Підручник - БІОЛОГІЧНА ХІМІЯ - Губський Ю.І. - 2000

Розділ II. ЗАГАЛЬНІ ЗАКОНОМІРНОСТІ МЕТАБОЛІЗМУ

ГЛАВА 9. БІОЕНЕРГЕТИЧНІ ПРОЦЕСИ: ТРАНСПОРТ ЕЛЕКТРОНІВ; ОКИСНЕ ФОСФОРИЛЮВАННЯ В МІТОХОНДРІЯХ

Біоенергетичні процеси — біологічне окислення та спряжене з ним окисне фосфорилювання — є кінцевою фазою катаболізму молекул у живих організмах, що реалізується складними мультиензимними комплексами внутрішніх мембран мітохондрій. Результатом цих структурованих у біомембранах реакцій є генерація макроергічних зв’язків у молекулі АТФ — основному постачальнику енергії для всіх ендергонічних процесів клітин.

9.1. РЕАКЦІЇ БІОЛОГІЧНОГО ОКИСЛЕННЯ

Внутрішньомолекулярне окислення біологічних субстратів (біологічне окислення) є основним молекулярним механізмом, за рахунок якого забезпечуються енергетичні потреби функціонування живих організмів.

Окислення — це процес втрати атомом, молекулою, що окислюється (субстратом окислення), електронів або атомів водню (протонів та електронів).

Відновлення — реакція, зворотна окисленню, супроводжується приєднанням органічним субстратом електронів або атомів водню (гідруванням субстрату).

Прикладом окислювально-відновлювальної реакції, поширеної в біологічних системах, є перетворення ферро-іону в ферри-іон:

В окислювально-відновлювальному процесі завжди беруть участь два типи речовин: окисник (сполука, що приймає електрони) та відновник (сполука, що віддає електрони окиснику).

Електрони та атоми водню, що беруть участь в окислювально-відновлювальних реакціях, мають назву відновлювальних еквівалентів.

Окислювально-відновлювальна реакція може полягати в міжатомному або міжмолекулярному передаванні відновлювальних еквівалентів від донора електронів (сполуки, що окислюється) акцептору електронів (сполуці, що відновлюється) без безпосереднього приєднання акцептора до донора. Існують також реакції, в ході яких утворюється новий хімічний зв’язок між атомом вуглецю біомолекули, що окислюється, та гетероатомом, який є більш електронегативним і виступає окисником (зокрема, атомом кисню).

Окисник та відновник складають окислювально-відновлювальну пару (систему) (редокс-систему). Здатність окислювально-відновлювальної системи віддавати або приймати електрони характеризується її окислювально-відновлювальним потенціалом, значення якого обчислюється за рівнянням Нернста:

де: R — газова стала, T — абсолютна температура, n — кількість електронів, що беруть участь у реакції, F — число Фарадея, [OX] та [RED] — концентрації, відповідно, окисленої та відновленої форми сполуки, Е0 — стандартний окислювально-відновлювальний потенціал системи (тобто окислювально-відновлювальний потенціал за умов рівностей концентрацій окисленої та відновленої форм редокс-пари).

Величина Е0 кількісно визначає здатність системи бути донором або акцептором електронів відносно іншої редокс-системи. Згідно з рекомендаціями Міжнародного союзу з теоретичної та прикладної хімії (International Union of Pure and Applied Chemie — IUPAC), прийнято вважати, що більш негативні редокс-потенціали мають системи з підвищеною здатністю віддавати електрони, а більш позитивні — системи, що схильні акцептувати електрони.

Стандартні окислювально-відновлювальні потенціали (у вольтах) вимірюють відносно потенціалу водневого електрода H+/H2, приймаючи останній за 0,0 в при pH=0. Однак для біологічних систем більш зручно визначати редокс потенціали за умов pH=7,0 — такий стандартний окислювально-відновлювальний потенціал позначається E0'. За цих умов Е0' водневого електрода дорівнює — 0,42в. Значення Е0' біологічно важливих редокс-систем наведені нижче (п. 9.3).

Тканинне дихання

Реакції біологічного окислення складають молекулярну основу тканинного дихання —поглинання О2 живими тканинами, яке є інтегральним фізіологічним показником інтенсивності перебігу в них окислювально-відновлювальних процесів. Джерелом кисню для цього процесу є О2, який надходить в тканини за умов нормальної діяльності системи зовнішнього дихання та кисеньтранспортувальної функції гемоглобіну крові, і через плазматичні мембрани дифундує всередину клітин.

У результаті тканинного дихання, яке відбувається в мітохондріях, атоми кисню включаються в молекулу води, а вуглець біоорганічних сполук, що окислюються, виділяється у формі двоокису вуглецю. Саме мітохондріальне дихання є біохімічною основою утворення та акумуляції вільної хімічної енергіі, яка використовується у ендергонічних процесах.

У гепатоцитах печінки та клітинах деяких інших спеціалізованих тканин деяка частина кисню, який поглинається клітиною під час тканинного дихання, використовується в біологічному окисленні екзогенних та ендогенних субстратів у мембранах ендоплазматичного ретикулума — процесі мікросомального окислення, що є механізмом модифікації гідрофобних молекул в організмі. Його частка в сумарному балансі поглинання клітиною кисню складає в гепатоцитах до 20 %.

Рис. 9.1. Варбург (Warburg) Отто, німецький біохімік (1883-1970). Зробив значний внесок у з’ясування біохімічних механізмів тканинного дихання, будови та функції дихальних ферментів, коферментів НАД і ФАД. Нобелівська премія (1931).

Типи реакцій біологічного окислення

Усі окислювально-відновлювальні реакції, що відбуваються в живих клітинах, каталізуються ферментами з класу оксидоредуктаз.

У процесах біологічного окислення, що мають місце в живих системах, виділяють такі класи реакцій:

1. Реакції, пов’язані з передаванням субстратом, що окислюється (SН2), певному акцептору (A), водню (тобто протонів і електронів):

Реакції такого типу називаються реакціями дегідрування, а ферменти, що їх каталізують — дегідрогеназами.

Коферментами дегідрогеназ, що виконують функції безпосередніх акцепторів відновлювальних еквівалентів, є такі сполуки:

- нікотинамідні (піридинові) коферменти — нуклеотиди НАД+ (нікотинамідаденіндинуклеотид) та НАДФ+ (нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат);

- флавінові коферменти — нуклеотиди ФАД (флавінаденіндинуклеотид) та ФМН (флавінмононуклеотид).

Ці коферменти передають електрони на подальші біохімічні акцептори, утворюючи ланцюги передавання відновлювальних еквівалентів у біологічних системах.

Залежно від хімічної природи акцептора, з яким взаємодіють дегідрогенази, реакції дегідрування поділяють на такі класи:

1.1. Реакції дегідрування, в яких акцептором є хімічна сполука (R), відмінна від кисню:

Ферменти, що каталізують такі реакції, — анаеробні дегідрогенази.

1.2. Реакції дегідрування, в яких як акцептор використовується кисень:

Ферменти, що каталізують ці реакції, — аеробні дегідрогенази, або оксидази; в результаті їх дії утворюється перекис водню.

2. Реакції, що відбуваються з передаванням від субстрату до акцептора електронів (одного або двох):

Реакції такого типу каталізуються цитохромами дихального ланцюга мітохондрій.

3. Реакції, що полягають у безпосередньому приєднанні до субстрату, який окислюється, одного або двох атомів кисню.

Такі реакції дістали назву оксигеназних, а відповідні ферменти, що їх каталізують, — оксигеназ. Залежно від кількості атомів кисню, що взаємодіють із субстратом, оксигеназні реакції поділяють на:

- монооксигеназні:

- діоксигеназні:

Монооксигеназні реакції каталізуються цитохромом Р-450 і лежать в основі окислювального гідроксилювання багатьох гідрофобних субстратів екзогенного та ендогенного походження (мікросомальне окислення). До діоксигеназних належать реакції перекисного окислення ліпідів, тобто ненасичених жирних кислот, що входять до складу ліпідів природного походження.





Для любых предложений по сайту: [email protected]