Слайд 4

Ферменты биологического окисления

• Разнообразные реакции биологического окисления ускоряются многочисленными ферментами оксидоредуктазами, которые, как правило, встроены в биологические мембраны, причем очень часто в виде ансамблей.

Их разделяют на 5 групп:

• Оксидазы (катализируют удаление водорода из субстрата, используя при этом в качестве акцептора водорода только кислород)

Слайд 5

Аэробные дегидрогеназы (в отличие от оксидаз они могут использовать в качестве акцептора водорода не только кислород, но и искусственные акцепторы).

Слайд 6

• Анаэробные дегидрогеназы (не способны использовать кислород в качестве акцептора водорода)
• Выполняют две главные функции:
  • Перенос водорода с одного субстрата на другой
  • Компонент дыхательной цепи, обеспечивающий транспорт электронов от субстрата на кислород

Слайд 7

• Гидроксипероксидазы (используют в качестве субстрата перекись водорода или органические перекиси)
• Оксигеназы (катализируют прямое введение кислорода в молекулу субстрата)

Слайд 8

Типы биологического окисления

• Существуют 2 типа биологического окисления:
• Свободное окисление
  • Окисление, не сопряженное с фосфорилированием АДФ и не сопровождающееся трансформацией энергии, выделяющейся при окислении, в энергию макроэргических связей.
  • При свободном окислении высвобождающаяся энергия переходит в тепловую и рассеивается.
• • Этот тип биологического окисления осуществляется двумя путями:
  • субстратное фосфорилирование
  • окислительное фосфорилирование

Слайд 9

Свободное окисление

Слайд 10

• Реакции свободного окисления органических соединений в живой природе и ускоряющие их ферментные системы многообразны. Этим путем непосредственно окисляются не только многочисленные природные и неприродные субстраты, но и восстановленные коферменты (НАДН, НАДФН, ФАД·Н2 и др.), образовавшиеся при действии первичных и вторичных дегидрогеназ.
• Реакции свободного окисления протекают в цитозоле, на мембранах различных субклеточных структур, в ядерном аппарате клетки. Основным средоточием их являются мембраны эндоплазматической сети (ЭПС).
• Так как мембраны ЭПС при гомогенизации клеток и фракционировании субклеточных частиц гомогената дают фракцию микросом, то реакции окисления на мембранах ЭПС называются микросомальным окислением.

Слайд 11

Особенности микросомальной дыхательной цепи

1. Несмотря на наличие ферментов цепи переноса электронов, ни в одном пункте этой цепи не происходит сопряжения с фосфорилированием АДФ.
2. Своеобразие структуры и функциональной активности цитохромовb5 и Р–450, входящих в ее состав.
3. Высокое сродство терминальной оксидазы микросомальных цепей к кислороду, позволяющее ей конкурировать за кислород с митохондриальнойцитохромоксидазой.

Слайд 12

Ферменты свободного окисления

Слайд 13

• Пирокатехаза (катехол: кислород -1,2-оксидоредуктаза дециклизующая)
• Она содержит в активном центре два прочно связанных атома Fе, которые, согласно О. Хайаиши, соединяются с молекулярным кислородом в комплекс, где кислород далее активируется:
• Fe2+ + О2 → Fе2+О2 → Fе3+О2–

Слайд 14

Слайд 15

Примеры диоксигеназных реакций

Слайд 16

Свободное окисление при участии монооксигеназ

Слайд 17

Окисление, сопряженное с фосфорилированием АДФ

Слайд 18

Слайд 19

Субстратное фосфорилирование

Слайд 20

Субстратное фосфорилирование – такой вид биологического окисления, при котором: макроэргическая связь возникает в момент непосредственного окисления субстрата, затем тем или иным путем передается на фосфатный остаток, который, в свою очередь, используется для фосфорилирования АДФ, т.е. синтеза АТФ. Окисление, сопряженное с фосфорилированием АДФ на уровне субстрата.

Слайд 21

Примеры реакций субстратного фосфорилирования

• При окислении 3-фосфоглицеринового альдегида (3-ФГА) в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-ФГК) – гликолиз;
• При превращении фосфоенолпировиноградной кислоты (ФЕП) в пировиноградную (пируват, ПВК) – гликолиз;
• При превращении -кетоглутаровой кислоты в янтарную (реакция цикла Кребса).

