Способы окисления веществ в организме. Презентация на тему "биологическое окисление"

Без энергии невозможно существование ни одного живого существа. Ведь каждая химическая реакция, любой процесс требуют ее присутствия. Любому человеку легко понять это и почувствовать. Если весь день не употреблять пищу, то уже к вечеру, а возможно, и раньше, начнутся симптомы повышенной усталости, вялости, сила значительно уменьшится.

Каким же способом разные организмы приспособились к получению энергии? Откуда она берется и какие процессы при этом происходят внутри клетки? Попробуем разобраться в данной статье.

Получение энергии организмами

Каким бы способом ни потребляли существа энергию, в основе всегда лежат Примеры можно привести разные. Уравнение фотосинтеза, который осуществляют зеленые растения и некоторые бактерии − это тоже ОВР. Естественно, что процессы будут отличаться в зависимости от того, какое живое существо имеется в виду.

Так, все животные − это гетеротрофы. То есть такие организмы, которые не способны самостоятельно формировать внутри себя готовые органические соединения для дальнейшего их расщепления и высвобождения энергии химических связей.

Растения, напротив, являются самым мощным продуцентом органики на нашей планете. Именно они осуществляют сложный и важный процесс под названием фотосинтез, который заключается в формировании глюкозы из воды, углекислого газа под действием специального вещества − хлорофилла. Побочным продуктом является кислород, который является источником жизни для всех аэробных живых существ.

Окислительно-восстановительные реакции, примеры которых иллюстрируют данный процесс:

• 6CO 2 + 6H 2 O = хлорофилл = C 6 H 10 O 6 + 6O 2 ;

• диоксид углерода + под воздействием пигмента хлорофилла (фермент реакции) = моносахарид + свободный молекулярный кислород.

Также существуют и такие представители биомассы планеты, которые способны использовать энергию химических связей неорганических соединений. Их называют хемотрофы. К ним относят многие виды бактерий. Например, водородные микроорганизмы, окисляющие молекулы субстрата в почве. Процесс происходит по формуле: 2Н 2 +0 2 =2Н 2 0.

История развития знаний о биологическом окислении

Процесс, который лежит в основе получения энергии, сегодня вполне известен. окисление. Биохимия настолько подробно изучила тонкости и механизмы всех стадий действия, что загадок почти не осталось. Однако так было не всегда.

Первые упоминания о том, что внутри живых существ происходят сложнейшие преобразования, которые являются по природе химическими реакциями, появились примерно в XVIII веке. Именно в это время Антуан Лавуазье, знаменитый французский химик, обратил свое внимание на то, как схожи биологическое окисление и горение. Он проследил примерный путь поглощаемого при дыхании кислорода и пришел к выводу, что внутри организма происходят процессы окисления, только более медленные, чем снаружи при горении различных веществ. То есть окислитель − молекулы кислорода − вступают в реакцию с органическими соединениями, а конкретно, с водородом и углеродом из них, и происходит полное превращение, сопровождающееся разложением соединений.

Однако, хоть данное предположение по сути своей вполне реально, непонятными оставались многие вещи. Например:

• раз процессы схожи, то и условия их протекания должны быть идентичными, но окисление происходит при низкой температуре тела;
• действие не сопровождается выбросом колоссального количества тепловой энергии и не происходит образования пламени;
• в живых существах не менее 75-80% воды, но это не мешает «горению» питательных веществ в них.

Чтобы ответить на все эти вопросы и понять, что на самом деле представляет собой биологическое окисление, понадобился не один год.

Существовали разные теории, которые подразумевали важность наличия в процессе кислорода и водорода. Самые распространенные и наиболее успешные были:

• теория Баха, именуемая перекисной;
• теория Палладина, основывающаяся на таком понятии, как «хромогены».

В дальнейшем было еще много ученых, как в России, так и других странах мира, которые постепенно вносили дополнения и изменения в вопрос о том, что же такое биологическое окисление. Биохимия современности, благодаря их трудам, может рассказать о каждой реакции этого процесса. Среди самых известных имен в этой области можно назвать следующие:

• Митчелл;
• С. В. Северин;
• Варбург;
• В. А. Белицер;
• Ленинджер;
• В. П. Скулачев;
• Кребс;
• Грин;
• В. А. Энгельгардт;
• Кейлин и другие.

Виды биологического окисления

Можно выделить два основных типа рассматриваемого процесса, которые протекают при разных условиях. Так, самый распространенный у многих видов микроорганизмов и грибков способ преобразования получаемой пищи − анаэробный. Это биологическое окисление, которое осуществляется без доступа кислорода и без его участия в какой-либо форме. Подобные условия создаются там, куда нет доступа воздуху: под землей, в гниющих субстратах, илах, глинах, болотах и даже в космосе.

Этот вид окисления имеет и другое название − гликолиз. Он же является одной из стадий более сложного и трудоемкого, но энергетически богатого процесса − аэробного преобразования или тканевого дыхания. Это уже второй тип рассматриваемого процесса. Он происходит во всех аэробных живых существах-гетеротрофах, которые для дыхания используют кислород.

Таким образом, виды биологического окисления следующие.

1. Гликолиз, анаэробный путь. Не требует присутствия кислорода и заканчивается разными формами брожения.
2. Тканевое дыхание (окислительное фосфорилирование), или аэробный вид. Требует обязательного наличия молекулярного кислорода.

