62. Развитие учения о биологическом окислении. Теория Баха и Палладина. Конечные продукты биологического окисления, дыхательный коэффициент. Окислительное фосфорилирование.
А) 1774 г Лавуазье доказал, что «процесс горения представляет собою соединение горючего тела с О2 воздуха.» Установил, что при горении орг тел образуются СО2 и вода. Далее также образуется много продуктов, обладающих кислым характером, и назвали этот процесс Окисление.
Он один из первых заметил общность процессов горения и дыхания животных.
В 18 веке полагали, что местом протекания реакции являлись лёгкие. Позднее экспериментальным путём узнали, что окисл-е процессы совершаются во всех тканях. Стали говорить о тканевом окислении или тк дыхании.
Процесс окисл-я связан с восстановлением. Первоначально окисление воспринимали как прцесс, при кот происходит прямое присоединение О2 к окисляемому вещ-ву. Отнятие О2 –восстановление вещ-в.
Далее установлено, что при окислении того или другого атома всегда уменьшается его отрицательная валентность, а при восстановлении она возрастает. Следов-но, атом окисляемого вещ отдаёт электроны, кот воспринимаются атомом восстанавливаемого вещ.
Реакция восстановления состоит в отдачи электронов и сопровождается увеличением + заряда, а при р-и восст-я присоединение электронов, увел-е отрицат заряда. Вещество окисляющегося отдаёт электроны-донатор, а вещ восстанавливающегося их принимает-акцептор. Эти процессы идут одновременно – окисл-восст реакция, а вещ-ва окисл-восст система.
Б) 1. Теория активации кислорода (А.Н.Бах). Согласно этой теории непосредственным агентом, окисляющим субстрат является активированный кислород. Активация молекулярного кислорода осуществляется особыми ферментами оксигеназами и ведет к образованию реакционноспособных пероксидов, которые при участии ферментов пероксидаз и взаимодействуют с субстратом.
В дальнейшем оказалось, что действительно в клетках существует ферменты, способные активировать молекулярный кислород и использовать его для окисления ряда веществ. Существуют ферменты монооксигеназы, которые присоединяют к субстрату один атом кислорода (SH +1/2 O2 > SOH ) и диоксигеназы, которые присоединяют к субстрату 2 атома кислорода (S + O2 > SO2). Монооксигеназы и диоксигеназы катализируют реакции гидроксилирования стероидов, ксенобиотиков, образование простагландинов и лейкотриенов, но не принимают участия в процессах биологического окисления в митохондриях.
2.Теория активации водорода (Палладин, Украина). По этой теории, биологическое окисление может происходить путем дегидрирования субстрата и без участия кислорода, но при помощи коферментов – акцепторов водорода, т.е. окисление на первых этапах может происходить и в анаэробных условиях, а затем может идти при участии кислорода в аэробных условиях, в результате чего образуются молекулы воды.
Таким образом, Основным генератором энергии для процессов жизнедеятельности служат реакциибиологического окисления, т.е. окислительно-восстановительные реакции, протекающие во всех живых системах. Реакции биологического окисления в клетках выполняют следующие функции: 1) запасание энергии, утилизируемой в форме трансмембранного электрохимического потенциала или макроэргических связей АТФ; 2) рассеивание энергии в форме тепла; 3) образование полезных соединений; 4) расщепление вредных веществ .
В) Конечными продуктами биологического окисления являются вода и двуокись углерода. Освобождающаяся в процессе биологического окисления энергия частично выделяется в виде тепла, основная же ее часть идет на образование молекул сложных фосфорорганических соединений (главным образом аденозинтрифосфата — АТФ) , которые являются источниками энергии, необходимой для жизнедеятельности организма.
Г) Отношение объема выделенного углекислого газа к объему поглощенного кислорода носит название дыхательного коэффициента. По величине дыхательного коэффициента можно судить о характере окисляемых веществ в организме.
При окислении углеводов дыхательный коэффициент равен 1 так как для полного окисления 1 молекулы глюкозы до углекислого газа и воды потребуется 6 молекул кислорода, при этом выделяется 6 молекул углекислого газа:
С6Н12О6+602=6С02+6Н20
Дыхательный коэффициент при окислении белка равен 0,8, при окислении жиров — 0,7.
Д) ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ, синтез АТФ из аденозиндифосфата и неорг. фосфата, осуществляющийся в живых клетках, благодаря энергии, выделяющейся при окислении орг. в-в в процессе клеточного дыхания.
Окислительное фосфорилирование – это многоэтапный процесс, происходящий вовнутренней мембране митохондрий и заключающийся в окислении восстановленных эквивалентов (НАДН и ФАДН2) ферментами дыхательной цепи и сопровождающийся синтезом АТФ.
Впервые механизм окислительного фосфорилирования был предложен Питером Митчеллом (хемиосмотическая теория):перенос электронов, происходящий на внутренней митохондриальной мембране, вызывает выкачивание ионов Н+ из матрикса митохондрий в межмембранное пространство, что создает градиент концентрации ионов Н+. Н+ в норме способны возвращаться в матрикс митохондрий только одним способом – через специальный фермент, образующий АТФ –АТФ-синтазу.
Внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд мультиферментных комплексов, включающих множество ферментов. Эти ферменты называют дыхательными ферментами, а последовательность их расположения в мембране – дыхательной цепью.
63.Тканевое дыхание. Железо-порфириновые ферменты окислительно-восстановительных процессов и общие данные в их строении. Цитохромы, их подразделение и роль в окислительно-восстановительном процессе. Роль цитохромоксидазы как завершающего звена окислительной системы.
А) Тканевое дыхание . Распад органических соединений в живых тканях, сопровождающийся потреблением молекулярного кислорода и приводящий к выделению углекислого газа и воды и образованию биологических видов энергии, называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание представляют как конечный этап пути превращений моносахаров (в основном глюкозы) до указанных конечных продуктов, в который на разных стадиях включаются другие сахара и их производные, а также промежуточные продукты распада липидов (жирные кислоты), белков (аминокислоты) и нуклеиновыхоснований. Итоговая реакция тканевого дыхания будет выглядеть следующим образом:
С6Н12О6 + 6O2 = 6СO2+ 6Н2O + 2780 кДж/моль
Высвобожденная энергия запасается в химических связях макроэргических соединений (молекул аденозинтрифосфорной кислоты и других макроэргов) и может быть использована организмом по мере необходимости. Входит в группу процессов катаболизма. На клеточном уровне рассматривают два основных вида дыхания: аэробное (с участием окислителя-кислорода) и анаэробное. При этом, физиологические процессы транспортировки к клеткам многоклеточных организмов кислорода и удалению из них углекислого газа рассматриваются как функция внешнего дыхания.
Аэро́бное дыха́ние. В цикле Кребса основное количество молекул АТФ вырабатывается по способу окислительного фосфорилирования на последней стадии клеточного дыхания: в электронтранспортной цепи. Здесь происходит окисление НАД∙Н иФАДН2, 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 — вцитоплазматической 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.
Анаэро́бное дыха́ние — биохимический процесс окисления органических субстратов или молекулярного водорода с использованием в дыхательной ЭТЦ в качестве конечного акцептора электронов вместо O2 других окислителей неорганической или органической природы. Как и в случае аэробного дыхания, выделяющаяся в ходе реакции свободная энергия запасается в виде трансмембранного протонного потенциала, использующегося АТФ-синтазой для синтеза АТФ.
Б) окисл – восст ферменты
Оксидоредуктазы – катализируют ок-вос реакции, относятся:
а) дегидрогеназы катализируют процесс окисления орг веществ путём отнятия Н и переноса его на субстрат.
В результате первое вещество оказывается более богатым О2 и следовательно окисленным, второе – более богато водородом и восстановлено.
Они делятся на 2 гр: 1) аэробные - передают кислороду воздуха (двухкомпонентная система, активная группа фосфорный эфир рибофлавин ) 2) анаэробные – передают водород специальному акцептору(представляют собой двухкомпонентные ферментные системы и легко распадаются на белок и активную группу- кофермент – П! трифосфопиридиннуклеотид).
б) пероксидазы – ферменты, катализ-е окисление веществ, главным образом полифенолов, за счёт активного атомарного О2, отщепляемого ими от органических перекисей.
Часто встречаются в тканях растений и играют важную роль в их дыхании. Обнаружены в составе крови молока с.х. животных.
в) оксидазы – катал процесс переноса водорода на кислород с субстрата, кот подвергался окислению. В большинстве случаев каждый из них исполняет свою определённую функцию. Например, тирозиназа, находящаяся в различных грибах, окисляет тирозин
В) Цитохромы
сложные белки — переносчики электронов, простетич. группа к-рых представлена гемом. Содержатся в клетках всех организмов. Локализованы в мембранах митохондрий, хлоропластов, хроматофоров, эндоплазматич. ретикулума и в др. мембранных структурах, участвуют во всех осн. группах окислит.-восстановит, процессов, протекающих в живых клетках,— дыхании, фотосинтезе, микросомальном окислении.
Известно св. 30 Ц. (часть Ц. получена в виде индивидуальных белков), объединённых в 4 осн. группы: Ц. а — простетич. группой служит гем с формильной боковой цепью; Ц. в — простетич. группа протогем или родственный ему гем, не имеющий формильной группы; Ц. с — простетич. группы ковалентно присоединены к белку; Ц. d — простетич. группой служит хелат железа, в к-ром степень сопряжённости двойных связей меньше, чем в порфирине. Помимо Ц. указанных 4 групп, имеются Ц. Р-450 и h.
Г)Цитохромоксидазаконечный компонент цепи дыхательных ферментов, переносящий электроны отцитохрома с на молекулярный кислород.
В растительных и животных клетках локализована во внутренней мембране митохондрий. По химической природе Ц.сложный белок, в состав молекулы которого
входятдва Гем, два атома меди, а также 20…30% липидного компонента. Оба гема представлены гемом а, нотолько часть гема а окисляется кислородом и обозначается a3.