Основні етапи біологічного окиснення. Клітинне дихання (біологічне окиснення). Енергетичний вихід тканинного дихання

Біологічне окиснення – це сукупність окиснювально-відновних реакцій, що відбуваються в живих організмах. На їхню частку припадає близько 99% від усього енергопостачання організму. За допомогою окиснювально-відновних процесів в організмі руйнуються і деякі токсичні речовини, що утворюються в результаті обміну речовин (наприклад, пероксид водню).

Ще з часів французького хіміка А.Лавуазьє окиснення в організмі ототожнювализ горінням, бо продукти окислення і горіння глюкози (СО 2 і Н 2 О) і кількість енергії, що виділяється (близько 2850 кДж/моль) виявилися однаковими.

Проте між біологічним окисленням та горінням існують Важливі відмінності:

1. Біологічне окиснення протікає в м'яких умовах (температура тіла, постійний тискта рН).

2. При біологічному окисленні енергія вивільняється ступінчасто, причому частина її акумулюється в макроергічних сполуках, при горінні енергія виділяється відразу і розсіюється як тепла.

3. Біологічне окиснення більш інтенсивно протікає в органах та тканинах з великим вмістом води.

Окисно-відновні реакції протікають в організмі тварин за наступними стадіями:

1.Освіта ацетил-КоА (при окисненні моносахаридів, гліцерину, жирних кислот, амінокислот);

2.Окислення ацетил-КоА в циклі трикарбонових кислот з утворенням СО 2 та відновлених коферментів НАДН(Н+) та ФАДН 2 ;

3. Окислення водню відновлених коферментів НАДН(Н+) та ФАДН 2 у дихальному ланцюгу з утворенням води та АТФ.

· ДИХАЛЬНИЙ ЛАНЦЮГ, СПОРУЖЕНИЙ З ТРАНСФОРМАЦІЄЮ ЕНЕРГІЇ.

Розрізняють 2 види дихального ланцюга - 1) пов'язана з трансформацією енергії або окисне фосфорилюваннята 2) непов'язана з трансформацією енергії або вільне окиснення.

Дихальний ланцюг, пов'язаний з трансформацією енергії, локалізований у внутрішній мембрані мітохондрій. Вона включає 4 ферментативні комплекси: I - НАДН(Н +) - КоQ-оксидоредуктаза, II - сукцинат - КоQ-оксидоредуктаза, III - КоQ - цитохром з - оксидоредуктаза та IV-цитохромоксидаза. У процесі функціонування такого дихального ланцюга здійснюється перенесення електронів від відновлених коферментів НАДН(Н+) та ФАДН 2 до молекулярного кисню, пов'язаний із синтезом АТФ.

Джерелом НАДН(Н+) та ФАДН 2 є дегідрогеназні реакції, що протікають за схемою:

SН 2 + НАД + ® S + НАДН (Н +); SН 2 + ФАД ® S + ФАДН 2

Як субстрати найчастіше виступають піровиноградна кислота, глутамінова кислота, проміжні метаболіти ЦТК (ізолімонна кислота, a-кетоглутарова, яблучна).

Послідовність перенесення електронів у дихальному ланцюгу від НАДН(Н+) та ФАДН 2 до молекулярного кисню можна подати у вигляді схеми:

Сукцинат ® ФАДН 2

Залізо-сірчаний білок

НАДН(Н+) ® ФМН ® залізо-сірчаний білок ® КоQ (убіхінон) ® цитохром b ® залізо-сірчаний білок ® цитохром з 1 ® цитохром з ® цитохром а ® цитохром а 3 ® О 2

Порядок розташування компонентів у дихальному ланцюзі залежить від величини їхнього окисно-відновного потенціалу. Для кожного наступного компонента характерна більша окислювальна здатність.

До складу III та IV комплексів входять складні білки з групи хромопротеїнів. цитохроми. Їхня простетична група близька до гему і містить залізо. Однак на противагу гемоглобіну, що має двовалентне залізо, цитохроми містять залізо, яке може переходити з двовалентного (відновленого) в тривалентний (окислений) стан і назад.

Кінцевим акцептором електронів є 2 . Відновлення кисню до води відбувається за схемою:

2Н + + 2 е + 1/2 О 2 ® Н 2 О або 4 Н + + 4 е + О 2 ® 2 Н 2 О

Іони Н+ для утворення води беруться з матриксу мітохондрій.

