Биоэнергетика. Биологическое окисление

Роль кислорода в метаболизме

 

Организм человека функционирует в аэробных усло­виях: 90% энергии он получает при участии кислорода. Кислород выполняет две важнейшие функции в метабо­лизме в процессе жизнедеятельности:

1) является конечным акцептором электронов и прото­нов при биологическом окислении (оксидазный путь использования кислорода);

2) выполняет пластическую функцию: кислород встра­ивается в процессе микросомального окисления в гид­рофобные соединения, переводя их в гидрофильные (оксигеназный путь использования кислорода).

Известно около 200 ферментов, использующих моле­кулярный кислород в качестве одного из субстратов. Все они делятся на два класса в зависимости от того, включа­ется кислород или нет в другой субстрат в ходе такой ре­акции:

1) оксидазы: кислород не включается в субстрат, а ис­пользуется как акцептор электронов. Существует два типа оксидаз: одни образуют в качестве одного из про­дуктов воду, а другие — перекись водорода:

SH₂ + 1/2О₂ S + Н₂О;

SH₂ + О₂ S + Н₂О;

2) оксигеназы — кислород включается в субстрат. Су­ществует также два типа оксигеназ:

а) монооксигеназы (или гидроксилазы) — включается только один атом кислорода:

SH₂ + 1/2О₂ H – S – OH;

б) диоксигеназа — включается два кислорода в суб­страт:

SH₂ + О₂ HO – S – OH.

 

Токсичность кислорода

 

Для организма человека токсичность кислорода обус­ловлена токсичностью его активных форм, которые мо­гут образовываться при переносе электронов от окисляе­мых субстратов на кислород. К активным формам кисло­рода относятся: супероксид-ион, гидроксильный радикал, пероксид-ион, синглетный кислород. Данные частицы представляют собой опасность для жизни клеток вслед­ствие повреждений, которые они способны причинять всем классам биомолекул, особенно белкам и липидам, вызы­вая перекисное окисление.

В живой клетке происходит детоксикация пероксида водорода и супероксид-иона при участии природных антиоксидантов (аскорбиновой кислоты, витамина Е, глутатиона) и ферментов (супероксиддисмутазы, каталазы, глутатионпероксидазы).

Макроэргические молекулы

 

К макроэргическим относятся соединения, при гид­ролизе которых выделяется энергия не менее 7 ккал/моль. Это число — условная единица, означающая всего лишь некий уровень отсчета, согласно которому АТФ и несколь­ко других соединений отличаются от остальных природ­ных соединений. Соответственно название «макроэргический» употребляется для объединения соединений в груп­пу веществ макроэргических и для указания их особой важности в переносе энергии в живой клетке.

Нуклеозидтрифосфаты

 

Наиболее распространенными высокоэнергетически­ми общими промежуточными продуктами являются нук­леозидтрифосфаты (НТФ), которые могут передавать свою концевую высокоэнергетическую фосфатную груп­пу любой из многочисленных органических молекул - акцепторов (чаще всего энергия образуется в виде АТФ). Осо бенность высокоэнергетических нуклеотидов состоит в том, что они выступают в качестве универсального ис­точника энергии для большого числа энергозависимых реакций.

Молекула АТФ состоит из аденилатной группы и трех остатков фосфорной группы. Значительная часть свобод­ной энергии этой молекулы обусловлена взаимным электростатическим отталкиванием этих фосфатных остатков аналогично взаимному отталкиванию одноименно заря­женных зарядов. Разрыв связей между остатками фос­форной кислоты сопровождается освобождением энергии. Соединением, играющим наиболее важную роль в кле­точной энергетике, является АТФ, так как:

1. Химическая энергия запасается путем образования АТФ, сопряженного с катаболическими реакциями расщепления.
2. Затем химически энергия утилизируется путем рас­щепления АТФ, сопряженного с эндэргическими ре­акциями синтеза в ходе анаболизма и других процес­сов, требующих затрат энергии, например активного транспорта и сокращения мышц.

Гидролиз АТФ — термодинамическая движущая сила процессов, которые сами по себе являются термодинами­чески невыгодными.

АТФ и другие нуклеозидтрифосфаты ответственны за перенос энергии во многих сопряженных реакциях. АТФ — постоянный источник энергии для клетки. Он мобилен и может доставлять химическую энергию в лю­бую часть клетки. Когда клетка нуждается в энергии, единственное, что потребуется для ее получения, — это гидро­лиз АТФ. АДФ может быть рефосфорилирован в АТФ в результате дыхательной активности или за счет другого высокоэнергетического соединения, например, креатинфосфата, присутствующего в мышечных клетках. Если весь АДФ мышечной ткани превращается в АТФ, то фос­фат от АТФ переносится на креатин с образованием креатинфосфата. При этом вновь появляется некоторое количество АДФ, который может, присоединив фосфат, образовать АТФ. При понижении уровня АТФ происхо­дит обратный процесс: фосфат переносится от креатинфосфата на АДФ, и запасы АТФ восстанавливаются.

Таким образом, АТФ играет важную метаболическую роль благодаря своему центральному положению в кле­точной активности. Он действует как связующее клеточ­ное звено между дыханием и процессами, требующими затраты энергии. При этом его высокоэнергетические фосфатные группы непрерывно отщепляются и замеща­ются новыми.

Аргининфосфат и креатинфосфат выполняют роль своеобразных аккумуляторов химической энергии, кото­рые используются для быстрого фосфорилирования АТФ во время энергичного мышечного сокращения. Их назы­вают фосфагенами.

Ацилфосфаты — макроэргические соединения с ан­гидридной связью, в которых карбонильный атом углеро­да ацильной группы особенно легко участвует в реакции с нуклеофилами. Значение DG = -12,8 ккал/моль.

Например, глицеро-1,3-дифосфат + НОН ® глицеро-3-фосфат + Н₃РО₄.

Тиоэфиры играют очень важную роль в метаболизме в качестве метаболически активной формы ацильной группы. В природе основными тиолсодержащими соеди­нениями являются: кофермент А, липоевая кислота, бел­ки с -SH группой:

ацетил-КоА + НОН ® ацетат + HSKoA;

DG = -7,37 ккал/моль.

Восстановленные формы НАДН + Н⁺ и НАДФН + Н⁺, будучи синтезированными в клетке, затем вновь окисля­ются, при этом происходит перенос электронов на кисло­род. Этот способ используется в качестве основного спосо­ба, посредством которого клетка превращает химическую энергию поступивших извне питательных веществ в ути­лизируемую метаболическую энергию.

Стандартная энергия гидролиза некоторых соединений

....................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................... DG, ккал/моль.......................................................................................................................................

Нуклеозидтрифосфаты................................................................................................................................................................................................................................................................. —7,3

1,3-Дифосфоглицерат................................................................................................................................................................................................................................................................... —11,8

Фосфоенолпируват....................................................................................................................................................................................................................................................................... —14,8

Ацилтиоэфиры.............................................................................................................................................................................................................................................................................. —7,37

Креатинфосфат.............................................................................................................................................................................................................................................................................. —10,3

Восстановленные эквиваленты (при окислении):

НАДН + Н⁺; НАДФН + Н⁺............................................................................................................................................................................................................................................... —52,6

 

Структура макроэргических соединений

 

1. НТФ, например ГТФ:

 

 

1. 1,3-Дифосфоглицерат:

1. Фосфоенолпируват:

1. Ацилтиоэфиры:

1. Восстановленные эквиваленты, например ФМН-Н2:

1. Креатинфосфат: