БІОХІМІЯ ДЛЯ ВЧИТЕЛЯ - Ф.Ф. БОЄЧКО - 1985

ЕНЕРГЕТИКА БІОЛОГІЧНИХ ПРОЦЕСІВ

ОБМІН РЕЧОВИН ТА ЕНЕРГІЇ — ОСНОВНА ОЗНАКА ЖИВИХ СИСТЕМ

Найбільш характерною ознакою живих організмів є обмін речовин, що в них відбувається. Кожний організм протягом всього життя одержує з навколишнього середовища поживні речовини і повертає в це середовище продукти життєдіяльності.

Частина процесу загального обміну речовин, яка забезпечує вбирання, перетворення, засвоєння організмом речовин з навколишнього середовища і утворення за рахунок їх структурних компонентів організму, називається асиміляцією, або анаболізмом. Важливою особливістю асиміляції є те, що поживні речовини, складові частини їжі, тобто частини неживої матерії, перетворюються в організмі в складові частини живої матерії. Найважливішою функцією процесу асиміляції є пластична функція, тобто постійне відтворення складових компонентів живих систем.

Усі реакції синтезу речовин в організмі відбуваються з використанням енергії. Основним джерелом її є АТФ та інші макроергічні сполуки.

Одночасно з процесами асиміляції в організмі відбуваються й протилежні процеси — дисиміляція, тобто розпад складних речовин на простіші, їх перетворення і виділення в навколишнє середовище у вигляді кінцевих продуктів обміну.

Біологічне значення процесів дисиміляції полягає в забезпеченні організму енергією. Адже розщеплення складних речовин на простіші супроводжується виділенням енергії.

Таким чином, обмін речовин являє собою діалектичну єдність двох протилежних процесів — асиміляції і дисиміляції, тобто живлення і виділення, засвоєння і руйнування, синтезу і розпаду. Для всіх хімічних реакцій, які протікають в клітинах організму, властива висока організованість і впорядкованість. Кожна реакція відбувається в точно визначеному місці клітини і в певній послідовності з участю каталітичної дії відповідних ферментів.

Завдяки обміну речовин забезпечуються всі прояви життя — ріст, розмноження, рух, подразливість, постійність внутрішнього середовища організму (гомеостаз), адаптація до різних умов існування тощо.

Обмінні процеси організму перебувають під постійним контролем центральної нервової системи. За визначенням І. П. Павлова, вона є розпорядником всієї діяльності організму.

Взаємозв’язок організму через центральну нервову систему із зовнішнім середовищем можна показати за допомогою такої схеми (за Добриніною В. І.):

Обмін речовин охоплює найрізноманітніші процеси, що відбуваються в організмі: фізіологічні (живлення, виділення), фізичні (сорбція, транспорт речовин), хімічні (розпад, синтез та ін.). Та частина обміну речовин, в основі якої лежать хімічні реакції, що зумовлюють перетворення речовин у процеси їхнього біосинтезу і розпаду, називається проміжним обміном речовин.

Цей обмін речовин охоплює сотні різних взаємозв’язаних ферментативних реакцій, оскільки продукти однієї реакції є субстратом другої реакції. Отже, ферментативні реакції в клітині являють собою кооперативний, чітко організований в просторі і часі, єдиний багатоступеневий процес. При цьому послідовність такого метаболічного процесу дуже подібна в усіх живих систем, особливо ЩОДО їх центральних метаболічних шляхів.

У процесі проміжного обміну дисиміляції високомолекулярні речовини їжі тваринного організму проходять три основні стадії. На першій стадії основні складові частини їжі — білки, нуклеїнові кислоти, ліпіди, вуглеводи — розпадаються гідролітичним способом на відносно низькомолекулярні складові частини. Так, білки розпадаються на амінокислоти, нуклеїнові кислоти — на нуклеїди, ліпіди — на жирні кислоти, гліцерин та інші складові компоненти, полісахариди — на моносахариди. Цей процес відбувається головним чином у шлунково-кишковому тракті. Розщеплення білків, нуклеїнових кислот, жирів і вуглеводів, які є компонентами різних структур органів і тканин, може відбуватись і всередині клітин.

