием определённых ферментов (оксидоредуктаз). Все необходимые ферменты для каждой стадии объединены в ансамбли, которые, как правило, фиксируются на различных клеточных мембранах. В результате слаженного действия всех ферментов химические превращения осуществляются постепенно, как на конвейере. При этом продукт реакции одной стадии является исходным соединением для следующей стадии.
Классификация оксидоредуктаз :
1. Дегидрогеназы осуществляют отщепление водорода от окисляемого субстрата:
SH 2 + A → S +AH 2
В процессах, связанных с извлечением энергии, наиболее распространённый тип реакций биологического окисления – дегидрирование , то есть отщепление от окисляемого субстрата двух атомов водорода и перенос их на окислитель. В действительности водород в живых системах находится не в виде атомов, а представляет собой сумму протона и электрона (Н + и ē), маршруты движения которых различны.
Дегидрогеназы являются сложными белками, их коферменты (небелковая часть сложного фермента) способны быть и окислителем, и восстановителем. Забирая водород от субстратов коферменты переходят в восстановленную форму. Восстановленные формы коферментов могут отдавать протоны и электроны водорода другому коферменту, который имеет более высокий окислительно-восстановительный потенциал.
1) НАД + - и НАДФ + -зависимые дегидрогеназы (коферменты - НАД + и НАДФ + - активные формы витамина РР). Присоединяют два атома водорода от окисляемого субстрата SH 2 , при этом образуется восстановленная форма - НАД + ·Н 2:
SH 2 + НАД + ↔ S + НАД + ·Н 2
2) ФАД-зависимые дегидрогеназы (коферменты - ФАД и ФМН – активные формы витамина В 2). Окислительные способности этих ферментов позволяют им принимать водород как непосредственно от окисляющегося субстрата, так и от восстановленного НАДН 2 . При этом образуются восстановленные формы ФАД·Н 2 и ФМН·Н 2 .
SH 2 + ФАД ↔ S + ФАД·Н 2
НАД + ·Н 2 + ФМН ↔ НАД + + ФМН·Н 2
3) коэнзим Q или убихинон, который может дегидрировать ФАД·Н 2 и ФМН·Н 2 и присоединять два атома водорода, превращаясь в КоQ·Н 2 (гидрохинон ):
ФМН·Н 2 + КоQ ↔ ФМН + КоQ·Н 2
2. Железосодержащие переносчики электронов геминовой природы – цитохромы b, c 1 , c, a, a 3 . Цитохромы – это ферменты, относящиеся к классу хромопротеидов (окрашенных белков). Небелковая часть цитохромов представлена гемом , содержащим железо и близким по строению к гему гемоглобина. Одна молекула цитохрома способна обратимо принимать один электрон, при этом меняется степень окисления железа:
цитохром(Fe 3+) + ē ↔ цитохром(Fe 2+)
Цитохромы a, a
3
образуют комплекс, называемый цитохромоксидазой
. В отличие от других цитохромов, цитохромоксидаза способна взаимодействовать с кислородом – конечным акцептором электронов.
Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)
Этот процесс называют также цитратным циклом или циклом Кребса по имени английского учёного, предположившего, что в клетках имеется окислительная циклическая система реакций. ЦТК представляет собой протекающий в митохондриях распад ацетил-КоА до СО 2 и водорода, связанного с переносчиками (НАД и ФАД).
На первой стадии процесса ацетил-КоА взаимодействует с оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой) с образованием цитрата (лимонной кислоты). Далее от лимонной кислоты последовательно отщепляются 2 молекулы углекислого газа и 4 пары атомов водорода, и вновь образуется щавелевоуксусная кислота, поэтому процесс и называется циклом.
