Биологическое окисление

Как уже отмечалось, в процессе обмена веществ в организме проис­ходят различные реакции окисления, которые объединяют термином биологическое окисление.

Основным типом биологического окисления является тканевое ды­хание, протекающее в клеточных митохондриях (в связи с этим ткане­вое дыхание еще называется митохондриальным окислением).

Тканевое дыхание

Тканевое дыхание - это основной способ получения АТФ, исполь­зуемый всеми клетками организма (кроме красных клеток крови).

В процессе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимают­ся два атома водорода (два протона и два электрона) и по дыхательной цепи, состоящей из ферментов и коферментов, передаются на молеку­лярный кислород - О₂₎ доставляемый кровью из воздуха во все ткани организма. В результате присоединения атомов водорода к кислороду образуется вода. За счет энергии, выделяющейся при движении элек­тронов по дыхательной цепи, в митохондриях осуществляется синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Обычно образование одной моле­кулы воды сопровождается синтезом трех молекул АТФ.

В упрощенном виде тканевое дыхание может быть представлено следующей схемой:

АН₂ + 1/2 О₂  А + Н₂О

Окисленное вещество

Окисляемое вещество

3 АДФ + 3 Н₃РО₄  ЗАТФ

В качестве субстратов окисления (т. е. веществ, от которых отнима­ется водород) в тканевом дыхании используются разнообразные про­межуточные продукты распада белков, углеводов и жиров. Однако наиболее часто окислению подвергаются промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) - цикла Кребса (изолимонная, а-кетоглутаровая, янтарная и яблочная кислоты). Цикл Кребса - это за­вершающий этап катаболизма, в ходе которого происходит окисление остатка уксусной кислоты, входящей в ацетилкофермент А, до СО₂ и Н₂О.

В свою очередь, ацетилкофермент А - это универсальный метабо­лит организма, в который при своем распаде превращаются главные органические вещества - белки, углеводы и жиры.

Тканевое дыхание представляет собой сложный ферментативный процесс.

Все ферменты тканевого дыхания делятся на три группы:

• никотинамидные дегидрогеназы,

• флавиновые дегидрогеназы и

• цитохромы.

Никотинамидные дегидрогеназы отнимают два атома водорода от окисляемого субстрата и временно присоединяют их к своему коферменту НАД (никотинамидадениндинуклеотид). По строению НАД яв­ляется динуклеотидом, в котором два нуклеотида соединяются между собой остатками фосфорной кислоты. В состав одного из нуклеотидов в качестве азотистого основания входит амид никотиновой кислоты (никотинамид, витамин РР), вторым нуклеотидом является аденозинмонофосфат (АМФ):

Отнимаемые от окисляемого вещества атомы водорода присоеди­няются непосредственно к никотинамиду (отсюда название данных ферментов - никотинамидные дегидрогеназы), при этом НАД перехо­дит в свою восстановленную форму НАД Н₂:

АН₂ + НАД  А + НАД-Н₂

Окисляемое вещество

Флавиновые дегидрогеназы отщепляют два атома водорода от об­разовавшегося НАД-Н₂ и временно присоединяют их к своему кофер-менту ФМН (флавинмононуклеотид). По строению этот кофермент яв­ляется мононуклеотидом, содержащим витамин В₂ (рибофлавин):

Флавин (изоаллоксазин)

Рибитол

Фосфат

Рибофлавин (витамин В₂)

Два атома водорода, отнимаемые флавиновыми дегидрогеназами от восстановленного НАД (НАД-Н₂), присоединяются к флавину, выпол­няющему роль акцептора водорода. В результате этой стадии образует­ся восстановленная форма кофермента - ФМН-Н₂:

НАД-Н₂ + ФМН — —> НАД + ФМН-Н₂

В некоторых случаях флавиновые дегидрогеназы, подобно никоти-намидным, отнимают два атома водорода непосредственно от окисляе-

мых веществ. Такие флавиновые дегидрогеназы используют кофермент

ФАД (флавинадениндинуклеотид), похожий по строению на ФМН и тоже содержащий витамин В₂:

АН₂ + ФАД  А + ФАД- Н₂

Окисляемое вещество Окисленное вещество

Следующая группа ферментов - цитохромы. Эти ферменты участ­вуют только в переносе электронов. По строению цитохромы похожи на одну из субъединиц гемоглобина. Молекула цитохрома состоит из полипептида и гема. Но в отличие от гемоглобина железо, входящее в гем цитохромов, имеет переменную валентность. Способность железа обратимо переходить из окисленной формы в восстановленную

(Fе³⁺ + е  Fе²⁺) обеспечивает возможность переноса электронов данными ферментами.

