7.3. Транспорт електронів і протонів при біологічному окиснюванні

Усю систему реакцій і ферментів тканинного дихання називають дихальним ланцюгом. Він складається з трьох основних етапів.

Перший етап - процеси дегідрування субстратів, які каталізуються переважно нікотинамідними ферментами (НАД і НАДФ).

Другий етап - процеси окиснювання відновлених форм нікотинамідних ферментів (НАДН₂ і НАДФН₂), які каталізуються головним чином флавіновими ферментами.

Третій етап - процеси окиснювання відновлених форм флавінових ферментів, які каталізуються системою цитохромів.

У ланцюзі транспорту електронів беруть участь численні проміжні переносники протонів і електронів. До них відносяться, наприклад, цистеїн, що перетворюється при окиснюванні в цистін, вітамін С, що утворює при дегідруванні зворотно окислену форму; інші речовини, що містять ненасичені зв'язки, які легко приєднують гідроген і передають його потім іншому акцепторові. У передачі електронів по ланцюзі цитохромів бере участь негемінове залізо, воно не змінює валентності, а забезпечує "тунельний" ефект, що полегшує їхню міграцію.

Процес переносу атомів гідрогену через усю комплексну ферментативну систему тканинного дихання зв'язаний з оборотними перетвореннями ферментів з окислених форм у відновлені.

Таким чином, першим акцептором електронів і протонів, що відбираються від речовин, що окисляються, є НАД, що при цьому відновлюється (НАДН₂) і передає водень (електрони і протони) на ФАД. При цьому НАДН₂ окисляється і стає здатним приймати нову пару водневих іонів, а ФАД відновлюється до ФАДН₂. Потім електрони і протони переходять з ФАДН₂, на кофермент Q (убіхінон). Далі шляхи електронів і протонів розходяться: електрони по системі цитохромів передаються на оксиген, а протони, минаючи систему цитохромів, переходять прямо на оксиген. Весь цей процес протікає на мітохондріях, що є "силовими станціями" вироблення енергії в клітинах. Вони мають особливу структуру, що відрізняється від будови інших органел. Характерним є наявність безлічі мембран, що утворюють перегородки, внутрішні випинання. Саме тут знаходяться ферменти, які послідовно каталізують всі етапи окиснювання органічних речовин. Встановлено, що дегідрогенази розташовані в основі виросту (випинання), за ними - послідовно убіхінонпротеїн, система цитохромів. Цитохром А₃ граничить з порожниною мітохондрій, куди як би "сходить з конвеєра" АТФ.

7. 4. Окисне фосфорилюванння

Роль ланцюга біологічного окиснювання полягає в тому, що при переході електронів від одного переносника на інший поступово знижується енергетичний рівень, при цьому втрачається заключена в них енергія, що доставляє в середньому 56,6 ккал/моль.

Енергія, що вивільнилася, частково виділяється у виді теплоти, але велика її частина витрачається на утворення АТФ. Причому з одних сполук при окиснюванні 1 моля вивільняється енергія, достатня для синтезу трьох молекул АТФ, а з інших - тільки для двох. Наприклад, якщо первинним акцептором водню є НАД, то утвориться три молекули АТФ, якщо ФАД - дві.

АТФ-аденозинтрифосфорна кислота (аденозинтрифосфат), що з'являється в процесі окиснювання органічних речовин у клітинах, являє собою універсальне джерело енергії. Ця унікальна сполука складається з аденіну, рибози і трьох залишків фосфорної кислоти.

Зв'язки між атомами, при розриві яких виділяється велика кількість енергії, називають макроергічними і позначають значком ~, а сполуки - макроергом. Величина цього макроергічного зв'язку складає приблизно 8-10 ккал/моль. З інших макроергів можна назвати урідинтрифосфат - УТФ, гуанозінтрифосфат - ГТФ, креатинінфосфат, фосфоєнолпіровиноградну кислоту та ін.

Особливістю цих сполук є те, що при розпаді макроергічного зв'язку енергія не розсіюється, а безпосередньо використовується без втрат на перетворення інших сполук.

АТФ синтезується з аденозиндифосфату (АДФ) і неорганічної фосфорної кислоти при наявності енергії. Відповідно, при розпаді утворюються вихідні речовини і виділяється енергія.

Отже, АТФ є переносником енергії і служить ланкою, що поєднує між собою процеси, що протікають з виділенням і споживанням енергії.

+енергія

АТФ АДФ ₊ Н₃РО₄.

–енергія

Шлях утворення АТФ з АДФ і неорганічного фосфату за рахунок енергії, що вивільняється при окиснюванні органічних речовин, називають окисним фосфоролюванням.

При транспортуванні електронів і протонів (порізно або разом) знижується кількість потенційної енергії, що міститсья в харчових речовинах або структурних компонентах клітин, що окисляються, вона переходить у вільну енергію і запасається в макроергічних зв'язках АТФ. У дихальному ланцюзі є три ділянки, де з'являється вільна енергія, достатня для синтезу АТФ. Це відрізок дихального ланцюга між НАД і ФАД, між цитохромами В і С , А і А₃.

Тобто у процесі переносу пари електронів утворюється три молекули АТФ.

Процес вивільнення і акумулювання енергії в організмі умовно можна розбити на чотири етапи.

На підготовчому етапі в шлунково-кишковому тракті відбувається гідроліз високомолекулярних сполук їжі - полімерів і усмоктування мономерів, що утворилися. Так, білки розщеплюються до амінокислот, жири - до гліцеролу і вищих жирних кислот, вуглеводи - до моносахаридів. На цьому етапі практично не утворюється енергії (всього приблизно 0,1 %).

