Окислення біологічне
Окислення біологічне (клітинне чи тканинне дихання) — це окислювально-відновні реакції, які у клітинах організму, у яких складні органічні речовини окислюються за участю специфічних ферментів киснем, доставляемым кров'ю. Кінцевими продуктами біологічного окислення є вода та двоокис вуглецю. Енергія, що звільняється в процесі біологічного окислення, частково виділяється у вигляді тепла, основна ж її частина йде на утворення молекул складних фосфорорганічних сполук (головним чином аденозинтрифосфату — АТФ), які є джерелами енергії, необхідної для життєдіяльності організму.
При цьому процес окислення полягає у відібранні від окислюваної речовини (субстрату) електронів і рівного їм числа протонів. Субстратами біологічного окиснення є продукти перетворень жирів, білків та вуглеводів. Біологічне окислення субстратів до кінцевих продуктів здійснюється ланцюгом послідовних реакцій, до числа проміжних продуктів яких входять трикарбонові кислоти - лимонна, цисаконітова та ізолімонна кислоти, тому весь ланцюг реакцій носить назву циклу трикарбонових кислот, або циклу Кребса (на ім'я дослідника, який встановив цей цикл).
Початковою реакцією циклу Кребса є конденсація щавлево-оцтової кислоти з активованою формою оцтової кислоти (ацетату), яка є сполукою з коферментом ацетилювання — ацетил-КоА. В результаті реакції утворюється лимонна кислота, яка після чотириразової дегідрогізації (відщеплення від молекули 2 атомів водню) та дворазового декарбоксилювання (відщеплення молекули CO2) утворює щавлевооцтову кислоту. Джерелами ацетил-КоА, що використовується в циклі Кребса, є оцтова кислота, піровинограднакислота — один з продуктів гліколізу (див.), жирні кислоти (див.) та ін. при розпаді білка. Зважаючи на оборотність більшості реакцій циклу Кребса продукти розпаду білків, жирів і вуглеводів (інтермедіати) в ньому можуть не тільки окислюватися, але й виходити при його зверненні. Так здійснюється зв'язок між обміном жирів, білків та вуглеводів.
Реакції окислення, що протікають у циклі Кребса, не супроводжуються, як правило, утворенням багатих енергією сполук. Винятком є перетворення сукциніл-КоА на сукцинат (див. Янтарна кислота), яке супроводжується утворенням гуанозинтрифосфату. Більшість АТФ утворюється в ланцюгу дихальних ферментів (див.), де перенесення електронів (а перших етапах і протонів) до кисню супроводжується виділенням енергії.
Реакції відщеплення водню здійснюються ферментами класу дегідрогеназ, причому атоми водню (тобто протони + електрони) приєднуються до коферментів: нікотинамідаденіндінуклеотиду (НАД), нікотинамідаденіндінуклеотид-фосфату (НАДФ), флавінаден.
Процеси біологічного окислення, пов'язані з циклом Кребса та ланцюгом дихальних ферментів, протікають переважно у мітохондріях та локалізовані на їх мембранах.
Таким чином, процеси біологічного окислення, пов'язані з циклом Кребса, мають значення як при утворенні сполук, багатих на енергію, так і для здійснення зв'язку вуглеводного, жирового та білкового обміну. Інші види біологічного окислення, мабуть, мають більш вузьке значення, наприклад, енергозабезпечення клітин. Така стадія гліколізу, що полягає вокисленні ряду фосфорних сполук з одночасним відновленням НАД та утворенням АТФ або реакції пентозного циклу (тобто окислювального перетворення глюкозо-6-фосфату), що супроводжуються утворенням фосфопентоз та відновленого НАДФ. Пентозний цикл відіграє важливу роль у тканинах, що характеризуються інтенсивно протікають синтезами - нуклеїнових, жирних кислот, холестерину та ін. Див. також Обмін речовин і енергії.
