Биоокисление и биоэнергетика

 

Основным источником энергии для всех организмов на Земле является солнечное излучение. Растения в ходе фотосинтеза улавливают эту энергию и расходуют ее на превращение неорганических веществ – СО₂ и воды – в богатые энергией органические соединения (например, крахмал). Человек и животные не способны к фотосинтезу и получают необходимую им энергию в виде готовых органических веществ, в ходе распада которых эта энергия освобождается. Часть энергии рассеивается в виде тепла, которое используется на поддержание постоянной температуры тела, а часть – на синтез АТФ. В организме АТФ используется на сокращение мышц (механическую работу), активный транспорт ионов через мембрану (осмотическую работу), для биосинтезов (химическая работа), для регуляции. Таким образом, АТФ сопрягает процессы катаболизма, идущие с выделением энергии, и процессы анаболизма, идущие с потреблением энергии.

Катаболизм основных питательных веществ протекает в три этапа. На первом, подготовитель­ном, этапе, который протекает в желудочно-кишечном тракте, происходит расщепление высокомолекулярных соединений пищи до мономеров. Так, углеводы распадаются до глюкозы, жиры – до глицерина и жирных кислот, белки – до аминокислот. На этом этапе освобождается менее 1% энергии преимущественно в виде тепла. Катаболизму подвергаются также эндогенные белки, жиры и углеводы. Их распад происходит в лизосомах.

Второй этап катаболизма протекает специфически для веществ каждого класса и завершается образованием четырех главных метаболитов: пирувата, ацетил-КоА, α-кетоглутарата, оксалоацетата. Причем, аминокислоты в ходе пере- и дезаминирования образуют все четыре метаболита, глюкоза в ходе гликолиза превращается в пируват, из которого затем образуется ацетил-КоА, гли­церин в ходе окисления превращается в пируват, а затем – тоже в ацетил-КоА, жирные кислоты в ходе β-окисления превращаются сразу в ацетил-КоА. На втором этапе освобождается 1/3 часть энергии питательных веществ.

Третий этап катаболизма происходит в митохондриях и представляет собой общий путь катабо­лизма, протекающий одинаково для метаболитов всех обменов. Третий этап протекает в две фазы: первая фаза – цикл Кребса, в ходе которого освобождаются атомы водорода, поступающие в дыхательную цепь, которая представляет вторую фазу третьего этапа. На третьем этапе катаболизма освобождается 2/3 всей энергии, запасенной в питательных веществах, причем большая часть – в дыхательной цепи.

Пируват, образовавшийся на втором этапе катаболизма, прежде чем вступить в цикл Кребса, подвергается окислительному декарбоксилированию. Реакцию катализирует мультиферментный пируватдегидрогеназный комплекс, в состав которого входит 3 разных фермента и 5 коферментов: тиаминпирофосфат, содержащий витамин В₁, НSКоА (в его составе пантотеновая кислота), ФАД (в его составе витамин В₂), НАД⁺, в составе которого витамин РР, и липоамид (в его составе липоевая кислота). Промежуточные метаболиты, образующиеся при участии каждого фермента ком­плекса, не выделяются в свободном виде, а передаются от одного фермента к другому. Это пре­дотвращает диффузию промежуточных метаболитов, что делает работу комплекса максимально эффективной, так как значительно ускоряет процесс.

Суммарное уравнение реакции окислительного декарбоксилирования пирувата:

 

CH₃-CO-COOH + NAD⁺ + HSKoA " CH₃-CO~SKoA + NADH + H⁺ + CO₂

ЦИКЛ КРЕБСА

Ацетил-КоА, образовавшийся в реакции, катализируемой пируватдегидрогеназным комплексом, далее вступает в цикл Кребса (цикл трикарбоновых кислот), где оба атома углерода ацетильного ос­татка окисляются до 2 молекул СО₂. Атомы водорода, освобождающиеся в окислительно-восстановительных реакциях цикла, поставляются в дыхательную цепь при участии НАД⁺- и ФАД-зависимых дегидрогеназ.

В первой реакции цикла, катализируемой цитратсинтазой, атом углерода метильной группы ацетил-КоА связывается с карбонильной группой оксалоацетата (рис.1). Вторая реакция представляет обратимое превращение цитрата в изоцитрат. В третьей реакции цикла, катализируемой НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназой, происходит окислительное декарбоксилирование изоцитрата.