Згідно хеміосмотичної теорії П.Мітчелла сполучення перенесення електронів та синтезу АТФ забезпечується градієнтом електрохімічного потенціалу іонів водню (рис. 3) Dm Н + , який складається з двох компонентів – різниці електричних потенціалів (Dj) та різниці концентрацій іонів водню – D рН. Перенесення електронів з дихального ланцюга призводить до викиду протонів з матриксу на цитоплазматичну сторону внутрішньої мітохондріальної мембрани, де, таким чином зростає концентрація іонів водню. В результаті відбувається генерування DрН (залужування в матриксі та закислення із зовнішньої сторони внутрішньої мітохондріальної мембрани) та Dj (різниці електричних потенціалів, причому та частина внутрішньої мембрани, яка звернена до матрикса, набуває негативного заряду, а та, яка звернена до міжмембранного простору – позитивний ). Протонний градієнт використовується для синтезу АТФ, який здійснюється за допомогою ферментного комплексу АТФ-синтази під час зворотного надходження протонів у мітохондріальний матрикс.

Викид протонів відбувається у 3-х пунктах потоку електронів з дихального ланцюга від НАДН(Н +) до О 2 – у I, III та IV комплексах; 1-й пункт - це НАДН(Н+) - КоQ - оксидоредуктазний комплекс; 2-й пункт – КоQ – цитохром с – оксидоредуктазний комплекс; 3-й – цитохромоксидазний комплекс. Протонний градієнт, що генерується в кожному з цих пунктів при перенесенні однієї пари електронів від НАДН(Н +) до О 2 використовується для синтезу однієї молекули АТФ (АДФ + Н 3 РО 4 ® АТФ). Окислення однієї молекули НАДН(Н+) дає 3 АТФ, тоді як окиснення ФАДН 2 - 2 АТФ (енергії, що виділяється в процесі функціонування сукцинат-КоQ-оксидоредуктазного комплексу недостатньо для синтезу АТФ, тобто трансформації енергії тут не відбувається).

Рис.3. Схема перенесення протонів водню в мітохондріях.

Таким чином, окисне фосфорилюванняявляє собою процес перенесення електронів від відновлених коферментів НАДН(Н+) та ФАДН 2 до молекулярного кисню, пов'язаний із синтезом АТФ. Окисне фосфорилювання часто характеризують ставленням Р: (число молей неорганічного фосфату, використаного для синтезу АТФ у розрахунку на один атом споживаного кисню).

Швидкість окисного фосфорилювання залежить, насамперед, від змісту АДФ: що швидше витрачається АТФ потреб організму, тим більше накопичується АДФ і тим більше потреба у енергії, отже й у синтезі АТФ. Накопичення АТФ, звичайно, супроводжується зниженням вмісту АДФ, швидкість утворення АТФ при цьому також зменшиться. При обмеженій потребі АТФ падає і швидкість окислювального розпаду субстратів. Регуляцію швидкості окисного фосфорилювання вмістом АТФ називають дихальним контролем.

· Субстратне фосфорилювання

Субстратне фосфорилюванняє альтернативним механізмом утворення АТФ, тому що воно не вимагає утворення DmН+. У результаті окислення субстратів утворюються макроергічні сполуки, розрив макроергічного зв'язку у яких пов'язані з фосфорилированием АДФ (тобто. з синтезом АТФ).

Приклад субстратного фосфорилювання:

С - Н + НАД + С - О ~ Р = О СООН

| + H3PO4 | | +АДФ |

Н – С – ВІН ВІН ¾¾® Н – С – ВІН ВІН ВІН ¾¾¾® Н – С – ВІН ВІН

| | -НАДН(Н+) | | -АТФ | |

СН 2 О - Р = О СН 2 - О - Р = О СН 2 - О - Р = О

ГА – 3 – Ф 1,3 – ДФГ 3 – ФОСФОГЛІЦЕРАТ (3-ФГ)

У процесі гліколізу енергія, що вивільняється при окисленні гліцеральдегід-3-фосфату (ГА-3-Ф), акумулюється в макроергічному зв'язку 1,3-дифосфогліцерату (1,3-ДФГ). Розщеплення зв'язку надалі пов'язане з фосфорилюванням АДФ, у результаті здійснюється АТФ.

· МАКРОЕРГІЧНІ З'ЄДНАННЯ

Енергія, перш ніж бути використаною для потреб організму, акумулюється в макроергічні сполуки. Гідроліз таких сполук супроводжується виділенням великої кількостіенергії (понад 7 ккалмоль). До них відносяться нуклеозидтрифосфати, ацилфосфати, енолфосфати, тіоефіри, фосфагени.

Нуклеозидтрифосфати(АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ) містять по 2 макроергічні зв'язки.

