2.3 Окислительно-восстановительные потенциалы

Окислительно-восстановительный потенциал служит количественной мерой способности тех или иных соединений или элементов отдавать электроны. Этот потенциал отсчитывается относительно потенциала молекулярного водорода.

По разности потенциалов можно вычислить соответствующий выход энергии для любых двух переносчиков электронов в дыхательной цепи (таблица 3).

Слайд №19. Таблица3-Окислительно-восстановительные потенциалы компонентов дыхательной цепи. Разности потенциалов между отдельными компонентами и эквивалентные изменения свободной энергии.

Подобно химическим элементам, органические вещества также можно расположить в ряд по величине их окислительно-восстановительного потенциала при степени восстановления 1/2 (равные концентрации окисленной и восстановленной форм); эту величину обозначают Е₀ (окислительно-восстановительный потенциал). В биохимии пользуются величиной Е₀' , приведенной к рН 7. При этой рН водородный электрод имеет потенциал Е₀', равный — 0,42В. Значение Е' тем более отрицательно, чем меньше отношение концентрации окисленной формы к концентрации восстановленной формы.

Окислительно-восстановительный потенциал служит мерой максимальной полезной работы, которую может выполнить система, т.е. мерой изменения свободной энергии (AG₀) в данной реакции.)

Транспорт водорода и транспорт электронов - процессы эквивалентные. Дыхательная цепь может рассматриваться как цепь переноса электронов. Компоненты дыхательной цепи переходят попеременно из окисленного состояния в восстановленное и обратно, т.е. ведут себя как типичные окислительно-восстановительные катализаторы. Они обладают окислительно-восстановительным потенциалом, который может быть измерен непосредственно (у цитохромов) или косвенно (у NAD, FAD).

3. Определение и природа брожения

Брожение относится к внутриклеточным механизмам, с помощью которых молекулы клеточного "топлива" разрушаются, а заключенная в них энергия превращается в энергию фосфатных связей АТФ. Посредством брожения многие организмы получают химическую энергию из глюкозы и других субстратов в отсутствии молекулярного кислорода: «Брожение-это жизнь без воздуха» (Л. Пастер).

Микроорганизмы, которые могут существовать в анаэробных условиях, делятся на два класса. Более примитивными являются облигатные (строгие) анаэробы; к ним принадлежит сравнительно небольшое число видов бактерий (клостридии, денитрифицирующие и метанобразующие), обитающих в условиях пониженного содержания кислорода или полного его отсутствия (например, глубоко в почве, в нижних слоях водоемов или в морском иле). Число факультативных анаэробов гораздо больше. Если такие организмы находятся в анаэробных условиях, то они получают энергию, сбраживая глюкозу точно так же (или подобно тому), как это делают облигатные анаэробы. Если же факультативные анаэробы попадают в аэробные условия, то обычно они продолжают расщеплять своё "топливо" анаэробным способом, после чего, продукты анаэробного расщепления окисляются молекулярным кислородом. Таким образом, анаэробное расщепление глюкозы у факультативных анаэробов превратилось в обязательную первую стадию, за которой следует аэробная фаза - дыхание.

Все гетеротрофные организмы, в конечном итоге, получают энергию в результате окислительно-восстановительных реакций, в которых электроны переносятся от доноров электронов, т.е. восстановителей, к акцепторам электронов, т.е. окислителям. При брожении роль конечного окислителя, или акцептора электронов, играет обычно какое-либо органическое вещество, которое образуется в ходе самого брожения.

Слайд №20. Брожение - это процессы, посредством которых организмы получают химическую энергию из глюкозы и других субстратов в отсутствие молекулярного кислорода, а конечным акцептором электронов является какая-либо органическая молекула. В то же время, брожение это анаэробный окислительно-восстановительный процесс, осуществляемый как живыми клетками микроорганизмов, так и выделяемыми ими ферментами.

В 1857г. биологическую природу брожения, вызываемого живыми клетками микроорганизмов, доказал Луи Пастер. Он окончательно решил вопрос о причинах брожения и установил, что дрожжи в аэробных условиях образуют из определенного количества сахара примерно в 20 раз больше клеточного вещества, чем в анаэробных. Он открыл также, что кислород подавляет брожение. Этот эффект, получивший название «эффекта Пастера», приобрел с тех пор известность как один из классических примеров регуляции обмена веществ.

Слайд №21. В 1897 г. братья Г. и Э. Бухнеры установили, что брожение может происходить и в среде , не содержащей живые микроорганизмы,— в соке разрушенных дрожжевых клеток — биохимическим путем. За свое открытие в 1907 г. они были удостоены Нобелевской премии по химии. В 1906 году Гарден и Йонг, также работавшие с дрожжевым соком, установили, что для сбраживания глюкозы нужен неорганический фосфат, который включается во фруктозу-1,6-бифосфат. Сбраживание глюкозы дрожжевым соком происходит согласно уравнению Гардена-Йонга:

2С_бН₁₂О_б+2Р_i→2С0₂+2С₂Н₅ОН+2Н₂0+фруктозо-1,6-бифосфат

Прошло более столетия, и только в наши дни в Британском музее была обнаружена опубликованная в 1872г. работа русского врача Марии Манассеиной, в которой она на четверть века раньше немецкого химика Э.Бухнера описала химическую природу брожения («Биохимия», 1994, № 1; «Наука и жизнь», 1994, №6; «Химия и жизнь», 1994, № 8; и др.).

