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.