ЦТК связан с тканевым дыханием. Промежуточные метаболиты цикла являются субстратами окисления (изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат и малат). В цикле происходит их окисление (дегидрирование) под действием НАД- и ФАД-зависимых дегидрогеназ. При этом НАД и ФАД восстанавливаются, т.е. присоединяют водород:
изоцитрат + НАД → оксалосукцинат + НАДН 2
(изолимонная кислота) (щавелевоянтарная кислота)
α-кетоглутарат + НАД → сукцинил-КоА + НАДН 2
(α-кетоглутаровая кислота) (активная форма янтарной кислоты)
сукцинат + ФАД → фумарат + ФАДН 2
(янтарная кислота) (фумаровая кислота)
малат + НАД → оксалоацетат + НАДН 2
(яблочная кислота) (щавелевоуксусная кислота)
Водород из цикла Кребса (в виде НАДН 2 и ФАДН 2) поступает в дыхательную цепь, где он используется как своего рода топливо. В дыхательной цепи происходит перенос протонов и электронов водорода на кислород с образованием воды. Выделяющаяся при этом энергия используется на образование АТФ.
Биологическая роль цикла:
На уровне цикла Кребса объединяются пути распада углеводов, липидов и белков;
Метаболиты цикла Кребса используются для синтеза других веществ (щавелевоуксусная кислота → глюкоза, аспарагиновая кислота; α-кетоглутаровая кислота → глутаминовая кислота, янтарная кислота → гем);
Цикл Кребса – главная система, поставляющая водород для дыхательной цепи митохондрий. Суммарное уравнение превращения ацетил-КоА в цикле 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
║ ↓ ↓О 9 АТФ 2 АТФ
Таким образом, при окислении одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса образуется 12 молекул АТФ: в сопряжённой с циклом дыхательной цепи – 11 молекул; в самом цикле - 1 молекула АТФ на этапе превращения сукцинил-КоА в сукцинат:
ГТФ + АДФ → АТФ + ГДФ (снова поступает в цикл)
Структура и функции дыхательной цепи
Д
ыхательная (электронтранспортная) цепь находится в митохондриях, которые
представляют собой органеллы овальной формы, входящие в состав почти всех клеток организма. Каждая митохондрия окружена двумя мембранами: наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, внутренняя образует многочисленные гребневидные складки – кристы
. Кристы существенно увеличивают поверхность внутренней мембраны, обеспечивая место для размещения ферментных систем дыхательной цепи. Пространство между наружной и внутренней мембранами – межмембранное пространство. Пространство между кристами заполнено водной средой, называемой матриксом
. В матриксе находятся ферменты цикла трикарбоновых кислот и другие окислительные ферменты.
Перенос электронов и протонов водорода к кислороду осуществляется на внутренней мембране митохондрий при помощи нескольких типов окислительно-восстановительных ферментных систем, совокупность которых образует так называемую дыхательную цепь. Компоненты дыхательной цепи встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и действуют как единый дыхательный ансамбль.
Дыхательная цепь – это своеобразный конвейер по переносу электронов от окисляющегося субстрата к кислороду. Она составлена из нескольких типов переносчиков ē и Н + , и её можно представить в виде следующей обобщённой схемы:
2Н 2Н 2ē 2ē 2ē 2ē 2ē
Н
АД → ФМН → КоQ → 2 цит.b → 2 цит.c 1 → 2 цит.c → 2 цит.aa 3 → ½ О 2 → О 2- → Н 2 О
SН 2 ФАД 2Н +
(изоцитрат,
α-кетоглутарат, SН 2
малат и др.) (сукцинат и др.)
В процессе распада углеводов, жиров и белков образуются соединения, которые представляют собой субстраты биологического окисления (SН 2). Преимущественно они образуются в цикле Кребса (изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, малат). Под действием НАД- и ФАД-зависимых дегидрогеназ от них отщепляется по два атома водорода. После этого начинается транспорт протонов и электронов водорода по дыхательной цепи.
Восстановленный НАДН 2 взаимодействует с дегидрогеназой, содержащей ФМН в качестве кофермента. ФМН акцептирует (забирает) водород, отщепляемый от НАДН 2 .