Участники процесса

Перейдем к рассмотрению непосредственно самих особенностей, которые заключает в себе биологическое окисление. Определим основные соединения и их аббревиатуры, которые в дальнейшем будем использовать.

1. Ацетилкоэнзим-А (ацетил-КоА) − конденсат щавелевой и уксусной кислоты с коферментом, формирующийся на первой стадии цикла трикарбоновых кислот.
2. Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты, трикарбоновых кислот) − ряд сложных последовательных окислительно-восстановительных преобразований, сопровождающихся высвобождением энергии, восстановлением водорода, образованием важных низкомолекулярных продуктов. Является главным звеном ката- и анаболизма.
3. НАД и НАД*Н − фермент-дегидрогеназа, расшифровывающийся как никотинамидадениндинуклеотид. Вторая формула − это молекула с присоединенным водородом. НАДФ - никотинамидадениндинуклетид-фосфат.
4. ФАД и ФАД*Н − флавинадениндинуклеотид - кофермент дегидрогеназ.
5. АТФ − аденозинтрифосфорная кислота.
6. ПВК − пировиноградная кислота или пируват.
7. Сукцинат или янтарная кислота, Н 3 РО 4 − фосфорная кислота.
8. ГТФ − гуанозинтрифосфат, класс пуриновых нуклеотидов.
9. ЭТЦ − электроно-транспортная цепь.
10. Ферменты процесса: пероксидазы, оксигеназы, цитохромоксидазы, флавиновые дегидрогеназы, различные коферменты и прочие соединения.

Все эти соединения являются непосредственными участниками процесса окисления, которое происходит в тканях (клетках) живых организмов.

Стадии биологического окисления: таблица

Это все процессы, которые сопровождают биологическое окисление при участии кислорода. Естественно, что описаны они не полностью, а лишь по сущности, так как для подробного описания нужна целая глава книги. Все биохимические процессы живых организмов чрезвычайно многогранны и сложны.

Окислительно-восстановительные реакции процесса

Окислительно-восстановительные реакции, примеры которых могут проиллюстрировать описанные выше процессы окисления субстрата, следующие.

1. Гликолиз: моносахарид (глюкоза) + 2НАД + + 2АДФ = 2ПВК + 2АТФ + 4Н + + 2Н 2 О + НАДН.
2. Окисление пирувата: ПВК + фермент = диоксид углерода + ацетальдегид. Затем следующий этап: ацетальдегид + Кофермент А = ацетил-КоА.
3. Множество последовательных преобразований лимонной кислоты в цикле Кребса.

Данные окислительно-восстановительные реакции, примеры которых приведены выше, отражают суть происходящих процессов лишь в общем виде. Известно, что соединения, о которых идет речь, относятся к высокомолекулярным, либо имеющим большой углеродный скелет, поэтому изобразить все полными формулами просто не представляется возможным.

Энергетический выход тканевого дыхания

По приведенным выше описаниям очевидно, что подсчитать суммарный выход всего окисления по энергии несложно.

1. Две молекулы АТФ дает гликолиз.
2. Окисление пирувата 12 молекул АТФ.
3. 22 молекулы приходится на цикл трикарбоновых кислот.

Итог: полное биологическое окисление по аэробному пути дает выход энергии, равный 36 молекулам АТФ. Значение биологического окисления очевидно. Именно эта энергия используется живыми организмами для жизни и функционирования, а также для согревания своего тела, движения и прочих необходимых вещей.

Анаэробное окисление субстрата

Второй вид биологического окисления − анаэробный. То есть тот, что осуществляется у всех, но на котором останавливаются микроорганизмы определенных видов. и именно с него четко прослеживаются различия в дальнейшем преобразовании веществ между аэробами и анаэробами.

Стадии биологического окисления по данному пути немногочисленны.

1. Гликолиз, то есть окисление молекулы глюкозы до пирувата.
2. Брожение, приводящее к регенерации АТФ.

Брожение может быть разных типов, в зависимости от организмов, его осуществляющих.

Молочнокислое брожение

Осуществляется молочнокислыми бактериями, а также некоторыми грибками. Суть состоит в восстановлении ПВК до молочной кислоты. Этот процесс используют в промышленности для получения:

• кисломолочных продуктов;
• квашеных овощей и фруктов;
• силоса для животных.

Этот вид брожения является одним из самых применяемых в нуждах человека.

Спиртовое брожение

Известно людям с самой древности. Суть процесса заключается в превращении ПВК в две молекулы этанола и две диоксида углерода. Благодаря такому выходу продукта, данный вид брожения используют для получения:

• хлеба;
• вина;
• пива;
• кондитерских изделий и прочего.

Осуществляют его грибы дрожжи и микроорганизмы бактериальной природы.

Маслянокислое брожение

Достаточно узкоспецифичный вид брожения. Осуществляется бактериями рода Клостридиум. Суть состоит в превращении пирувата в масляную кислоту, придающую продуктам питания неприятный запах и прогорклый вкус.

Поэтому реакции биологического окисления, идущие по такому пути, практически не используют в промышленности. Однако эти бактерии самостоятельно засевают продукты питания и наносят вред, понижая их качество.