На другій стадії продукти, що утворились на першій стадії, внаслідок анаеробного окислення перетворюються в простіші молекули. Наприклад, жирні кислоти, гліцерин і моносахариди розпадаються на ацетил-КоА. Амінокислоти і нуклеотиди — в ряд інших сполук.

На третій стадії сполуки, що утворилися на другій стадії, піддаються аеробному окисленню з утворенням вуглекислого газу і води. Цією спільною стадією аеробного перетворення сполук є цикл трикарбонових кислот, який тісно пов’язаний з процесами тканинного дихання.

Для процесів асиміляції властиві три стадії. Третя стадія дисиміляції є першою стадією асиміляції. Наприклад, а-кетокислоти використовуються для синтезу білків, аце- тил-КоА і оксид вуглецю (IV) —для синтезу жирних кислот і простих вуглеводів. На другій стадії асиміляції з вихідних сполук утворюються амінокислоти, жирні кислоти, моносахариди та інші речовини. На третій стадії з цих речовин утворюються білки, жири, вуглеводи та інші важливі для організму сполуки.

Незважаючи на те, що процеси асиміляції й дисиміляції в клітинах відбуваються одночасно і ферментам властива зворотна каталітична дія, їхні шляхи не збігаються. Ферментні системи, які каталізують процеси асиміляції й дисиміляції, локалізовані в різних місцях клітини. Для цих процесів характерні і різні механізми їх регуляції.

Усі обмінні процеси в організмі тісно пов’язані з обміном і перетворенням енергії. Відомо, що речовини, які потрапляють в організм з їжею, мають певний запас потенціальної енергії. Звідки ж береться початкова енергія, яка є важливим джерелом життя на Землі?

Відповідь на це запитання дав у своїх працях К. А. Тімірязєв.

Дослідження К. А. Тімірязєва показали, що енергія світлових променів поглинається хлорофілом і передається для здійснення хімічних реакцій, регулятором яких є утворення органічних речовин. За цих умов видозмінена енергія сонячного світла нагромаджується у вигляді потенціальної енергії. Таку енергію прийнято називати вільного енергією. Вона зосереджена в хімічних зв’язках між атомами тих чи інших органічних сполук. У процесах дисиміляції відбувається вивільнення енергії, яка певного мірою використовується в процесах асиміляції, тобто при утворенні хімічних сполук, необхідних для побудови тіла і життєдіяльності організму. Отже, у процесі перетворення органічних сполук кількість вільної енергії в їхніх молекулах змінюється.

Якщо зміна вільної енергії в сполуках внаслідок розщеплення або утворення хімічного зв’язку становить 12— 17 кДж/моль, то їх називають нормальними сполуками в енергетичному відношенні. Відомо ряд сполук, в яких зміна вільної енергії внаслідок розщеплення хімічного зв’язку становить 20 кДж і більше. Такі сполуки називають мак- роергічними, а зв’язки, при перетворенні яких відбуваються ці зміни в енергетичному балансі речовини, називаються макроергічними і позначаються знаком ~ (тільда).

Енергія, що виділяється внаслідок розриву макроергіч- них зв’язків, поглинається під час синтезу органічних сполук. Запаси макроергічних сполук в організмі постійно поповнюються в результаті акумуляції енергії, яка виділяється при зниженні енергетичного рівня речовин, що піддаються розщепленню, Отже, макроергічні сполуки виконують функцію як донорів, так і акцепторів енергії в обміні речовин.

Основними макроергічними сполуками організму є АТФ, фосфоенолпіруват, 1,3-дифосфогліцеринова кислота, креа- тинфосфат, ацетилфосфат та ін.

Центральне місце в енергетичному обміні займає АТФ. Вона має здатність запасати енергію і в разі потреби віддавати її в процесі обміну речовин. АТФ виконує також функцію перенесення багатих на енергію фосфатних груп від високоенергетичних фосфорильованих сполук, які стоять в термодинамічному відношенні вище за неї, до менш багатих на енергію сполук, які, приєднуючи фосфат, активуються. АТФ відіграє важливу роль і в обміні самих макроергічних сполук. Синтез цілого ряду нуклеотидтрифос- фатів — ГТФ, УТФ, ТТФ і ЦТФ — відбувається з участю АТФ. Енергія АТФ використовується в організмі в найрізноманітніших процесах.

