30. Реакції біологічного окислення; типи реакцій (дегідрогеназні, оксидазні, оксигеназні) та їх біологічне значення. Тканинне дихання

В настоящее время биологическое окисление определяется как совокупность реакций окисления органических веществ (субстратов), выполняющих функцию энергетического обеспечения потребностей организма. Окисление субстратов в биохимических системах сопровождается отщеплением электронов от субстратов (донор электронов), которые при участии промежуточных переносчиков передаются на кислород — конечный (терминальный) акцептор электронов у аэробных организмов. Транспорт высокоэнергетических электронов восстановленных субстратов происходит в сложной системе, состоящей из окислительно-восстановительных ферментов и коферментов, локализованных во внутренней мембране митохондрии.

Біологічне окиснення – це сума всіх окисно-відновних процесів, включаючи анаеробні, що відбуваються в клітинах організму (цитоплазмі, мітохондріях, ендоплазматичному ретикулумі). Основними субстратами біологічного окиснення є вуглеводи та ліпіди, саме їх катаболізм дає найбільшу кількість хімічної енергії, що акумулюється у високоенергетичних зв’язках макроергів.

 Функції біологічного окиснення:

1.            Забезпечення клітин енергією;

2.            Забезпечення клітин пластичним матеріалом для відтворення структур організму;

3.            Знешкодження токсичних речовин.

Виділяють три класи реакцій біологічного окиснення:

1. Реакції дегідрування.

У результаті цих реакцій відбувається перенесення водню з субстрату (S)на акцептор (А):

SH₂ + A → S + AH₂.

Ферменти, що каталізують рекції цього класу, мають назву дегідрогенази. Коферментами дегідрогеназ можуть бути НАД, НАДФ, ФАД, ФМН.

Залежно від типу акцептора водню реакції дегідрування поділяють на два підкласи:

- реакції, які каталізують анаеробні дегідрогенази. Акцептором (А) є сполука, яка відмінна від кисню:

SH₂ + R → S + RH₂;

- реакції, які каталізують аеробні дегідрогенази (оксидази).

Акцептором (А) в цих реакціях є кисень (О₂):

SH₂+О→S+H₂О₂.

2. Реакції з перенесенням електрона/електронів:

Sē + А → S + Аē.

Такі реакції каталізують цитохроми (наприклад, цитохроми дихального ланцюга мітохондрій).

3. Оксигеназні реакції.

Реакції цього класу каталізують ферменти оксигенази, які приєднують до субстрату окиснення один або два атоми кисню. Тому залежно від кількості атомів кисню, що приєднуються, ферменти поділяють на:

• монооксигенази (відповідно реакції – монооксигеназні):

SH + 1/2О₂ → S-ОН

До монооксигеназ належить цитохром Р₄₅₀, що каталізує гідроксилювання ендогенних та екзогенних субстратів;

- диокисгенази (відповідно реакції – диоксигеназні):

S + О₂ → SО₂.

До диоксигеназних реакцій належать реакції перекисного окиснення ненасичених жирних кислот, що входять до складу ліпідів біомембран (реакції ПОЛ – перекисного окиснення ліпідів).

Ферменты, катализирующие окислительно-восстановительные реакции, называют оксндоредуктазами.

1) Оксидазы. Истинные оксидазы катализируют удаление водорода из субстрата, используя при этом в качестве акцептора водорода только кислород. Они неизменно содержат медь, продуктом реакции является вода (исключение составляют реакции, катализируемые уриказой и моноаминоксидазой, в результате которых образуется Н₂О₂).

2) Аэробные дегидрогеназы — ферменты, катализирующие удаление водорода из субстрата; в отличие от оксидаз они могут использовать в качестве акцептора водорода не только кислород, но и искусственные акцепторы, такие, как метиленовый синий. Эти дегидрогеназы относятся к флавопротеинам, и продуктом катализируемой ими реакции является перекись водорода, а не вода.

3) Анаэробные дегидрогеназы — ферменты, катализирующие удаление водорода из субстрата, но не способные использовать кислород в качестве акцептора водорода. В этот класс входит большое число ферментов. Они выполняют две главные функции.

а. Перенос водорода с одного субстрата на другой в сопряженной окислительно-восстановительной реакции. Эти дегидрогеназы специфичны к субстратам, но часто используют один и тот же кофермент или переносчик водорода. Поскольку рассматриваемые реакции обратимы, они обеспечивают в клетке свободный перенос восстановительных эквивалентов. Реакции этого типа, приводящие к окислению одного субстрата за счет восстановления другого, особенно важны для осуществления окислительных процессов в отсутствие кислорода.

б. Функцию компонентов дыхательной цепи, обеспечивающих транспорт электронов от субстрата на кислород.

4) Оксигеназы — ферменты, катализирующие прямое введение кислорода в молекулу субстрата.

Мітохондрії мають дві замкнені, ізольовані мембрани: внутрішню та зовнішню, які розділені міжмембранним простором. Зовнішня мембрана мітохондрії гладенька, складається приблизно на 50 % із білків і на 50 % — із ліпідів. Має багато пор завдяки наявності каналоутворюючого білку порину. Він формує у зовнішній мембрані отвори діаметром 2-3 нм, крізь які можуть проникати невеликі молекули та іони, що мають вагу 5-10 кДа. Мембрана містить ферменти метаболізму ліпідів, монооксидази, ацил-КоА-синтази, фосфоліпази А2 тощо. Виконує захисну функцію щодо внутрішньої мембрани. Внутрішня мембрана мітохондрій утворює численні складки – крісти (лат. crista – гребінь). Непроникна для більшості речовин (зокрема НАД+ , НАДФ+ , НАДН+Н + ), іонів (Н+ , ОН- , К+ , СІ- ) та полярних молекул. Проникна для СО2 і NН3. Містить специфічні трансмембранні переносники, наприклад, для АТФ, цитрату, пірувату, малату тощо. Мембрана складається приблизно на 75 % із білків і на 25 % — із ліпідів. Характерною рисою складу внутрішньої мембрани є наявність особливого фосфоліпіду - кардіоліпіну, що містить 4 залишки жирних кислот і робить мембрану абсолютно непроникною для протонів. З усіх білків внутрішньої мембрани 30-40 % складають білки-ферменти дихального ланцюга і окисного фосфорилювання (АТФ-синтазний комплекс). На внутрішній мембрані відбувається спряження біологічного окиснення із синтезом АТФ.