Все живые организмы по источникам используемой для жизнедеятельности энергии делят на автотрофы (использующие энергию солнечного света) и гетеротрофы (использующие энергию химических связей). Получение энергии в клетках гетеротрофных организмов осуществляется за счет окисления сложных органических соединений: углеводов, жиров, белков, которые организмы получают из внешней среды, т.е. в виде их химических связей животные потребляют энергию из окружающей среды. Эти вещества и являются энергетическими ресурсами клеток гетеротрофных организмов.

Выделяют три этапа извлечения энергии из них (рис. 1):

1. Расщепление полимерных молекул до мономеров. На этой стадии не происходит высвобождение биологически полезной энергии. Около 1% энергии выделяется и рассеивается в виде тепла.

2. Расщепление мономеров с образованием главных промежуточных продуктов – пирувата, ацетил-КоА. Здесь выделяется 20% энергии с запасанием ее в макроэргических связях АТФ и частичным рассеиванием в виде тепла.

3. Окисление ацетил-КоА в цикле трикарбоновых кислот до СО 2 и Н 2 О и высвобождением атомарных водородов с последующим их окислением кислородом в дыхательной цепи ферментов, сопряженным с синтезом АТФ. Здесь выделяется 80% энергии, большая часть (около 60%) которой запасается в форме АТФ.

Рис. 1. Основные этапы биологического окисления, сопряженного с фосфорилированием.

Классификация процессов биологического окисления.

Процессы биологического окисления можно разделить на два основных типа:

1.Свободное окисление – окисление, при которомвся энергия окислительной реакции выделяется исключительно в виде тепла. Эти процессы не сопряжены с синтезом АТФ, т.е. не происходит преобразовании энергии, выделяющейся при окислении в энергию макроэргических связей. Свободное окисление играет вспомогательную роль - оно служит для теплопродукции и детоксикации вредных продуктов обмена веществ.

По типу свободного окисления идут все оксигеназные реакции, все окислительные реакции, ускоряемые пероксидазами или сопровождающиеся образованием Н 2 О 2 , многие реакции, катализируемые оксидазами.

Процессы свободного окисления сосредоточены в цитозоле, в мембранах эндоплазматической сети клетки, в мембранах лизосом, пероксисом и аппарата Гольджи, на внешних мембранах митохондрий и хлоропластов, в ядерном аппарате клетки.

2. Сопряженное окисление - окисление, при которомэнергия окислительной реакции используется для синтеза АТФ. Поэтому данный вид окисления называют окислением, сопряженным с фосфорилированием АДФ. Он может осуществляться двумя способами.

Если при окислении субстрата образуется макроэргическое соединение, энергия которого используется для синтеза АТФ, то такой вид биологического окисления называют субстратным фосфорилированием или фосфорилированием на уровне субстрата или окислением, сопряженным с фосфорилированием АДФ на уровне субстрата . Примером таких реакций являются 2 реакции гликолиза: превращение 1,3-дифосфоглицериновой кислоты в 3-фосфоглицериновую кислоту и фосфоенолпирувата (ФЕП) в пируват, а также реакция цикла Кребса – гидролиз сукцинил-КоА до сукцината. Эти реакции протекают сопряжено с синтезом АТФ.

Если процессы окисления, протекающие в дыхательной цепи ферментов на внутренней мембране митохондрий, где происходит перенос протонов и электронов от окисляемого субстрата к кислороду, сопряжены с синтезом АТФ, то такой вид биологического окисления называют окислительным фосфорилированием или фосфорилированием на уровне электронно-транспортной цепи.

Схема классификации биологического окисления

Биологическое окисление

Свободное окисление Сопряженное окисление

Субстратное Окислительное

фосфорилирование фосфорилирование

В окислительном фосфорилировании используются реакции дегидрогенирования окисляемого субстрата с последующим переносом атомов водорода (протонов и электронов) на кислород при участии оксидоредуктаз. Перенос водорода на кислород происходит через ряд окислительно-восстановительных систем, которые располагаются в строгой последовательности - в соответствии со значением их потенциала. Такая последовательность реакций, связанных с переносом водорода на кислород при участии специфических переносчиков электронов, называется дыхательной (или электронно-транспортной) цепью . У животных и человека она составлена из четырех основных типов переносчиков, каждый из которых способен претерпевать обратимое окисление и восстановление в результате потери и присоединения электронов при взаимодействии с другим переносчиком

Рис. 2. Взаимное расположение компонентов дыхательной цепи с указанием мест фосфорилирования и специфических ингибиторов.

Окисление биологическое (клеточное или тканевое дыхание) - это окислительно-восстановительные реакции, протекающие в клетках организма, в результате которых сложные органические вещества окисляются при участии специфических кислородом, доставляемым кровью. Конечными продуктами биологического окисления являются вода и . Освобождающаяся в процессе биологического окисления энергия частично выделяется в виде тепла, основная же ее часть идет на образование молекул сложных (главным образом аденозинтрифосфата - АТФ), которые являются источниками энергии, необходимой для жизнедеятельности организма.

При этом процесс окисления состоит в отнятии от окисляемого вещества (субстрата) электронов и равного им числа протонов. Субстратами биологического окисления являются продукты превращений жиров, белков и . Биологическое окисление субстратов до конечных продуктов осуществляется цепью последовательных реакций, в число промежуточных продуктов которых входят трикарбоновые кислоты - лимонная, цисаконитовая и изолимонная кислоты, поэтому вся цепь реакций носит название цикла трикарбоновых кислот, или цикла Кребса (по имени исследователя, установившего этот цикл).

