- Система унификации субстратов окисления в организме человека
- унификацией.
- 3. Митохондриальный этап
- Классификация и характеристика основных оксидоредуктаз в тканях
- Классификация оксидоредуктаз :1. Дегидрогеназы
- Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК) Этот процесс называют также цитратным циклом
- Биологическая роль цикла
- Структура и функции дыхательной цепи
- Окислительно-восстановительный потенциал (Е)
- Механизм сопряжения окисления и фосфорилирования
- Микросомальное окисление
- Биологическая роль микросомального окисления
- Свободнорадикальное окисление
Биологическое окисление. Биологическое окисление Биологическое окисление
 Скачать 249 Kb.
|
) высвобождается более 4 ккал/моль (20 кДж/моль). Макроэргические связи образуются в результате перераспределения энергии химических связей в процессе обмена веществ. Большинство макроэргических соединений являются ангидридами фосфорной кислоты, например, АТФ, ГТФ, УТФ и т.д. Аденозинтрифосфат (АТФ) занимает центральное место среди веществ с макроэргическими связями. |
||||||||||||||||
Этапы |
Белки |
Углеводы (полисахариды) |
Жиры |
I подготовительный; высвобождается 1% энергии питательных веществ (в виде тепла); |
а   минокислоты |
 г   люкоза |
 глицерин, жирные кислоты |
II тканевые превращения; 20% энергии в виде тепла и АТФ |
ацетил-КоА (СН3-СОSKoA) |
||
III митохондриальный этап; 80% энергии (примерно половина - в виде АТФ, остальное - в виде тепла). |
 Цикл трикарбоновых кислот   СО2
|
||
Дыхательная цепь митохондрий О2Классификация и характеристика основных оксидоредуктаз в тканях
Важной особенностью биологического окисления является то, что оно протекает под действием определённых ферментов (оксидоредуктаз). Все необходимые ферменты для каждой стадии объединены в ансамбли, которые, как правило, фиксируются на различных клеточных мембранах. В результате слаженного действия всех ферментов химические превращения осуществляются постепенно, как на конвейере. При этом продукт реакции одной стадии является исходным соединением для следующей стадии.
Классификация оксидоредуктаз:
1. Дегидрогеназыосуществляют отщепление водорода от окисляемого субстрата:
SH2 + A → S +AH2
В процессах, связанных с извлечением энергии, наиболее распространённый тип реакций биологического окисления – дегидрирование, то есть отщепление от окисляемого субстрата двух атомов водорода и перенос их на окислитель. В действительности водород в живых системах находится не в виде атомов, а представляет собой сумму протона и электрона (Н+ и ē), маршруты движения которых различны.
Дегидрогеназы являются сложными белками, их коферменты (небелковая часть сложного фермента) способны быть и окислителем, и восстановителем. Забирая водород от субстратов коферменты переходят в восстановленную форму. Восстановленные формы коферментов могут отдавать протоны и электроны водорода другому коферменту, который имеет более высокий окислительно-восстановительный потенциал.
1) НАД+- и НАДФ+-зависимые дегидрогеназы (коферменты - НАД+ и НАДФ+- активные формы витамина РР). Присоединяют два атома водорода от окисляемого субстрата SH2, при этом образуется восстановленная форма - НАД+·Н2:
SH2 + НАД+ ↔ S + НАД+·Н2
2) ФАД-зависимые дегидрогеназы (коферменты - ФАД и ФМН – активные формы витамина В2). Окислительные способности этих ферментов позволяют им принимать водород как непосредственно от окисляющегося субстрата, так и от восстановленного НАДН2. При этом образуются восстановленные формы ФАД·Н2 и ФМН·Н2.
SH2 + ФАД ↔ S + ФАД·Н2
НАД+·Н2 + ФМН ↔ НАД+ + ФМН·Н2
3) коэнзим Q или убихинон, который может дегидрировать ФАД·Н2 и ФМН·Н2 и присоединять два атома водорода, превращаясь в КоQ·Н2 (гидрохинон):
ФМН·Н2 + КоQ ↔ ФМН + КоQ·Н2
2. Железосодержащие переносчики электронов геминовой природы– цитохромы b, c1, c, a, a3. Цитохромы – это ферменты, относящиеся к классу хромопротеидов (окрашенных белков). Небелковая часть цитохромов представлена гемом, содержащим железо и близким по строению к гему гемоглобина. Одна молекула цитохрома способна обратимо принимать один электрон, при этом меняется степень окисления железа:
цитохром(Fe3+) + ē ↔ цитохром(Fe2+)
Цитохромы a, a3 образуют комплекс, называемый цитохромоксидазой. В отличие от других цитохромов, цитохромоксидаза способна взаимодействовать с кислородом – конечным акцептором электронов.
Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК)
Этот процесс называют также цитратным циклом или циклом Кребса по имени английского учёного, предположившего, что в клетках имеется окислительная циклическая система реакций. ЦТК представляет собой протекающий в митохондриях распад ацетил-КоА до СО2 и водорода, связанного с переносчиками (НАД и ФАД).
На первой стадии процесса ацетил-КоА взаимодействует с оксалоацетатом (щавелевоуксусной кислотой) с образованием цитрата (лимонной кислоты). Далее от лимонной кислоты последовательно отщепляются 2 молекулы углекислого газа и 4 пары атомов водорода, и вновь образуется щавелевоуксусная кислота, поэтому процесс и называется циклом.
ЦТК связан с тканевым дыханием. Промежуточные метаболиты цикла являются субстратами окисления (изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат и малат). В цикле происходит их окисление (дегидрирование) под действием НАД- и ФАД-зависимых дегидрогеназ. При этом НАД и ФАД восстанавливаются, т.е. присоединяют водород:
изоцитрат + НАД → оксалосукцинат + НАДН2
(изолимонная кислота) (щавелевоянтарная кислота)
α-кетоглутарат + НАД → сукцинил-КоА + НАДН2
(α-кетоглутаровая кислота) (активная форма янтарной кислоты)
сукцинат + ФАД → фумарат + ФАДН2
(янтарная кислота) (фумаровая кислота)
малат + НАД → оксалоацетат + НАДН2
(яблочная кислота) (щавелевоуксусная кислота)
Водород из цикла Кребса (в виде НАДН2 и ФАДН2) поступает в дыхательную цепь, где он используется как своего рода топливо. В дыхательной цепи происходит перенос протонов и электронов водорода на кислород с образованием воды. Выделяющаяся при этом энергия используется на образование АТФ.
Биологическая роль цикла:
- на уровне цикла Кребса объединяются пути распада углеводов, липидов и белков;
- метаболиты цикла Кребса используются для синтеза других веществ (щавелевоуксусная кислота → глюкоза, аспарагиновая кислота; α-кетоглутаровая кислота → глутаминовая кислота, янтарная кислота → гем);
- цикл Кребса – главная система, поставляющая водород для дыхательной цепи митохондрий. Суммарное уравнение превращения ацетил-КоА в цикле Кребса:
СН3-С
SКоА + 2Н2О + Н3РО4 + АДФ + 3НАД + ФАД → 2СО2 + 3НАД∙Н2 + ФАД∙Н2 + АТФ + КоАSH║ ↓ ↓
О 9 АТФ 2 АТФ
Таким образом, при окислении одной молекулы ацетил-КоА в цикле Кребса образуется 12 молекул АТФ: в сопряжённой с циклом дыхательной цепи – 11 молекул; в самом цикле - 1 молекула АТФ на этапе превращения сукцинил-КоА в сукцинат:
ГТФ + АДФ → АТФ + ГДФ (снова поступает в цикл)
Структура и функции дыхательной цепи
Д
ыхательная (электронтранспортная) цепь находится в митохондриях, которые представляют собой органеллы овальной формы, входящие в состав почти всех клеток организма. Каждая митохондрия окружена двумя мембранами: наружной и внутренней. Наружная мембрана гладкая, внутренняя образует многочисленные гребневидные складки – кристы. Кристы существенно увеличивают поверхность внутренней мембраны, обеспечивая место для размещения ферментных систем дыхательной цепи. Пространство между наружной и внутренней мембранами – межмембранное пространство. Пространство между кристами заполнено водной средой, называемой матриксом. В матриксе находятся ферменты цикла трикарбоновых кислот и другие окислительные ферменты.Перенос электронов и протонов водорода к кислороду осуществляется на внутренней мембране митохондрий при помощи нескольких типов окислительно-восстановительных ферментных систем, совокупность которых образует так называемую дыхательную цепь. Компоненты дыхательной цепи встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и действуют как единый дыхательный ансамбль.