Слайд №22. На первых стадиях брожения или окисления углеводов образуется пировиноградная кислота (пируват), которая в зависимости от условий, а также особенностей микроорганизма на последующих стадиях брожения превращается в разные соединения. Путей ее утилизации много. В анаэробных условиях пировиноградная кислота превращается в спирт, молочную, масляную кислоты и другие продукты. В аэробных условиях она окисляется до уксусной, лимонной или другой органической кислоты, а при полном окислении пирувата образуются диоксид углерода и вода. Таким образом, процесс брожения протекает в две фазы:

1. начальная, или общая, фаза - проходит в анаэробных условиях, при этом сахар расщепляется до пировиноградной кислоты;

2. конечная фаза - её метаболическая природа зависит от условий культивирования и особенностей микроорганизма. При этом образуются разные продукты.

Превращение органических веществ сопровождается выделением энергии, аккумулированной в этих соединениях в процессе фотосинтеза. Эта энергия частично в виде тепла используется микробной клеткой или выделяется в окружающую среду. Между брожением и дыханием много общего, но при дыхании окисление веществ идет до конца-до образования диоксида углерода и воды, в то время как продукты брожения, как более сложные соединения, содержат еще много энергии. При окислении одной молекулы глюкозы образуется 2 872 кДж/моль, а при брожении такого же количества этого вещества — только 166 кДж/моль энергии. С энергетической точки зрения использование углеводов в процессе брожения неэкономично.

Слайд №23. При брожении некоторые реакции на пути анаэробного преобразования субстрата связаны с наиболее примитивным типом фосфорилирования — субстратным фосфорилированием. К синтезу АТФ по механизму субстратного фосфорилирования ведут катаболические реакции, которые в зависимости от своей химической природы могут быть разделены на два типа.

Большинство относится к окислительно-восстановительным реакциям. Богатые энергией соединения возникают в процессе брожения на этапах анаэробного окисления. Например, окисление фосфоглицеринового альдегида(ФГА),катализируемое ФГА-дегидрогеназой, приводит к образованию богатого энергией метаболита — 1,3-дифосфоглицериновой кислоты (1, 3-ФГК). Анаэробное окисление пировиноградной или α-кетоглутаровой кислот приводит к образованию высокоэнергетических метаболитов — ацетил-КоА или сукцинил-КоА соответственно.

Второй тип реакций связан с расщеплением субстратов или промежуточных продуктов, образующихся из них. Катализируются эти реакции ферментами, относящимися к классу лиаз.

Слайд №24. Богатые энергией соединения, образующиеся в рассмотренных выше реакциях, в большинстве случаев представляют ангидриды фосфорной кислоты или тиоэфиры органических кислот. Последние используются для синтеза АТФ через ферментативную стадию образования соответствующих ацилфосфатов:

ацил-КоА + Ф_н → ацилфосфат + KoA-SH.

Из других высокоэнергетических соединений важное место в энергетике процессов брожения принадлежит фосфоенолпировиноградной кислоте (ФЕП). Эти соединения характеризуются тем, что свободная энергия, освобождающаяся при их гидролизе, с помощью соответствующих ферментов может быть перенесена на молекулы АДФ.

Слайд №25. Несмотря на большое число углеродных субстратов, доступных для сбраживания, количество реакций, приводящих непосредственно к синтезу АТФ при брожениях, сравнительно невелико. Наиболее распространены следующие из них:

1. 1,3-фосфоглицерат + АДФ →3-фосфоглицерат + АТФ;

2. фосфоенолпируват + АДФ → пируват + АТФ;

3) ацетилфосфат + АДФ →ацетат + АТФ.

У большинства микроорганизмов, осуществляющих брожение, используются только реакции, катализируемые фосфоглицераткиназой (1) или пируваткиназой (2), а необходимые акцепторы водорода образуются при этом из пирувата и ацетилкофермента А. При сбраживании одного моля глюкозы образуется лишь от двух до трех молей АТФ, а конечными продуктами оказываются лактат, этанол, ацетон, бутират, н-бутанол, 2-пропанол, 2,3-бутандиол, капронат, ацетат, углекислый газ и молекулярный водород.

При использовании ацетаткиназы (реакция 3) бактерии дополнительно получают АТФ. Ацетилфосфат образуется из ацетил-СоА и неорганического фосфата с помощью фосфотрансацетилазы:

Ацетил-СоА + Pi →Ацетилфосфат + СоА

Кроме того, возможно образование ацетилфосфата из фосфорилированных сахаров при участии фосфокетолазы.

Способность бактерий использовать реакцию, катализируемую ацетаткиназой (3), зависит от того, могут ли они выделять молекулярный водород (Н₂). В случае переноса восстановительных эквивалентов (электронов) на протоны они могут выделяться в виде молекулярного водорода; поэтому клетке нет надобности синтезировать акцепторы водорода.

При брожениях конечными акцепторами электронов служат в основном органические соединения: метаболиты, образующиеся из исходных субстратов (пировиноградная кислота, ацетальдегид), или вещества, имеющиеся в среде культивирования (некоторые аминокислоты и другие органические соединения, способные восстанавливаться). Если конечным акцептором электронов является ацетальдегид, образуется этанол, если пируват — молочная кислота.

Восстановленные соединения, захватившие электроны, выделяются из клеток бактерий в окружающую среду и накапливаются в ней в значительных количествах. Из-за низкого энергетического выхода при процессах брожения для обеспечения энергией всех функций и биосинтетических процессов клетке приходится перерабатывать огромные количества субстратов.

Все реакции субстратного фосфорилирования локализованы в цитозоле клетки. Это указывает на простоту химических механизмов, лежащих в основе субстратного фосфорилирования.