Начальной реакцией цикла Кребса является конденсация щавелево-уксусной кислоты с активированной формой уксусной кислоты (ацетата), которая представляет собой соединение с коферментом ацетилирования - ацетил-КоА. В результате реакции образуется лимонная кислота, которая после четырехкратной дегидрогенизации (отщепление от молекулы 2 атомов водорода) и двукратного декарбоксилирования (отщепление молекулы CO 2) образует щавелевоуксусную кислоту. Источниками ацетил-КоА, использующегося в цикле Кребса, являются , - один из продуктов гликолиза (см.), жирные кислоты (см.) и пр. Наряду с окислением ацетил-КоА в цикле Кребса могут подвергаться окислению и другие вещества, способные превращаться в промежуточные продукты этого цикла, например многие из аминокислот, образующиеся при распаде белка. Ввиду обратимости большинства реакций цикла Кребса продукты распада белков, жиров и углеводов (интермедиаты) в нем могут не только окисляться, но и получаться при его обращении. Так осуществляется связь между обменом жиров, белков и углеводов.

Протекающие в цикле Кребса реакции окисления не сопровождаются, как правило, образованием богатых энергией соединений. Исключение представляет превращение сукцинил-КоА в сукцинат (см. Янтарная кислота), которое сопровождается образованием гуанозинтрифосфата. Большая часть АТФ образуется в цепи дыхательных ферментов (см.), где перенос электронов (а на первых этапах и протонов) к кислороду сопровождается выделением энергии.

Реакции отщепления водорода осуществляются ферментами класса дегидрогеназ, причем водорода (т. е. протоны + электроны) присоединяются к коферментам: никотинамидадениндинуклеотиду (НАД), никотинамидадениндинуклеотид-фосфату (НАДФ), флавинадениндинуклеотиду (ФАД) и др.

Процессы биологического окисления, связанные с циклом Кребса и цепью дыхательных ферментов, протекают преимущественно в митохондриях и локализованы на их мембранах.

Таким образом, процессы биологического окисления, связанные с циклом Кребса, имеют значение как при образовании соединений, богатых энергией, так и для осуществления связи углеводного, жирового и белкового обмена. Другие виды биологического окисления, по-видимому, имеют более узкое значение, например энергообеспечение клеток. Такова стадия гликолиза, заключающаяся в окислении ряда фосфорных соединений с одновременным восстановлением НАД и образованием АТФ или реакции пентозного цикла (т. е. окислительного превращения глюкозо-6-фосфата), сопровождающихся образованием фосфопентоз и восстановленного НАДФ. Пентозный цикл играет важную роль в тканях, характеризующихся интенсивно протекающими синтезами - нуклеиновых, жирных кислот, и пр. См. также Обмен веществ и энергии.

Окисление биологическое - это совокупность окислительно-восстановительных реакций, протекающих в биологических объектах. Под процессом окисления понимают потерю веществом электронов или электронов и протонов одновременно (потерю водородных атомов) или присоединение кислорода. Реакции противоположного направления характеризуют процесс восстановления. Восстановителями называют вещества, теряющие электроны, окислителями - вещества, приобретающие электроны. Окисление биологическое составляет основу тканевого, или клеточного, дыхания (процесса, в результате которого ткани и клетки поглощают кислород и выделяют углекислый газ и воду) - главного источника энергии для организма. Веществом, принимающим (акцептирующим) электроны, т. е. восстанавливающимся, является молекулярный кислород, превращающийся в анион кислорода O -- . Водородные атомы, отщепляемые от органического вещества - субстрата окисления (SH 2), превращаются при потере электронов в протоны или положительно заряженные катионы водорода:

В результате реакции между катионами водорода и анионами кислорода образуется вода, а реакция сопровождается выделением значительного количества энергии на каждые 18 г воды). В качестве побочного продукта биологического окисления образуется углекислый газ. Некоторые из реакций биологического окисления приводят к образованию перекиси водорода, под влиянием каталазы распадающейся на H 2 O и O 2 .

Поставщиками энергии в организме человека служат продукты питания - белки, жиры и углеводы. Однако эти вещества не могут служить субстратами биологического окисления. Они предварительно подвергаются расщеплению в пищеварительном тракте, где из белков образуются аминокислоты, из жиров - жирные кислоты и глицерин, из сложных углеводов - моносахариды, в первую очередь гексозы. Все эти соединения всасываются и поступают (прямо или через лимфатическую систему) в кровь. Вместе с аналогичными веществами, образованными в органах и тканях, они составляют «метаболический фонд», из которого организм черпает материал для биосинтезов и для удовлетворения энергетических запросов. Главными субстратами биологического окисления являются продукты тканевого обмена аминокислот, углеводов и жиров, получившие название веществ «лимоннокислого цикла». К ним относятся кислоты:
лимонная, цисаконитовая, изолимонная, щавелевоянтарная, α-кетоглютаровая, янтарная, фумаровая, яблочная, щавелевоуксусная.

Пировиноградная кислота СН 3 -СО-СООН не входит непосредственно в лимоннокислый цикл, но играет в нем существенную роль, как и продукт ее декарбоксилирования - активная форма уксусной кислоты СН 3 СОКоА (ацетил-коэнзим А).