Следующий компонент дыхательной цепи коэнзимQ (убихинон) принимает 2Н от ФМН. Убихинон представляет собой узловой пункт, куда стекается водород, поступающий в дыхательную цепь от самых различных субстратов.
Если 3 первых компонента дыхательной цепи – НАД, ФМН и убихинон – переносили водород, то есть: и протоны, и электроны, то, начиная с цитохрома b и до кислорода потоки протонов и электронов разделяются, так как дальнейший участок дыхательной цепи содержит только переносчики электронов. От коэнзимаQ два электрона переходят на две молекулы цитохрома b, затем последовательно на цитохромы c 1 , c, a, a 3 . Кислород, присоединив два электрона от двух молекул цитохрома a 3 , взаимодействует с двумя протонами и превращается в воду.
Направление переноса электронов в дыхательной цепи определяют окислительно-восстановительные потенциалы переносчиков. Окислительно-восстановительный потенциал (Е) характеризует способность молекулы принимать электроны. Чем выше Е компонента цепи, тем выше его сила как окислителя. Переносчики в дыхательной цепи расположены в порядке увеличения Е, так как возможна отдача электронов только соединению с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом. У кислорода наивысшая способность принимать электроны (Е = +0,82В), у водорода – наименьшая (Е = -0,42В). Таким образом, кислород, являясь наиболее сильным окислителем, создаёт движущую силу для переноса электронов по дыхательной цепи.
Механизм сопряжения окисления и фосфорилирования
Перепад потенциалов от Н 2 до О 2 составляет 1,24 В, что теоретически достаточно для синтеза 6 молекул АТФ, однако реально синтезируется не более трёх.
SН 2 + ½ О 2 S + Н 2 О (окисление)
3АДФ + 3Н 3 РО 4 3АТФ (фосфорилирование)
АТФ образуется путём присоединения к АДФ остатка фосфорной кислоты. Этот процесс называется фосфорилированием . Таким образом, два процесса: процесс биологического окисления (передача протонов и электронов по дыхательной цепи) и процесс фосфорилирования (образование АТФ) являются сопряжёнными, так как энергия, образующаяся при окислении, используется для фосфорилирования. Поэтому образование АТФ за счёт энергии, выделяющейся при прохождении электронов по дыхательной цепи, называется окислительным фосфорилированием .
Для количественной характеристики сопряжения окисления и фосфорилирования используется коэффициент фосфорилирования – отношение Р/О . Этот коэффициент показывает, какое количество атомов неорганического фосфора поглощается митохондрией при поглощении одного атома кислорода (или при переносе одной пары электронов на кислород).
Расчёты показывают, что для образования одной макроэргической связи АТФ, затраты на которую составляют не менее 40 кДж/моль, требуется перепад окислительно-восстановительных потенциалов между участниками дыхательной цепи примерно в 0,22 В на пару перенесённых электронов. В дыхательной цепи имеются только три участка с разницей о/в потенциалов, достаточной для синтеза АТФ (три участка сопряжения окисления и фосфорилирования ):
I – между НАД∙Н 2 и ФМН;
II – между цитохромами b и c ;
III – между цитохромами a и a 3 .
На данных этапах выделение энергии достаточно для синтеза АТФ. На остальных этапах перепад о/в потенциалов недостаточен для синтеза АТФ и выделяющаяся энергия (около 40-50%) рассеивается в виде тепла. Таким образом, при прохождении двух электронов по дыхательной цепи, которая начинается НАД-зависимыми дегидрогеназами образуется три молекулы АТФ. В этом случае коэффициент Р/О = 3 .
Некоторые субстраты окисления (сукцинат, жирные кислоты) имеют более высокий окислительно-восстановительный потенциал, чем НАД. Поэтому они окисляются не НАД-, а ФАД-зависимыми дегидрогеназами. При окислении таких веществ образуется только две молекулы АТФ, так как пропускается один пункт сопряжения окисления и фосфорилирования. Поэтому коэффициент Р/О = 2 .
Приведённые значения коэффициентов фосфорилирования являются расчетными, реальное значение этого коэффициента в физиологических условиях составляет Р/О ≈ 2,5 .