АТФ (рис. 4) є головним, що безпосередньо використовується донором вільної енергії в біологічних системах.

Рис.4. Будова АТФ.

Гідроліз АТФ може відбуватися двома шляхами:

1) АТФ + Н 2 О ® АДФ + Н 3 РО 4;

2) АТФ + Н 2 О ® АМФ + Н 4 Р 2 О 7

В обох випадках за стандартних умов вивільняється 7,3 ккалмоль енергії (за умов, що існують у клітині в нормі, близько 12 ккалмоль).

Вивільнена при гідролізі АТФ енергія, що використовується для процесів біосинтезу складних речовин з більш простих, при м'язовому скороченні, для активного транспорту молекул та іонів (рис. 5).

Рис.5. Основні шляхи використання енергії АТФ.

Прикладом ацилфосфату є 1,3-дифосфогліцерат, що є проміжним продуктом гліколізу (при його гідролізі виділяється 11,8 ккалмоль енергії).

С - О ~ Р = О

Н - С - ВІН ВІН ВІН

СН 2 - О - Р = О

1,3-дифосфогліцерат

До енолфосфатам відноситься фосфоенолпіруват, що також бере участь у процесі гліколізу (гідроліз його макроергічного зв'язку призводить до виділення 14,8 ккалмоль енергії).

С - О ~ Р = О

фосфоенолпіруват

Активна оцтова кислота (ацетил-КоА) та активна янтарна кислота (сукциніл-КоА) є тіоефірами .

СН 3 - С ~ S - КоА НООС - СН 2 - СН 2 - С ~ S - КоА

ацетил-КоА сукциніл-КоА

Креатинфосфат (при його гідролізі виділяється 10,3 ккалмоль енергії) відноситься до фосфагенів .

Н - N ~ Р = О

креатинфосфат

Креатинфосфат використовується в м'язовій тканині для регенерації АТФ (креатинфосфат + АДФ® креатин + АТФ).

· ВІЛЬНЕ ОКИСЛЕННЯ

Вільне окисненняне пов'язане із синтезом АТФ. Енергія, що виділяється при цьому, розсіюється у вигляді тепла. Класичним прикладомроз'єднання окислення з утворенням АТФ є дією 2,4-дінітрофенолу (ДНФ). Це з'єднання використовувалося зниження маси тіла. Воно різко збільшує протонну проникність клітинних мембран, роз'єднує окисне фосфорилювання та призводить до розвитку тяжких дистрофічних процесів внаслідок недостатнього синтезу клітиною АТФ.

Часткове роз'єднання окислення з фосфорилуванням спостерігається при багатьох захворюваннях, оскільки мітохондрії є найбільш чутливими клітинними органелами до дії несприятливих факторів зовнішнього середовища. Мітохондріальна патологія розвивається при гіпертиреозі. При надмірному виділенні щитовидної залози гормонів відбувається набухання мітохондрій та їх розпад, що призводить до зниження утворення АТФ. При цьому посилюються окисні процеси, відзначається більш висока ніж у нормі температура тіла, частішає серцебиття.

Роз'єднання окисного фосфорилювання може бути біологічно корисним. Воно являє собою спосіб генерування тепла для підтримки температури тіла у зимових тварин, у деяких новонароджених тварин і у ссавців, адаптованих до холоду. Для цього процесу термогенезу спеціалізована бура жирова тканина, дуже багата на мітохондрії. Як роз'єднувач у ній виступають жирні кислоти, вивільнення яких у свою чергу регулюється норадреналіном. Таким чином, ступінь роз'єднання окисного фосфорилювання у бурій жировій тканині знаходиться під гормональним контролем. Мітохондрії у цій тканині можуть виконувати функцію генераторів АТФ або мініатюрних обігрівальних печей.

У мікросомах печінки за участю цитохрому Р-450 відбувається метаболізм багатьох лікарських речовин шляхом їх гідроксилювання. Відновниками цитохромів є НАДН(Н+) та НАДФН(Н+):

Лік - Н + О 2 + цитохром Р-450 (Fe 2+) + 2Н + ® Лек - ВІН + Н 2 О + цитохром Р-450

Мітохондріальні цитохроми Р-450 - містять монооксигеназні системи знаходяться в корі надниркових залоз, в сім'яниках, яєчниках, плаценті. Вони беруть участь у синтезі стероїдних гормонів із холестерину. У печінці відбувається гідроксилювання холестерину за положенням 26 у ході біосинтезу жовчних кислот.

