Разное / биологическое окисление

Г л а в а 4

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ ОБМЕН

Основные вопросы, рассматриваемые в настоящей главе

1.Понятие о метаболизме

2.Пути утилизации энергии в организме

3.Механизмы ресинтеза АТФ

4.Биологическое окисление

4.1.Пути биологического окисления

4.2.Основные типы реакций, протекающих с участием кислорода

4.3.Основные положения теории окислительно-восстанови- тельных реакций

4.4.Дыхательная цепь и витамины, участвующие в процессе

биологического окисления 4.4.1.Витамин РР

4.4.2.Пиридиновые дегидрогеназы

4.4.3.Витамин В2

4.4.4.Флавиновые дегидрогеназы

4.4.5.Коэнзим (убихинон

4.4.6.Цитохромная система

4.4.7.Железосерные белки

4.5.Структурная функциональная организация дыхательной цепи в митохондриях

5. Окислительное фосфорилирование

5.1Сопряжение фосфорилирования с транспортом электронов по дыхательной цепи

5.2.Механизм окислительного фосфорилирования (теория Митчелла)

5.3.Регуляция окислительного фосфорилирования

5.4.Разобщение окисления и фосфорилирования

6.Пероксидазный тип окислительных реакций

6.1.Цианрезистентное дыхание

6.2.Каталаза и пероксидаза

7.Оксигеназный тип окислительных реакций

7.1.НАДФН2–зависимое гидроксилирование

7.2.Аскорбат-зависимое гидроксилирование

8.Фазы освобождения энергии из питательных веществ

9.Общий путь катаболизма

9.1.Окислительное декарбоксилирование пирувата

9.2.Витамины, участвующие в этом процессе

81

9.2.1. Витамин В1 9.2.2.Пантотеновая кислота 9.2.3.Липоевая кислота

9.3.Цикл трикарбоновых кислот Кребса

9.3.1.Значение ЦТК в метаболизме клетки

9.3.2.Характеристика реакций цикла трикарбоновых кислот

9.3.3.Анаболические реакции цикла трикарбоновых кислот

9.3.4.Регуляция цикла трикарбоновых кислот

9.3.5.Причины нарушения цикла трикарбоновых кислот Вопросы для проверки усвоения

82

4.1.Понятие о метаболизме

Одним из основных отличий живых организмов от неживой природы является обмен веществ (метаболизм).

Обмен веществ – совокупность химических реакций, направленных на сохранение и самовоспроизведение живых систем

Различают две стороны обмена веществ – анаболизм и катаболизм

Анаболизм – синтез сложных молекул из более простых, направленный на образование и обновление структурно-функциональных компонентов клеток и тканей. Анаболические процессы являются ЭНДЕРГОНИЧЕСКИМИ, т.е. протекают с затратой свободной энергии.

Катаболизм – расщепление сложных молекул до более простых компонентов или конечных продуктов – СО2 и Н2О. При этом выделяется свободная энергия (ЭКЗЕРГОНИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ), которая используется как для обеспечения анаболических процессов, так и для осуществления физиологических функций.

Эти две стороны метаболизма неразрывно связаны друг с другом. Однако ведущее значение принадлежит экзергоническим реакциям, поскольку их нарушение может привести также и к ослаблению анаболических процессов, сопровождающихся затратой свободной энергии.

А н а б о л и з м Синтез и обновление

структурных компонентов

ПИТАТЕЛЬНЫЕ МЕТАБОЛИТЫ ВЕЩЕСТВА

К а т а б о л и з м

Распад до СО2 и Н2О выделение энергии

Осуществление физиологических функций

Рис. 15. Взаимосвязь анаболических и катаболических процессов.

83

4.2. Пути утилизации энергии в организме

Энергия, освобождающаяся при распаде веществ, постоянно расходуется в клетках и тканях для поддержания жизнедеятельности организма.