Слайд 22

Окислительное декарбоксилирование кетоглутаровой кислоты

На этом участке цикла Кребса донором электронов является оксиацетилтиаминпирофосфат; акцептором электронов – липоевая кислота.

Слайд 23

Слайд 24

Слайд 25

На следующих этапах в реакцию вступает фермент

Слайд 26

Окислительное фосфорилирование

Слайд 27

• Это сопряжение окисления с синтезом АТФ, когда атомы водорода с коферментов дегидрогеназ, принимающих участие в окислении субстратов, передаются в оксидоредуктазную цепь, где сопряжено с переносом ионов Н+ и электронов на молекулярный кислород происходит активирование неорганического фосфата и при его посредстве – фосфорилирование АДФ с образованием АТФ
• Окисляемый субстрат в этом случае непосредственного участия в активировании неорганического фосфата не принимает
• Сопряжение окисления с фосфорилированием идет главным образом на внутренних мембранах митохондрий

Слайд 28

Окислительно-восстановительные ферменты

Слайд 29

Пиридиновые дегидрогеназы

• Коферменты – НАД и НАДФ
• Универсальный донор атомов Н для дыхательной цепи ферментов – НАДН2
• Если при окислении субстрата возникает НАДФН2, то осуществляется реакция:
• НАДФН2 + НАД ⇄ НАДФ + НАДН2

Слайд 30

Особенности реакций с участием пиридиновых дегидрогеназ

• Легкая обратимость.
• Коферменты легко отделяются от белковой части, обладают высокой подвижностью, что позволяет им переносить атомы Н, ионы Н+ и электроны из одной части клетки в другую.
• НАД и НАДФ способны принимать атомы Н от большого числа субстратов, окислительно-восстановительные потенциалы которых ниже (-0,32В).

Слайд 31

Флавиновые дегидрогеназы

• Коферменты – ФМН и ФАД.
• Флавиновые ферменты являются акцепторами атомов водорода и осуществляют перенос их от НАДН2:
• НАДН2 + ФАД ⇄ НАД + ФАДН2.
• В некоторых случаях (при окислении янтарной кислоты в цикле Кребса или при окислении жирных кислот) флавиновые ферменты могут играть роль первичных дегидрогеназ.
• ФМН и ФАД очень прочно связаны с апоферментом и не отщепляются от него ни на одной стадии каталитического цикла.
• Активной частью молекул ФАД и ФМН является изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина, к атомам азота которого могут присоединяться 2 атома водорода:

Слайд 36

• Самой примечательной особенностью дыхательной цепи ферментов является наличие в ней участков, где соседние компоненты резко отличаются значениями окислительно-восстановительных потенциалов.
• Именно здесь происходит сопряжение окисления с фосфорилированием АДФ, т.к. разность энергетических уровней электрона, транспортируемого с огромной скоростью, вполне достаточна для синтеза макроэргической связи и составляет 51 кДж для I, 36 кДж – для IIи 80,7 кДж – для III точки сопряжения.

Слайд 37

Хемиосмотическая гипотеза

• Питер Митчелл, Владимир Петрович Скулачев
• Реакции, сопровождающиеся расходованием или образованием Н+, протекают на внутренней мембране митохондрий таким образом, что протоны переносятся с внутренней мембраны на внешнюю, т.е. перенос электронов сопровождается возникновением трансмембранного градиента концентрации ионов Н+ – совершением осмотической работы.
• Этот градиент, создающий разность химических () и электрических () потенциалов, является источником энергии для протекания эндэргонического процесса образования АТФ.
• АТФаза является ферментом, способным использовать градиент концентрации ионов Н+ для обращения процесса гидролиза АТФ.

Слайд 38

Посмотреть все слайды

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.

Биологическое окисление – это совокупность окислительно-восстановительных превращений различных веществ в живых организмах. Окислительно-восстановительными называют реакции, протекающие с изменением степени окисления атомов вследствие перераспределения электронов между ними.