· КОНТРОЛЬНІ ПИТАННЯ

Слайд 2

Сукупність окисних реакцій, що відбуваються в біологічних об'єктах та забезпечують їх енергією та метаболітами для здійснення процесів життєдіяльності, називається біологічним окисненням.

Слайд 3

Функції біологічного окиснення

Енергетичне забезпечення:

підтримання температури тіла;
біолюмінесценції (свічення);
хімічні синтези;
осмотичних явищ;
електричних процесів;
механічної роботи.

Синтез найважливіших (ключових) метаболітів.
Регулювання обміну речовин.
Усунення шкідливих для клітини продуктів обміну (шлаків).
Детоксикація чужих сполук, що проникли в організм - ксенобіотиків (пестицидів, препаратів побутової хімії, лікарських засобів, промислових забруднень тощо).

Слайд 4

Ферменти біологічного окиснення

Різноманітні реакції біологічного окиснення прискорюються численними ферментами оксидоредуктазами, які, як правило, вбудовані в біологічні мембрани, причому дуже часто у вигляді ансамблів.

Їх поділяють на 5 груп:

Оксидази (каталізують видалення водню із субстрату, використовуючи при цьому як акцептор водню тільки кисень)

Слайд 5

Аеробні дегідрогенази (на відміну від оксидаз вони можуть використовувати як акцептор водню не тільки кисень, а й штучні акцептори).

Слайд 6

Анаеробні дегідрогенази (не здатні використовувати кисень як акцептор водню)
Виконують дві основні функції:
- Перенесення водню з одного субстрату на інший
- Компонент дихального ланцюга, що забезпечує транспорт електронів від субстрату на кисень

Слайд 7

Гідроксипероксидази (використовують як субстрат перекис водню або органічні перекиси)
Оксигенази (каталізують пряме введення кисню у молекулу субстрату)

Слайд 8

Типи біологічного окиснення

Існують 2 типи біологічного окислення:
Вільне окиснення
- Окислення, не пов'язане з фосфорилюванням АДФ і не супроводжується трансформацією енергії, що виділяється при окисленні, в енергію макроергічних зв'язків.
- При вільному окисленні енергія, що вивільняється, переходить в теплову і розсіюється.
- Цей тип біологічного окислення здійснюється двома шляхами:
- субстратне фосфорилювання
- окисне фосфорилювання

Слайд 9

Вільне окиснення

Слайд 10

Реакції вільного окиснення органічних сполук у живій природі та прискорюючі їх ферментні системи різноманітні. Цим шляхом безпосередньо окислюються як численні природні і неприродні субстрати, а й відновлені коферменти (НАДН, НАДФН, ФАД·Н2 та інших.), що утворилися під час дії первинних і вторинних дегідрогеназ.
Реакції вільного окиснення протікають у цитозолі, на мембранах різних субклітинних структур, ядерному апараті клітини. Основним осередком їх є мембрани ендоплазматичної мережі (ЕПС).
Оскільки мембрани ЕПС при гомогенізації клітин та фракціонуванні субклітинних частинок гомогенату дають фракцію мікросом, реакції окислення на мембранах ЕПС називаються мікросомальним окисленням.

Слайд 11

Особливості мікросомального дихального ланцюга

Незважаючи на наявність ферментів ланцюга перенесення електронів, в жодному пункті цього ланцюга немає сполучення з фосфорилюванням АДФ.
Своєрідність структури та функціональної активності цитохромів b5 та Р-450, що входять до її складу.
Висока спорідненість термінальної оксидази мікросомальних ланцюгів до кисню, що дозволяє їй конкурувати за кисень з мітохондріальною цитохромоксидазою.

Слайд 12

Ферменти вільного окиснення

Слайд 13

Пірокатехаза (катехол: кисень -1,2-оксидоредуктаза дециклізуюча)
Вона містить в активному центрі два міцно пов'язані атоми Fе, які, згідно з О. Хайаїші, з'єднуються з молекулярним киснем у комплекс, де кисень активується далі:
Fe2+ + О2 → Fе2+О2 → Fе3+О2–

Слайд 14

Слайд 15

Приклади діоксигеназних реакцій

Слайд 16

Вільне окиснення за участю монооксигеназ

Слайд 17

Окислення, пов'язане з фосфорилуванням АДФ

Слайд 18

Слайд 19

Субстратне фосфорилювання

Слайд 20

Субстратне фосфорилювання – такий вид біологічного окислення, у якому: макроэргическая зв'язок виникає у момент безпосереднього окислення субстрату, потім тим чи іншим шляхом передається на фосфатний залишок, який, своєю чергою, використовується для фосфорилювання АДФ, тобто. синтезу АТФ. Окислення, пов'язане з фосфорилуванням АДФ лише на рівні субстрату.

