37) Понятие о биологическом окислении. Фазы биологического окисления, их
общая характеристика. Тканевое дыхание - терминальный этап
биологического окисления. Роль кислорода в процессе тканевого дыхания
Суть биологического окисления описал русский ботаник и биохимик В.Палладин, который выделил в этом процессе две фазы: первую — анаэробную (без кислорода воздуха) и вторую — аэробную (с кислородом воздуха).
Первая фаза биологического окисления. Она протекает в два этапа. На первом этапе глюкоза посредством 9 реакций ферментативного расщепления превращается в две молекулы пировиноградной кислоты с образованием 2 молекул АТФ и 4 атомов водорода. А на втором этапе каждая молекула пировиноградной кислоты окисляется кислородом трех молекул воды, в результате чего клетка получает 20 атомов водорода. А за всю первую фазу процесса клетка получает 24 атома водорода и 2 молекулы АТФ. Затем от каждого атома водорода ферментативным путем отрывается электрон. Таким образом, возникают 24 протона водорода и 24 электрона, которые вступают во вторую фазу биологического окисления в виде протонно.электронного тока. Первая фаза биологического окисления требует расхода шести молекул клеточной воды на окисление одной молекулы глюкозы.
Если же клеточной воды очень мало, то все закончится превращением пировиноградной кислоты в кислоту молочную. И это уже будет анаэробный гликолиз. Гликолиз дает только 2 молекулы АТФ.
Вторая фаза биологического окисления. Суть второй фазы в том, что 24 протона водорода и 24 электрона принимает кислород воздуха, которым мы дышим. Поэтому вторую фазу биохимики называют кислородной фазой или аэробной. В результате второй фазы получается неорганическая угольная кислота и 36 молекул АТФ!
Две фазы биологического окисления представляют собой весы (см. рис. 11), на одной чаше которых бескислородная фаза, а на другой – фаза с кислородом. По закону Света обе фазы должны быть равны друг другу. Это значит, что 24 протона водорода и 24 электрона, полученные в первой фазе, должны присоединиться к кислороду во второй фазе. Или, на весах закона, они должны быть переброшены с левой чаши (А) на правую чашу (Б). Переносчики протонов и электронов образуют «коромысло» весов биологического окисления.
Для подобного путешествия протонов и электронов им необходимы носители, которые и перенесут их с левой чаши (А) (см. рис. 11) на правую чашу (Б).
Носителями протонов выступают: 1) пиридинзависимые дегидрогеназы, 2) флавинзависимые дегидрогеназы, 3) железосерные белки, 4) убихинон, 5) тэтраэдры молекул воды — кластеры.
Клеточное или тканевое дыхание — совокупность биохимических реакций, протекающих в клетках живых организмов, в ходе которых происходит окисление углеводов, липидов иаминокислот до углекислого газа и воды. Высвобожденная энергия запасается в химических связях макроэргических соединений (АТФ и др.) и может быть использована по мере необходимости. Входит в группу процессов катаболизма. О физиологических процессах транспортировки к клеткам многоклеточных организмов кислорода и удалению от нихуглекислого газа см. статью Дыхание.
Использование различных начальных субстратов
В качестве исходных субстратов дыхания могут выступать различные вещества, преобразуемые в ходе специфических метаболических процессов в Ацетил-КоА с высвобождением ряда побочных продуктов. Восстановление НАД (НАДФ) и образование АТФ может происходить уже на этом этапе, однако большая их часть образуется в цикле трикарбоновых кислот при переработке Ацетил-КоА.
Гликолиз
Гликолиз — путь ферментативного расщепления глюкозы — является общим практически для всех живых организмов процессом. У аэробов он предшествует собственно клеточному дыханию, у анаэробов завершается брожением. Сам по себе гликолиз является полностью анаэробным процессом и для осуществления не требует присутствия кислорода.