Коэффициент Р/О может иметь ещё более низкие значения (Р/О разобщение окисления и фосфорилирования. При этом окислительно-восстановительные процессы в дыхательной цепи протекают, но фосфорилирование (синтез АТФ) не происходит, т.е. дыхательная цепь работает как бы на холостом ходу. Вся энергия окисляемых веществ превращается в теплоту. Митохондрии становятся своеобразной клеточной «печкой», производящей теплоту. Это необходимо в тех ситуациях, когда потребность в теплоте для организма больше, чем потребность в АТФ, например, для поддержания температуры тела при охлаждении.
Микросомальное окисление
Наряду с тканевым дыханием, в которое вовлекается от 80% до 90% потребляемого человеком кислорода, в организме постоянно протекают и другие реакции с участием кислорода, в том числе микросомальное и свободнорадикальное окисление.
Микросомальное окисление не связано с синтезом АТФ. Механизм данного типа окисления субстрата кислородом предусматривает такое взаимодействие субстрата (S) с молекулярным кислородом, при котором один атом кислорода включается в окисляемый субстрат, другой – в молекулу воды. За счёт включения кислорода в молекуле окисляемого субстрата возникает гидроксильная группа (-ОН), поэтому данный вид окисления называется гидроксилированием.
SН + О 2 + А∙Н 2 → S-ОН + Н 2 О + А
где SН – окисляемый субстрат; А∙Н 2 – донор водорода (аскорбиновая кислота или НАДФ∙Н 2).
Ферменты, участвующие в оксигеназном окислении, называются гидроксилазами , либо оксигеназами . Эти ферменты содержат в активном центре ионы металлов с переменной валентностью (Fe, Cu). Гидроксилазы могут существовать в растворимом виде в клеточном соке, или в виде специальных групп окислительных ферментов, расположенных в мембранах цитоплазматической сети печёночных клеток, митохондрий клеток коры надпочечников и т.д. При растирании ткани фрагменты цитоплазматической сети самопроизвольно замыкаются в пузырьковидные структуры, называемые микросомами , поэтому данный тип окисления называют микросомальным. Группа окислительных ферментов микросом представляет собой циклическую цепь транспорта электронов и протонов, источником которых служит преимущественно НАДФ∙Н 2 . Главным компонентом этой системы является цитохром Р 450 с катионом железа (Fe 3+ ↔ Fe 2+) в активном центре, где начинается окисление субстратов. Название цитохрома связано с тем, что его восстановленная форма связывает оксид углерода СО и приобретает характерное поглощение света при 450 нм.
При взаимодействии цитохрома Р 450 с субстратом и кислородом происходит их активация и окисление не только субстрата, но и НАДФ∙Н 2 . Благодаря этому цитохром Р 450 отдаёт молекуле кислорода четыре электрона. В результате один из атомов кислорода внедряется по связи С-Н молекулы окисляемого субстрата, а другой – восстанавливается с образованием воды.
Биологическая роль микросомального окисления:
1. Синтез различных веществ . Растворимые ферменты с участием аскорбиновой кислоты в качестве донора водорода осуществляют синтез адреналина и норадреналина в хромаффинной ткани; пигмента меланина из тирозина в коже, радужке и сетчатке глаза; основного белка соединительной ткани – коллагена. Ферменты микросом участвуют в образовании ненасыщенных жирных кислот; желчных кислот и стероидных гормонов надпочечников из холестерина, лейкотриенов из арахидоновой кислоты.
2. Обезвреживание различных токсических веществ в печени
. Особенно это относится к чужеродным веществам не природного происхождения, называемым ксенобиотиками
. При микросомальном окислении токсические вещества становятся водорастворимыми, в результате они не накапливаются в клетке, а легко выводятся с мочой. Известно свыше 7000 наименований соединений, окисляющихся микросомальной системой печени. Одна из главных особенностей цитохрома Р 450 – это способность его белка изменять свою конформацию в ответ на появление в организме того или иного ксенобиотика, обеспечивая тем самым эффективное взаимодействие с ним. За счёт такой приспособляемости цитохром Р 450 является универсальным ферментом детоксикации, способным взаимодействовать почти с любыми соединениями. Единственной требование к окисляемому субстрату – он должен быть неполярным, поскольку цитохром Р 450 находится в липидном слое мембран.
