Окислення біологічне

Окислення біологічне (клітинне або тканинне дихання) - окисно-відновні реакції, що протікають у клітинах організму, в результаті яких складні органічні речовини окислюються за участю специфічних ферментів киснем, які доставляють кров'ю. Кінцевими продуктами біологічного окиснення є вода і двоокис вуглецю. Освобождающаяся у процесі біологічного окислення енергія частково виділяється у вигляді тепла, основна 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 субстрату речовини (субстрату) електронів і рівного їм числа протонів. Субстратами біологічного окиснення є продукти перетворень жирів, білків і вуглеводів. Біологічне окислення субстратів до кінцевих продуктів здійснюється ланцюгом послідовних реакцій, в число проміжних продуктів яких входять трикарбоновые кислоти - лимонна, цисаконитовая і изолимонная кислоти, тому вся ланцюг реакцій носить назву циклу трикарбонових кислот, або циклу Кребса (по імені дослідника, який встановив цей цикл).
Початковою реакцією циклу Кребса є конденсація щавлево-оцтової кислоти з активованою формою оцтової кислоти (ацетату), яка являє собою з'єднання з коферментом ацетилювання - ацетил-КоА. В результаті реакції утворюється лимонна кислота, яка після чотирикратної дегидрогенизации (відщеплення від молекули 2 атомів водню) і дворазового декарбоксилювання (відщеплення молекули CO2) утворює щавелевоуксусную кислоту. Джерелами ацетил-КоА, що використовується в циклі Кребса, є оцтова кислота, піровиноградна кислота - один з продуктів гліколізу (див.), жирні кислоти (див.) та ін. Поряд з окисленням ацетил-КоА в циклі Кребса можуть піддаватися окисленню та інші речовини, здатні перетворюватися на проміжні продукти цього циклу, наприклад багато з амінокислот, що утворюються при розпаді білка. Зважаючи оборотності більшості реакцій циклу Кребса продукти розпаду білків, жирів і вуглеводів (інтермедіату) у ньому можуть не тільки окислюватися, але і виходити при його зверненні. Так здійснюється зв'язок між обміном жирів, білків і вуглеводів.
Протікають в циклі Кребса реакції окислення не супроводжуються, як правило, утворенням багатих енергією з'єднань. Виняток представляє перетворення сукцинил-КоА в сукцинат (див. Бурштинова кислота), яке супроводжується утворенням гуанозинтрифосфата. Велика частина АТФ утворюється в ланцюзі дихальних ферментів (див.), де перенесення електронів (а на перших етапах і протонів) до кисню супроводжується виділенням енергії.
Реакції відщеплення водню здійснюються ферментами класу дегідрогеназ, причому атоми водню (тобто протони + електрони) приєднуються до коферментам: никотинамидадениндинуклеотиду (НАД), никотинамидадениндинуклеотид-фосфату (НАДФ), флавинадениндинуклеотиду (ФАД) та ін.
Процеси біологічного окислення, пов'язані з циклом Кребса і ланцюгом дихальних ферментів, протікають переважно в мітохондріях і локалізовані на їх мембранах.
Таким чином, процеси біологічного окислення, пов'язані з циклом Кребса, мають значення як при утворенні сполук, багатих енергією, так і для здійснення зв'язку вуглеводного, жирового і білкового обміну. Інші види біологічного окислення, мабуть, мають більш вузьке значення, наприклад енергозабезпечення клітин. Така стадія гліколізу, що полягає в окисленні ряду фосфорних сполук з одночасним відновленням НАД і утворенням АТФ або реакції пентозного циклу (тобто окисного перетворення глюкозо-6-фосфату), що супроводжуються утворенням фосфопентоз і відновленого НАДФ. Пентозный цикл відіграє важливу роль в тканинах, що характеризуються інтенсивно протікають синтезами - нуклеїнових, жирних кислот, холестерину і пр. См. також Обмін речовин і енергії.

