III. Биологическое окисление.

Биологическое окисление – это совокупность реакций окисления, протекающих в живом организме.

Лавуазье сравнивал биологическое окисление с «медленным горением», но это ограниченная аналогия, так как биологическое окисление:

а) протекает при низкой температуре,

б) протекает без появления пламени,

в) протекает в присутствии воды.

Существует несколько теорий биологического окисления:

1. Теория “активации” кислорода (Бах)

Образуются пероксиды: а) О=О®–О–О–

б) –О–О– + S ® SOO [треугольник, в углах которого три указанные буквы; S = субстрат; над стрелочкой реакции надпись “оксигеназы”]

в) SOO + S ’ ® SO + S ’ O [фермент пероксидаза]

Эта теория не объясняет окисление в животных тканях.

2. Теория активирования водорода (Палладин)

В клетках животных окисление идет благодаря дегидрированию:

А·Н ₂ + Ко® А + Ко·Н ₂ [фермент дегидрогеназа]

Ко·Н ₂ + ½ О ₂ ® Ко + Н ₂ О

3. Современные представления (Палладин и Бах)

Биологическое окисление – это процесс переноса электронов. Если акцептором электронов выступает молекулярный кислород, то его называют “тканевым дыханием”:

RH ₂ ® R + 2H ⁺ + 2e ^--

2H ⁺ + 2e ^-- + ½ O ₂ ® H ₂ O + 210 кДж

Биологическое окисление – многоступенчатый полиферментативный процесс, заключающийся в многократной передаче протонов и электронов по цепи ферментов. При этом химическая энергия выделяется небольшими порциями (постепенно, без взрывов).

Дыхательная цепь (ДЦ)

(или Цепь Переноса Электронов – ЦПЭ, или Электрон-Транспортная Цепь – ЭТЦ)

ДЦ – это конвейер по переносу электронов и протонов от восстановленного субстрата к кислороду.

Компоненты ДЦ:

1. Пиридинзависимые ДГ (НАД-, НАДФ-зависимые)

Рабочая часть – витамин РР (никотинамид)

НАД + 2Н ⁺ + 2е ↔ НАД·Н ₂

2. ФАД-зависимые ДГ (кофермент в ДЦ – ФМН, а акцептор электронов непосредственно от субстрата – ФАД. Рабочая часть – изоалоксазин.

[При восстановлении к атомам азота при двойных связях, отмеченных стрелками, присоединяется по атому водорода, а двойная связь перемещается на общую грань колец В и С.]

3. Убихинон (Ko Q). Обладает о/в-свойствами благодаря кето-енольной таутомерии.

4. Цитохромы. Относятся к гемопротеинам, содержат атомы железа, переход степени (2↔3) окисления которого и обеспечивает транспорт электронов (протоны ими не транспортируются!!!).

В ДЦ цитохромы расположены в следующей последовательности: b - c ₁ - c - a - a ₃.

Совокупность цитохромов b и c ₁ называют КоQH-дегидрогеназой, т.к. они отщепляют атом водорода от убихинона (KoQ).

Цитохромы а и а ₃ – цитохромоксидазой (т.к. способствуют переносу электронов на молекулярный кислород).

 

Функционирование ДЦ

Субстрат·Н ₂ → НАД → ФМН → КоQ → 2b → 2c ₁ → 2c → 2a → 2a ₃ → O ₂.

[До KoQ включительно переносятся 2 протона и 2 электрона, а по цепи цитохромов – только 2 электрона]

Существует и укороченная ДЦ, в которой субстрат окисляется ФАД-зависимой ДГ, отдающей затем 2 протона и 2 электрона непосредственно на убихинон.

Необходимо отметить, что АТФ выделяется на этапах: НАД→ФМН (в укороченной ДЦ эта молекула АТФ не выделяется!), b→c ₁, a→a ₃.

Вообще, молекула АТФ синтезируется если разница потенциалов между соседними компонентами цепи превышает 0,2 В, т.е. может выделиться энергия не менее 50 кДж/моль.