Свободнорадикальное окисление
Свободные радикалы – это частицы с неспаренным электроном (наличие неспаренного электрона обозначается точкой ·). Главным источником радикалов в организме человека является молекулярный кислород, а в случае радиационного воздействия – вода (радиолиз воды ). От 1 до 3% потребляемого человеком кислорода расходуется на образование свободных радикалов. Молекула кислорода содержит два неспаренных электрона и представляет собой бирадикал ·О 2 ·. Однако неспаренные электроны расположены так, что молекула О 2 остаётся относительно стабильной. При полном восстановлении (тканевом дыхании) молекула кислорода, принимая четыре электрона и четыре протона, превращается в две молекулы воды. При неполном восстановлении кислорода образуются различные активные формы. К активным формам кислорода относятся:
·О 2 ‾ - супероксидный радикал (+ Н + → НО 2 гидроперекисный радикал )
↓+ ē (+2Н +)Н 2 О 2 - перекись водорода
·ОН - гидроксильный радикал
Под действием света молекулярный кислород переходит в синглетное состояние, т.е. в синглетный кислород О 2 ", в котором все электроны спарены. Синглетный кислород неустойчив, период полураспада – 45 мин. Он более активен в реакциях окисления, чем молекулярный кислород. Окислительная способность активных форм кислорода возрастает в следующей последовательности:
О 2 → О 2 " → ·О 2 ─ → НО 2 → Н 2 О 2 → НО
Образование активных форм кислорода происходит в организме постоянно. В организме токсичные кислородсодержащие радикалы возникают при взаимодействии О 2 с металлопротеинами (гемоглобин, цитохромы), содержащими катионы металлов в низших степенях окисления (Fe 2+ , Cu + , Mn 2+), получая от них электрон:
Fe 2+ + О 2 → Fe 3+ + ·О 2 ─
Химические реакции, приводящие к появлению свободных радикалов, являются нормальными процессами человеческого организма. Свободные радикалы появляются в результате тканевого дыхания, переноса кислорода гемоглобином, синтеза гормонов, простагландинов, фагоцитоза, обезвреживания лекарственных препаратов и различных токсических веществ печенью, физической активности и т. д.
Образовавшиеся радикальные частицы, прежде всего радикал НО , обладают чрезвычайно высокой реакционной способностью. Свободные радикалы реагируют практически с любыми молекулами, вызывая нарушение их структуры и функций: белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами. Особенно агрессивны свободные радикалы в отношении ДНК и липидов. Их взаимодействие с ДНК приводит к нарушению генетического кода, и может стать источником развития раковой опухоли. Однако в первую очередь свободные радикалы участвуют в реакциях перекисного окисления липидов (ПОЛ) . При этом окислению подвергаются ненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав фосфолипидов клеточных мембран. Процесс ПОЛ можно условно разделить на три этапа :
I этап – образование свободных радикалов липидов :
RH + ОН → R (R─CH 2 ─CH═CH─R" + НО → R─CH ─CH═CH─R" + Н 2 О)
аллильный радикалII этап – продукция перекисей липидов : окисление аллильного радикала молекулярным кислородом с образованием пероксидных радикалов:
R + О 2 → ROO (R─CH ─CH═CH─R" + О 2 → R─CH─CH═CH─R")
│Пероксидный радикал затем восстанавливается в гидропероксид за счёт окисления другой молекулы жирной кислоты в свободный радикал: ROO + RH → ROOH + R
Реакции ПОЛ имеют цепной характер, и образовавшийся радикал R участвует в развитии цепи.