Слайд 21

Приклади реакцій субстратного фосфорилювання

При окисленні 3-фосфогліцеринового альдегіду (3-ФГА) у 2-фосфогліцеринову кислоту (2-ФГК) – гліколіз;
При перетворенні фосфоенолпіровиноградної кислоти (ФЕП) на піровиноградну (піруват, ПВК) – гліколіз;
При перетворенні -кетоглутарової кислоти на янтарну (реакція циклу Кребса).

Слайд 22

Окисне декарбоксилювання кетоглутарової кислоти

На цій ділянці циклу Кребса донором електронів є оксиацетилтіамінпірофосфат; акцептором електронів – ліпоєва кислота.

Слайд 23

Слайд 24

Слайд 25

На наступних етапах реакцію вступає фермент

Слайд 26

Окисне фосфорилювання

Слайд 27

Це сполучення окислення з синтезом АТФ, коли атоми водню з коферментів дегідрогеназ, що беруть участь в окисненні субстратів, передаються в оксидоредуктазний ланцюг, де пов'язане з перенесенням іонів Н+ та електронів на молекулярний кисень відбувається активування неорганічного фосфату і за його посередництвом – фосфор АТФ
Окислюваний субстрат у разі безпосередньої участі в активуванні неорганічного фосфату не бере
Поєднання окислення з фосфорилюванням йде головним чином на внутрішніх мембранах мітохондрій

Слайд 28

Окисно-відновні ферменти

Слайд 29

Піридинові дегідрогенази

Коферменти – НАД та НАДФ
Універсальний донор атомів Н для дихального ланцюга ферментів – НАДН2
Якщо при окисленні субстрату виникає НАДФН2, здійснюється реакція:
НАДФН2 + НАД ⇄ НАДФ + НАДН2

Слайд 30

Особливості реакцій за участю піридинових дегідрогеназ

Легка оборотність.
Коферменти легко відокремлюються від білкової частини, мають високу рухливість, що дозволяє їм переносити атоми Н, іони Н+ та електрони з однієї частини клітини в іншу.
НАД та НАДФ здатні приймати атоми Н від великої кількостісубстратів, окислювально-відновлювальні потенціали яких нижчі (-0,32В).

Слайд 31

Флавінові дегідрогенази

Коферменти – ФМН та ФАД.
Флавінові ферменти є акцепторами атомів водню і здійснюють їх перенесення від НАДН2:
НАДН2 + ФАД ⇄ НАД + ФАДН2.
У деяких випадках (при окисленні бурштинової кислоти в циклі Кребса або при окисленні жирних кислот) флавінові ферменти можуть відігравати роль первинних дегідрогеназів.
ФМН та ФАД дуже міцно пов'язані з апоферментом і не відщеплюються від нього на жодній стадії каталітичного циклу.
Активною частиною молекул ФАД та ФМН є ізоаллоксазинове кільце рибофлавіну, до атомів азоту якого можуть приєднуватися 2 атоми водню:

Слайд 36

Найхарактернішою особливістю дихального ланцюга ферментів є наявність у ній ділянок, де сусідні компоненти різко відрізняються значеннями окисно-відновних потенціалів.
Саме тут відбувається поєднання окислення з фосфорилуванням АДФ, т.к. різниця енергетичних рівнів електрона, що транспортується з величезною швидкістю, цілком достатня для синтезу макроергічного зв'язку і становить 51 кДж для I, 36 кДж – для ІІі 80,7 кДж – для ІІІ точки сполучення.

Слайд 37

Хеміосмотична гіпотеза

Пітер Мітчелл, Володимир Петрович Скулачов
Реакції, що супроводжуються витрачанням чи утворенням Н+, протікають на внутрішній мембрані мітохондрій в такий спосіб, що протони переносяться із внутрішньої мембрани на зовнішню, тобто. перенесення електронів супроводжується виникненням трансмембранного градієнта концентрації іонів Н+ – здійснення осмотичної роботи.
Цей градієнт, що створює різницю хімічних () та електричних () потенціалів, є джерелом енергії для протікання ендергонічного процесу утворення АТФ.
АТФаза є ферментом, здатним використовувати градієнт концентрації іонів Н+ звернення процесу гідролізу АТФ.

Слайд 38

Переглянути всі слайди

Живі організми що неспроможні існувати без енергії. Її потребує кожен процес, кожна хімічна реакція. Отримувати енергію багато живих істот, у тому числі і людина, можуть з їжею. Варто детально розібратися, звідки з'являється енергія і які реакції протікають у цей час у клітинах живих організмів.

