Презентация на тему "биологическое окисление". Стадии биологического окисления Биологические функции биологического окисления в клетке

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.

страница 1

Биологическое окисление

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.

4) свободнорадикальное окисление необходимо для регуляции обновления и проницаемости клеточных мембран.

аденин – рибоза – Р ~ Р ~ Р, где Р – остаток фосфорной кислоты

Система унификации субстратов окисления в организме человека

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.

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

Классификация оксидоредуктаз :

1. Дегидрогеназы осуществляют отщепление водорода от окисляемого субстрата:

SH 2 + A → S +AH 2

SH 2 + НАД + ↔ S + НАД + ·Н 2

SH 2 + ФАД ↔ S + ФАД·Н 2

НАД + ·Н 2 + ФМН ↔ НАД + + ФМН·Н 2

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+)

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

Дыхательная (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

НАД → 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 радикал

II 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 ;

супероксиддисмутаза

·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

Без энергии невозможно существование ни одного живого существа. Ведь каждая химическая реакция, любой процесс требуют ее присутствия. Любому человеку легко понять это и почувствовать. Если весь день не употреблять пищу, то уже к вечеру, а возможно, и раньше, начнутся симптомы повышенной усталости, вялости, сила значительно уменьшится.

Каким же способом разные организмы приспособились к получению энергии? Откуда она берется и какие процессы при этом происходят внутри клетки? Попробуем разобраться в данной статье.

Получение энергии организмами

Каким бы способом ни потребляли существа энергию, в основе всегда лежат Примеры можно привести разные. Уравнение фотосинтеза, который осуществляют зеленые растения и некоторые бактерии − это тоже ОВР. Естественно, что процессы будут отличаться в зависимости от того, какое живое существо имеется в виду.

Так, все животные − это гетеротрофы. То есть такие организмы, которые не способны самостоятельно формировать внутри себя готовые органические соединения для дальнейшего их расщепления и высвобождения энергии химических связей.

Растения, напротив, являются самым мощным продуцентом органики на нашей планете. Именно они осуществляют сложный и важный процесс под названием фотосинтез, который заключается в формировании глюкозы из воды, углекислого газа под действием специального вещества − хлорофилла. Побочным продуктом является кислород, который является источником жизни для всех аэробных живых существ.

Окислительно-восстановительные реакции, примеры которых иллюстрируют данный процесс:

6CO 2 + 6H 2 O = хлорофилл = C 6 H 10 O 6 + 6O 2 ;

диоксид углерода + под воздействием пигмента хлорофилла (фермент реакции) = моносахарид + свободный молекулярный кислород.

Также существуют и такие представители биомассы планеты, которые способны использовать энергию химических связей неорганических соединений. Их называют хемотрофы. К ним относят многие виды бактерий. Например, водородные микроорганизмы, окисляющие молекулы субстрата в почве. Процесс происходит по формуле: 2Н 2 +0 2 =2Н 2 0.

История развития знаний о биологическом окислении

Процесс, который лежит в основе получения энергии, сегодня вполне известен. окисление. Биохимия настолько подробно изучила тонкости и механизмы всех стадий действия, что загадок почти не осталось. Однако так было не всегда.

Первые упоминания о том, что внутри живых существ происходят сложнейшие преобразования, которые являются по природе химическими реакциями, появились примерно в XVIII веке. Именно в это время Антуан Лавуазье, знаменитый французский химик, обратил свое внимание на то, как схожи биологическое окисление и горение. Он проследил примерный путь поглощаемого при дыхании кислорода и пришел к выводу, что внутри организма происходят процессы окисления, только более медленные, чем снаружи при горении различных веществ. То есть окислитель − молекулы кислорода − вступают в реакцию с органическими соединениями, а конкретно, с водородом и углеродом из них, и происходит полное превращение, сопровождающееся разложением соединений.

Однако, хоть данное предположение по сути своей вполне реально, непонятными оставались многие вещи. Например:

раз процессы схожи, то и условия их протекания должны быть идентичными, но окисление происходит при низкой температуре тела;
действие не сопровождается выбросом колоссального количества тепловой энергии и не происходит образования пламени;
в живых существах не менее 75-80% воды, но это не мешает «горению» питательных веществ в них.

Чтобы ответить на все эти вопросы и понять, что на самом деле представляет собой биологическое окисление, понадобился не один год.

Существовали разные теории, которые подразумевали важность наличия в процессе кислорода и водорода. Самые распространенные и наиболее успешные были:

теория Баха, именуемая перекисной;
теория Палладина, основывающаяся на таком понятии, как «хромогены».

В дальнейшем было еще много ученых, как в России, так и других странах мира, которые постепенно вносили дополнения и изменения в вопрос о том, что же такое биологическое окисление. Биохимия современности, благодаря их трудам, может рассказать о каждой реакции этого процесса. Среди самых известных имен в этой области можно назвать следующие:

Митчелл;
С. В. Северин;
Варбург;
В. А. Белицер;
Ленинджер;
В. П. Скулачев;
Кребс;
Грин;
В. А. Энгельгардт;
Кейлин и другие.

Виды биологического окисления

Можно выделить два основных типа рассматриваемого процесса, которые протекают при разных условиях. Так, самый распространенный у многих видов микроорганизмов и грибков способ преобразования получаемой пищи − анаэробный. Это биологическое окисление, которое осуществляется без доступа кислорода и без его участия в какой-либо форме. Подобные условия создаются там, куда нет доступа воздуху: под землей, в гниющих субстратах, илах, глинах, болотах и даже в космосе.

Этот вид окисления имеет и другое название − гликолиз. Он же является одной из стадий более сложного и трудоемкого, но энергетически богатого процесса − аэробного преобразования или тканевого дыхания. Это уже второй тип рассматриваемого процесса. Он происходит во всех аэробных живых существах-гетеротрофах, которые для дыхания используют кислород.

Таким образом, виды биологического окисления следующие.

Гликолиз, анаэробный путь. Не требует присутствия кислорода и заканчивается разными формами брожения.
Тканевое дыхание (окислительное фосфорилирование), или аэробный вид. Требует обязательного наличия молекулярного кислорода.

Участники процесса

Перейдем к рассмотрению непосредственно самих особенностей, которые заключает в себе биологическое окисление. Определим основные соединения и их аббревиатуры, которые в дальнейшем будем использовать.

Ацетилкоэнзим-А (ацетил-КоА) − конденсат щавелевой и уксусной кислоты с коферментом, формирующийся на первой стадии цикла трикарбоновых кислот.
Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты, трикарбоновых кислот) − ряд сложных последовательных окислительно-восстановительных преобразований, сопровождающихся высвобождением энергии, восстановлением водорода, образованием важных низкомолекулярных продуктов. Является главным звеном ката- и анаболизма.
НАД и НАД*Н − фермент-дегидрогеназа, расшифровывающийся как никотинамидадениндинуклеотид. Вторая формула − это молекула с присоединенным водородом. НАДФ - никотинамидадениндинуклетид-фосфат.
ФАД и ФАД*Н − флавинадениндинуклеотид - кофермент дегидрогеназ.
АТФ − аденозинтрифосфорная кислота.
ПВК − пировиноградная кислота или пируват.
Сукцинат или янтарная кислота, Н 3 РО 4 − фосфорная кислота.
ГТФ − гуанозинтрифосфат, класс пуриновых нуклеотидов.
ЭТЦ − электроно-транспортная цепь.
Ферменты процесса: пероксидазы, оксигеназы, цитохромоксидазы, флавиновые дегидрогеназы, различные коферменты и прочие соединения.

Все эти соединения являются непосредственными участниками процесса окисления, которое происходит в тканях (клетках) живых организмов.

Стадии биологического окисления: таблица

Стадия	Процессы и значение
Гликолиз	Суть процесса заключается в бескислородном расщеплении моносахаридов, которое предшествует процессу клеточного дыхания и сопровождается выходом энергии, равным двум молекулам АТФ. Также образуется пируват. Это начальная стадия для любого живого организма гетеротрофа. Значение в образовании ПВК, который поступает на кристы митохондрий и является субстратом для тканевого окисления кислородным путем. У анаэробов после гликолиза наступают процессы брожения разного типа.
Окисление пирувата	Этот процесс заключается в преобразовании ПВК, образовавшейся в ходе гликолиза, в ацетил-КоА. Он осуществляется при помощи специализированного ферментного комплекса пируватдегидрогеназы. Результат − молекулы цетил-КоА, которые вступают в В этом же процессе осуществляется восстановление НАД до НАДН. Место локализации − кристы митохондрий.
Распад бета-жирных кислот	Этот процесс осуществляется параллельно с предыдущим на кристах митохондрий. Суть его в том, чтобы переработать все жирные кислоты в ацетил-КоА и поставить его в цикл трикарбоновых кислот. При этом также восстанавливается НАДН.
Цикл Кребса	Начинается с превращения ацетил-КоА в лимонную кислоту, которая и подвергается дальнейшим преобразованиям. Одна из важнейших стадий, которые включает в себя биологическое окисление. Данная кислота подвергается: дегидрированию; декарбоксилированию; регенерации. Каждый процесс совершается несколько раз. Результат: ГТФ, диоксид углерода, восстановленная форма НАДН и ФАДН 2 . При этом ферменты биологического окисления свободно располагаются в матриксе митохондриальных частиц.
Окислительное фосфорилирование	Это последняя стадия преобразования соединений в организмах эукариот. При этом происходит преобразование аденозиндифосфата в АТФ. Энергия, необходимая для этого, берется при окислении тех молекул НАДН и ФАДН 2 , которые сформировались на предыдущих стадиях. Путем последовательных переходов по ЭТЦ и понижением потенциалов происходит заключение энергии в макроэргические связи АТФ.

Это все процессы, которые сопровождают биологическое окисление при участии кислорода. Естественно, что описаны они не полностью, а лишь по сущности, так как для подробного описания нужна целая глава книги. Все биохимические процессы живых организмов чрезвычайно многогранны и сложны.

Окислительно-восстановительные реакции процесса

Окислительно-восстановительные реакции, примеры которых могут проиллюстрировать описанные выше процессы окисления субстрата, следующие.

Гликолиз: моносахарид (глюкоза) + 2НАД + + 2АДФ = 2ПВК + 2АТФ + 4Н + + 2Н 2 О + НАДН.
Окисление пирувата: ПВК + фермент = диоксид углерода + ацетальдегид. Затем следующий этап: ацетальдегид + Кофермент А = ацетил-КоА.
Множество последовательных преобразований лимонной кислоты в цикле Кребса.

Данные окислительно-восстановительные реакции, примеры которых приведены выше, отражают суть происходящих процессов лишь в общем виде. Известно, что соединения, о которых идет речь, относятся к высокомолекулярным, либо имеющим большой углеродный скелет, поэтому изобразить все полными формулами просто не представляется возможным.

Энергетический выход тканевого дыхания

По приведенным выше описаниям очевидно, что подсчитать суммарный выход всего окисления по энергии несложно.

Две молекулы АТФ дает гликолиз.
Окисление пирувата 12 молекул АТФ.
22 молекулы приходится на цикл трикарбоновых кислот.

Итог: полное биологическое окисление по аэробному пути дает выход энергии, равный 36 молекулам АТФ. Значение биологического окисления очевидно. Именно эта энергия используется живыми организмами для жизни и функционирования, а также для согревания своего тела, движения и прочих необходимых вещей.

Анаэробное окисление субстрата

Второй вид биологического окисления − анаэробный. То есть тот, что осуществляется у всех, но на котором останавливаются микроорганизмы определенных видов. и именно с него четко прослеживаются различия в дальнейшем преобразовании веществ между аэробами и анаэробами.

Стадии биологического окисления по данному пути немногочисленны.

Гликолиз, то есть окисление молекулы глюкозы до пирувата.
Брожение, приводящее к регенерации АТФ.