III этап – обрыв цепи происходит, когда радикалы взаимодействуют друг с другом с образованием неактивных продуктов, либо с антиоксидантом. Продуктами перекисного окисления ненасыщенных липидов служат гидроперекиси липидов, а также спирты, альдегиды, карбоновые кислоты. Так, при распаде гидроперекисей липидов образуется малоновый диальдегид О═СН─СН 2 ─СН═О, который образует «сшивки», нарушающие структуру белков.Физиологическая роль процесса ПОЛ заключается в регуляции обновления и проницаемости липидов биологических мембран. Однако, если создаются условия для образования большого количества свободных радикалов, то процесс ПОЛ может приобретать лавинообразный характер. Это может привести к изменению физико-химических свойств липидной фазы мембраны, что в свою очередь ведёт к нарушению транспортных, рецепторных и других функций, и нарушению структурной целостности мембран вплоть до полного их разрушения и гибели клетки. Кроме того, подавляется активность ферментов, и накапливаются перекисные соединения, опасные для здоровья.
При экстремальных и патогенных воздействиях на организм образование кислородных радикалов резко усиливается, отчасти из-за активации окислительного фосфорилирования и гидроксилирования ксенобиотиков. Усиление процессов ПОЛ имеет универсальный повреждающий характер и играет важную роль в процессе старения и развитии различных патологических состояний: заболевания сердечно-сосудистой системы, печени, лёгких т. д.
В норме организм контролирует процессы ПОЛ, регулируя количество и активность свободных радикалов. Для этого существует антиоксидантная система (АОС) организма, которая препятствует чрезмерной активации ПОЛ. АОС включает в себя:
ферментативное звено, препятствующие образованию АФК - это ферменты, вырабатываемые в самом организме: каталаза , супероксиддисмутаза , глютатионредуктаза , глютатионпероксидаза ;
·О 2 ─ + 2Н + Н 2 О 2 + О 2
Каталаза глутатионпероксидаза (содержит селен и трипептид глутатион G─SH)
2Н 2 О + О 2 2G─SH + Н 2 О 2 → G─S─S─G + 2 Н 2 О
неферментные антиоксиданты, обезвреживающие продукты ПОЛ (препятствуют образованию перекисей липидов). Они включают в себя не синтезируемые в нашем организме витамины А, С, Е , β-каротин, биофлавоноиды . Все эти вещества, за исключением витамина С, хорошо растворимы в жирах. Их называют «ловушками свободных радикалов» в организме. Антиоксиданты, взаимодействуя с радикалами, переходят в окисленные формы, которые под действием соответствующих ферментов опять превращаются в восстановленные формы. Например, витамин Е, присутствующий в мембранах, является своеобразной химической системой защиты мембран от перекисного окисления липидов. Кроме того, антиоксидантными свойствами обладают многие вещества, вырабатываемые самим организмом – коэнзим Q, мочевая кислота, стероидные гормоны, тироксин. Эффективными антиоксидантами являются тиолы R ─ SH , которые необходимы для работы фермента глутатионпероксидазы. К естественным тиолам относятся глутатион , цистеин , дегидролипоат .
страница 1
|
|
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».
ИСТОРИЯ УЧЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ.
Первые представления о биологическом окислении были высказаны ЛАВУАЗЬЕ, который говорил, что биологическое окисление - медленное горение. С химической точки зрения, горение - это взаимодействие углерода с кислородом с образованием СО2. Но в организме образование С02 идёт путём ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЯ, а биологическое окисление протекает при низкой температуре, не путём образования СО2 в присутствии воды и без образования пламени.
Исходя из этого, были выдвинуты следующие настоящие представления о биологическом. окислении в начале 20 в.
1 .Теория «активации» кислорода академика БАХА. Ведущей ролью в процессе биологического окисления он представлял образование ПЕРОКСИДОВ.
Эти взгляды поддержали ботаники, т.к. в растениях много ПЕРОКСИДАЗ, а учёные, изучающие животные ткани, не поддержали эти взгляды, т.к. в них не обнаруживаются ПЕРОКСИДАЗЫ.
