Ферменты биологического окисления. Биологическое окисление: суть процесса и его виды

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

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

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

Взаимодействие превращения вещества и энергии называются метаболизмом.

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

Сходство между окислением в организме и вне организма.

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

Различия между окислением в организме и вне организма.

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

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

Процесс окисления субстратов в биологических объектах называется биологическим окислением.

Виды биологического окисления.

1. Тканевое дыхание
2. Субстратное окисление

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

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

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

Дыхательная цепь локализована в кристах митохондрий.

Строение дыхательной цепи.

Дыхательная цепь включает 4 группы ферментов:

1. Пиридинзависимые дегидрогеназы – коферментом является НАД, НАДФ.

2. Флавинзависимые дегидрогеназы – коферментом является ФАД, ФМН.

3. Коэнзим Q или убихинон.

4. Цитохромы b, c, a, a 3 .

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

В составе дыхательной цепи выделяют два участка:

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

2. Участок цитохромов, обеспечивающий перенос только электронов.

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

Схема переноса электронов и протонов по дыхательной цепи.

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

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

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

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

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

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

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

Пути использования энергии переноса электронов.

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

1. Энергия переноса электронов используется на синтез АТФ.

2. Энергия переноса электронов используется для выработки тепла.

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

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

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

Пункты сопряжения находятся на участках:

1. НАД/ФАД

3. ц а/а 3 О 2

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

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

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

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

Процесс биологического окисления может не сопровождаться синтезом АТФ.

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

Причины нарушения биологического окисления.

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

2. Нарушение работы ферментов в дыхательной цепи:

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

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

3. Недостаток кислорода.

4. Действие ингибиторов.

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

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

Цианады ингибируют перенос электронов на участке цитохромоксидазы/кислород.

При большинстве физиологических состояний перенос электронов сопряжен с окслительным фосфорилированием.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Важнейшим макроэргическим соединением является АТФ.

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

Биологическое окисление

Тканевое дыхание Свободное окисление Субстратное окисление

Связано с Энергия

окислительным выделяется

фосфорилированием в виде тепла

Энергия выделяется

в виде АТФ

Фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование Субстратное фосфорилирование

связано с мембранами митохондрий не связано с мембранами

Окисление биологическое (клеточное или тканевое дыхание) - это окислительно-восстановительные реакции, протекающие в клетках организма, в результате которых сложные органические вещества окисляются при участии специфических кислородом, доставляемым кровью. Конечными продуктами биологического окисления являются вода и . Освобождающаяся в процессе биологического окисления энергия частично выделяется в виде тепла, основная же ее часть идет на образование молекул сложных (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 . 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 CO 2) образует щавелевоуксусную кислоту. Источниками ацетил-КоА, использующегося в цикле Кребса, являются , - 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 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, и пр. См. также Обмен веществ и энергии.

Окисление биологическое - это 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 (SH 2), превращаются при потере электронов в протоны или положительно заряженные катионы водорода:

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 биологического окисления приводят к образованию перекиси водорода, под влиянием каталазы распадающейся на H 2 O и O 2 .

Поставщиками энергии в организме человека служат продукты питания - белки, жиры и углеводы. Однако эти вещества не могут служить субстратами биологического окисления. 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 биологического окисления 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 СН 3 -СО-СООН не входит непосредственно в лимоннокислый цикл, но играет в нем существенную роль, как и продукт ее декарбоксилирования - активная форма уксусной кислоты СН 3 СОКоА (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 + Н 3 РО 4 + 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 ½O 2 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.

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

Рис. 4. Схема трансформации энергии окисления в богатые энергией связи ~ Р: KoQ - коэнзим Q; SH2 - субстрат окисления; цС1, цС, ц (А +А3) - цитохромы С1, С, (А + А3); J1, J2, J3 - специфические для данного звена дыхательной цепи соединения, участвующие в образовании богатых энергией связей; X - неспецифическое вещество, образующее богатые энергией связи с J1, J2, J3, сменяющее их на фосфатные остатки и передающее последние на аденозиндифосфорную кислоту (АДФ) с образованием АТФ.

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. 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

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 субстратназывается унификацией. Выделяют три этапа унификации:

1. Подготовительный этап протекаетв 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.

		Углеводы (полисахариды)
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.

