бышевский-биохимия для врача

3.2. Биоэнергетика

Напомним, что источник энергии, используемый организмом для выполнения всех видов работ (химической, механической, электрической и осмотической),

— это энергия химической связи. Высвобождение энергии углеводов, белков, липидов и других органических соединений происходит при их окислительно­ восстановительном распаде. Высвободившаяся энергия затрачивается на син­ тез универсального аккумулятора энергии — аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) или ее аналогов. Системы или клетки организма, обеспечивающие выполнение химической, механической, электрической и осмотической работы, используют в качестве источника энергии только эти универсальные для живого соединения (см. рис. 2).

Сейчас нам предстоит рассмотреть механизмы высвобождения и запасания энергии, т.е. окислительно-восстановительные процессы и синтез АТФ. Эти процессы протекают в митохондриях.

Митохондрии— органеллы овальной формы. Их длинник около 2, поперечный размер — около 0,5 мкм. Электронно-микроскопические исследования показали, что митохондрии имеют две мембранные системы: наружную мембрану и внутреннюю с большой поверхностью. Внутренняя мембрана образует множество складок, которые называют кристами. Пространство между наружной и внутренней мембраной называют межмембранным пространством. Замкнутое пространство, ограниченное внутренней мембраной, — матрикс. Н аруж ная мембрана проницаема для большинства мелких молекул и ионов, внутренняя

— почти для всех ионов (исключение составляют протоны Н+) и для большинства незаряженных молекул. Окисление тех или иных субстратов может происходить как на внешней стороне внутренней мембраны, так и в матриксе. Доставка ряда соединений в матрикс обеспечивается специальными транспортными системами. В толщ е внутренней мембраны вмонтированы дыхательны е ферменты — собственно структурные элементы мембраны (рис.36 и 37).

3.2.1. Продуцирование энергии

Основной источник энергии в клетке — окисление субстратов кислородом воздуха. Реализоваться окисление может тремя различными, но эквивалентны ­ ми способами: присоединением кислорода к атому углерода в субстрате, отщеплением водорода или потерей электрона. В клетке окисление протекает в форме последовательного переноса водорода и электронов от субстрата к ■кислороду. Кислород играет в этом случае роль восстанавливающегося соеди­ нения (окислителя). Соединения, последовательно принимающие и отдающие протоны и электроны, играют роль промежуточных переносчиков (рис. 38).

Окислительные реакции протекают с высвобождением энергии, т.е. они экзэргоничные.

Для биологических реакций характерны сравнительно небольшие изменения энергии. Этот эффект достигается представленным на схеме (рис. 38) дробле­ нием реакции окисления на ряд промежуточных стадий. Если бы реакция протекала непосредственно между субстратом и кислородом, то вся энергия окисления высвобождалась бы одновременно. Это затрудняло бы ее использо­ вание и сопровождалось бы большими потерями (рассеивание тепла).

Итак, биологическое окисление представляет процесс, в ходе которого

окисляющиеся субстраты теряют протоны и электроны, т.е. являются донаторами водорода, промежуточные переносчики — акцепторами-дона­ торами, а кислород — конечным акцептором водорода.

Восстановление атома кислорода при взаимодействии с парой протонов и электронов приводит к образованию молекулы воды. Следовательно, кислород потребляется в процессе биологического окисления. Клетка, ткань или орган, в которых протекает окисление субстратов, потребляют кислород. Потребление кислорода тканями обозначают термином тканевое дыхание. Понятие биоло­ гическое окисление и тканевое дыхание однозначны, если речь идет о биоло­ гическом окислении при участии кислорода. Такой тип окисления можно называть еще аэробным окислением. Это основной путь окисления, поставщик значительной части энергии, в которой нуждается клетка (организм).

Наряду с кислородом роль конечного акцептора в цепи переноса водорода, отнятого у субстрата, могут играть и другие соединения, восстанавливающиеся при этом в дигидропродукты. Например, пировиноградная кислота может выступать как акцептор водорода при дегидрировании 3-фосфоглицеринового альдегида.

Биологическое окисление с участием в качестве конечного акцептора водорода любого соединения, кроме кислорода, принято обозначать как анаэробное окисление.

Итак, биологическое окисление — дегидрирование субстрата с помощью промежуточных переносчиков водорода и его конечного акцептора. Если в роли конечного акцептора выступает кислород, процесс называют аэробным окислением, или тканевым дыханием, если конечный акцептор представлен не кислородом — анаэробным окислением. Анаэробное окисление имеет ограни­ ченное значение у высших организмов.

Как следует из схемы, данной на рис. 38, для биологического окисления необходимы система переноса протонов и электронов и система доставки в ткани кислорода.

Ферменты тканевого дыхания (дыхательная цепь) — это переносчики протонов и электронов от окисляемого субстрата на кислород. Способность принимать электроны и определяет соединение как окислитель. Т акая способ­ ность соединения может быть охарактеризована количественно как его окис­ лит ельно-восст ановит ельны й пот енциал по отношению к стандартному водородному электроду, pH которого равен нулю. В биологии предпочитают использовать систему, соответствующую pH 7,0. Чем меньше потенциал от­ дельного звена системы, тем сильнее его восстанавливающие свойства, и наоборот, чем больше потенциал, тем выше окислительные свойства. Таким образом, любое соединение может отдать элект роны т олько соединению с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом.

Дыхательная цепь включает последовательно звенья с нарастающим значе­ нием окислительно-восстановительного потенциала. Эта последовательность такова (табл. 4).