Значення біологічного окиснення та історія його дослідження

В основі одержання енергії лежить процес біологічного окиснення. Зараз він вивчений, створена навіть ціла наука, що займається всіма тонкощами та механізмами процесу – біохімія. Біологічне окиснення - це сукупність окиснювально-відновних перетворень речовин у живих. Окисно-відновними називають реакції, які протікають зі зміною ступеня окиснення атомів внаслідок перерозподілу електронів між ними.

Перші припущення вчених про те, що всередині кожного живого організму протікають складні, були висунуті у XVIII столітті. Вивченням проблеми займався французький хімік Антуан Лавуазьє, який звернув увагу на те, що процеси горіння та біологічного окиснення схожі один на одного.

Вчений простежив шлях кисню, який поглинається живим організмом у процесі дихання, і зробив висновок, що в організмі відбувається процес окислення, що нагадує процес горіння, але протікає повільніше. Лавуазьє виявив, що молекули кисню (окислювач) взаємодіють з органічними сполуками, що містять вуглець та водень. В результаті відбувається абсолютне, при якому з'єднання розкладаються.

Деякі моменти у процесі вивчення проблеми залишалися для вчених незрозумілими:

чому окиснення відбувається при низькій температурі тіла, на відміну від схожого йому процесу горіння;
чому окислення не супроводжується викидом полум'я і не великим викидом енергії, що звільнилася;
як можуть "горіти" поживні речовини в організмі, якщо тіло приблизно на 80% складається з води.

Щоб відповісти на ці та багато інших питань, а також усвідомити, що таке біологічне окиснення, ученим знадобився не один рік. На цей час хіміками були вивчені: зв'язок дихання коїться з іншими процесами обміну речовин, зокрема. процес фосфорилювання. Крім того, вчені досліджували властивості ферментів, що каталізують реакції біологічного окиснення; локалізацію у клітині; механізм акумуляції та перетворення енергії.

Більш складний спосіб перетворення поживних речовин на енергію - аеробне біологічне окислення, або тканинне дихання. Ця реакція здійснюється у всіх аеробних організмах, які використовують кисень у процесі дихання. Аеробний спосіб біологічного окиснення неможливий без молекулярного кисню.

Шляхи біологічного окислення та учасники процесу

Щоб остаточно зрозуміти, що є процес біологічного окислення, слід розглянути його стадії.

Гліколіз- це безкисневе розщеплення моносахаридів, що передує процесу клітинного дихання і супроводжується виходом енергії. Така стадія є початковою кожного організму-гетеротрофа. Після гліколізу у анаеробів настає процес бродіння.

Окислення піруватуполягає в перетворенні піровиноградної кислоти, одержуваної в процесі гліколізу, в ацетилкоензим. Реакція відбувається за допомогою ферментного комплексу піруватдегідрогенази. Локалізація – кристи мітохондрій.

Розпад бета-жирних кислотздійснюється паралельно з окисленням пірувату на кристах мітохондрій. Мета – переробка всіх жирних кислот в ацетилкоензим та постановка їх у цикл трикарбонових кислот.

Цикл Кребса: спочатку ацетилкоензим перетворюється на лимонну кислоту, Потім вона піддається наступним перетворенням (дегідрування, декарбоксилювання та регенерації). Усі процеси кілька разів повторюються.

Окисне фосфорилювання- заключна стадія перетворення в організмах еукаріотів сполук. Здійснюється перетворення аденозиндифосфату на аденозинтрифосфорну кислоту. Необхідна для цього енергія надходить у процесі окислення молекул фермент-дегідрогеназу та коферменту дегідрогеназу, що сформувалися в попередніх стадіях. Потім енергія полягає в макроергічних зв'язках аденозинтрифосфорної кислоти.

АТФ

Таким чином, окиснення речовин здійснюється такими способами:

відщепленням водню від субстрату, що окислюється (процес дегідрування);
віддачею субстратом електрона;
приєднання кисню до субстрату.

У клітинах живих організмів зустрічаються всі перераховані типи окисних реакцій, що каталізуються відповідними ферментами – оксидоредуктазами. Процес окислення відбувається неізольовано, він пов'язаний з реакцією відновлення: одночасно відбуваються реакції приєднання водню або електрона, тобто здійснюються окислювально-відновлювальні реакції. Процес окислення - це кожна , яка супроводжується віддачею електронів зі збільшенням ступенів окислення (окислений атом має велику міру окислення). З окисленням речовини може й відновлення - приєднання електронів до атомів іншого речовини.