Брожение может быть разных типов, в зависимости от организмов, его осуществляющих.

Молочнокислое брожение

Осуществляется молочнокислыми бактериями, а также некоторыми грибками. Суть состоит в восстановлении ПВК до молочной кислоты. Этот процесс используют в промышленности для получения:

кисломолочных продуктов;
квашеных овощей и фруктов;
силоса для животных.

Этот вид брожения является одним из самых применяемых в нуждах человека.

Спиртовое брожение

Известно людям с самой древности. Суть процесса заключается в превращении ПВК в две молекулы этанола и две диоксида углерода. Благодаря такому выходу продукта, данный вид брожения используют для получения:

хлеба;
вина;
пива;
кондитерских изделий и прочего.

Осуществляют его грибы дрожжи и микроорганизмы бактериальной природы.

Маслянокислое брожение

Достаточно узкоспецифичный вид брожения. Осуществляется бактериями рода Клостридиум. Суть состоит в превращении пирувата в масляную кислоту, придающую продуктам питания неприятный запах и прогорклый вкус.

Поэтому реакции биологического окисления, идущие по такому пути, практически не используют в промышленности. Однако эти бактерии самостоятельно засевают продукты питания и наносят вред, понижая их качество.

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».

УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра биоорганической и биологической химии

КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:

Биологическое окисление.

Исполнители: студентки

педиатрического

факультета 223 группы

Заруба Н.С., Чащина Е.Е.

Руководитель: доцент,

к.м.н. Трубачев С.Д.

Рецензент:

Екатеринбург 2002.

I. Введение………………………………………………………………...3

II. Общие представления о биологическом окислении.

Окислительно-восстановительные системы и потенциалы……..3

III. Пути использования кислорода в клетке……………………………...5

Оксидазный путь использования кислорода. Митохондрии.

Ферменты, их локализация и значение в процессах окисления…….5

IV. Этапы утилизации энергии питательных веществ…………………...6

V. Окислительное фосфорилирование……………………………………9

Хемиосмотическая теория Митчелла……..……….………………..9

Редокс – цепь окислительного фосфорилирования………………10

VI. Цикл Кребса…………………………………………………………21

Открытие ЦТК……………………………………………………..22

Реакции, ферменты. Регуляция…………………………………...23

VII. Макроэргические соединения и связи……………………………...29

VIII. Витамин РР. Участие в процессах окисления…………………….30

IX. Микросомальное окисление…………………………………………31

Монооксигеназные реакции………………………………………31

Диоксигеназные реакции………………………………………….32

Цитохромы…………………………………………………………32

X. Пероксидазный путь использования кислорода…………………..33

XI. Ферментативная антиоксидантная защита…………………………34

Супероксиддисмутаза, каталазы, пероксидазы………………….34

XII. Неферментативная антиоксидантная защита………………………35

Витамины С, Е и Р…………………………………………….…...35

XIII. Заключение…………………………………………………………..38

XIV. Список литературы…………………………………………………..39

Введение.

В химии окисление определяется как удаление электронов, а восстановление - как присоединение электронов; это можно проиллюстрировать на примере окисления ферро-иона в ферри-ион:

Fe 2+ -e → Fe 3+

Отсюда следует, что окисление всегда сопровождается восстановлением акцептора электронов. Этот принцип окислительно-восстановительных процессов в равной мере применим к биохимическим системам и характеризует природу процессов биологического окисления.

Хотя некоторые бактерии (анаэробы) живут в отсутствие кислорода, жизнь высших животных полностью зависит от снабжения кислородом. Кислород, главным образом, используется в процессе дыхания – последнее можно определить как процесс улавливания клеточной энергии в виде АТФ при протекании контролируемого присоединения кислорода с водородом с образованием воды. Кроме того, молекулярный кислород включается в различные субстраты при участии ферментов, называемых оксигеназами. Многие лекарства, посторонние для организма вещества, канцерогены (ксенобиотики) атакуются ферментами этого класса, которые в совокупности получили название цитохрома Р 450 .

Гипоксические нарушения метаболизма клетки занимают ведущее место в патогенезе критических состояний. Главную роль в формировании необратимости патологических процессов приписывают крайним проявлениям расстройства клеточного метаболизма. Адекватное обеспечение клетки кислородом является основным условием сохранения ее жизнеспособности.

Введением кислорода можно спасти жизнь больных, у которых нарушено дыхание или кровообращение. В ряде случаев успешно применяется терапия кислородом под высоким давлением; следует однако отметить, что интенсивная или продолжительная терапия кислородом под высоким давлением может вызвать кислородное отравление.

При написании данной работы перед нами стояла цель: изучить биологическое окисление и его значение в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Для этого мы рассмотрели:

Использование кислорода клеткой;

Источники энергии клетки – цикл лимонной кислоты (цикл Кребса), окислительное фосфорилирование;

Микросомальное окисление;

Антиоксидантную защиту

Общие представления о биологическом окислении.

Окислительно-восстановительные системы и потенциалы.

Источник энергии, используемый для выполнения всех видов работ (химической, механической, электрической и осмотической) – это энергия химической связи. Высвобождение энергии углеводов, жиров, белков и других органических соединений происходит при их окислительно-восстановительном распаде. Высвобожденная энергия затрачивается на синтез АТФ.

Изменение свободной энергии, характеризующее реакции окисления и восстановления, пропорционально способности реактантов отдавать или принимать электроны. Следовательно, изменение свободной энергии окислительно-восстановительного процесса можно характеризовать не только величиной DG 0 " , но и величиной окислительно-восстановительного потенциала системы (Ео). Обычно окислительно-восстановительный потенциал системы сравнивают с потенциалом водородного электрода, принимая последний за ноль, 0В при рН=0. Однако для биологических систем удобнее использовать окислительно-восстановительный потенциал при рН=7,0 (Ео"); при таком рН потенциал водородного электрода равен -0,42В.

Пользуясь таблицей 1, можно предсказать, в каком направлении пойдет поток электронов при сопряжении одной окислительно-восстановительной системы.

Таблица 1. Стандартные потенциалы некоторых окислительно-восстановительных систем.

Пути использования кислорода в клетке.

Существует три пути использования кислорода в клетке, которые характеризуются следующими реакциями:

1) оксидазный путь (90% поступившего кислорода восстанавливается до Н 2 О при участии фермента цитохромоксидазы)

0 2 +4е+4Н + → 2Н 2 О

2) оксигеназный путь (включение в субстрат одного атома кислорода - монооксигеназный путь, двух атомов кислорода -диоксигеназный путь) -монооксигеназный путь

Диоксигеназный путь

3) свободно-радикальный путь (идет без участия ферментов и АТФ не образуется).

Оксидазный путь использования кислорода. Митохондрии. Ферменты, их локализация и значение в процессе окисления.

Митохондрии справедливо называют "энергетическими станциями" клетки, поскольку именно в этих органеллах в основном происходит улавливание энергии, поставляемой окислительными процессами. Митохондриальную систему сопряжения окислительных процессов с генерацией высокоэнергетического интермедиатора АТФ называют окислительным фосфорилированием.

Митохондрии имеют наружную мембрану, проницаемую для большинства метаболитов, и избирательно проницаемую внутреннюю мембрану с множеством складок (крист), выступающих в сторону матрикса (внутреннего пространства митохондрий). Наружная мембрана может быть удалена путем обработки дигитонином; она характеризуется наличием моноаминоксидазы и некоторых других ферментов (например, ацил-КоА-синтетазы, глицерофосфат-ацилтрансферазы, моноацилглицерофосфат-ацилтрансферазы, фосфолипазы А2). В межмембранном пространстве находятся аденилаткиназа и креатинкиназа. Во внутренней мембране локализован фосфолипид кардиолипин.

В матриксе находятся растворимые ферменты цикла лимонной кислоты и ферменты b-окисления жирных кислот, в связи с этим возникает необходимость в механизмах транспорта метаболитов и нуклеотидов через внутреннюю мембрану. Сукцинатдегидрогеназа локализована на внутренней поверхности внутренней митохондриальной мембраны, где она передает восстановительные эквиваленты дыхательной цепи на уровне убихинона (минуя первую окислительно-восстановительную петлю). 3-гидроксибутиратдегид рогеназа локализована на матриксной стороне внутренней митохондриальной мембраны. Глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа находится на наружной поверхности внутренней мембраны, где она участвует в функционировании глицерофосфатного челночного механизма.

Этапы утилизации энергии питательных веществ.

Утилизация энергии питательных веществ - сложный процесс, который протекает в три стадии, согласно следующей схеме:

Схема 1. Стадии катаболизма питательных веществ.

На стадии 1 крупные молекулы полимеров распадаются на мономерные субъединицы: белки на аминокислоты, полисахариды на сахара, а жиры на жирные кислоты и холестеоролы. Этот предварительный процесс, называемый пищеварением, осуществляется главным образом вне клеток под действием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На стадии 2 образовавшиеся небольшие молекулы поступают в клетки и подвергаются дальнейшему расщеплению в цитоплазме. Большая часть углеродных и водородных атомов сахаров превращается в пируват, который, проникнув в митохондрии, образует там ацетильную группу химически активного соединения ацетилкофермента А (ацетил-СоА). Большое количество ацетил-СоА образуется также при окислении жирных кислот. На стадии 3 происходит полное расщепление ацетильной группы ацетил-СоА до СО 2 и Н 2 О. Именно на этой заключительной стадии образуется большая часть АТФ. В серии сопряженных химических реакций больше половины той энергии, которую, согласно теоретическим расчетам, можно извлечь из углеводов и жиров при окислении их до Н 2 О и СО 2 , используется для осуществления энергетически невыгодной реакции Ф н + АДФ ® АТФ. Поскольку остальная часть энергии, высвобождающейся при окислении, выделяется клеткой в виде тепла, результатом образования АТФ является общее возрастание неупорядоченности Вселенной, что полностью соответствует второму закону термодинамики.

Благодаря образованию АТФ энергия, первоначально извлеченная путем окисления из углеводов и жиров, преобразуется в более удобную концентрированную форму химической энергии. В растворе, находящемся во внутриклеточном пространстве типичной клетки, имеется примерно 1 млрд. молекул АТФ, гидролиз которых до АДФ и фосфата обеспечивает необходимой энергией множество энергетически невыгодных реакций.

Самым важным этапом стадии 2 катаболизма является гликолиз – последовательность реакций, приводящих к расщеплению глюкозы. При гликолизе молекула глюкозы, содержащая 6 атомов углерода, превращается в 2 молекулы пирувата, содержащие по 3 атома углерода каждая. Для такого превращения требуется 9 последовательных ферментативных реакций, в которых происходит образование ряда промежуточных фосфатсодержащих соединений. (см. рисунок 1.)

Логически рассуждая, последовательность реакций гликолиза можно разделить на три этапа: 1) в реакциях 1-4 (см.рисунок 1) глюкоза превращается в трехуглеродный альдегид глицеральдегид-3-фосфат (для этого превращения нужны две фосфатные группы, а необходимая энергия выделяется при гидролизе АТФ); 2) в реакциях 5-6 альдегидная группа каждой молекулы глицеральдегид-3-фосфата окисляется до карбоксильной, и выделяющаяся при этом энергия расходуется на синтез АТФ из АДФ и Ф н; 3) в реакциях 7-9 те две молекулы фосфата, которые присоединились к сахару на первой стадии, переносятся обратно на АДФ, в результате чего образуется АТФ и компенсируются затраты АТФ на этапе 1.

Рисунок 1. Промежуточные продукты гликолиза.

Суммарный выход энергии при гликолизе сводится к синтезу двух молекул АТФ (на одну молекулу глюкозы), которые образовались в реакциях 5 и 6. Таким образом, данные реакции имеют решающее значение для гликолиза. Эти две реакции – единственные во всем процессе, в которых из Ф н формируется высокоэнергетическая фосфатная связь. Суммарным результатом этих двух реакций является окисление сахарного альдегида в фосфоглицероловую кислоту, перенос Ф н на АДФ с образованием высокоэнергетической связи АТФ и восстановления НАД + до НАДН.

