Глава 6. Биологическое окисление

6.1. Общая характеристика биологического окисления.

Процессы биологического окисления являются основным источником энергии в организме. Вещество окисляется, если к нему присоединяется кислород, либо оно теряет электроны, либо одновременно электроны и протоны (т. е. водород). Окисление одного вещества всегда сопровождается восстановлением другого, т. е. окислительные реакции всегда идут одновременно с восстановительными.

В настоящее время представление о биологическом окислении связывают со следующими теориями: так называемой «активации» водорода В. И. Палладина и Виланда и «активации» кислорода А. Н. Баха. Теория активирования кислорода, разработанная в 1897 г. А. Н. Бахом, известна также под названием «перекисной теории окисления». Суть теории состоит в том, что молекулярный кислород вступает в реакцию с легко окисляемым соединением и дает перекиси. Затем происходит перенос перекисного кислорода с перекиси на другие молекулы, не реагирующие с молекулярным кислородом. А. Н. Бах считал, что в этом процессе принимают участие следующие ферменты: оксигеназа и пероксидаза. Он полагал, что процесс идет следующим образом:

О О

1. Оксигеназа +  оксигеназа 

О о

перекись

О

2. Оксигеназа + субстрат окисленный+ оксигеназа

О субстрат

(пероксидаза)

Эта теория приемлема к ряду окислительных процессов в растительных тканях.

Универсальной и совершенно новой теорией является теории «активации» водорода, созданная В. И: Палладиным. В основе этой теории лежат процессы дегидрирования - отнятия водорода. В. И. Палладин полагал, что атмосферный кислород не доходит до окисляемого вещества, а является только акцептором водорода. Виланд подтвердил теорию В. И. Палладина на примере окисления этилового спирта в уксусный альдегид, а последнего в уксусною кислоту, показав, что окисление идет при отсутствии кислорода, путем дегидрирования.

6.2. ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Процессы биологического окисления в организме проходят ряд стадий. Между окисляемым веществом и конечными продуктами его окисления образуется ряд промежуточных соединений. В их образовании принимает участие большое количество ферментов. На последних стадиях катаболизма происходит расщепление веществ с участием оксидоредуктаз, совокупность которых образует так называемую дыхательную цепь.

К числу ферментов дыхательной цепи относятся:

1. Пиридинзависимые дегидрогеназы с коферментом НАД ⁺ и

НАДФ⁺;

2. Флавинзависимые дегидрогеназы (флавопротеиды), у которых простетической группой служат ФМН и ФАД;

3. Цитохромы и цитохромоксидаза, их простетической группой является гем.

Дыхательная цепь подразделяется на водородопереносящую- гиридин- и флавопротеиды и электронопереносящую - цитохромы. Атомы водорода (протоны и электроны.) от окисляемого субстрата присоединяются к НАД⁺ . Восстановленная форма НАД⁺ (НАДН) передает водород флавопротеидам. Дальнейшая судьба водорода может быть различной. Водород с флавопротеидов может быть передан прямо на кислород с образованием перекиси водорода. Последняя распадается под действием каталазы на кислород и воду. У высших животных в процессе тканевого дыхания (аэробного окисления) не происходит образования H₂O₂.

Самым распространенным вариантом окисления водорода, снятого с восстановленных флавиновых дегидрогеназ, является окисление с помощью цитохромной системы. Этот путь характерен как для животных, так и для растений. Цитохромы включаются в перенос электронов в определенной последовательности (в, с, с₁, а, а₃). Последний цитохром, который реагирует с кислородом воздуха, называется цитохромоксидазой.

В литературе имеются убедительные данные, свидетельствующие о том, что между флавинами и цитохромами могут включаться белки, содержащие негеминовое железо (НГFе) и убихинон (кофермент Q). Окисление водорода в терминальной цепи тканевого дыхания может быть изображено с помощью схемы .(рис. 12).

В литературе имеются убедительные данные, свидетельствующие о том, что между флавинами и цитохромами могут включаться белки, содержащие негеминовое железо (НГFе) и убихинон (кофермент Q). Окисление водорода в терминальной цепи тканевого дыхания может быть изображено с помощью схемы .(рис. 12).

6.3.ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Окислительное фосфорилирование было бы правильнее назвать

фосфорилированием в дыхательной цепи (Ленинджер, 1972). Суть его состоит в следующем. Перенос электронов и протонов по окислительно-восстановительной цепи ферментов сопровождается высвобождением значительного количества энергии, большая часть которой трансформируется в энергию фосфатных связей макроэргических соединений, главным образом АТФ. Неиспользованная энергия рассеивается в виде тепла. Для синтеза АТФ необходим АДФ, неорганический фосфат, 8-10 ккал энергии и соответствующие ферменты.

АДФ+НзР0₄+8-10 ккал энергии  АДФ~Р  АТФ

При распаде АТФ соответственно высвобождается такое же количество энергии. Процесс синтеза АТФ из АДФ и нес фосфата за счет энергии дыхания (энергии переноса электронов) получил название окислительного фосфорилирования.

Идея о наличии сопряжения между фосфорилированием АДФ и аэробным дыханием впервые была высказана советским ученым В. А. Энгальгардом. При дальнейшем изучении энергетики дыхательной цепи оказалось, что в дыхательной цепи имеется три участка, в которых перенос электронов сопровождается высвобождением энергии, превышающим величину стандартной свободной энергии образования АТФ. Оказалось, что в цепи дыхания происходит три реакции фосфорилирования. То есть при окислении одной молекулы водорода происходит образование трех молекул АТФ в следующих местах дыхательной цепи:

1. Между НАДН и флавопротеидом.

2. Между цитохромами b и с.

3. Между цитохромом а и молекулярным кислородом. Процесс окислительного фосфорилирования, как и процесс биологического окисления, происходит в митохондриях.