Первый его этап протекает с расходом энергии 2 молекул АТФ и включает в себя расщепление молекулы глюкозы на 2 молекулы глицеральдегид-3-фосфата. На втором этапе происходит НАД-зависимое окисление глицеральдегид-3-фосфата, сопровождающееся субстратным фосфорилированием, то есть присоединением к молекуле остатка фосфорной кислоты и формированием в ней макроэргической связи, после которого остаток переносится на АДФ с образованием АТФ.
Таким образом, уравнение гликолиза имеет следующий вид:
Глюкоза + 2НАД+ + 4АДФ + 2АТФ + 2Фн = 2ПВК + 2НАД∙Н + 2 АДФ + 4АТФ + 2H2O + 4Н+.
Сократив АТФ и АДФ из левой и правой частей уравнения реакции, получим:
Глюкоза + 2НАД+ + 2АДФ + 2Фн = 2НАД∙Н + 2ПВК + 2АТФ + 2H2O + 4Н+.
Окислительное декарбоксилирование пирувата
Образовавшаяся в ходе гликолиза пировиноградная кислота (пируват) под действием пируватдегидрогеназного комплекса (сложная структура из 3 различных ферментов и более 60 субъединиц) распадается на углекислый газ и ацетальдегид, который вместе с Кофермент А образует Ацетил-КоА. Реакция сопровождается восстановлением НАД до НАД∙Н.
У эукариот процесс протекает в матриксе митохондрий.
β-окисление жирных кислот
Деградация жирных кислот (у некоторых организмов также алканов) происходит у эукариот в матриксе митохондрий. Суть этого процесса заключается в следующем. На первой стадии к жирной кислоте присоединяется кофермент А с образованием ацил-KoA. Он дегидрируется с последовательным переносом восстановительных эквивалентов на убихинондыхательной ЭТЦ. На второй стадии происходит гидратирование по двойной связи С=С, после чего на третьей стадии происходит окисление полученной гидроксильной группы. В ходе этой реакции восстанавливается НАД.
Наконец, на четвёртой стадии образовавшаяся β-кетокислота расщепляется β-кетотиолазой в присутствии кофермента А на ацетил-КоА и новый ацил-КоА, в которой углеродная цепь на 2 атома короче. Цикл β-окисления повторяется до тех пор, пока вся жирная кислота не будет переработана в ацетил-КоА.
Цикл трикарбоновых кислот
Ацетил-КоА под действием цитратсинтазы передаёт ацетильную группу оксалоацетату с образованием лимонной кислоты, которая поcтупает в цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса). В ходе одного оборота цикла лимонная кислота несколько раз дегидрируется и дважды декарбоксилируется с регенерацией оксалоацетата и образованием одной молекулы ГТФ(способом субстратного фосфорилирования), трёх НАДН и ФАДН2.
Суммарное уравнение реакций:
Ацетил-КоА + 3НАД+ + ФАД + ГДФ + Фн + 2H2O + КоА-SH = 2КоА-SH + 3НАДH + 3H+ + ФАДН2 + ГТФ + 2CO2
У эукариот ферменты цикла находятся в свободном состоянии в матриксе митохондрий, только сукцинатдегидрогеназа встроена во внутреннюю митохондриальную мембрану.
Окислительное фосфорилирование
Основное количество молекул АТФ вырабатывается по способу окислительного фосфорилирования на последней стадии клеточного дыхания: в электронтранспортной цепи. Здесь происходит окисление НАД∙Н и ФАДН2, восстановленных в процессах гликолиза, β-окисления, цикла Кребса и т. д.. Энергия, выделяющаяся в ходе этих реакций, благодаря цепи переносчиков электронов, локализованной во внутренней мембране митохондрий (у прокариот — в цитоплазматической мембране), трансформируется в трансмембранный протонный потенциал. Фермент АТФ-синтаза использует этот градиент для синтеза АТФ, преобразуя его энергию в энергию химических связей. Подсчитано, что молекула НАД∙Н может дать в ходе этого процесса 2.5 молекулы АТФ, ФАДН2 — 1.5 молекулы.
Конечным акцептором электрона в дыхательной цепи аэробов является кислород.
Схема гликолиза