Для большинства клеток животных гликолиз предшествует стадии 3 катаболизма, т.к. образующаяся при гликолизе молочная кислота быстро поступает в митохондрии, где окисляется до СО 2 и Н 2 О. Тем не менее у анаэробных организмов и тканей, способных работать в анаэробных условиях, гликолиз может стать основным источником клеточного АТФ. В этих случаях молекулы пирувата остаются в цитозоле и превращаются в лактат, который затем выводится из клетки. Дельнейшее превращение пирувата в этих энергодающих реакциях, называемых брожением, требуется для того, чтобы полностью использовать восстановительный потенциал, полученный в реакции 5 гликолиза, и таким путем регенерировать НАД + , необходимый для дальнейшего осуществления гликолиза.

Окислительное фосфорилирование.

Окислительное фосфорилирование позволяет аэробным организмам улавливать значительную долю потенциальной свободной энергии окисления субстратов. Возможное объяснение механизма окислительного фосфорилирования предлагает хемиосмотическая теория. Ряд лекарственных веществ (например, амобарбитал) и ядов (цианид, окись углерода) подавляют окислительное фосфорилирование, обычно с фатальными последствиями. Окислительное фосфорилирование является столь жизненно важным процессом, что нарушение его нормального хода несовместимо с жизнью. Этим можно объяснить, почему обнаружено лишь небольшое количество генетических нарушений, затрагивающих эту систему.

Хотя цикл лимонной кислоты составляет часть аэробного метаболизма, ни в одной из реакций этого цикла, приводящих к образованию НАДН и ФАДH 2 , молекулярный кислород не принимает прямого участия; это происходит только в завершающей серии катаболических реакций, протекающих на внутренней мембране. Почти вся энергия, получаемая на ранних этапах окисления от сжигания углеводов, жиров и других питательных веществ, вначале запасается в форме высокоэнергетических электронов, переносимых НАДН и ФАДН. Затем эти электроны взаимодействуют с молекулярным кислородом в дыхательной цепи. Taк как большое количество высвобождаемой энергии используется ферментами внутренней мембраны для синтеза АТФ из AДФ и Ф н, эти последние реакции называют окислительным фосфорилированием.

Синтез АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования, протекающих в дыхательной цепи, зависит от хемиосмотического процесса . Механизм этого процесса, впервые предложенный в 1961 году, позволил разрешить проблему, давно ставшую перед биологией клетки.

Раньше думали, что энергию для синтеза АТФ в дыхательной цепи обеспечивает такой же механизм, как и при субстратном фосфорилировании: предполагалось, что энергия окисления используется для образования высокоэнергетической связи между фосфатной группой и каким-то промежуточным соединением и, что превращение AДФ в АТФ осуществляется за счет энергии, выделяемой при разрыве этой связи. Однако, несмотря на интенсивные поиски, предполагаемый интермедиат не был обнаружен.

Согласно хемиосмотической гипотезе, вместо богатых энергией промежуточных продуктов существует прямая связь между процессами химическими («хеми...») и транспортными (осмотическими, от греческого osmos - толчок, давление) - хемиосмотическое сопряжение.

Хемиосмотическая гипотеза, предложенная в начале 60-х годов, включала четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий:

1. Митохондриальная дыхательная цепь, находящаяся во внутренней мембране, способна перемещать протоны; при прохождении электронов по дыхательной цепи происходит «откачивание» Н + из матрикса.

2. Митохондриальный АТФ-синтетазный комплекс тоже перемещает протоны через внутреннюю мембрану. Поскольку этот процесс обратим, фермент может не только использовать энергию гидролиза АТФ для переноса Н + через мембрану, но при достаточно большом протонном градиенте протоны начинают «течь» через АТФ-синтетазу в обратном направлении, что сопровождается синтезом АТФ.

3. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для Н + , ОН - и вообще всех анионов и катионов.

4. Внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и неорганических ионов.

При прохождении высокоэнергетических электронов, доставляемых НАДН и ФАДH 2 , по дыхательной цепи внутренней митохондриальной мембраны от одного переносчика к следующему высвобождается энергия, которая используется для перекачивания протонов (Н +) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство. (см.рисунок 2)

Рисунок 2. Перенос протонов при участии АТФ-синтазной системы (модель Митчелла).

В результате на внутренней мембране создается электрохимический протонный градиент; энергию о6ратного тока протонов «вниз» по этому градиенту используется связанный с мембраной фермент АТФ-синтетаза, катализирующий образование ATФ из АДФ и Ф н, т.е. завершающий этап окислительного фосфорилирования.

Редокс-цепь окислительного фосфорилирования.

Электроны переносятся с НАДН на кислород с помощью трех больших ферментных комплексов дыхательной цепи. Хотя механизмы извлечения энергии в дыхательной цепи и в других катаболических реакциях различны, в их основе лежат общие принципы. Реакция Н 2 + 1/2 О 2 ® Н 2 О разбита на много небольших «шагов», так что высвобождаемая энергия может переходить в связанные формы, а не рассеивается в виде тепла. Как и в случае образования АТФ и НАДH при гликолизе или в цикле лимонной кислоты, это связано с использованием непрямого пути. Но уникальность дыхательной цепи заключается в том, что здесь прежде всего атомы водорода расщепляются на электроны и протоны. Электроны передаются через серию переносчиков, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану. Когда электроны достигают конца этой электронтранспортной цепи, протоны оказываются там же для нейтрализации отрицательного заряда, возникающего при переходе электронов на молекулу кислорода.

Проследим процесс окисления, начиная с образования НАДH - главного акцептора реактивных электронов, извлекаемых при окислении молекул питательных веществ. Каждый атом водорода состоит из одного электрона и одного протона. Каждая молекула НАДH несет гидрид-ион (водородный атом + добавочный электрон, Н: -), а не просто атом водорода. Однако из-за присутствия в окружающем водном растворе свободных протонов перенос гидрид-иона в составе НАДH эквивалентен переносу двух атомов водорода или молекулы водорода (Н: - + Н + ® Н 2).

Перенос электронов по дыхательной цепи начинается с отнятия гидрид-иона (Н: -) от НАДH; при этом регенерируется НАД + , a гидрид-ион превращается в протон и два электрона (Н: - ® Н + + 2е -). Эти электроны переходят на первый из более чем 15 различных переносчиков электронов в дыхательной цепи. В этот момент электроны обладают очень большой энергией, запас которой постепенно уменьшается по мере прохождения их по цепи. Чаще всего электроны переходят от одного атома металла к другому, причем каждый из этих атомов прочно связан с белковой молекулой, которая влияет на его сродство к электрону. Важно отметить, что все белки – переносчики электронов – группируются в три больших комплекса дыхательных ферментов, каждый из которых содержит трансмембранные белки, прочно закрепляющие комплекс во внутренней мембране митохондрии. Каждый последующий комплекс обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий. Электроны последовательно переходят с одного комплекса на другой, пока наконец не перейдут на кислород, имеющий наибольшее сродство к электрону.

Энергия, высвобождаемая в процессе переноса электронов по дыхательной цепи, запасается в форме электрохимического протонного градиента на внутренней мембране митохондрий.

Окислительное фосфорилирование возможно благодаря тесной ассоциации переносчиков электронов с белковыми молекулами. Белки направляют электроны по дыхательной цепи так, что они последовательно переходят от одного ферментного комплекса к другому, не «перескакивая» через промежуточные звенья. Особенно важно то, что перенос электронов сопряжен с аллостерическими изменениями определенных белков молекул, в pезультате чего энергетически выгодный поток электронов вызывает перекачивание протонов (Н +) через внутреннюю мем6рану из матрикса в межмембранное пространство и далее за пределы митохондрии. Передвижение протонов приводит к двум важным следствиям: 1) между двумя сторонами внутренней мембраны создается градиент рН - в матриксе рН выше, чём в цитозоле, где значение рН обычно близко к 7,0 (так как малые молекулы свободно проходят через наружную мембрану митохондрии, рН в межмембранном пространстве будет таким же как в цитозоле); 2) на внутренней мембране создается градиент напряжения (мембранный потенциал), причем внутренняя сторона мембраны заряжается отрицательно, а наружная - положительно. Градиент рН (DрН) заставляет ионы Н + переходить обратно в матрикс, а ионы ОН - из матрикса, что усиливает эффект мембранного потенциала, под действием которого любой положительный заряд притягивается в матрикс, а любой отрицательный выталкивается из него. Совместное действие этих двух сил приводит к возникновению электрохимического протонного градиента. Электорохимический протонный градиент создает протонодвижущую силу, измеряемую в милливольтах (мВ).

Энергия электрохимического протонного градиента используется для синтеза АТФ и транспорта метаболитов и неорганических ионов в матрикс.

Внутренняя мембрана митохондрий отличается необычно высоким содержанием белка - в ней по весу примерно 70% белка и 30%фосфолипидов. Многие из этих белков входят в состав электронтранспортной цепи, поддерживающей протонный градиент на мембране. Другой важный компонент - фермент АТФ-синтетаза, катализирующий синтез АТФ. Это большой белковый комплекс, через который протоны перетекают обратно в матрикс по электрохимическому градиенту. Подобно турбине, АТФ-синтетаза преобразует одну форму энергии в другую, синтезируя АТФ из AДФ и Ф н в митохондриальном матриксе в ходе реакции, сопряжённой с током протонов в матрикс (см. рисунок 3).

Рисунок 3. Общий механизм окислительного фосфорилирования.

Но синтез АТФ - это не единственный процесс, идущий за счет энергии электрохимического градиента. В матриксе, где находятся ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты и других метаболических реакциях, необходимо поддерживать высокие концентрации различных субстратов; в частности, для АТФ-синтетазы требуются AДФ и фосфат. Поэтому через внутреннюю мембрану должны транспортироваться разнообразные несущие заряд субстраты. Это достигается с помощью различных белков-переносчиков, встроенных в мембрану, многие из которых активно перекачивают определенные молекулы против их электрохимических градиентов, т.е. осуществляют процесс, требующий затраты энергии. Для большей части метаболитов источником этой энергии, служит сопряжение с перемещением каких-то других молекул «вниз» по их электрохимическому градиенту. Например, в транспорте АДФ участвует система антипорта АДФ-АТФ: при переходе каждой молекулы AДФ в матрикс из него выходит по своему электрохимическому градиенту одна молекула АТФ. В то же время система симпорта сопрягает переход фосфата внутрь митохондрии с направленным туда же потоком Н + : протоны входят в матрикс по своему градиенту и при этом “тащат” за собой фосфат. Подобны образом переносится в матрикс и пируват. Энергия электрохимического протонного градиента используется также для переноса в матрикс ионов Са 2+ , которые, по-видимому, играют важную роль в регуляции активности некоторых митохондриальных ферментов.

Чем больше энергии электрохимического градиента затрачивается на перенос молекул и ионов в митохондрию, тем меньше остается для синтеза АТФ. Например, если изолированные митохондрии поместить в среду с высоким содержанием Са 2 + , то они полностью прекратят синтез АТФ; вся энергия градиента будет расходоваться на транспорт Ca 2+ в матьрикс. В некоторых специализированных клетках электрохимический протонный градиент «шунтируется» таким образом, что митохондрии вместо синтеза АТФ образуют тепло. Очевидно, клетки способны регулировать использование энергии электрохимического протонного градиента и направлять ее на те процессы, которые наиболее важны в данный момент.