Отже, процеси обміну речовин та енергії взаємозв’язані і становлять основу життєдіяльності організмів.

Біологічне окислення

Процеси біологічного окислення — основне джерело енергії в організмі.

Основи вчення про окислення в свій час були розроблені М. В. Ломоносовим і А. Лавуазьє при дослідженні процесів горіння. Усі реакції, при яких відбувалося приєднання кисню до будь-якої речовини, стали називати окисленням, а процеси віднімання кисню — відновленням.

А. Лавуазьє, зіставляючи процеси горіння з процесами дихання тварин, зазначив, що між ними є багато спільного. Під час дихання, як і при горінні, кисень вбирається з повітря і утворюються СО₂ та Н₂О. Енергетичний ефект внаслідок окислення органічних речовин (наприклад, глюкози) в організмі і поза ним виявився також однаковим.

Але було незрозуміло, чому горіння речовин в організмі відбувається при низькій температурі (37°С), без полум’я і при тому у водному середовищі.

Для пояснення процесу окислення речовин в організмі було запропоновано кілька теорій. Серед них особливо важливе значення мала теорія академіка О. М. Баха. Він довів, що окислення органічних речовин в організмі молекулярним киснем відбувається з утворенням пероксидів, що мають важливе значення для активації кисню. Такими речовинами є ненасичені сполуки — ліполева, ліноленова та арахідонова кислоти, каротини, вітамін А, терпени та ін. Вони легко взаємодіють з молекулярним киснем і утворюють пероксиди, які з участю ферментів пероксидаз розщеплюються і утворюють активний кисень. Останній має здатність окислювати інші молекули органічних сполук, які з молекулярним киснем не реагують:

Оскільки окислення речовин відбувається з утворенням пероксидів, то теорія О. М. Баха стала називатися пероксидною теорією.

Значний внесок в розуміння процесів біологічного окислення зробив радянський біохімік В. І. Палладій. Він установив, що окислення речовин у рослинах може відбуватись і при відсутності кисню, якщо в реакційному середовищі є речовини, які мають здатність приєднувати водень. Такими речовинами виявились пігменти — хромогени. Приєднуючи водень від субстратів, які окислюються, вони відновлюються і стають безбарвними, потім віддають його, тобто окислюються, і знову набувають забарвлення, перетворюючись у хінони. Це перетворення відбувається з участю кисню повітря:

Слід зазначити, що В. І. Палладій надавав великого значення кисню як акцептору водню, і цим самим розкрив важливу роль кисню в процесах біологічного окислення. Дослідження В. І. Палладіна були підтверджені німецьким ученим Віландом. Він висловив думку, що дегідрування субстратів є основним процесом, який лежить в основі біологічного окислення, і що кисень взаємодіє вже з активованими атомами водню. Так була створена теорія окислення речовин дегідруванням, яка дістала назву теорії Палладіна — Віланда.

Підтвердженням цієї теорії було відкриття і вивчення ряду дегідрогеназ — ферментів, які каталізують відщеплення атомів водню від різних субстратів. При цьому було доведено, що процеси окислення субстратів являють собою ланцюг послідовних реакцій, які починаються з дегідрування субстратів і закінчуються перенесенням електронів на кисень та взаємодією останнього з протонами водню з утворенням води. Оскільки при такому окисленні постійно відбувається вбирання кисню, то його ще називають тканинним диханням.

Отже, на основі пероксидної теорії М. О. Баха і теорії Палладіна — Віланда про дегідрування субстратів та проведених досліджень дістали сучасні уявлення про механізм біологічного окислення.

Сучасні уявлення про біологічне окислення

Процес біологічного окислення відбувається поетапно. У ньому беруть участь ферментні системи, які містять у вигляді небілкової частини НАД+, НАДФ+, ФМН, ФАД, убіхінони і залізопорфіринові комплекси.