Эта самая медленная реакция цикла, ее продуктом является α-кетоглутарат. В четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутарата, катализируемое α-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом, который по своему строению и функциям сходен с пируватдегидрогеназным комплексом. Этот комплекс также состоит из 3 ферментов и 5 коферментов, среди которых тиаминпирофосфат, НSКоА, ФАД, НАД и липоевая кислота. Продуктами реакции являются сукцинил-КоА, СО₂ и НАДН. В пятой реакции происходит субстратное фосфорилирование – это синтез ГТФ (или АТФ) из ГДФ (или АДФ) и неорганического фосфата за счет энергии, освобождающейся при разрыве макроэргической связи в субстрате. В этой реакции происходит разрыв макроэргической связи в сукцинил-КоА, освобождающаяся при этом энергия используется для фосфорилирования ГДФ до ГТФ. Энергия ГТФ в большей степени используется в биосинтезе белка, поэтому большая часть ГТФ вступает в реакцию с АДФ, в результате чего образуется универсальный макроэрг –АТФ:

ГТФ + АДФ " ГДФ + АТФ

 

Рис.1. Цикл Кребса

 

В шестой реакции происходит окисление сукцината до фумарата при участии ФАД-зависимой дегидрогеназы. В седьмой реакции, катализируемой фумаразой, происходит образование малата. В последней реакции цикла происходит дегидрирование малата НАД⁺-зависимой малатдегидроге­назой в результате чего происходит регенерация оксалоацетата. Таким образом, за один оборот цикла Кребса сгорает одна молекула ацетил-КоА, оба углеродных атома которого превращаются в углекислый газ; а освободившиеся в окислительных реакциях 8 атомов водорода восстанавливают 4 кофермента (3 НАД⁺ и 1 ФАД). Атомы водорода с восстановленных коферментов поступают в дыхательную цепь, где транспортируются до кислорода, что приводит образованию воды. В итоге конечными продуктами полного окисления ацетил-КоА являются СО₂ и вода.

Регуляция цикла Кребса: регуляторными ферментами цикла являются цитратсинтаза, изоцит­ратдегидрогеназа (самый медленный фермент), α-кетоглутаратдегидрогеназа. Аллостерически цикл ингибируют АТФ, НАДН и ацил-КоА, активируют АДФ и НАД⁺. Скорость цикла увеличивается под действием гормонов: катехоламинов и глюкагона (в печени). Поддерживает активность цикла Кребса инсулин.

Роль цикла Кребса. Катаболически-энергетическая функция цикла состоит в том, что здесь происходит катаболизм углеродных скелетов метаболитов всех видов обмена; кроме того, здесь происходит дегидрирование субстратов и поставка водородов свосстановленных кофермен­тов в дыхательную цепь. Энергетическая функция цикла состоит в том, что в нем происходит об­разование 1 АТФ путем субстратного фосфорилирования.

Цикл Кребса – один из амфиболических путей метаболизма, то есть он выполняет не только катаболические, но и анаболические функции – ряд промежуточных продуктов используется в ка­честве субстратов для биосинтезов. Так, α-кетоглутарат и оксалоацетат используются для синтеза заменимых аминокислот, сукцинил-КоА – для биосинтеза порфиринов (гем). Кроме того, метаболиты цикла могут использоваться для синтеза глюкозы, жирных кислот, холестерина. Анаболиче­ские функции цикла Кребса наиболее характерны для клеток печени. Убыль метаболитов, исполь­зованных для анаболических целей, восполняется с помощью анаплеротических (пополняющих) реакций, главной из которых является реакция карбоксилирования пирувата, катализируемая пи­руваткарбоксилазой в присутствии биотина:

Пируват + СО₂ + АТФ + Н₂О " Оксалоацетат +АДФ +Н₃РО₄

Цикл Кребса выполняет также и регуляторную функцию, так как его метаболиты выступают в роли регуляторов обменных процессов. Так, НАДН является ингибитором окислительного катабо­лизма, цитрат активирует синтез жирных кислот и ингибирует гликолиз, ацетил-КоА является обязательным активатором глюконеогенеза и ингибитором пируватдегидрогеназного комплекса.

ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

 

В живых организмах окисление органических веществ кислородом происходит с образованием воды и СО₂, что называется тканевым дыханием. Тканевое дыхание включает дегидрирование субстратов (отнятие от них водорода) и последующий многоэтапный процесс переноса электронов на кислород. Именно в ходе этого процесса происходит освобождение энергии, заключенной в электронах водорода. Однако в эксперименте непосредственное взаимодействие водорода с ки­слородом хотя и приводит к образованию воды, но сопровождается взрывом, ибо при этом вся энергия электронов водорода освобождается одномоментно. В организме образование воды про­исходит через ряд реакций, благодаря этому энергия электронов освобождается не одномоментно, а порциями. Это становится возможным благодаря тому, что во внутреннюю мембрану митохонд­рий встроена система переносчиков, называемая дыхательной цепью (ДЦ).

ДЦ – это совокупность дыхательных переносчиков, которые переносят сначала атомы водо­рода, а затем только электроны от субстрата на кислород. Большинство переносчиков представ­ляют собой сложные белки-ферменты класса оксидоредуктаз. В их составе содержатся различные небелковые компоненты: ФМН, ионы Fе. Все компоненты ДЦ располагаются в порядке возрастания редокс-потенциала. Самый высокий редокс-потенциал у кислорода. Это обеспечивает после­довательное перемещение электронов от НАДН на кислород, при котором на каждом этапе происходит освобождение энергии (рис. 2).

НАД^2Н ФМН^2Н Q^2е в^2е с₁^2е с^2е а^2е О

 

 

 

АТФ АТФ АТФ

 

2H⁺ H₂О О ^2-

 

Рис.2. Дыхательная цепь

Дегидрогеназы, отщепляющие атомы водорода от субстратов, делятся на НАД-зависимые и ФАД-зависимые. При участии НАД⁺-зависимых дегидрогеназ окисляются пируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, малат, лактат и др. При участии ФАД-зависимых дегидрогеназ окисляются сукцинат, ацил-КоА, α-глицерофосфат.

Работа ДЦ по транспорту электронов на кислород представляет собой совокупность окислительно-восстановительных реакций, в которых каждый переносчик способен как окисляться, так и восстанавливаться. Так НАД⁺ присоединяет водород от субстратов и превращается в восстановленную форму – НАДН, который отдает атомы водорода на следующий переносчик – ФМН. При этом НАДН окисляется, а ФМН восстанавливается.

НАДН + Н⁺ + ФМН " НАД⁺ + ФМНН₂ и т. д.

Атомы Н, отщепляемые при участии ФАД-зависимых дегидрогеназ, поступают в ДЦ на уровне коэнзима Q (убихинона). До КоQ по дыхательной цепи одновременно передаются протоны и электроны водо­рода. Далее по системе цитохромов передаются только электроны. Цитохромы содержат гем, железо в котором может изменять свою валентность:

е +Fе³⁺"Fе²⁺; Fe²⁺ - e "Fe³⁺

Цитохром а, или цитохромоксидаза, передает электроны непосредственно на кислород, при этом цитохром а окисляется, а кислород, приняв 2 электрона, становится дважды отрицательно заряженным (О^2-). Такой кислород взаимодействует с двумя протонами, отщепившимися на уровне КoQ, что приводит к образованию эндогенной воды. Но ДЦ работает не ради эндогенной воды, она работает ради освобождения энергии. В ДЦ освобождается энергия электронов водорода при переходе их с одного переносчика на другой. Около 60% энергии освобождается в виде тепла, а на тех участках, где значительный перепад редокс-потенциала и величина освобождаемой энергии составляет не менее 7,3 ккал, ее оказывается достаточно для синтеза АТФ. В виде АТФ в ДЦ аккумулируется 40% энергии. Участки, где в ДЦ происходит синтез АТФ, называются участками сопряжения. При этом происходит сопряжение (взаимосвязь) между окислением (т.е. переносом электронов по цепи переносчиков на кислород) и фосфорилированием АДФ до АТФ. Таких уча­стков в ДЦ три:

· Между ФМН и КоQ.

· Между цитохромом в и с₁.

