Сучасне уявлення про механізм біологічного окиснення

Окиснення субстрату починається шляхом його дегідрування з участю ферментів дегідрогеназ. Дегідрогенази (їх відомо більше 150) складні ферменти, до складу молекул яких завжди входять коферменти.

Існує дві групи дегідрогеназ, що різняться своїми коферментами. Ферменти першої групи містять коферментами динуклеотиди НАД або НАДФ, тому їх називають НАД або НАДФ-зале-жними дегідрогеназами. Оскільки в складі цих коферментів міститься нікотинамід (водорозчинний вітамін РР), що являє со­бою похідне піридину, їх називають ще піридинзалежними дегі­дрогеназами.

Активною частиною коферментів, що входять до складу НАД- і НАДФ-залежних дегідрогеназ, є піридинове кільце нікотинаміду. Окиснені форми нікотинамідних коферментів, що по­значаються НАД* (НАДФ⁺), відщеплюють від субстрату два ато­ми водню, один з яких приєднується до кільця піридину в положення відносно азоту, а другий дисоціює на протон і електрон. Останній приєднується до атома азоту кільця піридину, а протон переходить у середови­ще у вигляді іона Н*.

Надалі відновлені форми дегідрогеназ, що утворилися, слу­жать для окнснення їх іншою групою дегідрогеназ, оскільки вони не здатні передавати свої атоми водню безпосередньо на кисень.

Дегідрогенази другої групи коферментами містять ФМН і ФАД і називаються відповідно ФМН- і ФАД-залежними дегід­рогеназами. Ці дегідрогенази об'єднують під загальною назвою флавопротеїди.

Активною частиною зазначених коферментів є ізоалоксазинове кільце рибофлавіну (вітаміну В₂), здатне зворотно приєдну­вати атоми водню.

Приєднання атомів водню є пря­мим перенесенням пари атомів водню від субстратів (ними мо­жуть бути розглянуті вище відновлені форми піридинзалежних дегідрогеназ) на ФМН або ФАД з утворенням відновленої форми.

Скорочено на прикладі ФАД це можна записати так:

ФАД⁺+2Н → ФАДН₂.

Відновлені форми більшості флавінових дегідрогеназ, так само, як і піридинзалежні дегідрогенази, не окиснюються кис­нем. Вони передають атоми водню іншій проміжній сполуці – убіхінону (УХ), або коферменту Q (KoQ), який, приєднуюча два атоми водню, перетворюється у відновлену форму гідрохінон.

Дослідженнями ряду вчених установлено, що убіхінон виконує роль човника між флавопротеїдами і системою залізовмісних ферментів, які переносять електрони і називаються цитохромами. Від убіхінону відбувається розділення шляхів руху електронів і протонів атомів водню до кисню. Ланцюгом цитохромів, а їх від­крито і вивчено десятки, відбувається передача електронів атомів водню, які, перетворюючись у протони, підкислюють середовище.

Цитохроми–це група залізовмісних білків, що переносять електрони в процесі тканинного дихання від убіхінону (або від флавопротеїдів) до молекулярного кисню й активують його. Свою каталітичну функцію цитохроми виконують завдяки на­явності в складі їх молекул заліза. Приєднуючи електрони, ци­тохроми відновлюються, віддаючи їх – окиснюються, тобто в про­цесі каталітичного процесу ступінь окиснення заліза зворотно змінюється.

Скільки цитохромів бере участь у процесі окиснення, точно не відомо. Проте серед них добре вивчені цитохроми b, с, а і а₃. Останні цитохроми (а й а₃) є не що інше, як дихальний фермент Варбурга, дуже чутливий до дії ціанідів.

Отже, ланка цитохромів, здійснюючи перенесення електронів, розміщується в ланцюзі окиснення між убіхіноном і киснем.

Піридинзалежні дегідрогенази, флавопротеїди, убіхінон і ци­тохроми знаходяться в мітохондріальній мембрані і міцно з нею зв'язані в зазначеному порядку, утворюючи так званий "дихаль­ний ланцюг". Його можна зобразити такою схемою:

 

 

Окиснювальне фосфорилювання

Для різних життєвих процесів організму необхід­на енергія. Під час біологічного окиснення, або тканинного ди­хання, яке ми розглянули вище, відбувається виділення вільної енергії, яка використовується в організмі у двох напрямках: час­тина її споживається для різних реакцій біосинтезу, частина використовується для підтримки постійної температури тіла, тоб­то перетворюється в тепло.

Для того щоб вільна енергія окиснення субстратів могла бути використана для реакцій синтезу, скорочення м'язів і т.д., необ­хідно, щоб вона набула доступної для цього форми.

На початку 1930-х років академік В.О. Енгельгардт висловив ідею про те, що при кисневому диханні відбувається фосфорилювання аденозиндифосфатної кислоти (АДФ) з утворенням аде-нозинтрифосфатної кислоти (АТФ). Пізніше, у 1939-1940 pp., ра­дянський біохімік В.О. Беліцер установив, що при окисненні різних субстратів, зокрема, янтарної і лимонної кислот, відбувається споживання неорганічної фосфатної кислоти й утворення АТФ.

Аденозинтрифосфатна кислота являє собою універсальне рух­ливе джерело хімічної енергії в клітинах. Ця енергія зосере­джується, або акумулюється, у пірофосфатних хімічних зв'язках молекул АТФ:

Кількість енергії, акумульованої в одному макроергічному зв'язку АТФ, складає 33,5-41,9 кДж. При гідролізі АТФ хімічна енергія макроергічних зв'язків звільняється і може бути вико­ристана для різних життєвих процесів.

Таким чином, вільна енергія окиснення субстратів перетво­рюється в доступну для організму хімічну форму, акумульовану в пірофосфатних зв'язках АТФ, молекули якої є формою нако­пичення цієї енергії.

Для здійснення процесу фосфорилювання, тобто з'єднання АДФ з неорганічною фосфатною кислотою, неорганічний фос­фат має бути активований. Джерелом енергії для його актива­ції служить енергія окиснення субстратів. Таким чином, процес фосфорилювання АДФ, що супроводжується утворенням АТФ, пов'язаний з процесом окиснення, тому називається окиснювальним фосфорилюванням. Саме таким шляхом в організмі син­тезується значна кількість АТФ. У цьому процесі бере участь дихальний ланцюг ферментів, за допомогою яких атоми водню й електрони, відняті від субстратів, передаються на кисень. Сам же субстрат у цьому процесі участі не бере.

Як показав В.О. Беліцер, при перенесенні однієї пари елект­ронів (або двох атомів водню) від субстрату до кисню утворюєть­ся три молекули АТФ. На даний час відомо, в яких місцях диха­льного ланцюга відбувається активування неорганічного фосфа­ту і фосфорилювання АДФ. Перше активування відбувається на ділянці між НАД і флавопротеїдом, друге - між цитохромами b и с, і трете – між цитохромом а₃ і молекулярним киснем:

< і