На першому етапі біологічного окислення відбувається дегідрування субстратів — продуктів розпаду білків, жирів і вуглеводів — з участю ферментів дегідрогеназ (оксидо- редуктаз), які містять коферменти НАД+ і НАДФ⁺. Вони є майже універсальними акцепторами водню для цілого ряду субстратів — спиртів, альдегідів, дикарбонових і кетокислот, амінів тощо. Відбираючи від субстратів атоми водню, дегідрогенази відновлюються, а субстрати при цьому окислюються:

Як видно із схеми, функціональною групою дегідрогеназ є амід нікотинової кислоти. Атоми водню, що відщеплюються від субстрату, приєднуються до вуглецю в четвертому положенні нікотинамідного кільця. Від другого атома водню субстрату електрон приєднується до азоту в першому положенні, нейтралізуючи його позитивний заряд, а протон переходить у розчин.

Прикладом дегідрогеназ може бути лактатдегідрогенеза, що каталізує реакцію дегідрування молочної кислоти:

Треба зазначити, що специфічність дії цієї групи дегідрогеназ зумовлена білковою частиною ферменту, оскільки коферменти за своєю будовою однакові.

На наступному етапі біологічного окислення акцептором атомів водню є група флавіновіх ферментів, які у вигляді небілкової частини містять ФМН і ФАД. Вони здійснюють перенесення атомів водню від відновлених НАД або НАДФ. Цей процес можна зобразити в вигляді такої схеми:

Потім відбувається перенесення електронів і протонів від відновлених форм ФМН або ФАД на убіхінони (коензим Q, див. с. 219).

На наступному етапі з коензиму Q протони переходять в навколишнє середовище, а електрони — на цитохромну систему. Цитохромна система складається з ряду оксидоредуктаз, небілковою частиною яких є залізопорфірини, близькі за своєю будовою до гему. Відомо понад 20 різних цитохромів. Вони позначаються відповідними латинськими літерами — a, b, с, d і т. д. У цитохромну систему входять дитохроми і фермент — цитохромоксидаза. Характерною особливістю цієї системи ферментів є те, що вони переносять електрони з відновленого коензиму Q на кисень, а останній, сполучаючись з іонізованими атомами водню, утворює воду:

З наведеної схеми видно, що процес перенесення електронів через систему цитохромів пов’язаний із зміною валентності атома заліза порфіринового ядра. В окислених цитохромах Fe³⁺, приєднуючи електрони, переходить у Fe²+. З останнього цитохрому електрони переходять на цитохромоксидазу, яка потім окислюється безпосередньо киснем. У процесі клітинного дихання, крім води, утворюється оксид вуглецю (IV) і виділяється енергія, що акумулюється у вигляді АТФ.

У даному ланцюгу окислювально-відновних процесів створюється своєрідний електронний каскад. При цьому на різних ділянках каскаду виділяється різна кількість енергії. Вона виражається редокс-потенціалом. Для значної частини субстратів редокс-потенціал окислювально-відновних систем знаходиться в межах 0,6 В. Редокс-потенціал показує напрям перенесення електронів у дихальному ланцюгу. Відбувається поступове збільшення редокс-потенціалу від першого етапу до останнього (табл. 12).

Таблиця 12. Величини нормальних редокс-потенціалів Е₀ основних компонентів окислювально-відновного ланцюга

(при pH 7 і Т 38 °С)

Примітка: Величина редокс-потенціалу виражена через е. р. с.— Е₀.

Відомі й інші шляхи тканинного дихання — довші і коротші. Прикладом довгого ланцюга тканинного дихання може бути окислення а-кетокислот. При окислювальному декарбоксилюванні цих кислот два атоми водню передаються спочатку на ліпоєву кислоту, а потім вже на нікотин- амідні коферменти. Коротшим шляхом здійснюється окислення янтарної кислоти у фумарову. При цьому два атоми водню, обминаючи нікотинамідні коферменти, переносяться на флавінові ферменти.

Окислювальне фосфорилювання

Доведено, що в процесі біологічного окислення понад 50 % енергії, яка виділяється, резервується клітинами тканин у вигляді макроергічних сполук, переважно у вигляді

АТФ. АТФ утворюється з участю АДФ і активованого неорганічного фосфату. Активація останнього відбувається в основному за рахунок енергії біологічного окислення. Отже, окислювальне фосфорилювання — це фосфорилювання АДФ, яке пов’язане з процесами окислення в організмі і супроводжується утворенням АТФ.

