Реакции окисления – восстановления

В химических системах окисление рассматривается как перенос электронов от моле­кулы - донора к молекуле – акцептору. Протоны могут высвобождаться в окружающий раствор или переноситься вместе с электронами на акцептор. Кислород электрофилен, поэтому в аэробных клетках он служит конечным акцептором электронов. В биологиче­ских системах между кислородом и окисляемым метаболитом расположены промежуточ­ные акцепторы электронов. Первыми и важнейшими переносчиками электронов и протонов являются никотинамидадениндинуклеотид (НАД⁺) – производный витамина РР и флавинадениндинуклеотид (ФАД) – производный витамина В₂. НАД⁺ принимает уча­стие в ферментативных реакциях: будучи восстановленным, он покидает один фермент и переносится на другой, где и окисляется. ФАД, в отличие от НАД⁺, прочно связан с фер­ментом.

 

АН₂ НАД+ ВН₂ АН₂ ФАД ВН₂

А НАДН+Н+ В А ФАДН₂ В

Все ферменты, катализирующие реакции биологического окисления, относятся к 1-ому классу ферментов - оксидоредуктазам. Окислительно-восстановительные ферменты подразде­ляются на четыре подкласса.

1. Дегидрогеназы - ферменты, катализирующие перенос атома водорода от субстрата к акцептору водорода. Дегидрогеназы - это кофакторзависимые ферменты. Кофакторы: пи­ридиновые (НАД⁺, НАДФ⁺) и флавиновые (ФАД, ФМН) переносчики водорода.

2. Оксидазы -- флавинзависимые ферменты, катализирующие перенос водорода от суб­страта к молекуле кислорода, с образованием, в зависимости от специфичности, воды или пероксида водорода. Оксидазы - металлопротеиды. Эти

ферментативные системы ка­тализируют восстанавление кислорода. В активном центре этих оксидаз включены один или несколько атомов металла переменной валентности (Fe, Cu, Zn, Mn, Со, Мо). Эти ме­таллы являются донорами электронов для кислорода. Одни оксидазы катализируют пере­нос одного электрона на кислород, другие - перенос 2-х или 4-х с образованием различных продуктов восстановления кислорода (супероксидрадикала, нитроксидрадикала, радикала коэнзима Q и др.)

З. Оксигеназы – ферменты, катализирующие включение кислорода в субстрат. Монооксигеназы включают один атом кислорода в окисляемый субстрат, а другой в молекулу воды или пероксида водорода. Диоксигеназы вводят в субстрат оба атома кислорода.

4. Пероксидазы и каталазы – ферменты, катализирующие реакции, протекающие с уча­стием пероксида водорода как окислителя. В качестве восстановленной формы образуется вода.

Пути утилизации кислорода

Кислород – сильный окислитель. Окислительно-восстановительный потенциал пары кислород/вода равен +0,82 в. Кислород обладает высоким сродством к электронам. Су­ществует два пути утилизации кислорода в организме: оксидазный и оксигеназный.

Окисление

 

Оксидазный путь Оксигеназный путь

полное неполное

окисление окисление

 

конечный продукт моноокси- диокси- пероксидное

геназный геназный окисление

Н₂О Н₂О₂ путь путь

R-OH HO-R-OH R-O-O-H

Оксидазный путь

В основе оксидазного пути утилизации кислорода лежит реакция дегидрирования, в ре­зультате которой происходит отщепление 2-х атомов водорода (2Н↔2Н⁺+2ē) от окисляе­мого субстрата с последующим переносом их на кислород.

Для полного восстановления кислорода до воды требуется две пары электронов

(4ē). Од­номоментно к ½ О₂ присоединяется 2 ē.

2ē ½О₂ + 2ē ОН^-

RH₂ + ½O₂ R + H₂O ОН^- + 2Н⁺ ——► 2 Н₂О

2 Н⁺

 

Для неполного восстановления кислорода до пероксида водорода требуется одна пара электронов (2 ē). Одномоментно присоединяется один электрон.

О₂ + ē О₂^- супероксиданионрадикал

О₂ + Н⁺ НО^•₂ перекисный радикал

НО^·₂ + ē НО₂^- перекисный ион

НО^-₂ + Н⁺ Н₂О₂ пероксид водорода

 

Оксигеназный путь

В основе оксигеназного пути утилизации кислорода лежит непосредственное включение кислорода в окисляемый субстрат, с образованием соединений с одной или несколькими гидроксильными группами или органических соединений с пероксидной группой.

Монооксигеназы – ферментативные системы, катализирующие включение в модифици­руемый субстрат только один атом кислорода, а второй атом кислорода восстанавливает­ся до воды в присутствии НАДФН+Н⁺ как источника водорода.

RН₂ + О₂ + НАДФН+Н⁺ → R-OH + НАДФ⁺ + Н₂О

Диоксигеназы – ферментативные системы, катализирующие включение в субстрат двух атомов кислорода.

RH₂ + 2О₂ + НАДФН+Н⁺ НО-R-OH + НАДФ⁺

Общие пути метаболизма.

Ацетил-КоАявляется центральным метаболитом превращения глюкозы, жирных кислот и некоторых аминокислот.