Стадии биологического окисления

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 (СО₂ и Н₂О) 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 СО₂ и восстановленных коферментов НАДН(Н⁺) и ФАДН₂;

3. Окисление водорода восстановленных коферментов НАДН(Н⁺) и ФАДН₂ в дыхательной цепи с образованием воды и АТФ.

· ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ, СОПРЯЖЕННАЯ С ТРАНСФОРМАЦИЕЙ ЭНЕРГИИ. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

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 ФАДН₂ к молекулярному кислороду, сопряженный с синтезом АТФ.

Источником НАДН(Н⁺) и ФАДН₂ являются дегидрогеназные реакции, протекающие по схеме:

SН₂ + НАД⁺ ® S + НАДН(Н⁺) ; SН₂ + ФАД ® S + ФАДН₂

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 ФАДН₂ к молекулярному кислороду можно представить в виде схемы:

Сукцинат ® ФАДН₂

¯

Железо-серный белок

¯

НАДН(Н⁺) ® ФМН ® железо-серный белок ® КоQ (убихинон) ® цитохром b ® железо-серный белок ® цитохром с₁ ® цитохром с ® цитохром а ® цитохром а₃ ® О₂

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 О₂. Восстановление кислорода до воды происходит по схеме:

2Н⁺ + 2 е + 1/2 О₂ ® Н₂О или 4 Н⁺ + 4 е + О₂ ® 2 Н₂О

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 О₂ – 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 + Н₃РО₄ ® АТФ ). Окисление одной молекулы НАДН(Н⁺) дает 3 АТФ, тогда как окисление ФАДН₂ - 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 ФАДН₂ 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:

О О ОН

// // |

С – Н +НАД­­­­­⁺ С - О ~ Р = О СООН

| + H₃PO₄ | | +АДФ |

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

| | -НАДН(Н⁺) | | -АТФ | |

СН₂О - Р = О СН₂ – О - Р = О СН₂ – О – Р = О

| | |

ОН ОН ОН

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 + Н₂О ® АДФ + Н₃РО₄;

2) АТФ + Н₂О ® АМФ + Н₄Р₂О₇

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).

О ОН

// |

С - О ~ Р = О

| |

Н – С – ОН ОН ОН

| |

СН₂ – О - Р = О

|

ОН

1,3-дифосфоглицерат

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

СООН ОН

½ ½

С – О ~ Р = О

êê ê

СН₂ ОН

фосфоенолпируват

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

О О

// //

СН₃ – С ~ S – КоА НООС – СН₂ – СН₂ – С ~ S – КоА

ацетил-КоА сукцинил-КоА

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

ОН

ê

Н – N ~ Р = О

ê ê

С=NH ОН

ê

N – CН₃

ê

СН₂

ê

СООН

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 + О₂ + цитохром Р-450 (Fe²⁺) + 2Н⁺ ® Лек - ОН + Н₂О + цитохром Р-450

(Fe³⁺)

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 ПО ТЕМЕ:

«ОБМЕН ВЕЩЕСТВ И ЭНЕРГИИ. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ»

1. Какие особенности присущи живым организмам по сравнению с неживой приро-дой? В чем состоит сущность обмена веществ?

2. Назовите принципиальные различия между анаболическими и катаболическими процессами.

3. Какова последовательность обменных процессов в организме животных?

4. Охарактеризуйте стадии обмена веществ в зависимости от количества выделяемой

энергии.

5. Что такое биологическое окисление? Укажите основные отличия процессов биоло-

гического окисления глюкозы и ее горения.

6. Какие пути синтеза АТФ существуют в организме животных?

7. Что понимают под окислительным фосфорилированием? Каковы механизмы регу-

ляции этого процесса?

8. Назовите компоненты дыхательной цепи, сопряженной с трансформацией энергии.

От чего зависит порядок их расположения?

9. В чем состоит сущность хемиосмотической теории П.Митчелла?

10. Объясните почему при окислении НАДН(Н⁺) в дыхательной цепи образуется 3 молекулы АТФ, а при окислении ФАДН₂ – 2?

11. В чем состоит разница между окислительным и субстратным фосфорилированием?

12. Какие соединения называют макроэргическими? Приведите примеры макроэрги-

ческих соединений и укажите в чем заключается их роль для организма животных.

13. Какое значение для организма животных имеет разобщение окисления с синтезом

АТФ?

14. В чем заключается роль микросомального окисления?

Глава 2