Аэробное биологическое окисление

Основы современных представлений о химической природе биологического окисления были сформулированы в конце 19 века. Суть их заключается в следующем. В процессе биологического окисления кислород не вступает в реакцию с окисляемым веществом. Более того, кислород и окисляемое вещество в клетках организма пространственно разделены. Биологическое окисление заключается в отщеплении от окисляемого вещества водорода. Как правило, одновременно отщепляются два атома водорода. При этом происходит раздельное отщепление двух протонов (Н⁺) и двух электронов (е^-). Отщепленные протоны и электроны проходят через серию промежуточных переносчиков и в конечном итоге поочередно (вначале электроны, а затем протоны) присоединяются к кислороду, что приводит к образованию воды. Такое биологическое окисление называют аэробным.

Энергетические эффекты химических реакций, в частности реакций окисления, связаны с перемещением электронов, находящихся на внешних уровнях атомов. Электроны в атоме могут находиться на разных энергетических уровнях и обладать разным запасом энергии. Если атом получает дополнительную порцию энергии, то какие-то его электроны (электрон) могут переходить на более высокие энергетические уровни (расположенные дальше от ядра). Потеря атомом энергии связана с перемещением электрона (электронов) на более низкий энергетический уровень.

Следует отметить, что энергетический потенциал электрона не является свойством отдельно взятой частицы, а определяется его взаимодействием с атомным ядром, другими электронами, зависит от скорости его собственного вращения (спина), наличия у атома магнитного момента, т.е. зависит от свойств атома как целой частицы. При объединении атомов в молекулу содержащаяся в них энергия перераспределяется. В этом случае энергия электронов связана также с тем, какое положение он занимает по отношению к каждому из входящих в состав молекулы атомных ядер. Молекула по сравнению с атомом обладает большими возможностями в отношении поглощения и излучения энергии.

В процессе биологического окисления отщепленные от окисляемого вещества электроны не сразу присоединяются к кислороду, а проходят через промежуточные переносчики, попадая на все более низкие в энергетическом отношении уровни. В небиологических системах соединение водорода с кислородом происходит с очень высокой скоростью. Энергия освобождается практически мгновенно в виде тепла и света, что вызывает значительное повышение температуры реакционной смеси.

В клетках живых организмов в результате поэтапного переноса электронов между промежуточными переносчиками освобождение энергии происходит постепенно, порциями на каждом этапе переноса. Постепенность освобождения энергии в цепи переноса электронов значительно уменьшает рассеяние энергии в виде тепла, существенно увеличивает долю энергии, которая может быть использована на выполнение работы, и предохраняет клетку от разрушительного влияния теплоты, освобождающейся в меньшем объеме и постепенно.

В результате постепенного освобождения энергии конечный акцептор электронов - кислород получает «обесцененные» в энергетическом плане электроны. Образовавшиеся в результате присоединения электронов ионы кислорода реагируют с протонами (Н⁺) с образованием воды.

Энергия, освобождающаяся в процессе переноса электронов, частично рассеивается в виде тепла, частично используется для совершения различной работы. Как правило, эти экзергонические превращения не связаны непосредственно с эндергоническими функциями (мышечным сокращением, процессами биосинтеза, активного транспорта веществ, биоэлектрическими явлениями и т.п.). Интеграция этих процессов осуществляется с помощью веществ с макроэргическими (богатыми энергией связями), которые образуются за счет энергии, освобождающейся в процессе переноса электронов, и затем служат донорами энергии для различных эндергонических превращений. Важнейшим таким соединением является нуклеотид - аденозинтрифосфорная кислота (АТФ), образующаяся в ходе окислительных превращений из аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) и Н₃РО₄ (процесс фосфорилирования), протекающих с затратой энергии.

Весь этот процесс, начинающийся с отщепления водорода от окисляемого субстрата, включающий перенос водорода по промежуточным переносчикам, присоединение его к кислороду и синтез за счет освобождающейся при этом энергии АТФ, называется аэробным биологическим окислением, сопряженным с фосфорилированием (синтезом АТФ).