2. Теория активирования водорода академика ПАЛЛАДИНА. Он исходил из того, что в животных тканях много фермента - ДГ.
Конечным продуктом биологического окисления является вода. Взгляды БАХА и ПАЛЛАДИНА трансформировали. В настоящее время считается, что в биологическом окислении принимают участие ДГ и ОКСИДАЗЫ.
СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ.
1. Биологическое окисление, как и окисление вообще, есть процесс переноса электронов. То вещество, что отдаёт электроны, окисляется, то, что принимаем восстанавливается. Если акцептором электронов является кислород, то такой процесс называется ТКАНЕВЫМ ДЫХАНИЕМ. Биологическое окисление предполагает ДЕГИДРИРОВАНИЕ с образованием воды.
R-Н2 ---ДГ----> R + КоН2
КoH2 +1/2 О2.------> Ко + Н2О
Если водород взаимодействует с кислородом с образованием воды вне организма, то это сопровождается взрывом. Биологическое окисление - это процесс многоступенчатый - многоступенчатая передача электронов с постепенным выделением энергии, что исключает взрыв. Биологическое окисление - это процесс, требующий много ферментов. Т.о. биологическое окисление - это многоступенчатый процесс транспорта электронов, осуществляемый комплексом ферментов. Этот комплекс ферментов называется ЭЛЕКТРОН-ТРАНСПОРТНОЙ ЦЕПЬЮ (ЭТЦ), или ЦЕПЬЮ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ (ЦПЭ), или дыхательной цепью. ЭТЦ – это своеобразный КОНВЕЕР по переносу электронов и протонов от субстрата к кислороду.
КОМПОНЕНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.
1. НИКОТИНЗАВИСИМЫЕ ДГ, т.е. содержащие КОФЕРМЕНТЫ - НАД, НАДФ
2. ФЛАВИНЗАВИСИМЫЕ ДГ, т.е. содержащие КОФЕРМЕНТЫ - ФМН, ФАД.
3. УБИХИНОН (Ко-Q)
4. ЦИТОХРОМЫ: в, с, с1, а, а3.
Почти все эти компоненты, за исключением первого, встроены во внутреннюю мембрану МИТОХОНДРИЙ. В печени таких дыхательных цепей до 5000, а в сердце - до 20000.
СТРОЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.
1. В НАД и НАДФ рабочей частью является витамин РР - НИКОТИНАМИД.
2.В ФАД и ФМН рабочей частью является ФЛАВИН (компонент витамина В2)
3. УБИХИНОН легко переходит в восстановленную форму КОQ + 2H +2e =КОQ*Н2
4.ЦИТОХРОМЫ - это ГЕТЕРОПРОТЕИНЫ. Их белковой частью является ГЕМ, структура которого представляет собой 4 ПИРРОЛЬНЫХ кольца и атом железа, который легко меняет валентность. Также могут включать медь.
ФЕРМЕНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.
1.ДГ субстратов находятся в цитоплазме клетки, могли быть в МАТРИКСЕ МИТОХОНДРИИ.
2.НАДН - ДГ(ФМН).
4. Q*Н2 - ДГ (ЦИТОХРОМЫ в, с1).
5.ЦИТОХРОМ С.
6.ЦИТОХРОМОКСИДАЗА участвует в передаче электронов на кислород (включает ЦИТОХРОМЫ а, аЗ).
ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.
Полная ЭТЦ - взаимодействие субстрата с НАД. Укороченная ЭТЦ - взаимодействие субстрата с ФАД и последующий транспорт электронов и протонов сразу на КОФЕРМЕНТ Q.
Порядок компонентов дыхательной цепи обусловлен величиной их геd-ох потенциалов Он изменяется от -0.32В до + 0,81 В. -0,32 характерно для НАДН2, +0,81 характерно для О2.
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ.
В дыхательной цепи создаются условия для синтеза АТФ, т.е. выделяется достаточное количество энергии.
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.
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