У процесі обміну речовин харчові продукти(вуглеводи, ліпіди) піддаються катаболізму.

Катаболізм- Це процес розщеплення високомолекулярних речовин до низькомолекулярних речовин, що йде з виділенням енергії. У процесі катаболізму відбувається спрощення структури високомолекулярних речовин.

Енергія, що виділилася процесі катаболізму, використовується для синтезу нових речовин, тобто. у процесі анаболізму.

Взаємодія перетворення речовини та енергії називаються метаболізмом.

Процеси окислення протікають в організмі та поза організмом. Ці процеси мають схожості та відмінності.

Подібність між окисленням в організмі та поза організмом.

В результаті окислення утворюються однакові кінцеві продукти 2 і Н 2 О.
Виділяється однакова кількість енергії.

Відмінності між окисленням в організмі та поза організмом.

1. Поза організмом енергія виділяється з допомогою окислення атомів вуглецю, а організмі з допомогою окислення атомів водню.

Поза організмом кисень з'єднується з субстратом, що окислюється. В організмі кисень не з'єднується із субстратом.
Поза організмом енергія виділяється одномоментно і акумулюється, тобто. не запасається. В організмі енергія виділяється порціями, «каскадно» та акумулюється (запасається). "Каскадне" виділення енергії оберігає клітину від перегріву.
Основний реакцією окиснення у організмі є реакція дегідрування, тобто. відщеплення водню (протонів). Допоміжними реакціями є реакції дегідратації та декарбоксилювання.
Процес окислення в організмі - багатоступінчастий, ферментативний процес.

Процес окиснення субстратів у біологічних об'єктах називається біологічним окисненням.

Види біологічного окиснення.

Тканинне дихання
Субстратне окиснення

Тканинне дихання – багатоступінчастий ферментативний процес, у якому кінцевим акцептором електронів є кисень.

У процесі тканинного дихання беруть участь ферменти - оксидоредуктази, що утворюють дихальний ланцюг.

Дихальний ланцюг - це комплекс оксидоредуктаз, що беруть участь у переносі протонів і електронів від субстрату, що окислюється, до кисню.

Дихальний ланцюг локалізований у кристалах мітохондрій.

Будова дихального ланцюга.

Дихальний ланцюг включає 4 групи ферментів:

1. Пірідінзалежні дегідрогенази – коферментом є НАД, НАДФ.

2. Флавінзалежні дегідрогенази – коферментом є ФАД, ФМН.

3. Коензим Q або убіхінон.

4. Цитохроми b, c, a, a3.

Цитохроми є геміновими білками, як небілкова частина містять гем. У складі гема містяться атом заліза, який може змінювати ступінь окислення з +3 до +2, приєднуючи або віддаючи електрон.

У складі дихального ланцюга виділяють дві ділянки:

1. Ділянка, що включає піридинзалежні дегідрогенази – коензим Q забезпечує перенесення протонів та електронів. На рівні коензиму Q протони йдуть у середу мітохондрій, т.к. цитохроми за своєю будовою здатні переносити лише електрони.

2. Ділянка цитохромів, що забезпечує перенесення лише електронів.

Основне значення цитохромної системи перенесення електронів від субстрату, що окислюється, на молекулярний кисень з утворенням води:

Схема перенесення електронів та протонів з дихального ланцюга.

По дихальному ланцюгу від субстрату, що окислюється, до кисню передається 2 протона і два електрони.

Коферменти дихального ланцюга приймаючи протони та електрони перетворюються на відновлену форму, а віддаючи їх знову перетворюється на окислену форму.

Рушійною силою, що забезпечує перенесення протонів та електронів від субстрату до кисню, є різниця редокс-потенціалів. У дихальному ланцюгу відбувається наростання редокс-потенціалу (від –0,32 до +0,81 в 2)

Для синтезу одного макроергічного зв'язку АТФ потрібен перепад редокс-потенціалів між ділянками дихального ланцюга приблизно в 0,22 на пару перенесених електронів.

Довжина дихального ланцюга (кількість ферментів) може бути різна і залежить від природи субстрату, що окислюється.

Для клітини важливо, щоб молекула кисню, приєднавши 4 електрони, повністю відновилася до двох молекул води. При неповному відновленні кисню у разі приєднання двох електронів утворюється перекис водню, а разі приєднання одного електрона – супероксидний радикал . Перекис водню та супероксидний радикал токсичні для клітини, т.к. ушкоджують клітинні мембрани, взаємодію із залишками ненасичених жирних кислот мембранних ліпідів.