Процессы, входящие в «лимоннокислый цикл» («цикл Кребса», «цикл трикарбоновых кислот»), протекают под действием ферментов, заключенных в клеточных органеллах, называемых митохондриями. Элементарный акт окисления любого вещества, входящего в лимоннокислый цикл,- это отнятие от этого вещества водорода, т. е. акт дегидрогенизации, обусловленный активностью соответствующего специфически действующего фермента дегидрогеназы (рис. 1).

Рис. 1. Схема лимоннокислого цикла Кребса.

Если процесс начинается с пировиноградной кислоты, то отщепление двух атомов водорода (2Н) в цикле Кребса повторяется 5 раз и сопровождается тремя последовательными этапами декарбоксилирования. Первый акт - дегидрогенизация - происходит при превращении пировиноградной кислоты в ацетил-КоА, конденсирующийся с щавелевоуксусной кислотой в лимонную. Второй раз дегидрогенизация приводит к образованию щавелевоянтарной кислоты из изолимонной. Третий акт - отщепление двух атомов водорода - связан с превращением кетоглютаровой кислоты в сукцинил-КоА; четвертый - с дегидрогенизацией янтарной кислоты и, наконец, пятый - с превращением яблочной кислоты в щавелевоуксусную, которая вновь может вступить в конденсацию с ацетил-КоА и обеспечить образование лимонной кислоты. При распаде сукцинил-КоА образуется богатая энергией связь (~Р) - это так называемое субстратное фосфорилирование: Сукцинил-КоА + Н 3 РО 4 + АДФ → янтарная кислота + КоА + АТФ.

Рис. 2. Схема дегидрогенизации субстратов лимоннокислого цикла специфическими ферментами, состоящими из диссоциирующих комплексов: белков - б1, б2, б3 и б4 с НАД и НАДН2 и белка б5, образующего комплекс с ФАД (сукциндегидрогеназу); ЦАК - цисаконитовая кислота.

Четыре из названных актов дегидрогенизации осуществляются при участии специфических дегидрогеназ, коферментом которых является никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Один акт - превращение янтарной кислоты в фумаровую - происходит под влиянием сукциндегидрогеназы - флавопротеида I. В данном случае коферментом является флавинадениндинуклеотид (ФАД). В результате пяти повторных актов дегидрогенизации (рис. 2) при реакциях, происходящих в лимоннокислом цикле, образуются восстановленные формы коферментов: 4-НАДН2 1-ФАДН2. Дегидрогеназа восстановленного НАД, т. е. принимающая водород с НАДН2, принадлежит также к флавиновым ферментам - это флавопротеид II. Однако он отличается от сукциндегидрогеназы структурой как белка, так и флавинового компонента. Дальнейшее окисление восстановленных форм флавопротеидов I и II, содержащих ФАДН2, происходит при участии цитохромов (см.), представляющих собой сложные белки - хромопротеиды, содержащие в своем составе железопорфирины - гемы.

При окислении ФАДН2 пути протона и электронов расходятся: протоны поступают в окружающую среду в виде ионов водорода, а электроны через серию цитохромов (рис.3) передаются на кислород, превращая его в анион кислорода O -- . Между ФАДН2 и системой цитохромов, по-видимому, участвует еще один фактор - коэнзим Q. Каждое следующее звено в дыхательной цепи от НАДН2 до кислорода характеризуется более высоким окислительно-восстановительным потенциалом (см.). На протяжении всей дыхательной цепи от НАДН2 до ½O 2 потенциал меняется на 1,1 в (от -0,29в до+0,81в). При полном окислении, например пировиноградной кислоты, сопровождающемся пятикратным отщеплением водорода, энергетическая эффективность процесса составит около 275 ккал (55X5). Эта энергия не рассеивается полностью в виде тепла; примерно 50% ее аккумулируется в виде богатых энергией фосфорных соединений, главным образом аденозинтрифосфата (АТФ).

Процесс трансформации энергии окисления в богатые энергией связи (~Р) конечного фосфатного остатка молекулы АТФ локализован во внутренних митохондриальных мембранах и связан с определенными этапами переноса водорода и электронов по дыхательной цепи (рис. 4). Принято считать, что первое фосфорилирование связано с транспортом водорода от НАДН2 к ФАД, второе сопряжено с переносом электронов на цитохром c1 и, наконец, третье, менее всего изученное, расположено между цитохромами c и a.

Рис. 3. Схема передачи водорода и электронов по дыхательной цепи; Е0 - окислительно-восстановительный потенциал.

Рис. 4. Схема трансформации энергии окисления в богатые энергией связи ~ Р: KoQ - коэнзим Q; SH2 - субстрат окисления; цС1, цС, ц (А +А3) - цитохромы С1, С, (А + А3); J1, J2, J3 - специфические для данного звена дыхательной цепи соединения, участвующие в образовании богатых энергией связей; X - неспецифическое вещество, образующее богатые энергией связи с J1, J2, J3, сменяющее их на фосфатные остатки и передающее последние на аденозиндифосфорную кислоту (АДФ) с образованием АТФ.