ФИЗИЧЕСКАЯ РАБОТА (мышечное сокращение) РАСХОД ХИМИЧЕСКАЯ РАБОТА (синтезы хим. соединений) ЭНЕРГИИ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ РАБОТА (мембранный потенциал)

ОСМОТИЧЕСКАЯ РАБОТА (распределение жидкости внутри и вне клеток)

Даже в условиях полного покоя организм постоянно потребляет энергию, расходуя 1 кал/кг/час, т.е. 1500-2000 кал в сутки. При умственной и особенно при физической работе затраты энергии увеличиваются, составляя 3-5 тысяч кал/сутки.

Энергия, освобождаемая в процессах окисления питательных веществ, частично (50%) выделяется в виде тепла, а частично (50%) аккумулируется в макроэргических связях АТФ.

Для реакции фосфорилирования АДФ, т.е. образования одной молекулы АТФ необходимо не менее 7,3 ккал/моль (30,2 кДж/моль).

В молекуле АТФ содержатся две МАКРОЭРГИЧЕСКИЕ (обогащенные энергией) связи.

Молекула АТФ является универсальным донором свободной энергии, а не формой её депонирования

В клетке 1 молекула АТФ распадается в течение одной минуты после её образования. В состоянии полного покоя человек расходует за 24 часа 40 кг АТФ, а при физической нагрузке скорость утилизации АТФ возрастает до 0,5 кг в 1 минуту.

Основным путем освобождения энергии АТФ:является её гидролиз до АДФ и фосфорной кислоты АТФ + Н2О АДФ + Р + энергия;

( Р – остаток фосфорной кислоты)

При гидролизе макроэргической связи АТФ выделяется от 40 до 60 кДж/моль (в среднем 50 кДж/моль).

4.3. Механизмы синтеза АТФ

Быстрый расход АТФ требует постоянного ресинтеза этого макроэрга в клетках, обеспечивающего возможность её интенсивной утилизации в организме.

Различают 2 механизма ресинтеза АТФ:

84

а) окислительное фосфорилирование – образование АТФ за счет освобождения и аккумуляции энергии, выделяемой в процессе окисления питательных веществ. Этот механизм протекает в митохондриях и является основным путем образования АТФ.

б) субстратное фосфорилирование – образование АТФ за счет энергии, заключенной в высокоэнергетических соединениях. (макроэргических субстратах). Этот механизм имеет второстепенное значение, не сопряжен с окислительным распадом веществ, протекает в основном в цитоплазме. К субстратам, богатым энергией, относятся фосфоглицериновая кислота, фосфоэнолпируват (ФЭП), сукцинил-СоА, креатинфосфат, и ряд других.

4.4. Биологическое окисление

Биологическое окисление в организме может протекать двумя путями:

а) путем дегидрирования – отщепления протонов и электронов от окисляемого субстрата. В зависимости от условий (аэробных или анаэробных) акцептором протонов и электронов может быть либо кислород, либо пируват, который восстанавливается в лактат. Аэробный путь окисления протекает в митохондриях и связан с процессами образования АТФ.

Распад органических соединений в живых тканях, сопровождающийся поглощением кислорода и выделением воды и углекислого газа называется тканевым дыханием

б) путем непосредственного присоединения кислорода к молекуле окисляемого субстрата. Этот путь протекает в микросомальной фракции, не связан с образованием АТФ и участвует в пластических и детоксикационных процессах, протекающих в организме.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Рис.16. Пути биологического окисления.

85

4.4.2.Основные типы реакций, протекающих с участием кислорода

Кислород, акцептируя протоны и электроны от окисляемого субстрата, восстанавливается до различных конечных продуктов в зависимости от количества электронов, присоединяемых к его молекуле.

Различают 4 основных типа окислительных реакций:

1. Оксидазный, локализированный на внутренней мембране митохондрий. При этом молекула кислорода восстанавливается до молекулы воды за счет присоединения к нему 4 электронов и 4 протонов. Так как от окисляемого субстрата отщепляется лишь 2 электрона и 2 протона, то в реакции участвует 1/2 молекулы кислорода.

RH2 + 1/2 O2 2Н+ 2е R + H2 O

Этот тип реакций является основным путем биологического окисления, в котором используется 90 % поглощенного кислорода.