Дыхательная цепь – это своеобразный конвейер по переносу электронов от окисляющегося субстрата к кислороду. Она составлена из нескольких типов переносчиков ē и Н+, и её можно представить в виде следующей обобщённой схемы:
2Н 2Н 2ē 2ē 2ē 2ē 2ē
Н
АД → ФМН → КоQ → 2 цит.b → 2 цит.c1 → 2 цит.c → 2 цит.aa3 → ½ О2 → О2-→ Н2О
↑ ↑SН2 ФАД 2Н+
(изоцитрат, ↑
α-кетоглутарат, SН2
малат и др.) (сукцинат и др.)
В процессе распада углеводов, жиров и белков образуются соединения, которые представляют собой субстраты биологического окисления (SН2). Преимущественно они образуются в цикле Кребса (изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, малат). Под действием НАД- и ФАД-зависимых дегидрогеназ от них отщепляется по два атома водорода. После этого начинается транспорт протонов и электронов водорода по дыхательной цепи.
Восстановленный НАДН2 взаимодействует с дегидрогеназой, содержащей ФМН в качестве кофермента. ФМН акцептирует (забирает) водород, отщепляемый от НАДН2.
Следующий компонент дыхательной цепи коэнзимQ (убихинон) принимает 2Н от ФМН. Убихинон представляет собой узловой пункт, куда стекается водород, поступающий в дыхательную цепь от самых различных субстратов.
Если 3 первых компонента дыхательной цепи – НАД, ФМН и убихинон – переносили водород, то есть: и протоны, и электроны, то, начиная с цитохрома b и до кислорода потоки протонов и электронов разделяются, так как дальнейший участок дыхательной цепи содержит только переносчики электронов. От коэнзимаQ два электрона переходят на две молекулы цитохрома b, затем последовательно на цитохромы c1, c, a, a3. Кислород, присоединив два электрона от двух молекул цитохрома a3, взаимодействует с двумя протонами и превращается в воду.
Направление переноса электронов в дыхательной цепи определяют окислительно-восстановительные потенциалы переносчиков. Окислительно-восстановительный потенциал (Е) характеризует способность молекулы принимать электроны. Чем выше Е компонента цепи, тем выше его сила как окислителя. Переносчики в дыхательной цепи расположены в порядке увеличения Е, так как возможна отдача электронов только соединению с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом. У кислорода наивысшая способность принимать электроны (Е = +0,82В), у водорода – наименьшая (Е = -0,42В). Таким образом, кислород, являясь наиболее сильным окислителем, создаёт движущую силу для переноса электронов по дыхательной цепи.
Механизм сопряжения окисления и фосфорилирования
Перепад потенциалов от Н2 до О2 составляет 1,24 В, что теоретически достаточно для синтеза 6 молекул АТФ, однако реально синтезируется не более трёх.
SН2 + ½ О2 S + Н2О (окисление) 3АДФ + 3Н3РО4 3АТФ (фосфорилирование)АТФ образуется путём присоединения к АДФ остатка фосфорной кислоты. Этот процесс называется фосфорилированием. Таким образом, два процесса: процесс биологического окисления (передача протонов и электронов по дыхательной цепи) и процесс фосфорилирования (образование АТФ) являются сопряжёнными, так как энергия, образующаяся при окислении, используется для фосфорилирования. Поэтомуобразование АТФ за счёт энергии, выделяющейся при прохождении электронов по дыхательной цепи, называется окислительным фосфорилированием.
Для количественной характеристики сопряжения окисления и фосфорилирования используется коэффициент фосфорилирования – отношение Р/О. Этот коэффициент показывает, какое количество атомов неорганического фосфора поглощается митохондрией при поглощении одного атома кислорода (или при переносе одной пары электронов на кислород).