Механизм образования богатых энергией связей еще не расшифрован. Выяснено, однако, что процесс складывается из нескольких промежуточных реакций (на рис. 4- от J~X до АТФ), лишь последней из которых является образование богатого энергией фосфатного остатка АТФ. Богатая энергией связь конечной фосфатной группы в АТФ оценивается в 8,5 ккал на грамм-молекулу (в физиологических условиях - около 10 ккал). При переносе водорода и электронов по дыхательной цепи, начиная с НАДН2 и кончая образованием воды, освобождается 55 ккал и аккумулируется в виде АТФ не менее 25,5 ккал (8,5X3). Следовательно, энергетическая эффективность процесса биологического окисления составляет около 50%.

Рис. 5. Схема использования энергии фосфатных связей АТФ (АМФ-Р~Р) для различных физиологических функций.

Биологический смысл фосфорилирующего окисления понятен (рис. 5): все процессы жизнедеятельности (мышечная работа, нервная деятельность, биосинтезы) требуют затраты энергии, края обеспечивается разрывом богатых энергией фосфатных связей (~Р). Биологический смысл нефосфорилирующего - свободного - окисления можно видеть в многочисленных реакциях окисления, не связанных с лимоннокислым циклом и переносом водорода и электронов по дыхательной цепи. Сюда относятся, например, все внемитохондриальные процессы окисления, окислительное удаление токсически действующих веществ и многие акты регуляции количественного содержания биологически активных соединений (некоторых аминокислот, биогенных аминов, адреналина, гистидина, серотонина и т. д., альдегидов и пр.) путем более или менее интенсивного их окисления. Соотношение свободного и фосфорилирующего окисления является также одним из путей терморегуляции у человека и теплокровных животных. См. также Обмен веществ и энергии.

В процессе обмена веществ пищевые продукты (углеводы, липиды) подвергаются катаболизму.

Катаболизм – это процесс расщепления высокомолекулярных веществ до низкомолекулярных веществ, идущий с выделением энергии. В процессе катаболизма происходит упрощение структуры высокомолекулярных веществ.

Энергия, выделившаяся в процессе катаболизма, используется для синтеза новых веществ, т.е. в процессе анаболизма.

Взаимодействие превращения вещества и энергии называются метаболизмом.

Процессы окисления протекают в организме и вне организма. Эти процессы имеют сходства и различия.

Сходство между окислением в организме и вне организма.

1. В результате окисления образуются одинаковые конечные продукты СО 2 и Н 2 О.
2. Выделяется одинаковое количество энергии.

Различия между окислением в организме и вне организма.

1. Вне организма энергия выделяется за счет окисления атомов углерода, а в организме за счет окисления атомов водорода.

1. Вне организма кислород соединяется с окисляемым субстратом. В организме кислород не соединяется с субстратом.
2. Вне организма энергия выделяется одномоментно и не аккумулируется, т.е. не запасается. В организме энергия выделяется порциями, «каскадно» и аккумулируется (запасается). «Каскадное» выделение энергии предохраняет клетку от перегрева.
3. Основной реакцией окисления в организме является реакция дегидрирования, т.е. отщепление водорода (протонов). Вспомогательными реакциями являются реакции дегидратации и декарбоксилирования.
4. Процесс окисления в организме многоступенчатый, ферментативный процесс.

Процесс окисления субстратов в биологических объектах называется биологическим окислением.

Виды биологического окисления.

1. Тканевое дыхание
2. Субстратное окисление

Тканевое дыхание – многоступенчатый ферментативный процесс, в котором конечным акцептором электронов является кислород.

В процессе тканевого дыхания участвую ферменты – оксидоредуктазы, образующие дыхательную цепь.

Дыхательная цепь – это комплекс оксидоредуктаз, участвующих в переносе протонов и электронов от окисляемого субстрата к кислороду.

Дыхательная цепь локализована в кристах митохондрий.

Строение дыхательной цепи.

Дыхательная цепь включает 4 группы ферментов:

1. Пиридинзависимые дегидрогеназы – коферментом является НАД, НАДФ.

2. Флавинзависимые дегидрогеназы – коферментом является ФАД, ФМН.

3. Коэнзим Q или убихинон.

4. Цитохромы b, c, a, a 3 .

Цитохромы являются геминовыми белками, в качестве небелковой части содержат гем. В составе гема содержатся атом железа, который может изменять степень окисления с +3 до +2, присоединяя или отдавая электрон.

В составе дыхательной цепи выделяют два участка:

1. Участок, включающий пиридинзависимые дегидрогеназы – коэнзим Q обеспечивает перенос протонов и электронов. На уровне коэнзима Q протоны уходят в среду митохондрий, т.к. цитохромы по своему строению способны переносить только электроны.

2. Участок цитохромов, обеспечивающий перенос только электронов.

Основное значение цитохромной системы перенос электронов от окисляемого субстрата на молекулярный кислород с образованием воды:

Схема переноса электронов и протонов по дыхательной цепи.

По дыхательной цепи от окисляемого субстрата до кислорода передается 2 протона и два электрона.

Коферменты дыхательной цепи принимая протоны и электроны превращаются в восстановленную форму, а отдавая их снова превращается в окисленную форму.

Движущей силой, обеспечивающей перенос протонов и электронов от субстрата к кислороду, является разность редокс-потенциалов. В дыхательной цепи происходит нарастание редокс-потенциала (от –0,32 в до +0,81 в О 2)

Для синтеза одной макроэргической связи АТФ требуется перепад редокс-потенциалов между участками дыхательной цепи примерно в 0,22 в на пару перенесенных электронов.