С помощью цитохромов (их имеется несколько: b, с, а, a₃) электро­ны от восстановленных коферментов ФМН-Н₂ и ФАД-Н₂ передаются на молекулярный кислород (О₂), который при этом переходит в активную, анионную, форму - О²~. Далее активный кислород (О²~) связывается с ионами водорода (протонами), которые тоже отщепляются от ФМН-Н₂ или от ФАД-Н₂. Присоединение ионов водорода к аниону кислорода приводят к образованию воды.

Таким образом, на всем протяжении дыхательной цепи наблюдается передвижение электронов. Движение электронов вызвано тем, что все участники дыхательной цепи располагаются по мере возрастания их окислительно-восстановительных потенциалов.

Окислительно-восстановительный потенциал, или редокс-потенциал, характеризует способность вещества принимать и удерживать электроны. Поэтому электроны переносятся от вещества с низким редокс-потенциалом к веществу с более высоким редокс-потенциалом.

Поскольку самое низкое значение редокс-потенциала имеет окис­ляемое вещество, а самое высокое - кислород, то в итоге электроны от окисляемого вещества поступают на молекулу кислорода.

Как уже отмечалось, движение электронов по дыхательной цепи со- провождается выделением энергии. Около половины энергии движения, электронов аккумулируется в макроэргических связях молекул АТФ. Другая часть энергии выделяется в виде тепла. Синтез АТФ происходит при переносе электронов с НАД-Н₂ на ФМН, с цитохрома b на цитохром с и c цитохрома а на цитохром а₃. Всего при переносе двух атомов водорода на кислород (г. е. в расчете на одну образовавшуюся молекулу воды) синтезируется три молекулы АТФ.

Некоторые субстраты (жирные кислоты, янтарная кислота и др.) имеют более высокий редокс-потенциал, чем НАД. Поэтому они не могут окисляться ншкотинамидными дегидрогеназами. В этом случае отнятие атомов водорода от таких субстратов осуществляется флавиновыми дегидрогеназами. Из-за отсутствия никотинамидных дегидрогеназ при окислении таких веществ образуется только две мо­лекулы АТФ.

На рис. представлена схема тканевого дыхания, включающая все группы ферментов.

АДФ

Рис. Схема тканевого дыхания

Ф_н+АДФ АТФ Ф_н +АДФ АТФ

Образование АТФ в процессе тканевого дыхания часто обозначает­ся терминами: окислительное фосфорилирование, дыхательное фосфорилирование, аэробное фосфорилирование, или аэробный синтез АТФ.

В сутки в организме за счет тканевого дыхания возникает не менее 40 кг АТФ, а у спортсменов еще больше. Поэтому этот процесс потреб­ляет большое количество окисляемых веществ и кислорода.

При незначительной потребности клеток в АТФ тканевое дыхание протекает с низкой скоростью. Если клетка начинает использовать большое количество АТФ, то скорость тканевого дыхания возрастает и может достигнуть максимальных величин. Такой характер изменения скорости обусловлен тем, что активатором ферментов тканевого дыха­ния является избыток АДФ, который возникает в клетке только при ин­тенсивном использовании АТФ.

Митохондрии, в которых протекает тканевое дыхание, имеются во всех клетках (кроме красных клеток крови) и представляют собою вы­тянутые палочковидные образования длиной 2-3 мкм* и толщиной около 1 мкм. Количество митохондрий в клетках может достигать тысячи и более. Митохондрии снаружи окружены двойной мембраной. Внешняя мембрана гладкая, а внутренняя складчатая, с большой поверхностью Ферменты тканевого дыхания встроены во внутреннюю мембрану и располагаются в ней в виде отдельных скоплений, называемых дыхательными ансамблями. Каждый дыхательный ансамбль содержит все необходимые ферменты для обеспечения переноса электронов в процессе тканевого дыхания. Благодаря строго упорядоченному расположению ферментов в дыхательных ансамблях передвижение электронов по дыхательной цепи осуществляется с большой скоростью.

В клетках митохондрии часто располагаются в том месте, где ис­пользуется энергия АТФ. В мышечных клетках митохондрии находятся около сократительных элементов - миофибрилл - и обеспечивают энергией их сокращение в процессе мышечной работы. Под влиянием систематических тренировок количество митохондрий в мышечных клетках значительно увеличивается.

Как выше отмечалось, тканевое дыхание (митохондриальное окисление) является основным способом биологического окисления, т. е. окисления органических соединений в живом организме. Однако наря­ду с тканевым дыханием в организме еще имеются и другие способы окисления.