Быстрое превращение АДФ в АТФ в митохондриях позволяет поддерживать высокое отношение концентраций ATФ/AДФ в клетках. С помощью особого белка, встроенного во внутреннюю мембрану, AДФ транспортируется в матрикс в обмен на АТФ по принципу антипорта. В результате молекулы AДФ, высвобождаемые при гидролизе АТФ в цитозоле, быстро поступают в митохондрию для «перезарядки», в то время как молекулы АТФ, образующиеся в матриксе в процессе окислительного фосфорилирования, тоже быстро выходят в цитозоль, где они нужны. В организме человека молекулы АТФ за сутки, что позволяет поддерживать в клетке концентрацию АТФ, более чем в 10 раз превышающую концентрацию АДФ.

В процессе окислительного фосфорилирования каждая пара электронов НАДH обеспечивает энергией образование примерно трех молекул АТФ. Пара электронов ФАДH 2 , обладающая меньшей энергией, дает энергию для синтеза только двух молекул АТФ. В среднем каждая молекула ацетил-СоА поступающая в цикл лимонной кислоты, дает около 12 молекул АТФ. Это означает, что при окислении одной молекулы глюкозы образуются 24 молекулы АТФ, а при окислении одной молекулы пальмитата - жирной кислоты с 16 углеродными атомами - 96 молекул АТФ. Если учесть также экзотермические реакции, предшествующие образованию ацетил-СоА, окажется, что полное окисление одной молекулы глюкозы дает около 36 молекул АТФ, тогда как при полном окислении пальмитата образуется примерно 129 молекул АТФ. Это максимальные величины, так как фактически количество синтезируемого в митохондриях АТФ зависит от того, какая доля энергии протонного градиента идет на синтез АТФ, а не на другие процессы. Если сравнитъ изменение свободной энергии при сгорании жиров и углеводов прямо до СО 2 и Н 2 О с общим количеством энергии, запасаемой в фосфатных связях АТРФ в процессах биологического окисления, окажется, что эффективность преобразования, энергии окисления в энергию АТФ часто превышает 50%. Поскольку вся неиспользованная энергия высвобождается в виде тепла, крупные организмы нуждались бы в более эффективных способах отвода тепла в окружающую среду.

Огромное количество свободной энергии, высвобождаемое при окислении, может эффективно использоваться только мелкими порциями. В сложном процессе окисления участвует много промежуточных продуктов, каждый из которых лишь незначительно отличается от предыдущего. Благодаря этому высвобождаемая энергия дробится на меньшие количества, которые можно эффективно преобразовывать с помощью сопряженных реакций в высокоэнергетические связи молекул АТФ и НАДH .

В 1960 г. было впервые показано, что различные мембранные белки, участвующие в окислительном фосфорилировании, могут быть выделены без потери активности. От поверхности субмитохондриальных частиц удалось отделить и перевести в растворимую форму усеивающие их крошечные белковые структуры. Хотя субмитохондриальные частицы без этих сферических структур продолжали окислять НАДH в присутствии кислорода, синтеза АТФ при э т ом не происходило. С другой стороны, выделенные структуры действовали как АТФазы, гидролизуя АТФ до АДФ и Ф н. Когда сферические структуры (названные F 1 -АТФазами) добавляли к лишенным их субмитохондриальным частицам, реконструированные частицы вновь синтезировали АТФ из AДФ и Ф н.

F 1 - АТФаза - это часть большого, пронизывающего всю толщу мембраны комплекса, который состоит по меньшей мере из девяти различных полипептидных цепей. Этот комплекс получил название АТФ-синтетаза; он составляет около 15% всего белка внутренне митохондриальнои мембраны. Весьма сходные АТФ-синтетазы имеются в мембранах хлоропластов и бактерий. Такой белковый комплекс содержит трансмембранные каналы для протонов, и происходит только тогда, когда через эти каналы проходят протоны вниз по своему электрохимическому градиенту.

АТФ-синтетаза может действовать в обратном направлении - расщеплять АТФ и перекачивать протоны. Действие АТФ-синтетазы обратимо: онa способна использовать как энергию гидролиза АТФ для перекачивания протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию потока протонов по электрохимическому градиенту для синтеза АТФ. Таким образом, АТФ-синтетаза - это обратимая сопрягающая система, которая осуществляет взаимопревращение энергии электрохимического протонного градиента и химических связей. Направление ее работы зависит от соотношения между крутизной протонного градиента и локальной величиной DG для гидролиза АТФ.

АТФ-синтетаза получила свое название в связи с тем, что в обычных условиях npoтоннoro градиента, поддерживаемого дыхательной цепью, синтезирует большую часть всего АТФ клетки. Число протонов, необходимое для синтеза одной молекулы АТФ, в точности не известно. При прохождении через АТФ-синтетазу протонов синтезируется одна молекула АТФ.

Как будет работать в данный момент АТФ-синтетаза - в направлении синтеза или гидролиза АТФ, - зависит от точного баланса между изменениями свободной энергии для прохождения трех протонов через мембрану в матрикc и для синтеза АТФ в матриксе. Как уже говорилось, величина DG синт.АТФ определяется концентрациями трех веществ в матриксе митохондрии - АТФ, AДФ и Ф н. При постоянной протонодвижущей силе АТФ-синтетаза будет синтезировать ATФ тех пор, пока отношение АТФ к AДФ и Ф н не достигнет такого значения, при котором величина DG синт.АТФ станет в точности равна +15,2ккaл/мoль. При таких условиях синтез АТФ будет точно уравновешиваться его гидролизом.

Предположим, что в связи с реакциями, требующими затраты энергии, в цитозоле внезапно гидролизовалось большое количество АТФ, и это привело к падению отношения АТФ:AДФ в матриксе митохондрии. В этом случае DG синт. понизится и АТФ-синтетаза вновь переключится на синтез АТФ, пока не восстановится исходное отношение АТФ:AДФ. Если же протонодвижущая сила внезапно снизится и будет поддерживаться на постоянном уровне, то АТФ-синтетаза начнет расщеплять АТФ, и эта реакция будет продолжаться до тех пор, пока соотношение между концентрациями ATФ и AДФ не достигнет какого-то нового значения (при котором DG синт.АТФ = +13,8 ккал/моль), и так далее.

Если АТФ-синтетаза в норме не транспортирует Н + из матрикса, то дыхательная цепь, находящаяся во внутренней митохондриальной мембране, при нормальных условиях переносит через эту мембрану протоны, создавая таким образом электрохимический протонный градиент, доставляющий энергию, для синтеза AТФ.

Большинство переносчиков электронов, входящих в состав дыхательной цепи, поглощают свет, и их окисление или восстановление сопровождается изменением цвета. Обычно спектр поглощения и реакционноспособность каждого переносчика достаточно характерны, что позволяет даже в неочищенном экстракте прослеживать изменения его состояний с помощью спектроскопии. Это дало возможность выделить такие переносчики задолго до того, как стала понятна их истинная функция. Например, цитохромы были открыты в 1925 г. как соединения, которые быстро окисляются и восстанавливаются у таких различных организмов, как дрожжи, бактерии и насекомые. Наблюдая клетки и ткани с помощью спектроскопа, удалось идентифицировать три типа цитохромов, которые различались по спектрам поглощения и названы цитохромами а, b и c. Клетки содержат несколько видов цитохромов каждого типа, и классификация по типам не отражает их функцию.

Самый простой переносчик электронов представляет собой небольшую гидрофобную молекулу, растворенную в липидном бислое и называемую убихиноном или коферментом Q. Он способен принять или отдать как один, так и два электрона и временно захватывает из среды протон при переносе каждого электрона.

Рисунок 4. Структура убихинона.

Дыхательная цепь содержит три больших ферментных комплекса, встроенных во внутреннюю мембрану

Мембранные белки трудно выделить в виде интактных комплексов,так как они нерастворимы в большинстве водных растворов, а такие вещества, как детергенты и мочевина, необходимые для их солюбилизации, могут нарушать нормальное белок-белковое взаимодействие. Однако в начале 1960-х гг. было обнаружено, что с помощью относительно мягких ионных детергентов, таких как дезоксихолат, можно солюбилизировать некоторые компоненты митохондриальной внутренней мембраны в нативной форме. Это позволило идентифицировать и выделить три главных связанных с мембраной комплекса дыхательных ферментов на пути от НАДH до кислорода.

Рисунок 5. Дыхательные ферментные комплексы.

1. НАДН- дегидрогеназный комплекс - самый большой из дыхательных ферментных комплексов - имеет молекулярную массу свыше 800000 и содержит более 22 полипептидных цепей. Он принимает электроны от НАДH и передает их через флавин и по меньшей мере пять железо-серных центров на_ убихинон - небольшую жирорастворимую молекулу, передаюшую электроны на второй комплекс дыхательных ферментов-комплекс b-c 1 .

2. Комплекс b-с 1 состоит по меньшей мере из 8 разных полипептидных цепей и, вероятно, существует в виде димера с молекулярной массой 500000. Каждый мономер содержит три тема, связанных с цитохромами, и железо-серный белок. Комплекс принимает электроны от убихинона и передает цитохрому с, небольшому периферическому мембранному белку, который затем переносит их на цитохром-оксидазный комплекс.

3.Цитохромоксидазный комплекс (цитохром аа 3) - наиболее изученный из трех комплексов. Он состоит не менее чем из восьми различных полипептидных цепей и выделен как димерс молекулярной массой 300000; каждый мономер содержит два цитохрома и два атома меди.этот комплекс принимает электроны от цитохрома с и передает их на кислород.

Цитохромы, железо-серные центры и атомы меди способны переносит одновременно только один электрон. Между тем, каждая молекула НАДН отдает два электрона и каждая молекула О 2 должна принять 4 электрона при образовании молекулы воды. В электронтранспортной цепи имеется несколько электронсобирающих и электронраспределяющих участков, где согласовывается разница в числе электронов. Так, например, цитохромоксидазный комплекс принимает от молекул цитохрома с по отдельности 4 электрона и в конечном итоге передает их на одну связанную молекулу О 2 , что ведет к образованию двух молекул воды. На промежуточных ступенях этого процесса два электрона, прежде чем перейти к участку, связывающему кислород, поступают в гем цитохрома а, и связанный с белком атом меди, Cu a . В свою очередь участок связывания кислорода содержит еще один атом меди и гем цитохрома а 3 . Однако механизм образования двух молекул воды в результате взаимодействия связанной молекулы О 2 с четырьмя протонами в точности не известен.

В большинстве клеток с цитохромоксидазой взаимодействует около 90% всего поглощаемого кислорода. Токсичность таких ядов, как цианид и азид, связаны с их способностью прочно присоединяться к цитохромоксидазному комплексу и блокировать тем самым весь транспорт электронов.

Два компонента, переносящие электроны между тремя главными ферментными комплексами дыхательной цепи, - убихинон и цитохром с – быстро перемещаются путем диффузии в плоскости мембран.

Столкновения между этими подвижными переносчиками и ферментными комплексами вполне позволяют объяснить наблюдаемую скорость переноса электронов (каждый комплекс отдает и принимает один электрон каждые 5-10 миллисекунд). Поэтому нет необходимости предполагать структурную упорядоченность цепи белков-переносчиков в липидном бислое; в самом деле, ферментные комплексы, видимо существуют в мембране как независимые компоненты и упорядоченный перенос электронов обеспечивается только специфичностью функциональных взаимодействий между компонентами цепи.

В пользу этого говорит и тот факт, что различные компоненты дыхательной цепи присутствуют в совершенно разных количествах. Например, в митохондриях сердца на каждую молекулу НАДН-дегидрогеназного комплекса приходятся З молекулы | комплекса b-c 1 комплекса, 7 молекул цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома с и 50 молекул убихинона; весьма различные соотношения этих белков обнаружены и в некоторых других клетках.

Значительный перепад окислительно-восстановительного потенциала на каждом из трех комплексов дыхательной цепи доставляет энергию, необходимую для перекачивания протонов.