Типы процессов биологического окисления :

1)аэробное (митохондриальное) окисление предназначено для извлечения энергии питательных веществ с участием кислорода и накоплении её в виде АТФ. Аэробное окисление называется также тканевым дыханием , поскольку при его протекании ткани активно потребляют кислород.

2) анаэробное окисление – это вспомогательный способ извлечения энергии веществ без участия кислорода. Анаэробное окисление имеет большое значение при недостатке кислорода, а также при выполнении интенсивной мышечной работы.

3) микросомальное окисление предназначено для обезвреживания лекарств и ядов, а также для синтеза различных веществ: адреналина, норадреналина, меланина в коже, коллагена, жирных кислот, желчных кислот, стероидных гормонов.

4) свободнорадикальное окисление необходимо для регуляции обновления и проницаемости клеточных мембран.

Основным путём биологического окисления является митохондриальное , связанное с обеспечением организма энергией в доступной для использования форме. Источниками энергии для человека являются разнообразные органические соединения: углеводы, жиры, белки. В результате окисления питательные вещества распадаются до конечных продуктов, в основном - до СО 2 и Н 2 О (при распаде белков также образуется NH 3). Выделяемая при этом энергия накапливается в виде энергии химических связей макроэргических соединений, преимущественно – АТФ.

Макроэргическими называются органические соединения живых клеток, содержащие богатые энергией связи. При гидролизе макроэргических связей (обозначаются извилистой линией ~) высвобождается более 4 ккал/моль (20 кДж/моль). Макроэргические связи образуются в результате перераспределения энергии химических связей в процессе обмена веществ. Большинство макроэргических соединений являются ангидридами фосфорной кислоты, например, АТФ, ГТФ, УТФ и т.д. Аденозинтрифосфат (АТФ) занимает центральное место среди веществ с макроэргическими связями.

аденин – рибоза – Р ~ Р ~ Р, где Р – остаток фосфорной кислоты

АТФ находится в каждой клетке в цитоплазме, митохондриях и ядрах. Реакции биологического окисления сопровождаются переносом фосфатной группы на АДФ с образованием АТФ (этот процесс называется фосфорилированием ). Таким образом, энергия запасается в форме молекул АТФ и при необходимости используется для выполнения различных видов работы (механической, электрической, осмотической) и для осуществления процессов синтеза.

Система унификации субстратов окисления в организме человека

Непосредственное использование химической энергии, содержащейся в молекулах пищевых веществ невозможно, потому что при разрыве внутримолекулярных связей выделяется огромное количество энергии, которое может привести к повреждению клетки. Чтобы пищевые вещества, поступившие в организм, должны пройти ряд специфических превращений, в ходе которых происходит многостадийный распад сложных органических молекул на более простые. Это даёт возможность постепенного высвобождения энергии и запасания её в виде АТФ.

Процесс превращения разнообразных сложных веществ в один энергетический субстратназывается унификацией. Выделяют три этапа унификации:

1. Подготовительный этап протекаетв пищеварительном тракте, а также в цитоплазме клеток организма. Крупные молекулы распадаются на составляющие их структурные блоки: полисахариды (крахмал, гликоген) – до моносахаридов; белки – до аминокислот; жиры – до глицерина и жирных кислот. При этом выделяется небольшое количество энергии (около 1%), которая рассеивается в виде тепла.

2. Тканевые превращения начинаются в цитоплазме клеток, заканчиваются в митохондриях. Образуются ещё более простые молекулы, причём число их типов существенно уменьшается. Образующиеся продукты являются общими для путей обмена разных веществ: пируват, ацетил-коэнзимА (ацетил-КоА), α-кетоглутарат, оксалоацетат и др. Важнейшим из таких соединений является ацетил-КоА – остаток уксусной кислота, к которому макроэргической связью через серу S присоединён коэнзим А - активная форма витамина В 3 (пантотеновой кислоты). Процессы распада белков, жиров и углеводов сходятся на этапе образования ацетил-КоА, образуя в дальнейшем единый метаболический цикл. Для этого этапа характерно частичное (до 20%) освобождение энергии, часть которой аккумулируется в виде АТФ, а часть рассеивается в виде тепла.

3. Митохондриальный этап . Продукты, образовавшиеся на второй стадии, поступают в циклическую окислительную систему - цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и связанную с ним дыхательной цепи митохондрий. В цикле Кребса ацетил-КоА окисляется до СО 2 и водорода, связанного с переносчиками – НАД + ·Н 2 и ФАД·Н 2 . Водород поступает в дыхательную цепь митохондрий, где происходит его окисление кислородом до Н 2 О. Этот процесс сопровождается высвобождением примерно 80% энергии химических связей веществ, часть которой используется на образование АТФ, а часть - выделяется в виде тепла.

Классификация и характеристика основных оксидоредуктаз в тканях

Важной особенностью биологического окисления является то, что оно протекает под действием определённых ферментов (оксидоредуктаз). Все необходимые ферменты для каждой стадии объединены в ансамбли, которые, как правило, фиксируются на различных клеточных мембранах. В результате слаженного действия всех ферментов химические превращения осуществляются постепенно, как на конвейере. При этом продукт реакции одной стадии является исходным соединением для следующей стадии.

Классификация оксидоредуктаз :

1. Дегидрогеназы осуществляют отщепление водорода от окисляемого субстрата:

SH 2 + A → S +AH 2

В процессах, связанных с извлечением энергии, наиболее распространённый тип реакций биологического окисления – дегидрирование , то есть отщепление от окисляемого субстрата двух атомов водорода и перенос их на окислитель. В действительности водород в живых системах находится не в виде атомов, а представляет собой сумму протона и электрона (Н + и ē), маршруты движения которых различны.

Дегидрогеназы являются сложными белками, их коферменты (небелковая часть сложного фермента) способны быть и окислителем, и восстановителем. Забирая водород от субстратов коферменты переходят в восстановленную форму. Восстановленные формы коферментов могут отдавать протоны и электроны водорода другому коферменту, который имеет более высокий окислительно-восстановительный потенциал.

1) НАД + - и НАДФ + -зависимые дегидрогеназы (коферменты - НАД + и НАДФ + - активные формы витамина РР). Присоединяют два атома водорода от окисляемого субстрата SH 2 , при этом образуется восстановленная форма - НАД + ·Н 2:

SH 2 + НАД + ↔ S + НАД + ·Н 2

2) ФАД-зависимые дегидрогеназы (коферменты - ФАД и ФМН – активные формы витамина В 2). Окислительные способности этих ферментов позволяют им принимать водород как непосредственно от окисляющегося субстрата, так и от восстановленного НАДН 2 . При этом образуются восстановленные формы ФАД·Н 2 и ФМН·Н 2 .

SH 2 + ФАД ↔ S + ФАД·Н 2

НАД + ·Н 2 + ФМН ↔ НАД + + ФМН·Н 2

3) коэнзим Q или убихинон, который может дегидрировать ФАД·Н 2 и ФМН·Н 2 и присоединять два атома водорода, превращаясь в КоQ·Н 2 (гидрохинон ):

ФМН·Н 2 + КоQ ↔ ФМН + КоQ·Н 2

2. Железосодержащие переносчики электронов геминовой природы – цитохромы b, c 1 , c, a, a 3 . Цитохромы – это ферменты, относящиеся к классу хромопротеидов (окрашенных белков). Небелковая часть цитохромов представлена гемом , содержащим железо и близким по строению к гему гемоглобина.Одна молекула цитохрома способна обратимо принимать один электрон, при этом меняется степень окисления железа:

цитохром(Fe 3+) + ē ↔ цитохром(Fe 2+)

Цитохромы a, a 3 образуют комплекс, называемый цитохромоксидазой . В отличие от других цитохромов, цитохромоксидаза способна взаимодействовать с кислородом – конечным акцептором электронов.

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.

Живые организмы не могут существовать без энергии. Ее требует каждый процесс, каждая химическая реакция. Получать энергию многие живые существа, в том числе и человек, могут с пищей. Стоит детально разобраться, откуда появляется энергия, и какие реакции протекают в это время в клетках живых организмов.

Значение биологического окисления и история его исследования

В основе получения энергии лежит процесс биологического окисления. Сейчас он изучен, создана даже целая наука, занимающаяся всеми тонкостями и механизмами процесса - биохимия. Биологическое окисление - это совокупность окислительно-восстановительных превращений веществ в живых . Окислительно-восстановительными называют реакции, которые протекают с изменением степени окисления атомов вследствие перераспределения электронов между ними.