Все живые организмы по источникам используемой для жизнедеятельности энергии делят на автотрофы (использующие энергию солнечного света) и гетеротрофы (использующие энергию химических связей). Получение энергии в клетках гетеротрофных организмов осуществляется за счет окисления сложных органических соединений: углеводов, жиров, белков, которые организмы получают из внешней среды, т.е. в виде их химических связей животные потребляют энергию из окружающей среды. Эти вещества и являются энергетическими ресурсами клеток гетеротрофных организмов.

Выделяют три этапа извлечения энергии из них (рис. 1):

1. Расщепление полимерных молекул до мономеров. На этой стадии не происходит высвобождение биологически полезной энергии. Около 1% энергии выделяется и рассеивается в виде тепла.

2. Расщепление мономеров с образованием главных промежуточных продуктов – пирувата, ацетил-КоА. Здесь выделяется 20% энергии с запасанием ее в макроэргических связях АТФ и частичным рассеиванием в виде тепла.

3. Окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот до СО 2 и Н 2 О и высвобождением атомарных водородов с последующим их окислением кислородом в дыхательной цепи ферментов, сопряженным с синтезом АТФ. Здесь выделяется 80% энергии, большая часть (около 60%) которой запасается в форме АТФ.

Рис. 1. Основные этапы биологического окисления, сопряженного с фосфорилированием.

Классификация процессов биологического окисления.

Процессы биологического окисления можно разделить на два основных типа:

1.Свободное окисление – окисление, при которомвся энергия окислительной реакции выделяется исключительно в виде тепла. Эти процессы не сопряжены с синтезом АТФ, т.е. не происходит преобразовании энергии, выделяющейся при окислении в энергию макроэргических связей. Свободное окисление играет вспомогательную роль - оно служит для теплопродукции и детоксикации вредных продуктов обмена веществ.

По типу свободного окисления идут все оксигеназные реакции, все окислительные реакции, ускоряемые пероксидазами или сопровождающиеся образованием Н 2 О 2 , многие реакции, катализируемые оксидазами.

Процессы свободного окисления сосредоточены в цитозоле, в мембранах эндоплазматической сети клетки, в мембранах лизосом, пероксисом и аппарата Гольджи, на внешних мембранах митохондрий и хлоропластов, в ядерном аппарате клетки.

2. Сопряженное окисление - окисление, при которомэнергия окислительной реакции используется для синтеза АТФ. Поэтому данный вид окисления называют окислением, сопряженным с фосфорилированием АДФ. Он может осуществляться двумя способами.

Если при окислении субстрата образуется макроэргическое соединение, энергия которого используется для синтеза АТФ, то такой вид биологического окисления называют субстратным фосфорилированием или фосфорилированием на уровне субстрата или окислением, сопряженным с фосфорилированием АДФ на уровне субстрата . Примером таких реакций являются 2 реакции гликолиза: превращение 1,3-дифосфоглицериновой кислоты в 3-фосфоглицериновую кислоту и фосфоенолпирувата (ФЕП) в пируват, а также реакция цикла Кребса – гидролиз сукцинил-КоА до сукцината. Эти реакции протекают сопряжено с синтезом АТФ.

Если процессы окисления, протекающие в дыхательной цепи ферментов на внутренней мембране митохондрий, где происходит перенос протонов и электронов от окисляемого субстрата к кислороду, сопряжены с синтезом АТФ, то такой вид биологического окисления называют окислительным фосфорилированием или фосфорилированием на уровне электронно-транспортной цепи.

Схема классификации биологического окисления

Биологическое окисление

Свободное окисление Сопряженное окисление

Субстратное Окислительное

фосфорилирование фосфорилирование

В окислительном фосфорилировании используются реакции дегидрогенирования окисляемого субстрата с последующим переносом атомов водорода (протонов и электронов) на кислород при участии оксидоредуктаз. Перенос водорода на кислород происходит через ряд окислительно-восстановительных систем, которые располагаются в строгой последовательности - в соответствии со значением их потенциала. Такая последовательность реакций, связанных с переносом водорода на кислород при участии специфических переносчиков электронов, называется дыхательной (или электронно-транспортной) цепью . У животных и человека она составлена из четырех основных типов переносчиков, каждый из которых способен претерпевать обратимое окисление и восстановление в результате потери и присоединения электронов при взаимодействии с другим переносчиком

Рис. 2. Взаимное расположение компонентов дыхательной цепи с указанием мест фосфорилирования и специфических ингибиторов.