Вперше окислювальне фосфорилювання було відкрито В. О. Енгельгардтом у 1930 р. Дещо пізніше, у 1939 р. В. О. Беліцер із співробітниками встановили взаємозв’язок між процесами перенесення електронів у дихальному ланцюгу і фосфорилюванням. Було також досліджено коефіцієнт співвідношення окислення і фосфорилювання (р/о). Значний внесок у з’ясування механізму окислювального фосфорилювання зробили С. Є. Северин, В. П. Скулачов, П. Мітчелл та інші радянські і зарубіжні дослідники.

Окислювальне фосфорилювання відбувається в основному в мітохондріях. Ферменти, які каталізують цей процес, локалізовані в мембранах мітохондрій. Мітохондрії — найважливіші органоїди клітини, що виробляють енергію внаслідок окислення білків, жирів, вуглеводів та інших органічних сполук. Тому їх називають «силовими станціями» клітини.

Встановлено, що в дихальному ланцюгу є три ділянки, на яких відбувається синтез АТФ:

Як видно з наведеної схеми, перша молекула АТФ синтезується внаслідок перенесення електронів і протонів від нікотинамідних до флавінових коферментів, друга — при перенесенні електронів від цитохрому b до цитохрому с. І, нарешті, третя молекула АТФ утворюється на ділянці перенесення електронів з цитохромоксидази (а₃) на кисень. Отже, при окисленні двох атомів водню в дихальному ланцюгу утворюються три молекули АТФ.

Інтенсивність процесу окислювального фосфорилювання регулюється співвідношенням АТФ/АДФ. Чим менше це співвідношення, тим інтенсивніше відбувається процес дихання і утворення АТФ.

Нині існує кілька гіпотез пояснення механізму окислювального фосфорилювання.

Суть хімічної гіпотези полягає в тому, що енергія, яка виділяється при перенесенні електронів у дихальному ланцюгу, спочатку використовується для утворення якихось гіпотетичних, багатих на енергію сполук. З цих сполук енергія передається для синтезу АТФ. Схематично цей процес можна показати так:

де А і Б — речовини, що переносять електрони; Ф — неорганічний фосфат; X — невідома, гіпотетична речовина.

Хеміостатична гіпотеза запропонована дослідником Мітчеллом. У дослідженнях В. П. Скулачова вона була експериментально обгрунтована і далі розвинута. Основна її ідея зводиться до того, що хімічна енергія окислення перетворюється в електричні потенціали на зовнішній і внутрішній поверхнях мітохондріальної мембрани. Різниця між такими потенціалами є джерелом енергії, завдяки якій відбувається синтез АТФ. Ця гіпотеза порівняно з іншими найбільш обгрунтована, хоч у ній є чимало нез’ясованих питань, які потребують дальшого дослідження.

Крім окислення, що пов’язане з фосфорилюванням, в організмі може відбуватися тканинне дихання, яке не супроводжується фосфорилюванням, тобто утворенням АТФ. Таке окислення називають нефосфорилюючим, або вільним. Цей вид біологічного окислення також пов’язаний з мітохондріями, проте енергія, яка вивільнюється при цьому, розсіюється у вигляді теплоти. Вільне окислення відіграє важливу роль в адаптації організмів до різних несприятливих умов. Зокрема, досліджено, що, внаслідок охолодження організму, дихання, пов’язане з фосфорилюванням, послаблюється, а вільне окислення, за рахунок якого підтримується температура тіла, посилюється.

В організмі є ряд механізмів, які мають здатність змінювати співвідношення між окислювальним фосфорилюванням і вільним окисленням. Наприклад, гормон тироксин послаблює зв’язок окислення з фосфорилюванням, а інсулін навпаки—посилює. Відомо ще цілий ряд інших сполук — динітрофенол, дикумарин, аспірин, фенацитин,— які гальмують зв’язок процесів окислення з фосфорилюванням. їх часто називають роз’єднуючими факторами (агентами).