Длина дыхательной цепи (количество ферментов) может быть различна и зависит от природы окисляемого субстрата.

Для клетки важно, чтобы молекула кислорода, присоединив 4 электрона, полностью восстановилась до двух молекул воды. При неполном восстановлении кислорода в случае присоединения двух электронов образуется перекись водорода, а в случае присоединения одного электрона – супероксидный радикал . Перекись водорода и супероксидный радикал токсичны для клетки, т.к. повреждают клеточные мембраны, взаимодействую с остатками ненасыщенных жирных кислот мембранных липидов.

Аэробные клетки защищают себя от действия перекиси и супероксида с помощью двух ферментов: супероксиддисмутазы и каталазы.

Пути использования энергии переноса электронов.

При переносе пары электронов происходит изменение свободной энергии и эта энергия используется по двум путям:

1. Энергия переноса электронов используется на синтез АТФ.

2. Энергия переноса электронов используется для выработки тепла.

При переносе пары электронов по дыхательной цепи происходит изменение свободной энергии, равная 52,6 ккал. Этой энергии достаточно для синтеза 3 молекул АТФ. Синтез трех молекул АТФ в стандартных условиях требует затраты ккал.

В трех пунктах переноса электронов происходит наибольшее изменение свободной энергии и эти пункты называются пунктами сопряжения тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования.

Окислительное фосфорилирование это процесс ресинтеза АТФ из АДФ и Фн, сопряженный с тканевым дыханием.

Пункты сопряжения находятся на участках:

1. НАД/ФАД

3. ц а/а 3 О 2

Пункты сопряжения постоянны, но их количество зависит от природы окисляемого субстрата.

При окисления НАД – зависимых субстратов имеет место 3 пункта сопряжения, т.е. выделяется 3АТФ, при окислении ФАД – зависимых субстратов имеет место 2 пункта сопряжения и выделяется 3 АТФ, при окислении цитохромзависимых субстратов, количество АТФ, зависит от того, на какой цитохром сбрасываются электроны: при сбросе электронов на цитохром b выделяется 2АТФ в процессе окислительного фосфорилирования, а на цитохром с – 1АТФ.

Коэффициент фосфорилирования – это соотношение Р/О как показатель сопряжения дыхания и фосфорилирования.

Было установлено, что при поглощении одного атома кислорода (или при переносе пары электронов от субстрата к кислороду) поглощается не один атом неорганического фосфата, а примерно три т.е. коэффициент Р/О примерно равен 3. Т.е. в дыхательной цепи имеется как минимум три пункта сопряжения, где неорганический фосфат участвует в образовании АТФ.

Процесс биологического окисления может не сопровождаться синтезом АТФ.

Окисление, не сопровождающееся синтезом АТФ, называется свободным окислением. В этом случае энергия выделяется в виде тепла. Это может наблюдаться при действии токсинов и сопровождается повышением температуры тела.

Причины нарушения биологического окисления.

1. Недостаток субстратов окисления (углеводов, липидов, т.е. пищи).

2. Нарушение работы ферментов в дыхательной цепи:

1. Дефект апофермента (нарушен синтез белковой части фермента).

2. Дефект кофермента (нарушение синтеза коферментов из-зи недостатка витаминов В 2, В 5 , К).

3. Недостаток кислорода.

4. Действие ингибиторов.

Аминобарбитал ингибирует перенос протонов и электронов на участке НАД/ФАД, окисление НАДзависимых субстратов прекращается.

Антимицин ингибирует перенос электронов на участке цитохром b, цитохром с.

Цианады ингибируют перенос электронов на участке цитохромоксидазы/кислород.

При большинстве физиологических состояний перенос электронов сопряжен с окслительным фосфорилированием.

Ряд соединений может вызвать разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Разобщителями этих процессов являются следующие соединения: 2,4 – динитрофенол, гормон щитовидной железы – тироксин, дикумарин и его производные, жирные кислоты.

Разобщение окислительного фосфорилирования и тканевого дыхания может быть биологически полезным. Разобщение представляет собой способ генерирования тепла для поддержания температуры тела у зимнеспящих животных и млекопитающих адаптированных к холоду. В качестве разобщителя выступают жирные кислоты, которые накапливаются в бурой жировой ткани. Такой бурый жир есть и у новорожденных детей, что позволяет поддерживать температуру тела при еще несовершенной системе терморегуляции.

У больных с гиперфункцией щитовидной железы отмечается повышение температуры тела, что обусловлено разобщением процессов тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования, вызванного тироксином.

При недостатке кислорода в тканях процесс тканевого дыхания затруднен и в тканях протекает субстратное окисление.

Субстратное окисление – это процесс окисления, при котором конечным акцептором электронов является субстрат, а не кислород.

Субстратное окисление – это аварийный источник получения энергии при недостатке кислорода.

Недостаток кислорода (гипоксия) возникает в организме при физической работе, при подъеме в горы, опускании под воду, при заболеваниях органов дыхания, сердечно-сосудистой системы и кроветворной системы.

Субстратное окисление энергетически менее выгодно, чем тканевое дыхание, т.к. редокс-потенциалы субстратов отличаются незначительно.

В организме наряду с окислительным фосфорилированием процессом, дающим энергию является субстратное фосфорилирование.

