Современное представление о механизме биологического окисления

Окисление субстрата начинается путем его дегидрирования под действием ферментов дегидрогеназ. Дегидрогеназы — их известно более 150 — сложные ферменты, в состав молекул которых всегда входят коферменты. Существует две группы дегидрогеназ, которые различаются своими коферментами. Ферменты первой группы содержат в качестве коферментов динуклеотиды НАД или НАДФ, поэтому их называют НАД- или НАДФ-зависимыми дегидрогеназами. Поскольку в составе этих коферментов содержится никотинамид (водорастворимый витамин РР), представляющий собой производное пиридина, их называют еще пиридинзависимыми дегидрогеназами.

Активной частью коферментов, входящих в состав НАД- и НАДФ-зависимых дегидрогеназ, является пиридиновое кольцо никотинамида. Окисленные формы никотинамидных коферментов, обозначаемые НАД⁺ (НАДФ⁺) отщепляют от субстрата два атома водорода, один из которых присоединяется к кольцу пиридина в пара-положение по oтношению к азоту:

а другой диссоциирует на протон и электрон. Последний присоединяется к атому азота кольца пиридина, а протон переходит в среду в виде иона Н⁺.

Реакции, катализируемые пиридинзависимыми дегидрогеназами, сокращенно можно изобразить следующим уравнением: Субстрат + НАД⁺ (НАДФ⁺) → Окисленный субстрат + НАДН•Н⁺ (НАДФН•Н⁺).

В дальнейшем образовавшиеся восстановленные формы дегидрогеназ служат субстратами для окисления их другой группой дегидрогеназ, поскольку они не способны передавать свои атомы водорода непосредственно на кислород.

Дегидрогеназы второй группы в качестве коферментов содержат ФМН и ФАД и называются соответственно ФМН- и ФАД-зависимыми дегидрогеназами. Эти дегидрогеназы объединяют под общим названием флавопротеиды.

Активной частью указанных коферментов является изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина (витамина В₂), способное обратимо присоединять атомы водорода:

Из уравнения реакции видно, что присоединение атомов водорода представляет собой прямой перенос пары атомов водорода от субстратов (ими могут быть рассмотренные выше восстановленные формы пиридинзависимых дегидрогеназ) на ФМН или ФАД с образованием восстановленной формы.

Сокращенно, на примере ФАД, это можно записать так: ФАД⁺ + 2Н → ФАДН₂.

Восстановленные формы большинства флавиновых дегидрогеназ, так же как и пиридинзависимые дегидрогеназы, не окисляются кислородом. Они передают атомы водорода другому промежуточному соединению— убихинону (УХ), или коферменту Q (KoQ), который присоединяя два атома водорода, превращается в восстановленную форму - гидрохинон:

или сокращенно: УХ + 2Н → УХ•Н₂.

Исследованиями ряда ученых установлено, что убихинон выполняет роль челнока между флавопротеидами и системой железосодержащих ферментов, переносящих электроны и называемых цитохромами. От убихинона происходит разделение путей движения электронов и протонов атомов водорода к кислороду. По цепи цитохромов, а их открыто и изучено десятки, происходит передача электронов атомов водорода, которые, превращаясь в протоны, подкисляют среду.

Цитохромы— это группа железосодержащих белков, которые переносят электроны в процессе тканевого дыхания от убихинона (или от флавопротеидов) к молекулярному кислороду и активируют его. Свою каталитическую функцию цитохромы выполняют благодаря наличию в составе их молекул железа. Присоединяя электроны, цитохромы восстанавливаются, отдавая их— окисляются, т.е. в процессе каталитического процесса степень окисления железа обратимо изменяется:

2Fe⁺³ + 2е → 2Fe²⁺.

Сколько цитохромов участвует в процессе окисления, точно не известно. Однако среди них хорошо изучены цитохромы b, с, а и а₃. Последние цитохромы (а и а₃) — не что иное, как дыхательный фермент Варбурга, очень чувствительный к действию цианидов.

Таким образом, звено цитохромов, осуществляя перенос электронов, располагается в цепи окисления между убихиноном и кислородом.