Расчёты показывают, что для образования одной макроэргической связи АТФ, затраты на которую составляют не менее 40 кДж/моль, требуется перепад окислительно-восстановительных потенциалов между участниками дыхательной цепи примерно в 0,22 В на пару перенесённых электронов. В дыхательной цепи имеются только три участка с разницей о/в потенциалов, достаточной для синтеза АТФ (три участка сопряжения окисления и фосфорилирования):
I – между НАД∙Н2 и ФМН;
II – между цитохромами b и c;
III – между цитохромами a и a3.
На данных этапах выделение энергии достаточно для синтеза АТФ. На остальных этапах перепад о/в потенциалов недостаточен для синтеза АТФ и выделяющаяся энергия (около 40-50%) рассеивается в виде тепла. Таким образом, при прохождении двух электронов по дыхательной цепи, которая начинается НАД-зависимыми дегидрогеназами образуется три молекулы АТФ. В этом случае коэффициент Р/О = 3.
Некоторые субстраты окисления (сукцинат, жирные кислоты) имеют более высокий окислительно-восстановительный потенциал, чем НАД. Поэтому они окисляются не НАД-, а ФАД-зависимыми дегидрогеназами. При окислении таких веществ образуется только две молекулы АТФ, так как пропускается один пункт сопряжения окисления и фосфорилирования. Поэтому коэффициент Р/О = 2.
Приведённые значения коэффициентов фосфорилирования являются расчетными, реальное значение этого коэффициента в физиологических условиях составляет Р/О ≈ 2,5.
Коэффициент Р/О может иметь ещё более низкие значения (Р/О < 2,5), так как в митохондриях иногда происходит разобщение окисления и фосфорилирования. При этом окислительно-восстановительные процессы в дыхательной цепи протекают, но фосфорилирование (синтез АТФ) не происходит, т.е. дыхательная цепь работает как бы на холостом ходу. Вся энергия окисляемых веществ превращается в теплоту. Митохондрии становятся своеобразной клеточной «печкой», производящей теплоту. Это необходимо в тех ситуациях, когда потребность в теплоте для организма больше, чем потребность в АТФ, например, для поддержания температуры тела при охлаждении.
Микросомальное окисление
Наряду с тканевым дыханием, в которое вовлекается от 80% до 90% потребляемого человеком кислорода, в организме постоянно протекают и другие реакции с участием кислорода, в том числе микросомальное и свободнорадикальное окисление.
Микросомальное окисление не связано с синтезом АТФ. Механизм данного типа окисления субстрата кислородом предусматривает такое взаимодействие субстрата (S) с молекулярным кислородом, при котором один атом кислорода включается в окисляемый субстрат, другой – в молекулу воды. За счёт включения кислорода в молекуле окисляемого субстрата возникает гидроксильная группа (-ОН), поэтому данный вид окисления называется гидроксилированием.
SН + О2 + А∙Н2 → S-ОН + Н2О + А
где SН – окисляемый субстрат; А∙Н2 – донор водорода (аскорбиновая кислота или НАДФ∙Н2).
Ферменты, участвующие в оксигеназном окислении, называются гидроксилазами, либо оксигеназами. Эти ферменты содержат в активном центре ионы металлов с переменной валентностью (Fe, Cu). Гидроксилазы могут существовать в растворимом виде в клеточном соке, или в виде специальных групп окислительных ферментов, расположенных в мембранах цитоплазматической сети печёночных клеток, митохондрий клеток коры надпочечников и т.д. При растирании ткани фрагменты цитоплазматической сети самопроизвольно замыкаются в пузырьковидные структуры, называемые микросомами, поэтому данный тип окисления называют микросомальным. Группа окислительных ферментов микросом представляет собой циклическую цепь транспорта электронов и протонов, источником которых служит преимущественно НАДФ∙Н2. Главным компонентом этой системы является цитохром Р450 с катионом железа (Fe3+ ↔ Fe2+) в активном центре, где начинается окисление субстратов. Название цитохрома связано с тем, что его восстановленная форма связывает оксид углерода СО и приобретает характерное поглощение света при 450 нм.