· Между цитохромом а и кислородом.

Если субстрат окисляется ФАД-зависимыми дегидрогеназами и атомы водорода вводятся в ДЦ на уровне КоQ, то в таком случае в ДЦ имеется два участка сопряжения: между цитохромом в и с₁ и между цитохромом а и О. Результатом сопряжения в ДЦ является окислительное фосфорилирование (ОФ). ОФ – это синтез АТФ из АДФ и неорганического фосфата (Н₃РО₄) за счет энергии, освобождаемой при работе ДЦ. Количественно работу ДЦ оценивают по коэффициенту окислительного фосфорилирования Р/О. Коэффициент Р/О – это отношение числа молекул АТФ, образовавшихся в ДЦ, в расчете на один атом поглощенного кислорода. Если субстрат окисляется НАД⁺-зависимой дегидрогеназой, то Р/О равен 2,5, если ФАД-зависимой – то 1,5.

АТФ в клетке образуется из АДФ и неорганического фосфата. Для присоединения фосфата необходима энергия:

АДФ + Н₃РО4 " АТФ

В зависимости от того, какая энергия используется для синтеза АТФ, различают субстратное (СФ) и окислительное фосфорилирование (ОФ). В первом случае для синтеза АТФ используется энергия, возникшая при окислении субстрата, для него не нужна мембрана и при этом образуется мало АТФ. СФ протекает в два этапа:

1. Образование первичного макроэрга (сукцинил-КоА в цикле Кребса, 1,3-бисфосфоглицерата и фосфоенолпирувата в гликолизе)

2. Образование вторичного макроэрга – АТФ.

ОФ происходит только в митохондриях и для него необходима мембрана, при этом образуется большое количество АТФ. Для синтеза АТФ в ДЦ используется энергия электрохимического потенциала водорода (∆µН⁺), который возникает за счет выброса протонов из внутренней мембраны ми­тохондрий в межмембранное пространство. Обратный процесс переноса протонов в матрикс через протонные каналы сопровождается освобождением энергии. Эту энергию и использует АТФ-синтаза для синтеза АТФ.

Полное окисление ацетил-КоА до СО₂ и воды (т.е. в цикле Кребса и ДЦ) дает 10 АТФ, а полное окисление пирувата – 12,5 АТФ (в окислении пирувата участвуют 4 НАД⁺-зависимых дегидрогеназы, что дает 4х2.5=10 АТФ, 1 ФАД-зависимая дегидрогеназа, что дает 1,5 АТФ и 1 АТФ образуется субстратным фосфорилированием в цикле Кребса. В окислении ацетил-КоА принимает участие на одну НАД⁺-зависимую дегидрогеназу меньше). Регуляция ДЦ. Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов по ДЦ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетке возрастает, то прекращается поток электронов к кислороду. И наоборот, расход АТФ и накопление АДФ увеличивает окисление субстра­тов и потребление кислорода. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем. Кроме того, работу ДЦ усиливают катехоламины, глюкагон и йодтиронины.

Разобщение в ДЦ. Некоторые химические вещества могут переносить протоны из межмем­бранного пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы. В результате этого снижается электрохимический потенциал и снижается синтез АТФ. Это явление называют разобще­нием окисления и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, в результате чего будут страдать все процессы, требующие энергии АТФ (клинически проявляется слабостью, снижением работоспособности, повышением теплопродукции).В этом случае окисление НАДН и ФАДН₂ возрастает, возрастает и количество поглощенного кислорода, но большая часть энергии выделяется в виде тепла (может повышаться температура тела) и коэффициент Р/О снижается: становится меньше 2,5 или 1,5 для НАД⁺- и ФАД-зависимых дегидрогеназ соответственно. Вещества, вызывающие разобщение, называются разобщителями. Физиологическими разобщителями являются жирные кислоты в буром жире. Кроме того, разобщение вызывают большие дозы йод­тиронинов, токсические вещества, например, 2,4-динитрофенол; а также некоторые бактериальные токсины, например, дифтерийный. Разобщение окисления и фосфорилирования может быть био­логически полезным. Оно позволяет генерировать тепло для поддержания постоянной темпера­туры тела у новорожденных, у зимнеспящих животных и в процессе адаптации к холоду.