Біологічне окислення

Вивчення процесів окислення було започатковано М. В. Ломоно-совим та А. Лавуазье на основі дослідження продуктів згоряння. А. Лавуазье, співставлюючи процеси горіння з процесами дихання в живих організмах, звернув увагу на подібність між ними.

При диханні, як і при згорянні, відбувається поглинання кисню та утворення С0₂ і Н₂0. Енергетичний ефект окислення органічних сполук в організмі та згоряння їх також виявились тотожними. Так, при окисленні глюкози до кінцевих продуктів і при згорянні її в колориметрі виділяється однакова кількість енергії 2881 кДж/моль. У зв'язку з цим А. Лавуазье висловив припущення, що сполуки в організмі окислюються в результаті їх повільного згоряння. Не зрозумілим було лише те, чому «горіння» різних сполук в організмі відбувається при низькій температурі, без полум'я і за наявності води.

Перші спроби з'ясувати особливості та механізм окислення сполук в організмі (біологічного окислення) зробив Ф. Шенбайн, який висловив припущення, що біологічне окислення — це каталітичний процес, необхідною умовою перебігу якого є активація кисню.

На початку XX ст. О. Н. Бах та К. Енглер одночасно і незалежно один від одного запропонували гіпотезу, згідно з якою біологічне окислення прр_хддить за рахунок активування кисню і першим етапом Даного процесу є ^творення пёроксидних сполук. Активування кисню"

333

здійснюється за рахунок енергії сполук, здатних до самоокислення, та ферментів оксидаз. Такими сполуками є каротини, терпени, ноліенові вищі жирні кислоти, в молекулах яких є кратні подвійні зв'язки, внаслідок чого вони легко взаємодіють з молекулярним киснем, утворюючи пероксидні сполуки, які розщеплюються за участю ферментів пероксид; з і утворюють активний кисень. Останній окислює молекули інших органічних сполук, які з молекулярним киснем не реагують:

R-CH^CH-R, + 0₂ •^{Шп00КСигЄна3}^ R-CH-CH-R,;

. І І О—О

R-CH-CH-R, ^п*Р°^КСИДаз£ Я-СН-СН-^ + О';

II \ /

О—О О

^^.Окс^а^^^.^^

Оскільки окислення проходить через утворення пероксидних сполук, то теорія О. М. Баха дістала назву пероксидної теорії окислення.

Значний внесок у розуміння процесів біологічного окислення зробив російський біохімік В. І. Палладій. Вивчаючи окислення речовин у рослинах, він встановив, що воно може відбуватися і при відсутності кисню, якщо в реакційному середовищі є речовини, які здатні приєднувати водень. Такими речовинами виявились пігменти — хромогени. Приєднуючи водень від субстратів, які окислюються, вони відновлюються і стають безбарвними. Потім — віддають водень, тобто окислюються, знову набувають забарвлення, перетворюючись на хінони. Перетворення проходить за участю кисню повітря:

Гідрохінон

І підновлена форма %і»ону|

Чінои

О

334

Слід зазначити, що В. І. Палладій надавав великого значення кисню як акцептора водню і цим самим показав важливу роль кисню в процесах біологічного окислення. Дослідження В. І. Палладіна були підтверджені працями Віланда. Він висловив думку, що дегідрування субстратів є основним процесом, який лежить в основі біологічного окислення, і що кисень взаємодіє вже з активованими атомами водню. Отже, була створена теорія окислення речовин шляхом їх дегідрування, яка дістала назву теорії Палладіна — Віланда.

Основою в підтвердженні даної теорії було викриття і вивчення цілого ряду дегідрогеназ —ферментів, які каталізують відщеплення атомів водню від різних субстратів. Було доведено, що процеси окислення субстратів — ие цілий ланцюг послідовних реакцій, які починаються з дегідрування субстратів і закінчуються перенесенням електронів на кисень та взаємодією останнього з протонами водню з утворенням води. Оскільки при такому окисленні постійно має місце поглинання кисню, то його ще називають тканинним диханням.

Отже, на основі вищенаведених теорій і досліджень створено сучасні уявлення про механізм біологічного окислення, в основі якого лежить пероксидна теорія Баха і теорія Палладіна — Віланда про дегідрування субстратів.