Дегидрогеназы катализируют дегидрирование многочисленных субстратов,

ФМН (флавомононуклеотид) представляет собой фосфорный эфир витамина

в,-

Убихинон (кофермент Q) дегидрирует флавопротеиды. По структуре это хиноновое кольцо с длинной изопреноидной цепью

ОН

ОН В осстан овлен н ы й убихи нон

Присоединяя два атома водорода, убихинон переходит в гидрохинон. Цитохромы — белки-хромопротеиды, способные переносить электроны

благодаря наличию в их составе ионов металла. Простетическая группа напоминает по структуре гем.

Простетическая группа цитохромов связана с двумя остатками цистеина в белковой части фермента через винильные группировки, а через ж елезо — с остатками основных аминокислот. В отличие от гема атом ж елеза в цитохроме может обратимо переходить из дву- в трехвалентное состояние. Это и обеспе­ чивает участие цитохрома в транспорте электронов.

Из большого числа цитохромов, имеющихся в тканях, изучены цитохромы Ь, с, а и а3. Два последних «работают» в ассоциации как один фермент (цитохромоксидаза а+ а3). Этот фермент акцептирует электроны от цитохрома

Типы дегидрирования. Действию дегидрогеназ доступна пара атомов водо­ рода, занимающая определенное положение в органическом соединении. В связи с этим можно различать следующие случаи дегидрирования:

1. Дегидрирование насыщенных соединений осуществляется путем отнятия двух атомов водорода, связанных с соседствующими атомами углерода —

2. Дегидрирование первичных спиртов — отнятие атома водорода спиртовой группы и атома водорода, связанного с углеродом —

Анализ типов дегидрирования показывает, что дегидрогеназы отнимают пару атомов водорода только в том случае, если они соединены с двумя соседствующими атомами углерода или с одним при условии, что один из них связан с атомом углерода через кислород, т.е. дегидрированию подлеж ат только

насыщенные соединения или спирты. Многие химические превращ ения можно рассматривать как подготовку субстрата к действию дегидрогеназы — к окислению. Примеры этому — реакции дегидрирования ненасыщенных соеди­ нений и альдегидов.

Как протекает дегидрирование соединения, которое может быть донатором только одного атома водорода, и как в процессе окисления соединения высвобождают С 02, мы рассмотрим при изучении превращ ения конкретных метаболитов.

Транспорт протонов и электронов по дыхательной цепи, как уж е сказано, обеспечивается разностью потенциалов между отдельными дыхательными ферментами. На рис. 39 показано, как количественно изменяется потенциал от дегидрогеназ-НАД до кислорода. Каждое увеличение потенциала примерно на 0,16 В освобождает энергию в количестве, достаточном для синтеза одной молекулы АТФ из АДФ и Н3Р 0 4.

Прямыми экспериментами показано, что потребление одной молекулы кислорода, т.е. перенос пары протонов и электронов и образование одной молекулы воды, сопровождается синтезом 3 молекул АТФ. На это расходуется около 40% всей высвобождающейся при увеличении потенциала энергии.

3.3. Запасание энергии

Макроэргические связи. Прежде чем изучить механизм синтеза АТФ, необходимо усвоить понятия «макроэргическая связь» и «макроэргическое соединение».

Энергия химической связи равна разнице свободных энергий соединения, содержащего эту связь, и соединения, которое возникает при ее разрыве. Так, если соединение Z распадается на продукты X и Y, то энергия связи между X и Y в Z равна свободной энергии Z минус свободная энергия Y. М акроэргическая связь — связь, богатая энергией — это такая химическая связь, при разрыве которой высвобождается более 4 ккал/моль. Соединение, содержащее макроэргическую связь, называют макроэргическим или макроэргом.

Выше мы неоднократно говорили о том, что энергия химических связей, разрушающихся при окислительном распаде, запасается (аккумулируется) в связях АТФ или ее аналогов. АТФ содержит макроэргическую связь между вторьм и третьим остатками фосфорной кислоты. Ее обозначают извилистой линией ( ~ ): реакция распада АТФ на АДФ и неорганический фосфат связана с уменьшением свободной энергии на 7,3 ккал/моль, значит, энергия этой связи равна 7,3 ккал/моль. Для синтеза этой связи, т.е. для реакции АДФ + Н3Р 0 4 = АТФ + Н20, требуется затратить столько же ккал/моль. Таким образом, в процессе переноса пары атомов водорода по дыхательной цепи запасается 7,1 х 3 ккал/моль (21,3 ккал/моль). Это составляет около 40% всей высвободившейся при переносе пары атомов водорода энергии. АТФ — не единственный, но важнейший макроэрг, использующийся в организме.

3.3.1. Окислительное фосфорилирование

Основной путь запасания энергии в организме — синтез АТФ из АДФ и Н3Р 0 4. На этот синтез затрачивается энергия, высвобождающаяся в процессе тканевого дыхания, т.е. транспорта водорода по дыхательной цепи. Такой синтез АТФ называют окислительным фосфорилированием, или сопряжен­ ным фосфорилированием, имея в виду его сопряженность с процессом окисления.

На вопрос о том, каков механизм сопряжения, наиболее полно отвечает хемиоосмотическая теория (Митчелл, 1961). Эта теория опирается на следую ­ щие основные факты:

1. Не удалось найти белок-переносчик активированной Н3Р 0 4.

2.Синтез АТФ сопряжен с транспортом водорода только при ненарушенной структуре митохондриальных мембран.

3.Митохондриальная мембрана непроницаема для протонов.

4.Протонный градиент (разница между концентрацией протонов по обе стороны внутренней митохондриальной мембраны) создается за счет переноса электронов в матрикс.