Окислення біологічне - це сукупність окислювально-відновних реакцій, що протікають у біологічних об'єктах. Під процесом окислення розуміють втрату речовиною електронів чи електронів і протонів одночасно (втрату водневих атомів) чи приєднання кисню. Реакції протилежного спрямування характеризують процес відновлення. Відновлювачами називають речовини, що втрачають електрони, окислювачами - речовини, що набувають електрони. Біологічне окислення становить основу тканинного, або клітинного, дихання (процесу, в результаті якого тканини і клітини поглинають кисень і виділяють вуглекислий газ і воду) - головного джерела енергії для організму. Речовиною, що приймає (акцептує) електрони, тобто відновлюється, є молекулярний кисень, що перетворюється на аніон кисню O - . Водневі атоми, що відщеплюються від органічної речовини - субстрату окислення (SH2), перетворюються при втраті електронів на протони або позитивно заряджені катіони водню:
Внаслідок реакції між катіонами водню та аніонами кисню утворюється вода, а реакція супроводжується виділенням значної кількості енергії на кожні 18 г води). Як побічний продукт біологічного окислення утворюється вуглекислий газ. Деякі з реакцій біологічного окислення призводять до утворення перекису водню під впливомкаталази, що розпадається на H2O і O2.
Постачальниками енергії в організмі людини є продукти харчування — білки, жири та вуглеводи. Однак ці речовини не можуть бути субстратами біологічного окислення. Вони попередньо розщеплюються в травному тракті, де з білків утворюються амінокислоти, з жирів - жирні кислоти і гліцерин, зі складних вуглеводів - моносахариди, в першу чергу гексози. Всі ці сполуки всмоктуються та надходять (прямо чи через лімфатичну систему) у кров. Разом з аналогічними речовинами, утвореними в органах та тканинах, вони складають «метаболічний фонд», з якого організм черпає матеріал для біосинтезів та задоволення енергетичних запитів. Головними субстратами біологічного окиснення є продукти тканинного обміну амінокислот, вуглеводів і жирів, які отримали назву речовин лимоннокислого циклу. До них відносяться кислоти: лимонна, цисаконітова, ізолімонна, щавлевоеянтарна, α-кетоглютарова, бурштинова, фумарова, яблучна, щавлевооцтова.
Пировиноградна кислота СН3-СО-СООН не входить безпосередньо в лимоннокислий цикл, але відіграє в ньому істотну роль, як і продукт її декарбоксилювання - активна форма оцтової кислоти СН3СОКоА (ацетил-коензим А).
Процеси, що входять до «лимоннокислого циклу» («цикл Кребса», «цикл трикарбонових кислот»), протікають під дією ферментів, укладених у клітинних органелах, званих мітохондріями. Елементарний акт окислення будь-якої речовини, що входить у лимоннокислий цикл, - це відібрання від цієї речовини водню, тобто акт дегідрогізації, обумовлений активністю відповідного специфічно діючого ферменту дегідрогенази (рис. 1).
Якщо процеспочинається з піровиноградної кислоти, то відщеплення двох атомів водню (2Н) у циклі Кребса повторюється 5 разів і супроводжується трьома послідовними етапами декарбоксилювання. Перший акт - дегідрогенізація - відбувається при перетворенні піровиноградної кислоти в ацетил-КоА, що конденсується з щавлевооцтовою кислотою в лимонну. Вдруге дегідрогенізація призводить до утворення щавлевоеянтарної кислоти з ізолімонної. Третій акт - відщеплення двох атомів водню - пов'язаний з перетворенням кетоглютарової кислоти на сукциніл-КоА; четвертий - з дегідрогенізацією бурштинової кислоти і, нарешті, п'ятий - з перетворенням яблучної кислоти на щавлевооцтову, яка знову може вступити в конденсацію з ацетил-КоА і забезпечити утворення лимонної кислоти. При розпаді сукциніл-КоА утворюється багата енергією зв'язок (
Р) - це так зване субстратне фосфорилювання: Сукциніл-КоА + Н3РО4 + АДФ → янтарна кислота + КоА + АТФ.
Чотири з названих актів дегідрогізації здійснюються за участю специфічних дегідрогеназ, коферментом яких є нікотинамідаденіндінуклеотид (НАД). Один акт — перетворення бурштинової кислоти на фумарову — відбувається під впливом сукциндегідрогенази — флавопротеїду I. У даному випадку коферментом є флавінаденіндінуклеотид (ФАД). В результаті п'яти повторних актів дегідрогізації (рис. 2) при реакціях, що відбуваються в лимоннокислому циклі, утворюються відновлені форми коферментів: 4-НАДН2 1-ФАДН2. Дегідрогеназа відновленого НАД, тобто приймаючаводень з НАДН2 належить також до флавінових ферментів - це флавопротеїд II. Однак він відрізняється від сукциндегідрогенази структурою як білка, так і флавінового компонента. Подальше окислення відновлених форм флавопротеїдів І і ІІ, що містять ФАДН2, відбувається за участю цитохромів (див.), що являють собою складні білки - хромопротеїди, що містять у своєму складі залізопорфірини - геми.
