Биохимические основы жизнедеятельности организма человека - Волков Н.И., Несен Э.Н. 2000

Биохимические основы жизнедеятельности организма человека
Обмен энергии в организме
Биологическое окисление основной путь энергообразования в клетках организма

Процесс биологического окисления питательных веществ в организме привлекает внимание ученых уже более 200 лет. Связано это с тем, что би­ологическое окисление веществ в тканях организма, как и процесс горе­ния, сопряжено с освобождением энергии.

Существенный вклад в развитие этой проблемы внесли А.В. Энгель­гардт (1930) и В.А. Белицер (1941), которые установили взаимосвязь (сопряжение) процесса окисления с фосфорилированием АДФ. Ими по­казано, что энергия, выделяющаяся при окислении питательных веществ, не только рассеивается в виде тепла, но и накапливается в молекулах АТФ.

В настоящее время процессы биологического окисления и образова­ния АТФ в клетках организма хорошо изучены благодаря работам таких известных исследователей, как О. Варбург, Г. Кребс, П. Митчелл, А. Ленинджер, В.П. Скулачев и многие другие.

Процессы биологического окисления. При обмене веществ в орга­низме человека протекают окислительно-восстановительные реакции. Процесс окисления любого вещества связан с отдачей электронов окисля­емым веществом (донором электронов), а процесс восстановления — с при­соединением электронов к какому-то веществу (акцептору электронов). Рассмотрим процесс окисления-восстановления на примере прямой реак­ции окисления водорода атомарным кислородом (в неживой природе — это реакция горения):

В ходе этой реакции высокоэнергетические электроны молекулы водо­рода переходят на низкоэнергетическую орбиту атома кислорода и теря­ют часть энергии. Процесс непосредственного взаимодействия водорода с кислородом сопровождается быстрым высвобождением энергии в виде теплового взрыва. В живых организмах в целях сохранения целостности клетки выделение энергии происходит постепенно.

Процесс биологического окисления питательного вещества — субстра­та (S) в клетках организма протекает с участием специфических фермен­тов и переносчиков водорода (А) согласно следующей схеме:

Конечным акцептором водорода в реакциях биологического окисления в клетках организма человека могут быть органические вещества и кисло­род вдыхаемого воздуха. Процессы биологического окисления питатель­ных веществ в клетках, протекаемые с участием кислорода воздуха, назы­ваются тканевым дыханием.

Типы реакций биологического окисления. Выделяют аэробные и анаэробные реакции биологического окисления веществ. Если акцептором водорода является кислород — это аэробный, или дыхательный тип окис­ления. Протекает он с участием ферментов оксидаз:

Если акцептором водорода является не кислород, а какое-либо орга­ническое вещество (например, S₂), то такой тип окисления является ана­эробным. В анаэробных реакциях участвуют ферменты дегидрогеназы:

Кроме этих реакций в клетках протекают окислительно-восстанови­тельные реакции с изменением валентности атомов железа, как это имеет место при передаче водорода на кислород в системе дыхательной цепи митохондрий:

Взаимосвязь процессов биологического окисления и образования АТФ. Освобождаемая в реакциях биологического окисления энергия может рассеиваться в виде тепла или улавливаться в процессе синтеза макроэргических соединений. Поэтому выделяют свободное и сопряженное окисление.

Свободное окисление не взаимосвязано с переходом энергии биоло­гического окисления в энергию макроэргических соединений. Выделяю­щаяся энергия рассеивается в виде тепла. Этот вид энергообразования в клетках важен для теплорегуляции и детоксикации вредных продуктов об­мена веществ. Наблюдается он при отдельных видах мышечной деятель­ности и интенсивной разминки.

Сопряженное окисление связано с переходом свободной энергии, вы­деляющейся в процессе биологического окисления, в доступную для ис­пользования форму энергии — макроэргические связи АТФ или другие ви­ды энергии, например ионный градиент. Различают такие виды сопряжен­ного окисления, как субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование.

Субстратное фосфорилирование — это синтез АТФ за счет перено­са высокоэнергетического ортофосфата (Н₃РO₄) от окисляемого субстрата на АДФ. Такое фосфорилирование происходит в основном в мышцах при анаэробном окислении глюкозы с участием высокоспецифических фер­ментов. Примером может служить окисление 2-фосфоглицериновой кис­лоты в процессе превращения ее в пировиноградную кислоту. Механизм образования АТФ в этой реакции связан с внутримолекулярным окисле­нием 2-фосфоглицериновой кислоты и превращением ее в макроэргическое соединение — фосфоэнолпировиноградную кислоту:

Фосфоэнолпировиноградная кислота благодаря ферменту пируваткиназе способна передавать высокоэнергетический фосфат на АДФ с обра­зованием АТФ и пировиноградной кислоты:

За счет реакций субстратного фосфорилирования образуется сравни­тельно небольшое количество АТФ в клетке.