Первые предположения ученых о том, что внутри каждого живого организма протекают сложные , были выдвинуты в XVI­II столетии. Изучением проблемы занимался французский химик Антуан Лавуазье, обративший внимание на то, что процессы горения и биологического окисления похожи друг на друга.

Ученый проследил путь кислорода, который поглощается живым организмом в процессе дыхания, и сделал вывод, что в организме происходит процесс окисления, напоминающий процесс горения, но протекающий более медленно. Лавуазье обнаружил, что молекулы кислорода (окислитель) взаимодействуют с органическими соединениями, содержащими углерод и водород. В результате происходит абсолютное , при котором соединения разлагаются.

Некоторые моменты в процессе изучения проблемы оставались для ученых непонятыми:

• почему окисление происходит при низкой температуре тела, в отличие от схожего ему процесса горения;
• почему окисление не сопровождается выбросом пламени и не большим выбросом освободившейся энергии;
• как могут «гореть» питательные вещества в организме, если тело примерно на 80% состоит из воды.

Чтобы ответить на эти и многие другие вопросы, а также уяснить, что такое биологическое окисление, ученым потребовался не один год. К настоящему времени химиками были изучены: связь дыхания с другими процессами обмена веществ, в т.ч. процесс фосфорилирования. Кроме того, ученые исследовали свойства ферментов, катализирующих реакции биологического окисления; локализацию в клетке; механизм аккумуляции и преобразования энергии.

Более сложный способ преобразования питательных веществ в энергию - аэробное биологическое окисление, или тканевое дыхание. Эта реакция осуществляется во всех аэробных организмах, использующих кислород в процессе дыхания. Аэробный способ биологического окисления невозможен без молекулярного кислорода.

Пути биологического окисления и участники процесса

Чтобы окончательно понять, что собой представляет процесс биологического окисления, следует рассмотреть его стадии.

Гликолиз - это беcкислородное расщепление моносахаридов, предшествующее процессу клеточного дыхания и сопровождающееся выходом энергии. Такая стадия является начальной для каждого организма-гетеротрофа. После гликолиза у анаэробов наступает процесс брожения.

Окисление пирувата заключается в преобразовании пировиноградной кислоты, получаемой в процессе гликолиза, в ацетилкоэнзим. Реакция происходит с помощью ферментного комплекса пируватдегидрогеназы. Локализация – кристы митохондрий.

Распад бета-жирных кислот осуществляется параллельно с окислением пирувата на кристах митохондрий. Цель – переработка всех жирных кислот в ацетилкоэнзим и постановка его в цикл трикарбоновых кислот.

Цикл Кребса : сначала ацетилкоэнзим превращается в лимонную кислоту, затем она подвергается последующим преобразованиям (дегидрированию, декарбоксилированию и регенерации). Все процессы несколько раз повторяются.

Окислительное фосфорилирование - заключительная стадия преобразования в организмах эукариот соединений. Осуществляется преобразование аденозиндифосфата в аденозинтрифосфорную кислоту. Необходимая для этого энергия поступает в процессе окисления молекул фермент-дегидрогеназа и кофермента дегидрогеназа, сформировавшихся в предыдущих стадиях. Затем энергия заключается в макроэргические связи аденозинтрифосфорной кислоты.

Таким образом, окисление веществ осуществляется такими способами:

• отщеплением водорода от субстрата, который окисляется (процесс дегидрирования);
• отдачей субстратом электрона;
• присоединением кислорода к субстрату.

В клетках живых организмов встречаются все перечисленные типы окислительных реакций, катализируемых соответствующими ферментами - оксидоредуктазами. Процесс окисления происходит неизолированно, он связан с реакцией восстановления: одновременно происходят реакции присоединения водорода или электрона, то есть осуществляются окислительно-восстановительные реакции. Процесс окисления - это каждая , которая сопровождается отдачей электронов с увеличением степеней окисления (окисленный атом имеет большую степень окисления). С окислением вещества может происходить и восстановление - присоединение электронов к атомам другого вещества.