Транспорт электронов и водорода в процессах биологического окисления

Перенос электронов от окисляемых молекул сопровождается их переходом на орбитали с меньшей энергией. Энергия, составляющая разницу между их значениями, освобождается, что может привести к значительному повышению температуры. Чтобы избежать повреждения и гибели биологических структур, необходимо, чтобы энергия выделялась не одномоментно, а постепенно.

В отличие от процессов горения при биологическом окислении химическая энергия освобождается не сразу, а постепенно, так как всякий окислительный процесс в организме проходит ряд стадий. Между окисляемым веществом и конечными продуктами его окисления образуется большое количество промежуточных веществ, каждое последующее из которых является более окисленным, чем пре­дыдущее. Например, окисление молекулы глюкозы до двух молекул молочной кислоты представляет собой сложную цепь из 11 различных реакций. При окислении же глюкозы до СО₂ и Н₂О число этих про­межуточных реакций во много раз больше. Поэтому освобождающаяся энергия, выделяясь небольшими порциями, не приводит к резкому повышению температуры и используется организмом постепенно.

Все окислительные реакции в организме протекают при участии ферментов-оксидоредуктаз, которые могут быть подразделены на две основные группы: ферменты, катализирующие отнятие водорода (дегидрогеназы), и ферменты, катализирующие присоеди­нение водорода к кислороду (оксидазы).И те и другие, подобно всем ферментам, имеют белковую природу и сложное строение.

В процессе биологического окисления атомы водорода, отнимаемые от окисляемого вещества, передаются на кислород не сразу. Этот процесс также проходит через ряд стадий, что обеспечивает еще более постепенное освобождение энергии.

Между реакциями дегидрогенирования вещества и образованием воды с участием кислорода лежит цепь реакций, в которых участву­ют промежуточные переносчики водорода (точнее, переносчики эле­ктронов и водородных ядер — протонов). К числу этих переносчиков относятся пиридиновые нуклеотиды (НАД и НАДФ), флавопротеиды, металлофлавопротеины, убихинон и цитохромы, строение и механизм действия которых были раскрыты в работах О. Варбурга, Г. Эйлера, А. Ленинджера и ряда других биохимиков.

Пиридиновые нуклеотиды являются сложными со­единениями, состоящими из амида никотиновой кислоты, рибозо-фосфата и адениловой кислоты (АМФ). При этом остаток фосфорной кислоты АМФ соединен через кислород с остатком фосфорной кислоты рибозофосфата.

Активной группой является амид никотиновой ки­слоты, способный, реагируя с двумя атомами водорода, обратимо присоединять протон и два электрона (второй протон в виде иона Н⁺ остается в растворе).

Существуют два пиридин-нуклеотида: никотинамидадениндинуклеотид (НАД) и никотинамидадениндинуклеотид-фосфат (НАДФ), отличающийся от первого еще одной частицей фосфорной кислоты, присоединенной к 3- углерод­ному атому рибозы адениннуклеотида.

НАД присутствует в тканях главным образом в окисленной форме и служит акцептором водорода, отнимаемого от окисляемых веществ. НАДФ в тканях содержится в значительно меньших количествах, чем НАД, причем концентрация восстановленной формы (НАДФ^.Н₂) боль­ше, чем окисленной (НАДФ). Поэтому он чаще фигурирует как до­натор водорода при различных биологических синтезах. Окисленная же форма НАДФ, подобно НАД, является акцептором водорода в ряде окислительных реакций.

Флавопротеиды состоят из прочно связанных с белком нуклеотидов. Наиболее типичный из них ФАД – флавинадениндинуклеотид.

Важнейший из флавиновых ферментов — цитохромредуктаза — способен дегидрогенировать НАД^.Н₂, передавая его во­дород следующему компоненту дыхательной цепи — цитохрому в.

Убихинон является циклическим соединением хиноидной природы, близким к витамину К и способным, подобно изоаллоксазину, обратимо присоединять водород.

Цитохромы (их существует несколько, они обозначаются буквами а, а₃, в, с и e) являются хромопротеидами, близкими к ге­моглобину и содержащими железо, которое, изменяя свою валентность, может присоединять и отдавать электроны.

Все промежуточные переносчики электронов и протонов находятся в клетках не в хаотическом состоянии, а в строго фиксированном – субклеточных структурах — гребнях митохондрий — в определенной последовательности, будучи связанными с белками-ферментами. При этом образуется три функциональных фермент­ных комплекса, соединенных между собою убихиноном и цитохромом с. Первый содержит связанные с ферментами ФАД (или ФМН), второй –- цитохромы в и сr (дигидроубихинон-цитохром с-редуктаза) и третий — цитохромы а и а₃, а также атомы меди (цитохромоксидаза). Эти комплексы вместе с НАД образуют дыхательную цепь.

НАД и НАДФ могут находиться и в свободном состоянии, буду­чи связаны с молекулами соответствующих ферментов, находящихся в цитоплазме.