Пиридинзависимые дегидрогеназы, флавопротеиды, убихинон и цитохромы находятся в митохондриальной мембране и прочно с ней связаны в перечисленном порядке, образуя так называемую «дыхательную цепь». Ее можно изобразить следующей схемой:

НАД→ Флавопротеиды (ФАД) →Убихинон (УХ) → Цит. b → Цит. с→ Цит. а → Цит. а₃ → О₂

или системой уравнений:

Окислительное фосфорилирование

Для разнообразных жизненных процессов организму необходима энергия. В ходе биологического окисления, или тканевого дыхания, который мы рассмотрели выше, происходит выделение свободной

энергии, используемой в организме в двух направлениях: часть ее потребляется для всевозможных реакций биосинтеза, часть используется для поддержания постоянной температуры тела, т.е. превращается в теплоту.

Для того чтобы свободная энергия окисления субстратов могла быть использованной для реакций синтеза, сокращения мышц и т.д., необходимо, чтобы она перешла в доступную для этого форму. В начале 30-х годов академик В. А. Энгельгардт высказал идею о том, что при кислородном дыхании происходит фосфорилирование аденозиндифосфорной кислоты (АДФ) с образованием аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ). Позднее, в 1939—1940 гг., советский биохимик В. А. Белицер установил, что при окислении различных субстратов, в частности янтарной и лимонной кислот, происходит потребление неорганической фосфорной кислоты и образование АТФ.

Аденозинтрифосфорная кислота представляет собой универсальный подвижный источник химической энергии в клетках. Эта энергия сосредоточивается, или аккумулируется, в пирофосфатных химических связях молекул АТФ:

Количество энергии, аккумулированной в одной макроэргической связи АТФ, составляет 33,5—41,9 кДж. При гидролизе АТФ химическая энергия макроэргических связей освобождается и может быть использована для различных жизненных процессов. Таким образом, свободная энергия окисления субстратов превращается в доступную для организма химическую форму, аккумулированную в пирофосфатных связях АТФ, молекулы которой являются формой накопления этой энергии.

Для осуществления процесса фосфорилирования, т .е. соединения АДФ неорганической фосфорной кислотой, неорганический фосфат должен быть активирован. Источником энергии для его активации служит энергия окисления субстратов. Таким образом, процесс фосфорилирования АДФ, сопровождаемый образованием АТФ, происходит сопряженно с процессом окисления, поэтому называется окислительным фосфорилированием. Именно таким путем в организме синтезируется значительное количество АТФ. В этом процессе участвует дыхательная цепь ферментов, при помощи которых атомы водорода и электроны, отнятые от субстратов, передаются на кислород. Сам же субстрат в этом процессе участия не принимает.

Как показал В. А. Белицер, при переносе одной пары электронов (или двух атомов водорода) от субстрата к кислороду образуется три молекулы АТФ. В настоящее время известно, в каких местах дыхательной цепи происходит активирование неорганического фосфата и фосфорилирование АДФ. Первое активирование происходит на участке между НАД и флавопротеидом, второе — между цитохромами b и с и третье — между цитохромом а, и молекулярным кислородом:

Цепь клеточного окисления и места фосфорилирования АДФ

Митохондрии, их строение и функции

Рис. 42. Строение митохондрии: 1—наружная мембрана; 2— внутренняя мембрана; 3 — матрикс; 4 — кристы; 5 — внутримитохондриальные тельца: 6 — частицы внутренней мембраны (8,0—9,0 нм).

Совокупность реакций дыхательной цепи и процесс окислительного фосфорилирования происходят в митохондриях — субклеточных органеллах специфического строения. Количество их в клетке колеблется от нескольких сотен до нескольких десятков тысяч. Размеры и форма митохондрий различны в зависимости от типа клеток. Они бывают цилиндрической, сферической или нитевидной формы, а также пластинчатой и звёздчатой форм. Однако митохондрии, выделенные из различных источников, имеют много общего. Оболочка этих органелл состоит из двух мембран — наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, она как бы обтягивает и формирует митохондрию. Внутренняя мембрана образует перпендикулярные к поверхности мембраны многочисленные складки, или выпячивания, называемые кристами, которые вдаются в тело митохондрии довольно далеко, достигая даже противоположной стенки (рис. 42). Благодаря наличию крист внутренняя мембрана имеет очень большую протяженность. Внутреннее пространство митохондрий заполнено жидкостью, которая называется матриксом. Мембраны состоят на 1/3 из липидов и на 2/3— из белков, главным образом структурных. Около 25 % общего белка внутренней мембраны составляют белки ферментов, которые осуществляют перенос электронов и процессы

форилирования. Этими ферментами являются НАД-зависимые дегидрогеназы, флавопротеиды, цитохромы b, с, а и а₃.