Адениловая система

АТФ является центральным звеном в т.н. адениловой системе, под которой понимается комплекс АТФ, АДФ и аденозинмонофосфорной кислоты (АМФ). Функция АТФ связана со способностью не только накапливать энергию, но и преобразовывать ее в другие формы, в частности в химическую работу (использоваться для синтеза различных химических соединений), в механическую работу.

АТФ и АДФ относятся к макроэргическим соединениям (макроэргам). Макроэрги содержат особый тип химической связи, при гидролитическом расщеплении которой в присутствии ферментов происходит сравнительно большая отдача свободной (способной совершать работу) энергии – более 6 ккал/моль (в стандартных условиях).

Живые организмы используют адениловую систему для сопряжения реакций, идущих с освобождением энергии, с процессами, требующими ее затрат. АТФ является непосредственным источником энергии для подавляющего большинства эндергонических процессов, в том числе и для мышечного сокращения. Энергия освобождается при гидролитическом расщеплении АТФ, происходящем по уравнению:

АТФ + Н₂О → АДФ + Н₃РО₄ + энергия

В условиях живого организма освобождается около 9 ккал/моль энергии, которая может быть преобразована в другие виды энергии, затрачена на выполнение различных видов работы.

Принцип сопряжения между процессами освобождения и потребления энергии через общие компоненты этих реакций – макроэргические соединения (АТФ) – имеет большое биологическое значение. Он обеспечивает возможность создания общего клеточного фонда легко мобилизуемой энергии и перераспределение этого единого фонда для использования энергии по разным каналам в зависимости от потребностей клетки, ее функционального состояния и от влияния условий внешней среды. В связи с этим отпадает необходимость непосредственного взаимодействия между первичными реакциями, дающими энергию, и функциями клетки. Эти процессы связаны только через общего партнера (АТФ) и могут быть разобщены как в пространстве, так и во времени.

Роль АТФ в организме не сводится только к непосредственному обеспечению энергией эндергонических процессов и связыванию воедино различных звеньев энергетического обмена. Наряду с другим макроэргическим соединением – креатинфосфатом – АТФ выполняет внутри клетки роль переносчика легко мобилизуемой энергии от мест, где она освобождается, к местам ее использования. Сами молекулы АТФ способны перемещаться в клетке на сравнительно небольшие расстояния (не более 10 мкм). Имеющийся в клетке транспортный механизм, включающий АТФ, креатинфосфат (КрФ) и фермент креатинфосфокиназу, способен обеспечить транспорт доступной для использования энергии практически по всему внутриклеточному пространству.

Накапливаясь в клетке в некоторых количествах, АТФ создает тем самым возможность быстрого переключения организма от состояния относительного покоя к активной деятельности.

Химическое строение АТФ представлено на рис. 3.

Рис. 3. Химическое строение аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

Знаком ~ обозначены макроэргические химические связи.

Поскольку содержание АТФ в клетках организма невелико (в скелетных мышцах около 5 ммоль/кг, или ~0,4% от массы мышцы; общее содержание АТФ в организме составляет около 50 г), а потребность в энергии существует постоянно и постоянно происходит трата АТФ, запасы АТФ необходимо восполнять. Непрерывное восстановление запасов АТФ (ресинтез) происходит по уравнению:

АДФ + Н₃РО₄ + энергия → АТФ + Н₂О

Кроме АТФ, в клетках организма человека имеются другие нуклеотиды: гуанозинтрифосфат (ГТФ), уридинтрифосфат (УТФ), цитозинтрифосфат (ЦТФ), также являющиеся макроэргическими соединениями. Однако они используются как источники энергии только в ограниченном количестве процессов: ГТФ – при синтезе белков, УТФ – при синтезе полисахаридов, ЦТФ – при синтезе липидов, распадаясь при этом на соответствующие дифосфаты. Восстановление их в трифосфаты осуществляется при взаимодействии дифосфатов с АТФ.