2. Пероксидазный, протекающий в основном в пероксисомах, продуктами которого являются окисленный субстрат и пероксид водорода. При этом молеклула кислорода восстанавливается путем присоединения к нему двух протонов и двух электронов и поэтому конечным продуктом этого пути окисления является не вода, а перекись водорода.

RH2 + O2 R + H2O2

3. Пероксидное окисление ненасыщенных жирных кислот (перекисное окисление липидов). При одноэлектронном восстановлении около 2% поглощенного кислорода превращаются в супероксидный анион, который отличается высокой активностью и инициирует перекисное окисление липидов.

4. Оксидазный, протекающий в микросомах (мембранах эндоплазматического ретикулума, рибосомах и др.) при участии моноили диоксигеназ, катализирующих включение либо одного, либо обоих атомов кислорода непосредственно в молекулу окисляемого субстрата.

R + O2 RO2

(RН2 – донор водорода, S – окисляемый субстрат)

86

Этот путь окисления не приводит к образованию АТФ; он участвует в биосинтетических и детоксикационных процессах.

4.4.3. Основные положения теории окислительно-восстановительных реакций

1) Процесс окисления связан с транспортом водорода (электронов и протонов) от окисляемого субстрата на кислород. Соединения, отдающие электроны, называются восстановителями (донорами электронов), а соединения, присоединяющие электроны – окислителями (акцепторами электронов).

2) Окислители и восстановители всегда функционируют как единые сопряженные окислительно-восстановительные (редокс) системы.

+e

Fe3+ -е Fe2+

окислитель восстановитель

3)Каждая окислительно-восстановительная система характеризуется стандартной величиной окислительно-восстановительного (редокс) потенциала, которая характеризует ее сродство к электрону.

4)Чем больше у системы отрицательная величина редокс-потенциала, тем она более легко отдает электроны и, наоборот, чем выше положительная

величина, тем она легче присоединяет электроны.

Субстраты окисления (Н2/2Н+) характеризуются большой величиной отрицательного потенциала, а кислород (О2 /Н2 О) – положительного.

5) Перенос электронов с одного соединения на другое может осуществляться только в том случае, если эти вещества имеют близкие величины редокс-потенциалов.

6) Перенос электронов от одного вещества к другому сопровождается уменьшением величины свободной энергии.

4.4.4.Оксидазный тип окисления. Дыхательная цепь

Ввиду того, что редокс потенциал окисляемого субстрата (Н2 /2Н+) составляет – 0,42 в., а О2 (О2 /Н2О) - + 0,82 в. (разница – 1,24 в.), электроны от окисляемого вещества не могут быть непосредственно перенесены на кислород.

87

В связи с этим перенос электронов от окисляемого субстрата к кислороду осуществляется через ряд промежуточных переносчиков протонов и электронов, имеющих близкие величины редокс-потенциалов и получивших название дыхательной цепи.

Дыхательная цепь включает:

1)пиридиновые дегидрогеназы, в состав коферментной группы которых входит НАД;

2)флавиновые дегидрогеназы, содержащие в качестве простетической группы ФАД или ФМН;

3)СоQ или убихинон;

4)цитохромную систему;

5)железо-серные белки (железо-серные комплексы)

Так как в состав первых двух компоненотов дыхательной цепи входят производные витаминов, целесообразно вначале дать характеристику структуры, свойств и биологической роли витаминов РР и В2 .

4.4.4.1. Витамин РР (никотинамид, ниацин, витамин В5, антипеллагрический витамин)

Химическая структура.

В 1937г. было установлено, что известная с 1867г. никотиновая кислота оказывает выраженный эффект при лечении пеллагры, а позднее было выявлено, что более сильной биологической активностью обладает ее амид.

Физико-химические свойства. Витамин РР – белое кристаллическое вещество, устойчивое к действию факторов внешней среды, хорошо выдерживающее длительное кипячение. Мало растворим в воде, но хорошо растворяется в щелочах.