Окислительное фосфорилирование — это синтез АТФ за счет энергии, которая выделяется при переносе электронов по дыхательной цепи от окисляемых питательных веществ к атомарному кислороду. Окислительное фосфорилирование является основным механизмом образования АТФ в аэробных условиях.

Субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование характеризуются разной степенью сопряженности между реакциями, проте­кающими с освобождением и накоплением энергии. При субстратном фос­форилировании окисление тесно связано с образованием первичного макроэргического соединения. При окислительном фосфорилировании окис­ление в дыхательной цепи непосредственно не связано с синтезом АТФ и первоначально используется для образования протонного потенциала, кото­рый в дальнейшем приводит к синтезу АТФ. Энергия протонного потенциа­ла может затрачиваться и на другие виды работы, поэтому образование АТФ не является единственным и обязательным следствием окисления.

Ферменты и коферменты реакций биологического окисления, их участие в метаболизме клеток. Окислительно-восстановительные реак­ции в организме катализируются специфическими ферментами из класса оксидоредуктаз. Реакции окисления, связанные с отщеплением водорода от окисляемого субстрата (дегидрогенизация), катализируются фермента­ми дегидрогеназами, а реакции присоединения водорода к кислороду — ферментами оксидазами. Дегидрогеназы содержат в своем активном цен­тре небелковую часть (кофермент), которая осуществляет функцию переносчика водорода. Основными переносчиками водорода являются никоти­намидные и флавиновые коферменты.

Рис. 15 Строение НАД и НАДФ (а), процесс их восстановления (б)

К никотинамидным конферментам относятся НАД (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат). Они непрочно связаны с белковой частью фермента и могут легко переходить к другим ферментам.

В организме имеется большое количество НАД-зависимых ферментов, которые не только участвуют в реакциях энергообразования, но и катали­зируют другие реакции, например реакции биосинтеза веществ. Достаточ­но изученным НАД-зависимым ферментом является лактатдегидрогеназа, которая катализирует обратимую реакцию окисления пировиноградной кислоты в молочную. От активности этого фермента зависит скорость аэ­робного и анаэробного окисления глюкозы в мышцах.

Переносчики водорода НАД и НАДФ состоят из двух мононуклеотидов, связанных между собой остатками фосфорной кислоты. Активная их часть представлена амидом никотиновой кислоты (витамин РР). Никотинамид­ное кольцо НАД способно забирать один протон Н⁺ и два электрона (2е-) от окисляемого субстрата (S₁) и переходить из окисленной формы в вос­становленную (рис. 15).

Участие НАД в окислении веществ можно представить схематически:

Восстановленная форма НАДН легко перемещается в клетке и может отдавать водород на другие вещества — субстраты (S₂). При этом протон другого атома водорода (Н⁺) остается в водной среде. Поэтому восста­новленную форму переносчика НАД обозначают как НАДН или НАДН₂.

Молекула НАДФ в отличие от НАД содержит дополнительный остаток фосфорной кислоты, присоединенный к углеводному компоненту одного из нуклеотидов (см. рис. 15). Кофермент НАДФ способен присоединять водород, переходя в восстановленную форму (НАДФН₂), и выполнять роль переносчика водорода; НАДФН₂ входит в состав ферментов, которые ка­тализируют анаболические реакции в обмене веществ (анаболизм), в то время как НАД является коферментом катаболизма углеводов, жиров и аминокислот. Следовательно, НАД и НАДФ регулируют разнонаправлен­ные метаболические процессы. Изменением количества этих коферментов в клетке можно направленно влиять на процессы энергообразования и восстановительного синтеза веществ в организме.

К флавиновым коферментам относятся ФМН (флавинмононуклеотид) и ФАД (флавинадениндинуклеотид); ФМН и ФАД являются простетической группой ферментов, т. е. прочно связаны с их белковой частью. Они не мо­гут свободно переходить от фермента к ферменту.

Переносчики ФМН и ФАД представляют собой сложные соединения, ак­тивной частью которых является изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина (ви­тамина В₂). К атомам азота этого кольца могут присоединяться два атома во­дорода либо два протона (2Н⁺) и два электрона (2е^-), при этом коферменты переходят из окисленной формы в восстановленную: ФАД → ФАДН₂ (рис. 16).

Рис. 16 Строение ФАД (а) и процесс его восстановления (б)

Флавиновые коферменты участвуют в окислении янтарной кислоты и некоторых продуктов обмена жирных кислот; ФМН — один из переносчи­ков водорода в дыхательной цепи митохондрий.