При взаимодействии цитохрома Р450 с субстратом и кислородом происходит их активация и окисление не только субстрата, но и НАДФ∙Н2. Благодаря этому цитохром Р450 отдаёт молекуле кислорода четыре электрона. В результате один из атомов кислорода внедряется по связи С-Н молекулы окисляемого субстрата, а другой – восстанавливается с образованием воды.
Биологическая роль микросомального окисления:
1. Синтез различных веществ. Растворимые ферменты с участием аскорбиновой кислоты в качестве донора водорода осуществляют синтез адреналина и норадреналина в хромаффинной ткани; пигмента меланина из тирозина в коже, радужке и сетчатке глаза; основного белка соединительной ткани – коллагена. Ферменты микросом участвуют в образовании ненасыщенных жирных кислот; желчных кислот и стероидных гормонов надпочечников из холестерина, лейкотриенов из арахидоновой кислоты.
2. Обезвреживание различных токсических веществ в печени. Особенно это относится к чужеродным веществам не природного происхождения, называемым ксенобиотиками. При микросомальном окислении токсические вещества становятся водорастворимыми, в результате они не накапливаются в клетке, а легко выводятся с мочой. Известно свыше 7000 наименований соединений, окисляющихся микросомальной системой печени. Одна из главных особенностей цитохрома Р450 – это способность его белка изменять свою конформацию в ответ на появление в организме того или иного ксенобиотика, обеспечивая тем самым эффективное взаимодействие с ним. За счёт такой приспособляемости цитохром Р450 является универсальным ферментом детоксикации, способным взаимодействовать почти с любыми соединениями. Единственной требование к окисляемому субстрату – он должен быть неполярным, поскольку цитохром Р450 находится в липидном слое мембран.
Свободнорадикальное окисление
Свободные радикалы – это частицы с неспаренным электроном (наличие неспаренного электрона обозначается точкой ·). Главным источником радикалов в организме человека является молекулярный кислород, а в случае радиационного воздействия – вода (радиолиз воды). От 1 до 3% потребляемого человеком кислорода расходуется на образование свободных радикалов. Молекула кислорода содержит два неспаренных электрона и представляет собой бирадикал ·О2·. Однако неспаренные электроны расположены так, что молекула О2 остаётся относительно стабильной. При полном восстановлении (тканевом дыхании) молекула кислорода, принимая четыре электрона и четыре протона, превращается в две молекулы воды. При неполном восстановлении кислорода образуются различные активные формы. К активным формам кислорода относятся:
О2
↓+ ē
·О2 ‾ - супероксидный радикал (+ Н+ → НО2• гидроперекисный радикал)
↓+ ē (+2Н+)
Н2О2 - перекись водорода
↓+ ē
·ОН - гидроксильный радикал
Под действием света молекулярный кислород переходит в синглетное состояние, т.е. в синглетный кислород О2', в котором все электроны спарены. Синглетный кислород неустойчив, период полураспада – 45 мин. Он более активен в реакциях окисления, чем молекулярный кислород. Окислительная способность активных форм кислорода возрастает в следующей последовательности:
О2 → О2' → ·О2─ → НО2• → Н2О2 → НО•
Образование активных форм кислорода происходит в организме постоянно. В организме токсичные кислородсодержащие радикалы возникают при взаимодействии О2 с металлопротеинами (гемоглобин, цитохромы), содержащими катионы металлов в низших степенях окисления (Fe2+, Cu+, Mn2+), получая от них электрон:
Fe2+ + О2 → Fe3+ + ·О2─
Химические реакции, приводящие к появлению свободных радикалов, являются нормальными процессами человеческого организма. Свободные радикалы появляются в результате тканевого дыхания, переноса кислорода гемоглобином, синтеза гормонов, простагландинов, фагоцитоза, обезвреживания лекарственных препаратов и различных токсических веществ печенью, физической активности и т. д.