Такую пару, как Н 2 О и ½О 2 (или НАДH и НАД +), называют сопряженной окислительно-восстановительной парой, так как один из ее членов превращается в другой, если добавить один или несколько электронов и один или несколько протонов (последних всегда достаточно в любом водном растворе). Так, например, ½О 2 + 2е + 2Н + ® Н 2 О

Хорошо известно, что смесь соединений, образующих сопряженную кислотно-щелочную пару, в соотношении 50:50 действует как буфер, поддерживающий определенное «давление протонов» (рН), величина которого определяется константой диссоциации кислоты. Точно таким же образом смесь компонентов пары в соотношении 50:50 поддерживает определенное «давление электронов», или окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал) Е, служащий мерой сродства молекулы-переносчика к электронам.

Помещая электроды в раствор с соответствующими окислительно-восстановительными парами, можно измерить редокс-потенциал каж-дого переносчика электронов, участвующего в биологических окислительно-восстановительных реакциях. Пары соединений с наиболее отрицательными значениями редокс-потенциала обладают наименьшим сродством к электронам, т.е. coдepжaт перенocчики с наименьшей тенденцией принимать электроны и наибольшей тенденцией их отдавать. Например, смесь НАДH и НАД + (50:50) имеет редокс-потенциал -320 мВ, что указывает на сильно выраженную способность НАДH отдавать электроны, тогда как редокс-потенциал смеси равных количеств Н 2 О и ½О 2 составляет +820 мВ, что означает сильную тенденцию 0 2 к принятию электронов.

Резкий перепад имеет место в пределах каждого из трех главных дыхательных комлексов. Разность потенциалов между любыми_двумя переносчиками электронов прямо пропорциональна энергии, высвобождаемой при переходе электрона от одного переносчика к другому. Каждый комплекс действует как энергопреобразующее устройство, направляя эту свободную энергию на перемещение протонов через мембрану, что приводит к созданию электрохимического протонного градиента по мере прохождения электронов по цепи.

Для работы энергопреобразующего механизма, лежащего в основе окислительного фосфорилирования, нужно, чтобы каждый ферментный комплекс дыхательной цепи был ориентирован во внутренней митохондриальной мембране определенным образом – так, чтобы все протоны перемещались в одном направлении, т. е. из матрикса наружу. Такая векторная организация мембранных белков была продемонстрирована с помощью специальных зондов, не проходящих сквозь мембрану, которыми метили комплекс только с какой-нибудь одной стороны мембраны. Специфическая ориентация в бислоe свойственна всем мембранным белкам и очень важна для их функции.

Механизмы перекачивания протонов компонентами дыхательной цепи.

В процессе окислительного фосфорилирования при окислении одной молекулы НАДН (т.е. при прохождений двух электронов через все три ферментных комплекса) образуется не более трех молекул АТФ. Если предположить, что обратное прохождение трех протонов через АТФ-синтетазу обеспечивает синтез одной молекулы АТФ, можно будет заключить, что в среднем перенос одного электрона каждым комплексом сопровождается перемещением полутора протонов (иными словами, при транспорте одного электрона некоторые комплексы перекачивают один протон, а другие - два протона). Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта электронов с перемещением протонов. Аллостерические изменения конформации белковой молекулы, связанные с транспортом электронов, могут в принципе сопровождаться «перекачиванием» протонов, подобно тому как перемещаются протоны при обращении действия АТФ-синтетазы. При переносе каждого электрона хинон захватывает из водной среды протон, который затем отдает при высвобождении электрона. Поскольку убихинон свободно передвигается в липидном бислое, он может принимать электроны вблизи внутренней поверхности мембраны и передавать их на комплекс b-с 1 около ее наружной поверхности, перемещая при этом через бислой по одному протону на каждый перенесенный электрон. С помощью более сложных моделей можно объяснить и перемещение комплексом b-c 1 двух протонов на каждый электрон, предположив, что убихинон повторно проходит через комплекс b-c 1 в определенном направлении.

В отличие от этого молекулы, передающие электроны цитохромоксидазному комплексу, по-видимому, не переносят протонов, и в этом случае транспорт электронов, вероятно, связан с определенным аллостерическим изменением конформации белковых молекул, в результате которого какая-то часть белкового комплекса сама переносит протоны.

Действие разобщителей.

С 40-х годов известен ряд липофильных слабых кислот, способных действовать как разобщающие агенты, т.е. нарушать сопряжение транспорта электронов с синтезом АТФ. При добавлении к клеткам этих низкомолекулярных органических соединений митохондрии прекращают синтез АТФ, продолжая при этом поглощать кислород. В присутствии разобщающего агента, скорость транспорта электронов остается высокой, но протонный градиент не создается. Это простое объяснение этого эффекта: разобщающие агенты (например, динитрофенол, тироксин) действуют как переносчики Н + (Н + -ионофоры) и открывают дополнительный путь - уже не через АТФ-синтетазу – для потока Н + через внутреннюю митохондриальную мембрану.

Дыхательный контроль.

Когда к клеткам добавляют разобщающий агент, например динитрофенол, поглощение кислорода митохондриями значительно возрастает, так как скорость переноса электронов увеличивается. Такое ускорение связано с существованием дыхательного контроля. Полагают, что этот контроль основан на прямом инги6ирующем влиянии электрохимического протонного градиента на транспорт электронов. Когда в присутствии разобщителя электрохимический градиент исчезает, не контролируемый более транспорт электронов достигает максимальной скорости. Возрастание градиента притормаживает дыхательную цепь, и транспорт электронов замедляется. Более того, если в эксперименте искусственно создать на внутренней мембране необычно высокий электрохимический градиент, то нормальный транспорт электронов прекратится совсем, а на некоторых участках дыхательной цепи можно будет обнаружить обратный поток электронов. Это позволяет предполагать, что дыхательный контроль отражает простой баланс между изменением свободной энергии при перемещении протонов, сопряженного с транспортом электронов, и изменением свободной энергии при самом транспорте электронов.Величина электрохимического градиента влияет как на скорость, так и на направление переноса электронов, так же как и на направление действия АТФ-синтетазы.

Дыхательный контроль - это лишь часть сложной системы взаимосвязанных регуляторных механизмов с обратными связями, координирующей скорости гликолиза, расщепления жирных кислот, реакций цикла лимонной кислоты и транспорта электронов. Скорости всех этих процессов зависят от отношения АТФ:AДФ - они возрастают, когда это отношением уменьшается в результате усиленного использования АТФ. Например, АТФ-синтетаза внутренней митохондриальной мембраны работает быстрее, когда концентрации ее субстратов, т. е. .AДФ и Ф н, увеличиваются. Чем выше скорость этой реакции, тем больше протонов перетекает в матрикс, быстрее рассеивая тем самым электрохимический градиент; а уменьшение градиента в свою очередь приводит к ускорению транспорта электронов.

Митохондрии бурой жировой ткани – генераторы тепла.

Всем позвоночным в молодом возрасте для образования тепла, в дополнение к механизму мышечного тремора, необходимо термогенное устройство. Такого рода устройство особенно важно для животных, впадающих в зимнюю спячку. Мышцы в состоянии тремора сокращаются и при отсутствии нагрузки, используя сократительные белки для гидролиза АТФ обычным для мышечных клеток образом и освобождая в виде тепла всю энергию, потенциально доступную при гидролизе АТФ. Необходимость особого термогенного устройства определяется прочно сопряженным окислительным фосфорилированием нормальных митохондрий. Если бы этот процесс мог быть разобщен, как это бывает в присутствии динитрофенола, он мог бы служить в качестве адекватного приспособления, производящего тепло; именно так это происходит в митохондриях бурого жира. Хотя эти митохондрий обладают обычной обратимой АТФазой, в них имеется также трансмембранная протонная транслоказа, посредством которой протоны могут возвращаться в матрикс и электрически шунтировать работу АТФазы. Если этот процесс достаточен для того, чтобы поддерживать окислительно-восстановительный потенциал водорода значительно ниже 200 мВ, синтез АТФ становится невозможным и окислительный процесс протекает свободно, в результате чего вся энергия освобождается в виде тепла.

Цикл лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот, цикл Кребса).

Цикл лимонной кислоты представляет собой серию реакций, протекающих в митохондриях, в ходе которых осуществляется катаболизм ацетильных групп и высвобождение водородных эквивалентов; при окислении последних поставляется свободная энергия топливных ресурсов тканей. Ацетильные группы находятся в составе ацетил-КоА (активного ацетата), тиоэфира кофермента А.

Главная функция цикла лимонной кислоты состоит в том, что он является общим конечным путем окисления углеводов, белков и жиров, поскольку в ходе метаболизма глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты превращаются либо в ацетил-СоА, либо в промежуточные соединения цикла. Цикл лимонной кислоты играет также главную роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования и липогенеза, Хотя ряд этих процессов протекает во многих тканях, печень - единственный орган, в котором идут все перечисленные процессы. Поэтому серьезные последствия вызывает повреждение большого числа клеток печени или замещение их соединительной тканью. О жизненно важной роли цикла лимонной кислоты свидетельствует и тот факт, что у человека почти не известны генетические изменения ферментов, катализирующих реакции цикла, так как наличие таких нарушений несовместимо с нормальным развитием.

Открытие ЦТК.

Впервые предположение о существовании такого цикла для окисления пирувата в животных тканях было высказано в 1937 году Гансом Кребсом. Эта идея родилась у него, когда он исследовал влияние анионов различных органических кислот на скорость поглощения кислорода суспензиями измельченных грудных мышц голубя, в которых происходило окисление пирувата. Грудные мышцы отличаются чрезвычайно высокой интенсивностью дыхания, что делает их особенно удобным объектом для изучения окислительной активности. Кребс также подтвердил, что обнаруженные ранее в животных тканях другие органические кислоты (янтарная, яблочная, фумаровая и щавелевоуксусная) стимулируют окисление пирувата. Кроме того, он нашел, что окисление пирувата мышечной тканью стимулируется шестиуглеродными трикарбоновыми кислотами - лимонной, цис-аконитовой и изолимонной, а также пятиуглеродной a-кетоглутаровой кислотой. Испытаны были и некоторые другие встречающиеся в природе органические кислоты, но ни одна из них не обнаружила подобной активности. Обращал на себя внимание сам характер стимулирующего действия активных кислот: даже малого количества любой из них было достаточно для того, чтобы вызвать окисление во много раз большего количества пирувата.

Простые эксперименты, а также логические рассуждения позволили Кребсу высказать предположение, что цикл, который он назвал циклом лимонной кислоты, является главным путем окисления углеводов в мышце. После, цикл лимонной кислоты был обнаружен практически во всех тканях высших животных и растений и у многих аэробных микроорганизмов. За это важное открытие Кребс был удостоен в 1953 году Нобелевской премии. Юджин Кеннеди и Альберт Ленинджер показали позднее, что все реакции цикла лимонной кислоты протекают в митохондриях животных клеток. В изолированных митохондриях печени крысы были обнаружены не только все ферменты и коферменты цикла лимонной кислоты; здесь же, как выяснилось, локализованы все ферменты и белки, которые требуются для последней стадии дыхания, т.е. для переноса электронов и окислительного фосфорилирования. Поэтому митохондрии с полным правом называют «силовыми станциями» клетки.

Катаболическая роль цикла лимонной кислоты

Цикл начинается со взаимодействия молекулы ацетил-СоА с щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом), в результате которого образуется шестиуглеродная трикарбоновая кислота, называемая лимонной. Далее следует серия реакций, в ходе которых происходит высвобождение двух молекул С02 и регенерация оксалоацетата. Поскольку количество оксалоацетата, необходимое для превращения большого числа ацетильных единиц в С0 2 , весьма невелико, можно считать, что оксалоацетат выполняет каталитическую роль.