Субстратное фосфорилирование – это процесс образования макроэргических соединений за счет макроэргических связей субстрата.

Важнейшим макроэргическим соединением является АТФ.

Энергия макроэргических связей аккумулируется в ряде соединений: креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицерат, ГТФ и др.

Биологическое окисление

Тканевое дыхание Свободное окисление Субстратное окисление

Связано с Энергия

окислительным выделяется

фосфорилированием в виде тепла

Энергия выделяется

в виде АТФ

Фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование Субстратное фосфорилирование

связано с мембранами митохондрий не связано с мембранами

ИСТОРИЯ УЧЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ.

Первые представления о биологическом окислении были высказаны ЛАВУАЗЬЕ, который говорил, что биологическое окисление - медленное горение. С химической точки зрения, горение - это взаимодействие углерода с кислородом с образованием СО2. Но в организме образование С02 идёт путём ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЯ, а биологическое окисление протекает при низкой температуре, не путём образования СО2 в присутствии воды и без образования пламени.

Исходя из этого, были выдвинуты следующие настоящие представления о биологическом. окислении в начале 20 в.

1 .Теория «активации» кислорода академика БАХА. Ведущей ролью в процессе биологического окисления он представлял образование ПЕРОКСИДОВ.

Эти взгляды поддержали ботаники, т.к. в растениях много ПЕРОКСИДАЗ, а учёные, изучающие животные ткани, не поддержали эти взгляды, т.к. в них не обнаруживаются ПЕРОКСИДАЗЫ.

2. Теория активирования водорода академика ПАЛЛАДИНА. Он исходил из того, что в животных тканях много фермента - ДГ.

Конечным продуктом биологического окисления является вода. Взгляды БАХА и ПАЛЛАДИНА трансформировали. В настоящее время считается, что в биологическом окислении принимают участие ДГ и ОКСИДАЗЫ.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ.

1. Биологическое окисление, как и окисление вообще, есть процесс переноса электронов. То вещество, что отдаёт электроны, окисляется, то, что принимаем восстанавливается. Если акцептором электронов является кислород, то такой процесс называется ТКАНЕВЫМ ДЫХАНИЕМ. Биологическое окисление предполагает ДЕГИДРИРОВАНИЕ с образованием воды.

R-Н2 ---ДГ----> R + КоН2

КoH2 +1/2 О2.------> Ко + Н2О

Если водород взаимодействует с кислородом с образованием воды вне организма, то это сопровождается взрывом. Биологическое окисление - это процесс многоступенчатый - многоступенчатая передача электронов с постепенным выделением энергии, что исключает взрыв. Биологическое окисление - это процесс, требующий много ферментов. Т.о. биологическое окисление - это многоступенчатый процесс транспорта электронов, осуществляемый комплексом ферментов. Этот комплекс ферментов называется ЭЛЕКТРОН-ТРАНСПОРТНОЙ ЦЕПЬЮ (ЭТЦ), или ЦЕПЬЮ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ (ЦПЭ), или дыхательной цепью. ЭТЦ – это своеобразный КОНВЕЕР по переносу электронов и протонов от субстрата к кислороду.

КОМПОНЕНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

1. НИКОТИНЗАВИСИМЫЕ ДГ, т.е. содержащие КОФЕРМЕНТЫ - НАД, НАДФ

2. ФЛАВИНЗАВИСИМЫЕ ДГ, т.е. содержащие КОФЕРМЕНТЫ - ФМН, ФАД.

3. УБИХИНОН (Ко-Q)

4. ЦИТОХРОМЫ: в, с, с1, а, а3.

Почти все эти компоненты, за исключением первого, встроены во внутреннюю мембрану МИТОХОНДРИЙ. В печени таких дыхательных цепей до 5000, а в сердце - до 20000.

СТРОЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

1. В НАД и НАДФ рабочей частью является витамин РР - НИКОТИНАМИД.

2.В ФАД и ФМН рабочей частью является ФЛАВИН (компонент витамина В2)

3. УБИХИНОН легко переходит в восстановленную форму КОQ + 2H +2e =КОQ*Н2

4.ЦИТОХРОМЫ - это ГЕТЕРОПРОТЕИНЫ. Их белковой частью является ГЕМ, структура которого представляет собой 4 ПИРРОЛЬНЫХ кольца и атом железа, который легко меняет валентность. Также могут включать медь.

ФЕРМЕНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

1.ДГ субстратов находятся в цитоплазме клетки, могли быть в МАТРИКСЕ МИТОХОНДРИИ.

2.НАДН - ДГ(ФМН).

4. Q*Н2 - ДГ (ЦИТОХРОМЫ в, с1).

5.ЦИТОХРОМ С.

6.ЦИТОХРОМОКСИДАЗА участвует в передаче электронов на кислород (включает ЦИТОХРОМЫ а, аЗ).

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

Полная ЭТЦ - взаимодействие субстрата с НАД. Укороченная ЭТЦ - взаимодействие субстрата с ФАД и последующий транспорт электронов и протонов сразу на КОФЕРМЕНТ Q.

Порядок компонентов дыхательной цепи обусловлен величиной их геd-ох потенциалов Он изменяется от -0.32В до + 0,81 В. -0,32 характерно для НАДН2, +0,81 характерно для О2.

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ.

В дыхательной цепи создаются условия для синтеза АТФ, т.е. выделяется достаточное количество энергии.