Окислення біологічне - сукупність окисно-відновних реакцій, що протікають у біологічних об'єктах. Під процесом окислення розуміють втрату електронів речовиною або електронів і протонів одночасно (втрату водневих атомів) або приєднання кисню. Реакції протилежного напрямку характеризують процес відновлення. Відновниками називають речовини, що втрачають електрони, окислювачами - речовини, які купують електрони. Окислення біологічне 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, які беруть (акцептирующим) електрони, тобто відновлюються, є молекулярний кисень, перетворюється в аніон кисню O--. Водневі атоми, які відраховують від органічної речовини - субстрату окиснення (SH2), перетворюються при втраті електронів в протони або позитивно заряджені катіони водню:
SH2→S→2H; 2Н→2H+ + 2e: ½O2→ПРО;→2е→O--; 2H+ + O--→H2O+55 ккал. В результаті реакції між катіонами водню і аніонами кисню утворюється вода, а реакція супроводжується виділенням значної кількості енергії на кожні 18 г води). В якості побічного продукту біологічного окислення утворюється вуглекислий газ. Деякі з реакцій О. б. призводять до утворення перекису водню, під впливом каталази розпадається на H2O і O2.
Постачальниками енергії в організмі людини є продукти харчування - білки, жири і вуглеводи. Однак ці речовини не можуть служити субстратами О. б. Вони попередньо піддаються розщепленню в травному тракті, де з білків утворюються амінокислоти, з жирів - жирні кислоти і гліцерин, складні вуглеводи - моносахариди, в першу чергу гексозы. Всі ці сполуки всмоктуються і надходять (прямо або через лімфатичну систему) у кров. Разом з аналогічними речовинами, утвореними в органах і тканинах, вони становлять «метаболічний фонд», з якого організм черпає матеріал для биосинтезов і для задоволення енергетичних запитів. Головними субстратами О. б. є продукти тканинного обміну амінокислот, вуглеводів і жирів, що отримали назву речовин «лимоннокислого циклу». До них відносяться кислоти:
лимонна, цисаконитовая, изолимонная, щавелевоянтарная, α-кетоглютаровая, янтарна, фумарова, яблучна, щавелевоуксусная.
Піровиноградна кислота СН3-З-СООН не входить безпосередньо в лимоннокислий цикл, але відіграє в ньому важливу роль, як і продукт її декарбоксилювання - активна форма оцтової кислоти СН3СОКоА (ацетил-коензим А).
Процеси, що входять в «лимоннокислий цикл» («цикл Кребса», «цикл трикарбонових кислот»), протікають під дією ферментів, укладених в клітинних органелах, які називають мітохондріями. Елементарний акт окислення будь-якої речовини, що входить до лимоннокислий цикл,- це відібрання від цієї речовини водню, тобто акт дегидрогенизации, обумовлений активністю відповідного специфічно чинного ферменту дегідрогенази (рис. 1).

Рис. 1. Схема лимоннокислого циклу Кребса.

Якщо процес починається з піровиноградної кислоти, то відщеплення двох атомів водню (2Н) в циклі Кребса повторюється 5 разів і супроводжується трьома послідовними етапами декарбоксилювання. Перший акт - дегідрогенізація - відбувається при перетворення піровиноградної кислоти до ацетил-КоА, конденсується з щавлевооцтової кислоти в лимонну. Другий раз дегідрогенізація призводить до утворення щавелевоянтарной кислоти з ізолимонної. Третій акт - відщеплення двох атомів водню - пов'язаний з перетворенням кетоглютаровой кислоти в сукцинил-КоА; четвертий - з дегидрогенизацией бурштинової кислоти і, нарешті, п'ятий - з перетворенням яблучної кислоти в щавелевоуксусную, яка знову може вступити в конденсацію з ацетил-КоА і забезпечити утворення лимонної кислоти. При розпаді сукцинил-КоА утворюється багата енергією зв'язок (~Р) - це так зване субстратне фосфорилювання: Сукцинил-КоА + Н3РО4 + АДФ → бурштинова кислота + КоА + АТФ.

Рис. 2. Схема дегидрогенизации субстратів лимоннокислого циклу специфічними ферментами, що складаються з диссоциирующих комплексів: білків - б1, б2, б3 і б4 з НАД і НАДН2 і білка б5, утворює комплекс з ФАД (сукциндегидрогеназу); ЦАК - цисаконитовая кислота.