Рис. 43. Схематическое изображение строения поверхности внутренней мембраны митохондрий:1 - молекулы мембранных белков: НАД, ФАД, цитохромы b, с, а, а₃, - ансамбль электронов; Х, У, Z - молекулы ферментов, ответственных за синтез АТФ.

В последнее время установлено, что ферменты митохондрии сгруппированы в компактные агрегаты с молекулярной массой 1 млн., которые называют дыхательными ансамблями (рис. 43). Дыхательные ансамбли вмонтированы поперек внутренней мембраны митохондрий и равномерно распределены в ней. Количество таких ансамблей в каждой митохондрии составляет 5000—10000. Следует отметить, что функциональная активность этих ансамблей проявляется только в соединении их с мембраной митохондрий. Отделение их от мембраны приводит к потере способности к сопряженному фосфорилированию хотя они и способны переносить электроны. Без мембраны отдельные ферменты дыхательной цепи становятся разобщенными, располагаются хаотично и бессистемно, в результате чего теряют способность утилизировать выделяемую при окислении энергию. В связи с этим считают, что функции митохондрий абсолютно уникальны. Поскольку именно в них происходит в основном синтез макроэргических соединений, митохондрии называют еще «силовыми станциями» клетки. Не следует думать, что любое окисление субстратов в живых системах сопровождаются фосфорилированием. Передача атомов водорода и электронов ферментами дыхательной цепи и связанное с этим фосфорилирование АДФ осуществляется в середине митохондрии, на ее внутренней мембране, где отдельные ферменты цепи переноса водорода и электронов соединены в строго определенном порядке, образуя своеобразный комплекс. Именно такое структурное сочетание ферментов с мембраной обеспечивает использование энергии окисления.

Процесс передачи атомов водорода и электронов происходит и на поверхности митохондрий, и в гиалоплазме с участием тех же ферментов, что и окисление, сопряженное с фосфорилированием. Однако вследствиe того, что эти ферменты не связаны митохондриальной мембраной, они размещены хаотично и поэтому окисление здесь не сопровождается активацией неорганического фосфата. В этом случае энергия окисления превращается в теплоту и такой процесс называется свободным окислением.

В настоящее время установлено, что процессы окислительного фосфорилирования и свободного окисления в клетках и в организме взаимосвязаны. При определенных условиях окислительное фосфорилирование может переключаться на свободное окисление. Такое переключение можно наблюдать при охлаждении организма, когда снижение температуры приводит к разобщению ферментов окислительного фосфорилирования и оно переходит в свободное окисление для усиления продукции теплоты.

В заключение нужно сказать, что сопряженное окислительное фосфорилирование является основным, но не единственным способом синтеза АТФ в органах и тканях животного организма. Небольшое количество АТФ образуется путем так называемого субстратного фосфорилирования. В этом случае активирование неорганического фосфата происходит с участием самого субстрата. Поэтому такое фосфорилирование часто называют фосфорилированием на уровне субстрата, чтобы отличить его от реакций фосфорилирования, протекающих с участием дыхательной цепи.

При субстратном фосфорилировании между субстратом и неорганическим фосфатом сначала образуется макроэргическая связь за счет окисления субстрата. Энергия его окисления передается остатку фосфорной кислоты. Активированный таким образом неорганический фосфат передается на АДФ с образованием АТФ:

Субстрат (восстановленный) + Н₃РО₄ Субстрат(окисленный) ~ РО₃Н₂ ;

Субстрат (окисленный) ~ РО₃Н₂ + АДФ → АТФ + Окисленный субстрат.

Субстратное фосфорилирование— очень древний способ биосинтеза АТФ. Он появился у организмов, когда на Земле не было кислорода, т.е. в анаэробных условиях. Однако клетки животного организма сохранили способность синтезировать АТФ путем субстратного фосфорилирования и осуществляют его при дефиците кислорода в тканях. С примерами субстратного фосфорилирования мы ознакомимся в следующей главе.