При окисленні ФАДН2 шляхи протону і електронів розходяться: протони надходять у довкілля як іонів водню, а електрони через серію цитохромів (рис.3) передаються кисень, перетворюючи їх у аніон кисню O —— . Між ФАДН2 і системою цитохромів, мабуть, бере участь ще один фактор - коензим Q. Кожна наступна ланка в дихальному ланцюгу від НАДН2 до кисню характеризується більш високим окислювально-відновним потенціалом (див.). Протягом усього дихального ланцюга від НАДН2 до ½O2 потенціал змінюється на 1,1 (від -0,29 до +0,81). При повному окисленні, наприклад, піровиноградної кислоти, що супроводжується п'ятикратним відщепленням водню, енергетична ефективність процесу складе близько 275 ккал (55X5). Ця енергія не розсіюється повністю як тепла; приблизно 50% її акумулюється у вигляді багатих на енергію фосфорних сполук, головним чином аденозинтрифосфату (АТФ).
Процес трансформації енергії окислення в багаті на енергію зв'язку (
Р) кінцевого фосфатного залишку молекули АТФ локалізовано у внутрішніх мітохондріальних мембранах і пов'язаний з певними етапами перенесення водню та електронів по дихальному ланцюзі (рис. 4). Прийнято вважати, що перше фосфорилювання пов'язане з транспортом водню від НАДН2 до ФАД, друге пов'язане з перенесенням електронів на цитохром c1 і, нарешті, третє, найменш вивчене, розташоване міжцитохромами c та a.
Р: KoQ - коензим Q; SH2 - субстрат окиснення; цС1, цС, ц (А+А3) - цитохроми С1, С, (А+А3); J1, J2, J3 - специфічні для даної ланки дихального ланцюга сполуки, що беруть участь у освіті багатих енергією зв'язків; X — неспецифічна речовина, що утворює багаті на енергію зв'язки з J1, J2, J3, що змінює їх на фосфатні залишки і передає останні на аденозиндифосфорну кислоту (АДФ) з утворенням АТФ.
Механізм освіти багатих на енергію зв'язків ще не розшифрований. З'ясовано, проте, що складається з кількох проміжних реакцій (на рис. 4— від J
X до АТФ), лише останньою з яких є утворення багатого на енергію фосфатного залишку АТФ. Багатий на енергію зв'язок кінцевої фосфатної групи в АТФ оцінюється в 8,5 ккал на грам-молекулу (у фізіологічних умовах — близько 10 ккал). При перенесенні водню та електронів по дихальному ланцюгу, починаючи з НАДН2 і закінчуючи утворенням води, звільняється 55 ккал та акумулюється у вигляді АТФ не менше 25,5 ккал (8,5X3). Отже, енергетична ефективність біологічного окислення становить близько 50%.
Р) щодо різних фізіологічних функцій.
Біологічний зміст фосфорилюючого окислення зрозумілий (рис. 5): всі процеси життєдіяльності (м'язова робота, нервова діяльність, біосинтези) вимагають витрати енергії, краї забезпечується розривом багатих на енергію фосфатних зв'язків (
Р). Біологічний сенс нефосфорилюючого – вільного – окисленняможна бачити в численних реакціях окислення, не пов'язаних з лимоннокислим циклом та перенесенням водню та електронів по дихальному ланцюгу. Сюди відносяться, наприклад, всі позамітохондріальні процеси окислення, окислювальне видалення токсично діючих речовин і багато актів регуляції кількісного вмісту біологічно активних сполук (деяких амінокислот, біогенних амінів, адреналіну, гістидину, серотоніну і т.д., альдеги). менш інтенсивного їхнього окиснення. Співвідношення вільного та фосфорилюючого окислення є також одним із шляхів терморегуляції у людини та теплокровних тварин. також Обмін речовин та енергії.