Цикл лимонной кислоты является механизмом, обеспечивающим улавливание большей части свободной энергии, освобождаемой в процессе окисления углеводов, липидов и белков. В процессе окисления ацетил-СоА благодаря активности ряда специфических дегидрогеназ происходит образование восстановительных эквивалентов в форме водорода или электронов. Последние поступают в дыхательную цепь; при функционировании этой цепи происходит окислительное фосфорилирование, то есть синтезируется АТФ.

Ферменты цикла лимонной кислоты локализованы в митохондриальном матриксе, где они находятся либо в свободном состоянии, либо на внутренней поверхности внутренней митохондриальной мембраны; в последнем случае облегчается перенос восстановительных эквивалентов на ферменты дыхательной цепи, локализованные во внутренней митохондриальной мембране.

Реакции ЦТК.

Начальная реакция - конденсация ацетил-СоА и оксалоацетата, катализируется конденсирующим ферментом, цитратсинтетазой, при этом происходит образование связи углерод-углерод между метальным углеродом ацетил-СоА и карбонильным углеродом оксалоацетата. За реакцией конденсации, приводящей к образованию цитрил-СоА, следует гидролиз тиоэфирной связи, сопровождающийся потерей большого количества свободной энергии в форме теплоты; это определяет протекание реакции слева на право до ее завершения:

Ацетил-СоА + Оксалоацетат + Н 2 О → Цитрат + CoA-SH

Превращение цитрата в изоцитрат катализируется аконитазой, содержащей железо в двухвалентном состоянии. Эта реакция осуществляется в две стадии: сначала происходит дегидратация с образованием цис-аконитата (часть его остается в комплексе с ферментом), а затем - гидратация и образование изоцитрата:

Цитрат ↔ цис -Аконитат ↔ Изоцитрат – Н 2 О

Реакция ингибируется фторацетатом, который сначала превращается во фторацетил-СоА; последний конденсируется с оксалоацетатом, образуя фторцитрат. Непосредственным ингибитором аконитазы является фторцитрат, при ингибировании накапливается цитрат.

Эксперименты с использованием промежуточных соединений показывают, что аконитаза взаимодействует с цитратом ассиметрично: она всегда действует на ту часть молекулы цитрата, которая образовалась из оксалоацетата. Возможно, что цис-аконитат не является обязательным интермедиатом между цитратом и изоцитратом и образуется на боковой ветви основного пути.

Далее изоцитратдегидрогеназа катализирует дегидрогенирование с образованием оксалосукцината. Описаны три различных формы изоцитратдегидрогеназы. Одна из них, НАД-зависимая, найдена только в митохондриях. Две другие формы являются НАДФ-зависимыми, причем одна из них также находится в митохондриях, а другая в цитозоле. Окисление изоцитрата, связанное с работой дыхательной цепи, осуществляется почти исключительно НАД-зависимым ферментом:

Изоцитрат + НАД + ↔ Оксалосукцинат (в комплексе с ферментом) ↔ альфакетоглутарат + СО 2 + НАДН 2

Рисунок 5. Реакции цикла Кребса.

Далее следует декарбоксилирование с образованием альфакетоглутарата, которое также катализируется изоцитратдегидрогеназой. Важным компонентом реакции декарбоксилирования являются ионы Mg 2+ (или Мn 2+). Судя по имеющимся данным, оксалосукцинат, образующийся на промежуточной стадии реакции, остается в комплексе с ферментом.

Альфакетоглутарат, в свою очередь, подвергается окислительному декарбоксилированию, сходному с окислительным декарбоксилированием пирувата: в обоих случаях субстратом является альфакетокислота. Реакция катализируется альфакетоглутаратдегидрогеназным комплексом и требует участия того же набора кофакторов - тиаминдифосфата, липоата, НАД + , ФАД и СоА; в результате образуется сукцинил-СоА - тиоэфир, содержащий высокоэнергетическую связь.

α-кетоглуторат + НАД + + CoA-SH → Сукцинил-СоА + СО 2 + НАДН+Н +

Равновесие реакции настолько сильно сдвинуто в сторону образования сукцинил-СоА, что ее можно считать физиологически однонаправленной. Как и при окислении пирувата, реакция ингибируется арсенатом, что приводит к накоплению субстрата (альфакетоглутарат).

Продолжением цикла является превращение сукцинил-СоА в сукцинат, катализируемое сукцинаттиокиназой (сукцинил-СоА-синтетазой):

Сукцинил-СоА + Ф Н + ГДФ↔ Сукцинат + ГТФ + CoA-SH

Одним из субстратов реакций является ГДФ (или ИДФ), из которого в присутствии неорганического фосфата образуется ГТФ (ИТФ). Это - единственная стадия цикла лимонной кислоты, в ходе которой генерируется высокоэнергетическая фосфатная связь на субстратном уровне; при окислительном декарбоксилировании α-кетоглутарата потенциальное количество свободной энергии достаточно для образования НАДН и высокоэнергетической фосфатной связи. В реакции, катализируемой фосфокиназой, АТФ может образовываться как из ГТФ, так и из ИТФ. Например:

ГТФ+АДФ «ГДФ+АТФ.

В альтернативной реакции, протекающей во внепеченочных тканях и катализируемой сукцинил-СоА-ацетоацетат-СоА-трансферазой, сукцинил-СоА превращается в сукцинат сопряженно с превращением ацетоацетата в ацетоацетил-СоА. Впечени имеется диацилазная активность, обеспечивающая гидролиз части сукцинил-СоА с образованием сукцината и СоА.

Сукцинат + ФАД « Фумарат + ФАДН 2

Первое дегидрогенирование катализируется сукцинатдегидрогеназой, связанной с внутренней поверхностью внутренней митохондриальной мембраны. Это единственная дегидрогеназная реакция ЦТК, в ходе которой осуществляется прямой перенос с субстрата на флавопротеин без участия НАД + . Фермент содержит ФАД и железо-серный белок. В результате дегидрогенирования образуется фумарат. Как показали эксперименты с использованием изотопов, фермент стереоспецифичен к транс-атомам водорода метиленовых групп сукцината. Добавление малоната или оксалоацетата ингибирует сукцинатдегидрогеназу, что приводит к накоплению сукцината.

Фумараза (фумаратгидротаза) катализирует присоединение воды к фумарату с образованием малата:

Фумарат + Н 2 О « L-малат

Фумараза специфична к L-изомеру малата, она катализирует присоединение компонентов молекулы воды по двойной связи фумарата в транс-конфигурации. Малатдегидрогеназа катализирует превращение малата в оксалоацетат, реакция идет с участием НАД + :

L-малат + НАД + « 0ксалоацетат + НАДН 2

Хотя равновесие этой реакции сильно сдвинуто в направлении малата, реально она протекает в направлении оксалоацетата, поскольку он вместе с НАДН постоянно потребляется в других реакциях.

Ферменты цикла лимонной кислоты, за исключением альфакетоглутарат- и сукцинатдегидрогеназы, обнаруживаются и вне митохондрий. Однако некоторые из этих ферментов (например, малатдегидрогеназа) отличаются от соответствующих митохондриальных ферментов.

Энергетика цикла лимонной кислоты.

В результате окисления, катализируемого дегидрогеназами ЦТК, на каждую катаболизируемую за период одного цикла молекулу ацетил-СоА образуются три молекулы НАДН и одна молекула ФАДН 2 . Эти восстановительные эквиваленты передаются в дыхательную цепь, локализованную в митохондриальной мембране. При прохождении по цепи восстановительные эквиваленты НАДН генерируют три высокоэнергетические фосфатные связи посредством образования АТФ из АДФ в процессе окислительного фосфорилирования. За счет ФАДН 2 генерируется только две высокоэнергетические фосфатные связи, поскольку ФАДН 2 переносит восстановительные эквиваленты на кофермент Q и, следовательно, в обход первого участка цепи окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи. Еще один высокоэнергетический фосфат генерируется на одном из участков цикла лимонной кислоты, то есть на субстратном уровне, при превращении сукцинил-СоА в сукцинат. Таким образом, за период каждого цикла образуется 12 новых высокоэнергетических фосфатных связей.

Регуляция цикла лимонной кислоты.

Основные процессы, которые поставляют и запасают энергию в клетках, могут быть в общей форме изображены следующим образом:

глюкоза пируват ® ацетил-СоА жирные кислоты

Регуляция этой системы inter alia должна гарантировать постоянное поступление АТФ соразмерно с существующими в данный момент энергетическими потребностями, обеспечивать превращение избытка углеводов в жирные кислоты через пируват и ацетил-СоА и наряду с этим контролировать экономное расходование жирных кислот через ацетил-СоА как ключевой продукт для входа в цикл лимонной кислоты.

Цикл лимонной кислоты поставляет электроны в электронпереносящую систему, в которой поток электронов сопряжен с синтезом АТФ и в меньшей степени снабжает восстановительными эквивалентами системы биосинтеза промежуточных продуктов. В принципе цикл не может протекать быстрее, чем это позволяет использование образуемой АТФ. Если бы весь AДФ клетки превратился в АТФ, не могло бы быть никакого дальнейшего потока электронов от НАДH, который накапливается, к 0 2 . Ввиду отсутствия НAД + , необходимого участника процессов дегидрирования цикла, последний перестал бы функционировать. Существуют более тонкие регуляторные приспособления, которые модулируют действие ферментов в самом цикле лимонной кислоты.

Сукцинатдегидрогеназа находится во внутренней митохондриальной мембране. Все остальные ферменты растворены в матриксе, заполняющем внутреннее пространство митохондрии. Измерения относительных количеств этих ферментов и концентраций их субстратов в митохондриях указывают, что каждая реакция протекает с одинаковой скоростью. Как только пируват (или другой потенциальный источник ацетил-СоА) поступает внутрь матрикса митохондрии, весь цикл протекает внутри этого отсека.

В некоторых участках стимуляция или ингибирование определяется относительными концентрациями НAДH/НAД, ATФ/AДФ или АМФ, ацетил-СоА/СоА или сукцинил-СоА/СоА. Когда эти отношения высоки, клетка достаточно обеспечена энергией и поток через цикл замедлен; когда же они низки, клетка испытывает потребность в энергии, и поток через цикл ускоряется.

Как необратимая реакция, соединяющая метаболизм углеводов с циклом лимонной кислоты, пируватдегидрогеназная реакция должна хорошо контролироваться. Это достигается двумя способами. Во-первых, фермент, который активируется несколькими интермедиаторами гликолиза, конкурентно ингибируется своими собственными продуктами - НAДH и ацетил-СоА. При прочих равных условиях увеличение соотношения НAДH/НAД + от 1 до 3 вызывает 90%-е снижение скорости реакции, а увеличение отношения ацетил-СоА/СоА приводит к количественно подобному эффекту. Эффект проявляется мгновенно. Медленнее возникают, но дольше действуют эффекты другого регуляторного устройства. С сердцевиной каждой молекулы дигидролипоилтрансацетилазы связано около пяти молекул киназы пируватдегидрогеназы, которая за счет АТФ катализирует фосфорилирование серинового остатка в a-цепи пируватдегидрогеназного компонента. Будучи фосфорилирован, фермент не способен декарбоксилировать пируват.

Когда происходит окисление жирных кислот, пируватдегидрогеназа заметно ингибируется. По-видимому, это явление объясняется сопутствующими процессу окисления высокими концентрациями АТФ, ацетил-СоА и НAДH. Большинство тканей содержат избыток пируватдегидрогеназы, так что после приема корма в печени, а также в мышце и в жировой ткани у животных в состоянии покоя лишь 40, 15 и 10% пируватдегидрогеназы соответственно находится в активной, нефосфорилированной форме. Когда возрастает потребность в АТФ, концентрации НAД + , СоА и AДФ возрастают за счет использования НAДH, ацетил-СоА и АТФ, а киназа инактивируется. Однако фосфатаза продолжает функционировать вновь активируя дегидрогеназу. Повышение Са 2+ может активировать митохондриальную фосфатазу.