Чотири з названих актів дегидрогенизации здійснюються за участю специфічних дегідрогеназ, коферментом яких є никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Один акт - перетворення бурштинової кислоти в фумаровую - відбувається під впливом сукциндегидрогеназы - флавопротеида I. В даному випадку є коферментом флавинадениндинуклеотид (ФАД). В результаті п'яти повторних актів дегидрогенизации (рис. 2) при реакціях, що відбуваються в лимоннокислом циклі, утворюються відновлені форми коферментів: 4-НАДН2 1-ФАДН2. Дегідрогеназа відновленого НАД, тобто приймаюча водень з НАДН2, належить також до флавиновым ферментам - це флавопротеид II. Однак він відрізняється від сукциндегидрогеназы структурою білку, так і флавинового компонента. Подальше окислення відновлених форм флавопротеидов I і II, що містять ФАДН2, відбувається за участю цитохромів (див.), що представляють собою складні білки - хромопротеиды, що містять у своєму складі железопорфирины - геми.
При окисленні ФАДН2 шляху протона і електронів розходяться: протони надходять у навколишнє середовище у вигляді іонів водню, а електрони через серію цитохромів (рис.3) передаються на кисень, перетворюючи його в аніон кисню O-- . Між ФАДН2 і системою цитохромів, мабуть, бере участь ще один фактор - кофермент Q. Кожне наступне ланка в дихальної ланцюга від НАДН2 до кисню характеризується більш високим окислювально-відновним потенціалом (див.). Протягом всієї дихальної ланцюга від НАДН2 до ½O2 потенціал змінюється на 1,1 в (від -0,29в до+0,81в). При повному окисленні, наприклад піровиноградної кислоти, що супроводжується п'ятикратним відщепленням водню, енергетична ефективність процесу складе близько 275 ккал (55X5). Ця енергія не повністю розсіюється у вигляді тепла; приблизно 50% її акумулюється у вигляді багатих енергією
фосфорних сполук, головним чином аденозинтрифосфату (АТФ).
Процес трансформації енергії окислення у багаті енергією зв'язку (~Р) кінцевого фосфатного залишку молекули АТФ локалізована у внутрішніх мітохондріальних мембранах і пов'язаний з певними етапами перенесення водню і електронів по дихальному ланцюгу (мал. 4). Прийнято вважати, що перше фосфорилювання пов'язано з транспортом водню від НАДН2 до ФАД, друге пов'язане з перенесенням електронів на цитохром c1 і, нарешті, третє, менш за все вивчене, розташоване між цитохромами c і a.
Механізм утворення багатих енергією зв'язків ще не розшифровано. З'ясовано, проте, що процес складається з декількох проміжних реакцій (на рис. 4 - від J~X до АТФ), лише останньою з яких є освіта багатого енергією фосфатного залишку АТФ. Багата енергією зв'язок кінцевої фосфатної групи в АТФ оцінюється в 8,5 ккал на грам-молекулу (у фізіологічних умовах - близько 10 ккал). При перенесенні водню і електронів по дихальному ланцюгу, починаючи з НАДН2 і закінчуючи утворенням води, звільняється 55 ккал і акумулюється у вигляді АТФ не менше 25,5 ккал (8,5X3). Отже, енергетична ефективність процесу біологічного окислення становить близько 50%.

Рис. 3. Схема передачі водню і електронів по дихальному ланцюгу; Е0 - окислювально-відновний потенціал.
Рис. 5. Схема використання енергії фосфатних зв'язків АТФ (АМФ-Р~Р) для різних фізіологічних функцій.

Біологічний сенс фосфорилирующего окислення зрозумілий (рис. 5): усі процеси життєдіяльності (м'язова робота, нервова діяльність, биосинтезы) вимагають витрати енергії, краю забезпечується розривом багатих енергією фосфатних зв'язків (~Р). Біологічний сенс нефосфорилирующего - вільного - окислення можна бачити у численних реакціях окислення, не пов'язаних з лимоннокислым циклом і перенесенням водню і електронів по дихальному ланцюгу. Сюди належать, наприклад, всі внемитохондриальные процеси окислення, окисне видалення токсично діючих речовин і багато акти регулювання кількісного вмісту біологічно активних сполук (деяких амінокислот, біогенних амінів, адреналіну, гістидину, серотоніну і т. д., альдегідів тощо) шляхом більш або менш інтенсивного їх окислення. Співвідношення вільного і фосфорилирующего окислення є також одним із шляхів терморегуляції у людини і теплокровних тварин. См. також Обмін речовин і енергії.