На першому етапі відбувається перетворення мономерів у клітинах. Вони розпадаються на більш прості сполуки, що можуть бути однаковими в різних мономерах. Наприклад, при окиснюванні вуглеводів, жирів і ряду амінокислот, хоча і різними шляхами, але утворюється та сама сполука - ацетил-КоА, що одержала назву "універсальний метаболіт".

На цьому етапі вивільняється близько 1/3 всієї енергії, що виділяється при розпаді речовин.

Другий етап являє собою повне окиснювання ацетил-КоА, у результаті чого утворюється оксид карбогену і вивільняється гідроген. Цей процес докладно вивчений X. А. Кребсом.

Цей процес протікає однаково у всіх клітинах. Цикл Кребса являє собою замкнуту систему реакцій, що починається взаємодією ацетил-КоА і щавелевооцтової кислоти з утворенням трикарбонової лимонної кислоти, що, проходячи ряд стадій, знову перетворюється в щавелевооцтову кислоту. Серед інших сполук циклу Кребса особливе значення має ізолимонна, -кетоглутарова, бурштинова і яблучна кислоти, тому що вони піддаються окислюванню. Цей процес каталізується ферментами, коферментами яких є вітаміни або їхні похідні (дегідрогенази та ін.).

На третьому етапі відновлена форма дегідрогенази окислюється в дихальному ланцюзі з утворенням води.

Незначна частина гідрогену, що вивільнився, використовується для синтезу нових сполук, а велика частина окисляється оксиген з утворенням води. Саме в ході цього процесу відбувається вивільнення енергії, укладеної в електронах. Причому в організмі утворення води відбувається не відразу, а через ряд реакцій, з цієї причини і енергія електронів виділяється не одночасно, а поступово.

Крім окисного фосфорилювання, в організмі існує і інший шлях синтезу АТФ. Визначені речовини в ході перетворень накопичують у своїх хімічних зв'язках енергію, що вони можуть "передати" для синтезу АТФ. Останній може утворитися шляхом безпосереднього переносу "макроергічного" залишку фосфорної кислоти, наприклад, з дифосфогліцеринової кислоти, що утворюється в процесі розщеплення вуглеводів без участі кисню. Таке фосфорилювання називається субстратним. Його значимість менше в порівнянні з окисним фосфорилюванням.

Макроергічний залишок фосфорної кислоти може бути перенесений на інші сполуки, що також стають джерелами енергії, перетвореними в інші її види. Так, наприклад, синтез глікогену здійснюється за участю гуанозинтрифосфату (ГТФ), де замість аденіну міститься гуанін.

В даний час установлено, що при окиснюванні 1 моля ацетил-КоА в циклі Кребса утворюється 12 молей АТФ, 11 з яких виникає в результаті окисного фосфорилювання і лише один - субстратного.

Одна половина енергії, що утворюється при окиснюванні органічних речовин, акумулюється в АТФ і бере участь у процесах біосинтезу, витрачається на різні потреби організму, інша - розсіюється у виді теплоти. Вона забезпечує сталість температури тіла (36-37°С), що є необхідною умовою життя людини (усі найважливіші процеси, що відбуваються в організмі - газообмін, дія ферментів, а отже, і весь обмін речовин - можуть здійснюватися тільки при певній температурі).

У багатьох реакціях від АТФ відщеплюється один залишок неорганічного фосфату й АТФ перетворюється в АДФ, наприклад, при біосинтезі глюкозо-6-монофосфату, фруктозо-1,6-дифосфату.

Використання двох макроергічних зв'язків АТФ і перетворення його в АМФ відбувається, наприклад, при активуванні амінокислот і жирних кислот, необхідного початкового етапу їхнього обміну в клітинах. Відщіплення трьох фосфорних залишків і приєднання субстрату до рибози відбувається при біосинтезі 5-аденозилметіоніну.

У клітинах здійснюється регуляція утворення АТФ. Так, при зниженні температури АТФ синтезується в меншій кількості й енергія окиснювання розсіюється у виді теплоти. Такий процес називають вільним окиснюванням. Він відбувається на поверхні мітохондрій. Окисне фосфорилювання стимулюється наявністю АДФ і неорганічного фосфату. Отже, при збільшенні витрати АТФ, у результаті чого він розщеплюється на АДФ і НРО₄, підсилюються процеси фосфорилювання і зменшується частка енергії, що витрачається на утворення теплоти.

Розщеплення АТФ із виділенням енергії каталізується ферментом аденозинтрифосфатазой (АТФазою). Процес відбувається з великою швидкістю. Замість розщепленого АТФ утворюються нові молекули цієї сполуки. Тому невелика його кількість, що міститься в тканинах, постійно оновлюється. Для забезпечення синтезу АТФ необхідно, щоб у мітохондріях постійно генерувалася енергія за рахунок окиснювання речовин, що поставляються в організм із їжею.

Окремі ланки окислювально-відновного ланцюга чуттєві до різних впливів, що ушкоджують. Так, дегідрогеназна ділянка виключається з транспорту водню барбітуратами (у концентраціях, що перевищують лікувальні дози).

Процесом, особливо чуттєвим до впливів, що ушкоджують, є окисне фосфорилювання, тобто енергоємна реакція утворення АТФ. Негативну роль в організмі можуть грати 2,4-динітрофенол, ультразвук, що іонізує радіація й інші променеві впливи, деякі антибіотики, чадний газ, синильна кислота. У результаті впливу цих факторів температура тіла підвищується, оскільки вся енергія окиснювання перетворюється в теплоту.

Слід зазначити, що гормон тироксин, що синтезується у щитовидній залозі в надлишкових кількостях, істотно впливає на окисне фосфорилювання, вносячи дисбаланс у процеси окиснювання й утворення АТФ. Тому в людей з гіперфункцією щитовидної залози утворюється надлишок теплоти, що виявляється в підвищеній температурі тіла.