Синтез цитрата - стадия, лимитирующая скорость цикла лимонной кислоты. Регуляция этой стадии совершается благодаря небольшому, но достаточно значимому ингибированию цитрат-синтетазы посредством НAДH и сукцинил-СоА. Основное же влияние на скорость синтеза цитрата оказывает поступление субстрата.

Активность изоцитратдегидрогеназы регулируется в зависимости от концентраций Mg 2+ , изоцитрата, НAД + , НAДH и АМФ. Кроме субстратсвязывающих центров для НAД + , изоцитрата и Mg 2+ фермент имеет еще и положительные, и отрицательные эффекторные участки. Изоцитрат - положительный эффектор; его связывание кооперативно, т. е. связывание на каком-либо одном участке облегчает связывание на других. Оба участка связывания для АМР стимулируют активность фермента.

Таким образом, ферментная активность определяется отношениями НAД + /НAДH и АМФ/АТФ.

АМФ - положительный эффектор комплекса a-кетоглутаратде-гидрогеназы, который в этом отношении напоминает изоцитратдегидрогеназу. В области физиологических концентраций и сукцинил-СоА, и НAДH обладают ингибирующим действием, причем концентрация сукцинил-СоА, по-видимому, главный фактор, управляющий скоростью процесса. Сукцинатдегидрогеназа напоминает изоцитратдегидрогеназу в том отношении, что субстрат (сукцинат) выполняет функцию положительного аллостерического эффектора. Оксалоацетат - мощный ингибитор, однако неясно, действует ли этот контроль в нормальных условиях.

В цикле лимонной кислоты выполняют специфические функции четыре водорастворимых витамина группы В. Рибофлавин входит в состав ФАД, который является кофактором альфакетоглутаратдегидрогеназного комплекса и сукцинатдегидрогеназы. Ниацин входит в состав НАД, который является коферментом трех дегидрогеназ цикла: изоцитратдегидрогеназы, альфакетоглуторатдегидрогеназы и малатдегидрогеназы. Тиамин (витамин В 1) входит в состав тиаминдифосфата, который является коферментом альфакетоглутаратдегидрогеназы. Пантотеновая кислота входит в состав кофермента А, который является кофактором, связывающим активные ацильные остатки.

Макроэргические соединения и макроэргические связи.

В клетках, освобождающаяся в результате катаболических процессов распада питательных веществ, свободная энергия может быть использована для осуществления многих химических реакций, протекающих с затратой энергии. Запасание энергии происходит в виде богатых энергией химических связей особого класса соединений, большинство из которых являются ангидридами фосфорной кислоты (нуклеозидтрифосфаты).

Существуют высокоэнергетические и низкоэнергетические фосфаты. Условной границей для этих двух групп соединений является величина свободной энергии гидролиза фосфатной связи. Следовательно, высокоэнергетические фосфаты имеют богатую энергией высокоэргическую (макроэргическую) связь.

Энергию связи определяют как разницу свободных энергий соединений, содержащего эту связь, и соединений, получающихся после ее разрыва. Макроэргическими (богатыми энергией) принято считать те связи, при гидролизе которых изменения свободной энергии системы составляют более 21 кДж/моль.

Центральную роль в энергообмене клеток всех типов осуществляет система адениновых нуклеотидов, которая включает в себя АТФ, АДФ и АМФ, а также неорганический фосфат и ионы магния. АТФ является термодинамически неустойчивой молекулой и гидролизуется с образованием АДФ и АМФ. Именно эта неустойчивость позволяет АТФ выполнять функцию переносчика химической энергии, необходимой для удовлетворения большей части энергетических потребностей клеток. К соединениям, обладающим богатой энергией связью, помимо АТФ, относится также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, креатинфосфат, пирофосфат, некоторые тиоэфиры (например, ацетил-КоА), фосфоенолпируват, 1,3-бифосфоглицерат и ряд других соединений.

При гидролизе АТФ в стандартных условиях изменение свободной энергии составляет -30,4 кДж/моль. В физиологических условиях реальная свободная энергия гидролиза концевой фосфатной связи АТФ будет иная и приближается к -50,0 кДж/моль.

Возможно несколько вариантов освобождения энергии фосфатных связей АТФ. Основной вариант - это отщепление концевого фосфата АТФ (АТФ+Н 2 О ®АДФ+Н 3 РО 4). Другой вариант - пирофосфатное расщепление АТФ (АТФ+Н20 ®АМФ+Н 4 Р 2 О 7). Этот тип реакции значительно реже используется в биохимических процессах.

Накопление энергии в специфических фосфатных связях АТФ лежит в основе механизма переноса энергии в живой клетке. Есть основания считать, что в клетке существуют три основных типа перехода энергии АТФ:

в энергию химических связей, в тепловую энергию и энергию, затрачиваемую на совершение работы (осмотической, электрической, механической и др.).

Витамин PP .

Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид, ниацин) называют антипеллагрическим витамином (от итал. Preventive pellagra – «предотвращающий пеллагру»), поскольку его отсутствие является причиной заболевания, называемого пеллагрой.

Никотиновая кислота известна давно, однако только в 1937 году она была выделена К. Эльвегеймом из экстракта печени и было показано, что введение никотиновой кислоты (или ее амида - никотинамида) или препаратов печени предохраняет от развития или излечивает от пеллагры.

Никотиновая кислота представляет собой соединение пиридинового ряда, содержащее карбоксильную группу (никотинамид отличается наличием амидной группы).

Витамин РР мало растворим в воде (порядка 1%), но хорошо растворим в водных растворах щелочей. Никотиновая кислота кристаллизуется в виде белых игл.

Наиболее характерными признаками пеллагры (от итал. pelle agra -шершавая кожа), являются поражения кожи (дерматиты), желудочно-кишечного тракта (диарея) и нарушения нервной деятельности (деменция).

Дерматиты чаще всего симметричны и поражают те участки кожи, которые подвержены влиянию прямых солнечных лучей: тыльную поверхность кистей рук, шею, лицо; кожа становится красной, затем коричневой и шершавой. Поражения кишечника выражаются в развитии анарексии, тошноты и болей в области живота, поноса. Диарея приводит к обезвоживанию организма. Слизистая оболочка толстого кишечника сначала воспаляется, затем изъязвляется. Специфичными для пеллагры являются стоматиты, гингивиты, поражения языка со вздутием и трещинами. Поражения мозга выражаются в головных болях, головокружениях, повышенной раздражимости, депрессии и других симптомах, включая психозы, психоневрозы, галлюцинации и другие. Симптомы пеллагры особенно резко выражены у больных с недостаточным белковым питанием. Установлено, что это объясняется недостатком триптофана, который является предшественником никотинамида, частично синтезируемого в тканях человека и животных, а также недостатком ряда других витаминов.

Витамин РР играет роль кофермента в НАД-зависимых дегидрогеназах (участниках тканевого дыхания), метаболизме углеводов и аминокислот, НАДФ-зависимых ферментах (пентозного шунта и синтеза липидов), НМН-зависимых энзимах (алкогольдегидрогеназа и маликфермент). Не менее важна роль его, как субстрата поли-АДФ-рибозилирования. Данный процесс участвует в сшивке хромосомных разрывов и в работе репаразной системы, а также имеет (при нехватке НАД) ключевое значение в механизме некробиоза и апоптоза клеток, особенно – высокоаэробных.

Показано, что ряд дегидрогеназ используют только НАД или НАДФ, другие могут катализировать окислительно-восстановительные реакции в присутствии любого из них. В процессе биологического окисления НАД и НАДФ выполняют роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым субстратом и флавиновыми ферментами.

Основными источниками никотиновой кислоты и ее амида являются рис, хлеб, картофель, мясо, печень, почки, морковь и другие продукты.

Микросомальное окисление.

Монооксигеназные реакции.

Живые организмы содержат группу многочисленных и разнообразных ферментов, получивших название монооксигеназ. В типичном случае один атом кислородной молекулы обнаруживается в новой гидроксидной группе субстрата, другой – восстанавливается до воды в процессе реакции. В соответствии с этим реакция должна протекать при участии фермента, субстрата, кислородаи какого-либо восстанавливающего агента.

Допамин-b-монооксигеназа, присутствующая в мозге и в хромаффинной ткани, катализирует гидроксилирование 3,4-диоксифенилэтиламина до норадреналина.

Фенолмонооксигеназы имеются у бактерий, растений, насекомых, а также в печени и коже млекопитающих. Полимеризация о-хинона, образовавшегося в результате цепочки реакции, катализируемых этими ферментами, лежит в основе образования меланина.

Диоксигеназные реакции.

Ферменты, катализирующие реакции, в которых оба атома молекулярного кислорода встраиваются в продукты реакции, называются диоксигеназами. Известные в настоящее время ферменты этой группы могут содержать в качестве активной группы гем или негемовое железо, а для действия некоторых необходим a-кетоглутарат.

Железо-a-кетоглутаратдиоксигеназы – железозависимые ферменты, катализирующие гидроксилирование субстрата в ходе процесса, в котором a-кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию до сукцината: М + О2 + a-кетоглутарат М-ОН + сукцинат + СО2

Цитохромы – ферменты редокс-цепи.

Дальнейший перенос электронов от КоQН2 на О2 осуществляет система цитохромов. Данная система состоит из ряда гемсодержащих белков (гемпротеинов), открытых в 1886 году К. Мак-Мунном. Все они имеют простетическую геминовую группу, близкую к гему гемоглобина. Цитохромы отличаются друг от друга не только простетической группой, но и белковыми компонентами. Все цитохромы, особенно в восстановленной форме, имеют характерные спектры поглощения, величины окислительно-восстановительных потенциалов также неодинаковы.

В имеющем широкое распространение механизме гидроксилирования путем введения одного атома кислорода функциональный атом железа находится в гемовой группе цитохрома – цитохрома Р450. Эти цитохромы обнаруживаются в мембранах печеночной ЭПС, в митохондриях коры надпочечников, в почечной щеточной кайме и в плазматических мембранах различных бактерий. Катализируемая реакция такая же, как у всех других монооксигеназ.

МН + О2 + 2е + 2Н + ®МОН + Н2О

Цитохромы Р450 из печени относятся к числу индуцируемых ферментов; это означает, что количество присутствующего фермента может увеличиваться в 25 раз при введении одного из многочисленных чужеродных соединений, например фенобарбитала или метилхолантрена. Цитохромы обезвреживают ксенобиотики, а также лимитируют время, в течение которого могут сохранять свою активность некоторые наркотики. Лечение некоторых форм острой интоксикации может быть облегчено введением индуктора, который в этом случае вообще безвреден.

Цитохромы Р450 коры надпочечников находятся в митохондриальной мембране, где два отдельных фермента катализируют соответственно расщепление боковых цепей холестерина до прегненолона и реакции гидроксилирования различных стероидов.

Цитохром Р450 катализирует образование гидроксильных групп при синтезе желчных кислот, стероидных гормонов, при катаболизме ряда веществ и обмене чужеродных соединений.

Первая, обнаруженная в микросомах электронпереносящая система – это система восстановления цитохрома b5 за счет NADH; цитохром b5 восстанавливается NADH-цитохром b5-редуктазой, содержащей на молекуле один FAD, который совершает циклические переходы между полностью восстановленной и окисленной формами. Цитохром b5 прочно связан с ЭПС своей обширной гидрофобной областью. Хотя наружная поверхность области цитохрома, где находится гем, гидрофильна, она лежит в глубокой гидрофобной щели, причем карбоксильные группы пропионовой кислоты ориентированы наружу. Восстановленный цитохром b5 медленно самоокисляется с образованием супероксидного аниона. Этот механизм может быть основным генератором супероксида в клетках печени.

Пероксидазный путь использования кислорода.