Транспортировка электронов и протонов от окисляемых веществ до кислорода происходит по дыхательной цепи.

Первым акцептором электронов и протонов, отнимаемых от окисляемого вещества, является НАД, который при этом переходит в восстановленную форму. Он не способен взаимодейство­вать с кислородом и далее передает свой водород флавопротеиду (ФМН или ФАД).

В дальнейшем цепь продолжают убихинон и цитохромы.

Энергетический эффект биологического окисления

Биологическое окисление является процессом экзэргоническим, т. е. идущим с освобождением энергии. Естественно, что количество освобождающейся энергии тем больше, чем более полно окисляется то или иное вещество. Так, при окислении глюкозы до СО₂ и Н₂О освобождается 688 ккал окисление глюкозы до молочной ки­слоты дает только около 57 ккал. Иначе говоря, полное аэробное окис­ление глюкозы примерно в 12 раз эффективнее анаэробного окисления ее, а поэтому и экономнее. Чтобы получить освобождение одного и того же количества энергии путем аэробного и анаэробного окисле­ний, в первом случае должно окислиться в 12 раз меньше глюкозы, чем во втором.

Энергия, освобождающаяся в результате окислительных процессов, только частично превращается в теплоту. Большая часть ее накапли­вается в форме макроэргических (богатых энергией) соединений, ко­торые образуются при реакциях дегидрогенирования и переносе электронов по цепи коферментов дыхания. Следует иметь в виду, что макроэргические молекулы образуются не в окислительных реакциях, а в процессах фосфорилирования, которые являются сопряженными с реакциями окисления, инициируются ими и протекают параллельно.

Макроэргические соединения

Энергия, освобождаемая в процессах расщепления питательных веществ, многочисленных реакциях окисления, может быть использована организмом для теплопродукции, но не используется для производства любой работы, в т.ч. физической. Для этих целей живые организмы используют т.н. макроэргические молекулы.

Макроэргическими соединениями называются вещества, молекулы которых содержат связи, отда­ющие при гидролизе значительные количества свободной энергии.

Под свободной энергией вещества принято понимать то количес­тво потенциальной химической энергии, которое в условиях постоян­ства температуры и давления может быть превращено в механичес­кую работу.

Изменения свободной энергии при гидролизе или синтезе веществ может быть выражено в килокалориях на моль. Если пре­вращения химического соединения происходят с выделением энергии, то числовое значение изменения свободной энергии пишут со знаком минус, а если с поглощением энергии, то со знаком плюс (отрицатель­ное и положительное изменение свободной энергии соединения).

В зависимости от величины энергии гидролиза многие органические соединения разделяют на вещества с низкой и высокой энергией.

Вещества с высокой энергией гидролиза получили название макроэргических, или богатых энергией соединений. Ве­дущее положение среди них занимают фосфорсодержащие соедине­ния.

Роль фосфорных соединений в качестве первичных промежуточных веществ для аккумуляции и использования энергии, образующихся при окислении различных субстратов, обусловлена их термодинами­ческими особенностями. Производные ортфосфорной кислоты характе­ризуются термодинамической неустойчивостью (отрицательной сво­бодной энергией гидролиза) и кинетической стабильностью (малой скоростью не каталитического гидролиза).

Среди макроэргических соединений, участвующих в обмене ве­ществ, исключительно важная роль принадлежит аденозинфосфатам. Это объясняется не только повсеместным распро­странением их, но главным образом тем, что именно в этих соедине­ниях происходит накопление энергии, выделяющейся на различных стадиях биологического окисления в организме. К числу аденозинфосфатов относятся аденозинтрифосфорная (АТФ), аденозиндифосфорная (АДФ) и аденозинмонофосфорная (АМФ) кислоты.

Аденозинтрифосфорная кислота (АТФ) — сложное органическое соединение, состоящее из аденина, рибозы и трех остатков фосфорной кислоты. Первый остаток фосфорной кислоты присоединен к пятому углеродному атому рибозы обычной эфирной связью, два другие соединяются между собой посредством богатой энергией пирофосфатной связи. Гидролиз каждой пирофосфатной связи АТФ сопровождается вы­делением 6—8 ккал энергии на 1 моль.

Макроэргические молекулы могут иметь не только пирофосфатные, но и другие связи, богатые энергией, например фосфоамидные, как в молекуле креатинфосфата (см. ниже).

Аденозиндифосфорная кислота (АДФ) также относится к макроэргическим соединениям, но в отличие от АТФ име­ет только два остатка фосфорной кислоты.

Обычно в организме АДФ образуется после отщепления фосфорной кислоты от молекулы АТФ с помощью фермента аденозинтрифосфатазы:

АТФ + Н₂О = АДФ + Н₃РО₄ + 8 ккал

Аденозинмонофосфорная кислота (АМФ) не является макроэргическим соединением, поскольку остаток фосфор­ной кислоты в ней присоединен к рибозе обычной эфирной связью.

-

* Макроэргические связи в отличие от обычных обозначают волнистой чертой