Источники витамина и потребность. Источниками витамина РР являются отруби, дрожжи, злаки, печень. Хотя в молоке витамин Р отсутствует, он может синтезироваться (из 60 молекул триптофана образуется одна молекула никотинамида). Поэтому и другие продукты, богатые триптофаном (например, яйца), могут устранить дефицит витамина РР в организме, хотя сами не содержат этого витамина.

88

Суточная потребность в витамине РР составляет 15 – 25 мг.

Превращения в организме. Витамин РР всасывается в желудке и тонком кишечнике путем простой диффузии. С током крови он доставляется в ткани, где превращается в НАД или НАДФ; в их составе витамин РР содержится внутри клетки, так как НАД и НАДФ не проходят через биологические мембраны. При распаде этих коферментов никотинамид освобождается и выделяется с мочой в виде N+- метилникотинамида

- СОNH2

N+ - метилникотинамид

N+ – СН3

Биологическая роль. Участие витамина РР в биохимических процессах реализуется через НАД и НАДФ.

НАД – никотинамидадениндинуклеотид – состоит из адениловой кислоты и никотинамидного нуклеотида.

В составе НАДФ – никотинамидадениндинуклеотидфосфата - содержится дополнительный остаток фосфорной кислоты, эстерифицирующий вторую гидроксильную группу рибозы адениловой кислоты.

Биологическая роль НАД и НАДФ заключается в следующем:

1.Они являются коферментами пиридиновых дегидрогеназ (НАД- и

НАДФ-зависимых): НАД – зависимые дегидрогеназы участвуют в процессах окисления ряда субстратов путем переноса атомов водорода от окисляемого субстрата посредством дыхательной цепи митохондрий, на кислород и таким образом выполняют выполняют энергетическую функцию;

89

2.НАДФ – зависимые дегидрогеназы участвуют в микросомальном окислении; выполняют пластическую и дезинтоксикационную функцию.

3.НАД и НАДФ являются не только переносчиками водорода, но и

аллостерическими эффекторами ряда ферментов,.в частности, де-

гидрогеназ цикла трикарбоновых кислот)

4.НАД в качестве субстрата ДНК-лигазной реакции участвует в процессах репликации и репарации ДНК, обеспечивая нормальное деление клеток быстро пролиферирующих тканей (кожи, слизистых оболочек и др.)

Проявления недостаточности.

При недостатке витамина РР развивается пеллагра (pelle agra-шершавая кожа), в связи с чем и возникло название витамина (pp - preventive pellagraпредотвращающий пеллагру).

Пеллагра проявляется рядом симптомов, начинающихся на букву Д.

Дерматит Пеллагра Диарея

Деменция

Дистрофия

Дерматиты характеризуются симметричным расположением и локализуются на открытых участках тела;

Диарея. У больного появляются тошнота, боли в области живота, поносы. Слизистая оболочка толстого кишечника воспаляется, а затем изъязвляется. Присоединяются гингивиты, стоматиты, обезвоживание организма.

Деменция. Нарушения со стороны центральной нервной системы проявляются депрессией, а при прогрессировании заболевания – деменцией (слабоумием). Характерны головные боли, головокружение, повышенная раздражительность, галлюцинации и т. д.

Дистрофия. Нарушение питания, резкое понижение массы тела особенно часто наблюдаются в детском возрасте.

Гипервитаминоз РР. Характеризуется развитием жировой инфильтрации печени. Ее патогенез обусловлен усиленным выделением метильных групп из организма в составе N+-метилникотинамида. Это приводит к нарушению биосинтеза холина, входящего в состав фосфатидилхолинов, предотвращающих синтез жира в печеночных клетках

4.4.4.2 .Пиридиновые дегидрогеназы

Пиридиновые дегидрогеназы содержат в качестве кофермента НАД – никотинамидадениндинуклеотид. Являются первичными дегидрогеназами, акцептируют атомы водорода непосредственно от окисляемых субстратов (редокс потенциал НАД/НАДН2 равен – 0,32в).

90