Молекулярный кислород является парамагнитным, потому что он содержит два неспаренных электрона с параллельно ориентированными спинами. Эти электроны находятся на разных орбиталях, поскольку два электрона не могут занимать одну и ту же орбиталь, если только их спины не противоположны. Соответственно восстановление кислорода путем прямого введения пары электронов в его частично заполненные орбитали невозможно без «обращения» спина одного из двух электронов. Спиновой запрет восстановления может быть преодолен последовательным добавлением одиночных электронов. Полное восстановление О2 до 2Н2О требует 4 электрона; при одноэлектронном восстановлении в качестве промежуточных продуктов возникают супероксид, пероксид водорода и гидроксидный радикал. Эти продукты очень реакционноспособны, и их присутствие может представлять угрозу для целостности живых систем. На самом деле ОН – наиболее мутагенный продукт ионизирующей радиации – представляет собой чрезвычайно мощный окислитель, который может атаковать все органические соединения. Одноэлектронное восстановление кислорода инициирует цепь реакций, которые ведут к образованию ОН:

О2 + е ® О2 (1)

О2 + Н ®НО2 (2)

О2+ НО2 + Н ® Н2О2+О2 (3)

Супероксид-анион, образуемый в реакции (1), может протонироваться до гидропероксидного радикала (2). Реакция (3) представляет собой спонтанную дисмутацию, приводящую к образованию Н2О2+О2. Совокупность этих реакций дает основание предполагать, что любая система, продуцирующая О2, будет также вскоре содержать Н2О2.

Ксантиноксидаза, альдегидоксидаза и многочисленные флавопротеиды образуют О2 и Н2О2, что происходит и при самопроизвольном окислении гемоглобина, ферредоксинов, восстановленных цитохромом b5 гидрохинонов, тетрагидроптеридинов и адреналина. Угроза для клеток, возникающая из-за реакционноспособности О2и Н2О2, устраняется действием ферментов, эффективно обезвреживающих эти соединения.

Ферментативная антиоксидантная защита.

Супероксиддисмутазы катализируют реакцию

О2 + О2+ 2Н® Н2О2 + О2

Эти ферменты найдены во всех дышащих клетках, а также в различных факультативно анаэробных бактериях. Супероксиддисмутазы – металлоферменты. Их каталитический цикл включает восстановление и окисление иона металла, например Cu, Mn или Fe, на активном центре.

Каталазная активность наблюдается почти во всех животных клетках и органах. Печень, эритроциты и почки – богатые источники каталаз . Эта активность также обнаруживается во всех растительных материалах и в большинстве микроорганизмов, кроме облигатных анаэробов. В каждом случае каталаза, вероятно, предотвращает аккумуляцию вредного Н2О2, образуемого при аэробном окислении восстановленных флавопротеидов и из О2. Одна молекула каталазы может разложить 44000 молекулы Н2О2 в секунду. Фактически фермент почти не требует энергии активации, и скорость реакции полностью определяется диффузией. Каталаза реагирует с Н2О2 с образованием относительно стабильного фермент-субстратного комплекса.

Хотя пероксидазы встречаются относительно редко в животных тканях, в печени и почках обнаружена слабая пероксидазная активность. Лейкоциты содержат вердопероксидазу, которая ответственна за пероксидазную активность гноя. Клетки фагоцитов содержат миелопероксидазу, которая окисляет ионы галогенов, например I, до свободного галогена – эффективного бактерицидного агента.

Каталазную и пероксидазную реакции можно записать следующим образом:

НО ОН О

Неферментативная антиоксидантная защита.

Аскорбиновая кислота (витамин С).

Витамин С легко окисляется до дегидроаскорбиновой кислоты, которая нестабильна в щелочной среде, в которой происходит гидролиз лактонного кольца с образованием дикетогулоновой кислоты.

Аскорбиновая кислота необходима для различных биологических окислительных процессов. Витамин активирует окисление n-оксифенилпирови-ноградной кислоты гомогенатами печени. В присутствии кислорода растворы, содержащие ферро-ионы и аскорбат, катализируют гидроксилирование ряда соединений. Витамин является антиоксидантом, участвует в метаболизме фенилаланина, тирозина, пептидных гормонов, в синтезе жиров и белков, необходим для образования коллагена, способствует сохранению целостности соединительной и остеоидной тканей, обладает антиканцерогенным действием, предотвращая образование канцерогенных нитрозаминов, участвует в распределении и накоплении железа.

Витамин Е.

Витамин был выделен из масла зародышей пшеничных зерен в 1936 году и получил название токоферол. Семь токоферолов, производных исходного соединения токола, найдены в природных источниках; среди них наибольшее распространение и наибольшую биологическую активность имеет a-токоферол. Токоферолы обозначаются греческими буквами: альфа, бета, гамма и дельта.

Витамин защищает клеточные структуры от разрушения свободными радикалами, участвует в биосинтезе гема, препятствует тромбообразованию, участвует в синтезе гормонов, поддерживает иммунитет, обладает антиканцерогенным эффектом, обеспечивает нормальное функционирование мышц.

Рисунок 6. Механизм действия витамина.

Ткани животных с недостаточностью витамина Е, особенно сердечная и скелетные мышцы, более быстро потребляют кислород, чем ткани нормальных животных. a-Токоферол нелегко подвергается обратимому окислению. Увеличенное потребление кислорода мышцами при недостаточности витамина связаны, по-видимому, с пероксидным окислением ненасыщенных жирных кислот. В других тканях, например в печени, это приводит к нарушению структуры митохондрий и снижению дыхания. Имеются данные о том, что пероксидное окисление ненасыщенных жирных кислот в эндоплазматическом ретикулуме мышечных клеток приводит к освобождению лизосомальных гидролаз, в результате развивается мышечная дистрофия. Все проявления недостаточности витамина представляет собой вторичные явления, обусловленные отсутствием торможения пероксидного окисления полиненасыщенных жирных кислот.

Классическим проявлением недостаточности витамина Е у лабораторных животных является бесплодие. У самцов наиболее ранним наблюдаемым признаком недостаточности является неподвижность сперматозоидов. Наблюдается также ряд других изменений: дегенерация эпителия почечных канальцев, депигментация передних зубов. Другим проявлением недостаточности витамина Е является гемолиз эритроцитов in vitro в присутствии пероксидов или производных аллоксана. У крыс с продолжительной недостаточностью витамина развивается мышечная дистрофия с явлениями прогрессирующего паралича задних конечностей, понижается содержание креатина в мышцах, возникает креатинурия и несколько снижается экскреция креатинина. Могут также развиваться явления недостаточности витамина А вследствие окислительной деструкции последнего из-за отсутствия в рационе витамина, обладающего антиоксидантными свойствами. Проявлениями гипервитаминоза являются тошнота, головокружение и тахикардия.

Витамин Р.

Витамин Р (рутин, цитрин) был выделен в 1936 году А. Сент-Дьёрдьи из кожуры лимона. Под термином «витамин Р» объединяется группа веществ со сходной биологической активностью: катехины, халконы, флавины и др. Все они обладают Р-витаминной активностью и в основе их структуры лежит дифенилпропановый углеродный «скелет» хромона или флавона (общее название «биофлавоноиды»).

Биофлавоноиды стабилизируют основное вещество соединительной ткани путем ингибирования гиалуронидазы, что подтверждается данными о положительном влиянии Р-витаминных препаратов, как и аскорбиновой кислоты, на профилактику и лечение цинги, ревматизма, ожогов и др. Эти данные указывают на тесную функциональную связь витаминов С иР в окислительно-восстановительных процессов организма.

При недостаточности биофлавоноидов или отсутствии их в пище повышается проницаемость кровеносных сосудов, сопровождающаяся кровоизлияниями и кровотечениями, отмечается также общая слабость, быстрая утомляемость и боли в конечностях.

Основными источниками витамина являются растительные продукты питания (в частности, овощи и фрукты), в которых содержится много витамина С. Витаминная промышленность выпускает ряд препаратов с Р-витаминной активностью: чайные катехины, рутин, гесперидин, нарингин и другие.

Заключение.

Проблема, освещенная в данной работе, на сегодняшний день является очень важным разделом в биохимии, где, несмотря на достигнутые успехи, остается множество вопросов и пробелов.

Знание вопросов биоорганической химии является нужным и важным в практике каждого врача, так как активное развитие фармакологии и появление множества новых препаратов позволяет, зная биохимию процессов, протекающих в организме, воздействовать на них и лечить многие заболевания на клеточном уровне, стимулируя энергетические процессы на уровне митохондрий.

Любая внезапная смерть связана с гипоксией, которая сопровождается накоплением в организме большого количества молочной кислоты за счет подавления функции челночных механизмов, и как следствие - возникает ацидоз. При гипоксии неограниченно образуются свободные радикалы и интенсивно протекает перикисное окисление липидов с последующим необратимым повреждением клеток. Изучение нарушений механизмов биологического окисления и способов коррекции является важным при лечении патологий сердечно-сосудистой и дыхательной систем, возрастных патологиях, воспалениях. Особо важное значение имеют эти знания в реанимации, при наркозах, так как уровень молочной кислоты значительно возрастает во время операций под наркозом, например кетамином или этраном, под влиянием наркотических веществ происходит разобщение процессов окисления и фосфорилирования. Вот почему так важно иметь в распоряжении наиболее полные знания и информативные данные, оценка которых может обеспечить максимальные возможности прогноза течения заболевания.

Список литературы:

1. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х т.,2-е изд., пер.и доп. Т.1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1994 – 517 с., ил.

2. Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. Биохимия для врача. Екатеринбург: Издательско-полиграфическое предприятие «Уральский рабочий». - 1994 – 384 с.

3. Виноградов А.Д. Митохондриальная АТФ-синтезирующая машина: пятнадцать лет спустя.//Биохимия. – 1999 – Т.64. Вып.11 – с.1443-1456

4. Галкин М.А., Сыроешкин А.В. Кинетический механизм реакции синтеза АТФ, катализируемый митохондриальной F 0 -F 1 -АТФазой.//Биохимия. – 1999 – Т.64.Вып 10 – с.1393-1403

5. Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия. – М.: «Медицина» 2000 – с.68-69, 84-85

6. Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Основы общей патологии. Часть 2. Основы патохимии. – СПб. – 2000 – 384 с.

7. Козинец Г.И. Физиологические системы человека. – М.: «Триада-Х» - 2000 – с.156-164

8. Коровина Н.А., Захарова И.Н., Заплатников А.Л. Профилактика дефицита витаминов и микроэлементов у детей (справочное пособие для врачей). – Москва, 2000

9. Ленинджер А. Основы биохимии. – М.: Мир – 1991 – 384 с.

10. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В2-х т. Т.1.Пер с англ.: - М.: Мир – 1993 – 384 с.

11. Николаев А.Я. Биологическая химия. Учеб. для мед. спец. Вузов – М.: Высшая школа. – 1989 – 495с.

12. Рябов Г.А. Гипоксия критических состояний. – М.: Медицина. – 1992 – 288 с.

13. Самарцев В.Н. Жирные кислоты как разобщители окислительного фосфорилирования.// Биохимия. – 2000 – Т.65.Вып.9 – с.1173-1189

14. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло.// Соросовский образовательный журнал. – 1996 - №3 – с.4-10

15. Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии.// Соросовский образовательный журнал. – 1997 - №5 – с.11-19

16. Скулачев В.П. Стратегии эволюции и кислород.// Природа. – 1998 - №12 – с.11-20

17. Тутельян В.А., Алексеева И.А. Витамины антиоксидантного ряда: обеспеченность населения и значение в профилактике хронических заболеваний.// Клиническая фармакология и терапия. – 1995 - №4 (1) – с.90-95

18. Шилов П.И., Яковлев Т.Н. Основы клинической витаминологии. – Л.: Медицина – 1989 – 343 с.

Категории

Популярное