Образовавшиеся радикальные частицы, прежде всего радикал НО•, обладают чрезвычайно высокой реакционной способностью. Свободные радикалы реагируют практически с любыми молекулами, вызывая нарушение их структуры и функций: белками, нуклеиновыми кислотами, углеводами, липидами. Особенно агрессивны свободные радикалы в отношении ДНК и липидов. Их взаимодействие с ДНК приводит к нарушению генетического кода, и может стать источником развития раковой опухоли. Однако в первую очередь свободные радикалы участвуют в реакциях перекисного окисления липидов (ПОЛ). При этом окислению подвергаются ненасыщенные жирные кислоты, входящие в состав фосфолипидов клеточных мембран. Процесс ПОЛ можно условно разделить на три этапа:
I этап – образование свободных радикалов липидов:
RH + •ОН → R• (R─CH2─CH═CH─R' + НО• → R─CH•─CH═CH─R' + Н2О)
аллильный радикал
II этап – продукция перекисей липидов: окисление аллильного радикала молекулярным кислородом с образованием пероксидных радикалов:
R• + О2 → ROO• (R─CH•─CH═CH─R' + О2 → R─CH─CH═CH─R')
│
О─О•
Пероксидный радикал затем восстанавливается в гидропероксид за счёт окисления другой молекулы жирной кислоты в свободный радикал: ROO• + RH → ROOH + R•
Реакции ПОЛ имеют цепной характер, и образовавшийся радикал R• участвует в развитии цепи.
III этап – обрыв цепи происходит, когда радикалы взаимодействуют друг с другом с образованием неактивных продуктов, либо с антиоксидантом. Продуктами перекисного окисления ненасыщенных липидов служат гидроперекиси липидов, а также спирты, альдегиды, карбоновые кислоты. Так, при распаде гидроперекисей липидов образуется малоновый диальдегид О═СН─СН2─СН═О, который образует «сшивки», нарушающие структуру белков.
Физиологическая роль процесса ПОЛ заключается в регуляции обновления и проницаемости липидов биологических мембран. Однако, если создаются условия для образования большого количества свободных радикалов, то процесс ПОЛ может приобретать лавинообразный характер. Это может привести к изменению физико-химических свойств липидной фазы мембраны, что в свою очередь ведёт к нарушению транспортных, рецепторных и других функций, и нарушению структурной целостности мембран вплоть до полного их разрушения и гибели клетки. Кроме того, подавляется активность ферментов, и накапливаются перекисные соединения, опасные для здоровья.
При экстремальных и патогенных воздействиях на организм образование кислородных радикалов резко усиливается, отчасти из-за активации окислительного фосфорилирования и гидроксилирования ксенобиотиков. Усиление процессов ПОЛ имеет универсальный повреждающий характер и играет важную роль в процессе старения и развитии различных патологических состояний: заболевания сердечно-сосудистой системы, печени, лёгких т. д.
В норме организм контролирует процессы ПОЛ, регулируя количество и активность свободных радикалов. Для этого существует антиоксидантная система (АОС) организма, которая препятствует чрезмерной активации ПОЛ. АОС включает в себя:
ферментативное звено, препятствующие образованию АФК- это ферменты, вырабатываемые в самом организме: каталаза, супероксиддисмутаза, глютатионредуктаза, глютатионпероксидаза;
супероксиддисмутаза
·
О2─ + 2Н+ Н2О2 + О2
каталаза глутатионпероксидаза (содержит селен и трипептид глутатион G─SH)2Н2О + О2 2G─SH + Н2О2 → G─S─S─G + 2 Н2О
неферментные антиоксиданты, обезвреживающие продукты ПОЛ (препятствуют образованию перекисей липидов). Они включают в себя не синтезируемые в нашем организме витамины А, С, Е, β-каротин, биофлавоноиды. Все эти вещества, за исключением витамина С, хорошо растворимы в жирах. Их называют «ловушками свободных радикалов» в организме. Антиоксиданты, взаимодействуя с радикалами, переходят в окисленные формы, которые под действием соответствующих ферментов опять превращаются в восстановленные формы. Например, витамин Е, присутствующий в мембранах, является своеобразной химической системой защиты мембран от перекисного окисления липидов. Кроме того, антиоксидантными свойствами обладают многие вещества, вырабатываемые самим организмом – коэнзим Q, мочевая кислота, стероидные гормоны, тироксин. Эффективными антиоксидантами являются тиолы R─SH, которые необходимы для работы фермента глутатионпероксидазы. К естественным тиолам относятся глутатион, цистеин, дегидролипоат.