Сучасні уявлення про біологічне окислення

Біологічне окислення, яке проходить в організмах людини і тварин, є досить складним процесом. У ньому беруть участь десятки і сотні різних ферментів, внаслідок чого потенціальна енергія, яка міститься в молекулах органічних сполук, вивільнюється і використовується в самих різноманітних процесах життєдіяльності організму.

Процес біологічного окислення проходить поетапно. У ньому беруть участь ферментні системи, які містять у вигляді небілкової частини НАД', НАДФ+.ФМН, ФАД, убіхінони ізалізопорфіринові комплекси.

На першому етапі біологічного окислення здійснюється дегідрування субстратів — продуктів розщеплення білків, жирів і вуглеводів. Цей процес відбувається за участю ферментів дегідрогеназ (окси-доредуктаз), які містять коферменти НАД+ і НАДФ^-^ Вони є майже універсальними акцепторами водню для багатьох субстратів — спиртів, альдегідів, дикарбонових і кетокислот, амінів тощо. Віднімаючи від субстратів атоми водню (електрони і протони), вони самі відновлюються, а субстрати при цьому окислюються (див. с 336).

Як видно з рівняння, функціональною групою дегідрогеназ є амід нікотинової кислоти. Атоми водню, що відщеплюються віл субстрату, приєднуються до вуглецю в положенні 4 нікотинамідного кільця. Електрон другого атома водню субстрату приєднується до азоту в положенні І, компенсуючи^його позитивний заряд, а протон переходить у розчин.

335

0 Прикладом дегідрогеназ може бути лактатдегідрогеназа, яка каталізує реакцію дегідрування молочної кислоти:

СН₃—СН—СООН +^НАД+-> СН₃—CO—СООН + НАД . Н + Н+.

Стід зазначити, що специфічність дії цієї групи дегідрогеназ зумовлена білковою частиною ферменту, оскільки коферменти схожі за своєю будовою.

Далі, на наступному етапі, акцептором атомів водню є група фла- вінових ферментів, які у вигляді небілкової частини містять ФМН. Вони здійснюють перенесення атомів водню від відновлених НАД або НАДФ. Цей процес можна показати такою схемою: н н

Q .»• ⁺

НАД-Н+Н*

ФМН'Н, (відновлена форма)

і протонів від віднов-

Наступним етапом є перенесення електронів лених форм ФМН на убіхінони (коензим Q) (див. с 337).

На наступному етапі з ксензиму Q протони атомів водню переходять у навколишнє середовище, а електрони поступають на цитохромну систему. Цитохромна система складається з ряду оксидоредуктаз, не-білковою частиною яких є залізопорфірини, близькі за своєю будо'вою

336

до гему. Відомо понад 20 різних цитохромів. Вони позначаються латинськими буквами — a_tb,c,d\ т. д. В цитохромну систему входять цито-хроми і фермент — цитохромоксидаза (аа₃). Характерною особливістю цієї системи ферментів є те, що вони переносять електрони з відновленого коензиму Q на кисень, а останній, сполучаючись з іонізованими атомами водню, утворює воду:

2Н* h/)- 1

Отже, на завершальному етапі дихання здійснюються два процеси — приєднання до кисню електронів і перетворення його на негативно заряджений іон (іонізація), а потім приєднання до іонізованого кисню протонів з утворенням молекули води. Молекулярний кисень 0₂ приєднує до себе 4 електрони і 4 протони, а оскільки через систему цитохромів переноситься лише 2 електрони, використовується V₂ 0₂. Завершальний етап тканинного дихання можна зобразити такою схемою:

У процесі перенесення електронів через систему дихального ланцюга проходить поступове вивільнення акумульованої в них енергії і до кисню вони переносяться вже енергетично бідними, тому утворення во-Ди в організмі не супроводжується вибухом, як у випадку утворення гримучого газу.

357

З наведеної схеми видно, що процес перенесення електронів через систему цитохромів пов'язаний із зміною валентності атома заліза порфіринового ядра. В окислених цитохромах тривалентне залізо, приєднуючи електрони, перетворюється на двовалентне. З останнього цитохрому електрони переходять на цитохромоксидазу, яка далі окислюється безпосередньо киснем. У процесі клітинного дихання крім води утворюється CO* і виділяється енергія, яка акумулюється у вигляді АТФ/

Отже, в ланцюгу окислювально-відновних процесів створюється своєрідний електронний каскад. Послідовність розміщення основних компонентів дихального ланцюга визначається співвідношенням швидкості окислення і відновлення окремих компонентів системи, а також величиною редокс-потенціалів, що виникають між сусідніми компонентами. Перенесення електронів здійснюється завжди від меншого потенціалу до більшого. Для більшості органічних субстратів нормальні редокс-потенціали окислювально-відновних систем дорівнюють —j 0,6 В. Оскільки редокс-потенціал системи НАД -+■ НАД • Н + Н+ до-рівнюе — 0,32 В, електрони і протони від органічних субстратів переходять до нікотинамідних коферментів. Редокс-потеиціали системи ФАД-^ ФАД • Н, мають ще більшу величину (—0,06...—0,016 В), тому відбувається перенесення електронів від нікотинамідних дофла-віпових ферментів. Отже, редокс-потенціал показує напрям перенесення j електронів. Нижче наведено величини редокс-потенціалів основних] компонентів дихального ланцюга (табл. 18).

Існують також інші шляхи тканинного дихання — більш довгі і] більш короткі. Прикладом більш довгогр ланцюга тканинного дихання] може бути окислення а-кетокислот. При окислювальному декарбокси-люванні цих кислот два атоми водню передаються спочатку на ліпое-ву кислоту, а потім уже на никотинамідні коферменти. Більш короткими

Таблиця 18. Величини нормальних редокс-потенціалів основних компонентів окислювальнп-відновного ланцюга (при рН = 7 і Т = 38 ^СС)

Б іологічна система

Значення редокс-потеніПалу, В

Субстрати i=f 2H+ -f 2e

НАД • Н₂ ±? НАД + 2Н+ + 2е

ФФ • 2Н, и ФФ -!- 2Н+ + 2е Цитох ром Ь ±s Цитох ром ft -f- e Цитох ром с ** Цитох ром с + є Цитохром а ±? Цитохром а + e ЦХО tf ЦХО + є H₂Ot* 1/20₂ + 2Н⁺ + 2е

Від 0 до —0,62 —0,32 Від —0,06 до —4І,\

+0,04

+0,26

+0,29

+0,50

+0,815

33S

Примітку. Величина редокс-потенціалу виражена через є. р. в.

шляхом є окислення янтарної кислоти до фумарової. При цьому два атоми водню, минаючи нікотинамідні дегідрогенази, переносяться на флавопротеїди, які в цьому випадку виступають у ролі первинних дегідрогеназ (забезпечують безпосереднє окислення субстратів). З флавінових дегідрогеназ протони та електрони водню переходять на убіхінон. Протони водню з убіхінону переходять у розчин, а електрони через систему цитохромів переносяться до кінцевого акцептора — кисню. Більш коротший шлях окислення різних субстратів забезпечують ферменти оксидази, які у вигляді кофакторів містять ФМН і ФАД. За участю даних ферментів відбувається безпосереднє окислення субстратів шляхом перенесення атомів водню від субстратів, що окислюються, на молекулярний кисень:

Отже, флавопротеїди забезпечують відщеплення водню від субстрату та приєднання його до молекулярного кисню, минаючи систему цитохромів та цитохромоксидазу. Кінцевим продуктом окислення є не вода, а иероксид водню. Нині вивчено близько двадцяти оксидаз флавопротеї-нової природи, які у вигляді кофакторів містять ФМН і ФАД (ксанти-ноксидаза, глюкозооксидаза, оксалатексидаза, оксидази D-аміно-кислот тощо). Деякі оксидази у вигляді кофакторів містять мідьвмісні протеїни. Утворений пероксид водню розкладається ферментом ката-лазою на кисень і воду

У балансі тканинного дихання процеси, що закінчуються утворенням пероксиду водню, становлять лише 5—7 %.