Аеробні клітини захищають себе від дії перекису та супероксиду за допомогою двох ферментів: супероксиддисмутази та каталази.

Шляхи використання енергії перенесення електронів.

При перенесенні пари електронів відбувається зміна вільної енергії і ця енергія використовується двома шляхами:

1. Енергія перенесення електронів використовують на синтез АТФ.

2. Енергія перенесення електронів використовується для вироблення тепла.

При перенесенні пари електронів з дихального ланцюга відбувається зміна вільної енергії, що дорівнює 52,6 ккал. Цієї енергії достатньо для синтезу 3 молекул АТФ. Синтез трьох молекул АТФ у стандартних умовах потребує витрати ккал.

У трьох пунктах перенесення електронів відбувається найбільша зміна вільної енергії, і ці пункти називаються пунктами сполучення тканинного дихання та окисного фосфорилювання.

Окисне фосфорилювання це процес ресинтезу АТФ з АДФ і Фн, пов'язаний з тканинним диханням.

Пункти сполучення знаходяться на ділянках:

1. НАД/ФАД

3. ц а/а 3 Про 2

Пункти сполучення постійні, але їх кількість залежить від природи субстрату, що окислюється.

При окислення НАД – залежних субстратів має місце 3 пункти сполучення, тобто. виділяється 3АТФ, при окисненні ФАД – залежних субстратів має місце 2 пункти сполучення і виділяється 3 АТФ, при окисненні цитохромзалежних субстратів, кількість АТФ, залежить від того, на якій цитохром скидаються електрони: при скиданні електронів на цитохром b виділяється 2АТФ у процесі окислювач але в цитохром з – 1АТФ.

Коефіцієнт фосфорилювання – це співвідношення Р/О як показник сполучення дихання та фосфорилювання.

Було встановлено, що при поглинанні одного атома кисню (або при перенесенні пари електронів від субстрату до кисню) поглинається один атом неорганічного фосфату, а приблизно три тобто. коефіцієнт Р/О приблизно дорівнює 3. Тобто. у дихальному ланцюгу є як мінімум три пункти сполучення, де неорганічний фосфат бере участь у освіті АТФ.

Процес біологічного окиснення може супроводжуватися синтезом АТФ.

Окислення, що не супроводжується синтезом АТФ, називається вільним окисненням. І тут енергія виділяється як тепла. Це може спостерігатися при дії токсинів та супроводжується підвищенням температури тіла.

Причини порушення біологічного окиснення.

1. Нестача субстратів окиснення (вуглеводів, ліпідів, тобто їжі).

2. Порушення роботи ферментів у дихальному ланцюзі:

1. Дефект апоферменту (порушено синтез білкової частини ферменту).

2. Дефект коферменту (порушення синтезу коферментів через брак вітамінів В 2, В 5 , К).

3. Нестача кисню.

4. Дія інгібіторів.

Амінобарбітал пригнічує перенесення протонів та електронів на ділянці НАД/ФАД, окислення НАДзалежних субстратів припиняється.

Антиміцин пригнічує перенесення електронів на ділянці цитохром b, цитохром с.

Ціанади пригнічують перенесення електронів на ділянці цитохромоксидази/кисень.

При більшості фізіологічних станів перенесення електронів пов'язане з окисним фосфорилуванням.

Ряд сполук може викликати роз'єднання тканинного дихання та окисного фосфорилювання. Роз'єднувачами цих процесів є такі сполуки: 2,4 – динітрофенол, гормон щитовидної залози – тироксин, дикумарин та його похідні, жирні кислоти.

Роз'єднання окисного фосфорилювання та тканинного дихання може бути біологічно корисним. Роз'єднання являє собою спосіб генерування тепла для підтримки температури тіла у зимових тварин і ссавців адаптованих до холоду. Як роз'єднувач виступають жирні кислоти, які накопичуються в бурій жировій тканині. Такий бурий жир є і у новонароджених дітей, що дозволяє підтримувати температуру тіла за ще недосконалої системи терморегуляції.

У хворих з гіперфункцією щитовидної залози відзначається підвищення температури тіла, що зумовлено роз'єднанням процесів тканинного дихання та окисного фосфорилювання, спричиненого тироксином.

При нестачі кисню в тканинах процес тканинного дихання утруднений і тканинах протікає субстратне окислення.

Субстратне окиснення – це процес окиснення, у якому кінцевим акцептором електронів є субстрат, а чи не кисень.

Субстратне окислення – це аварійне джерело отримання енергії за нестачі кисню.

Нестача кисню (гіпоксія) виникає в організмі при фізичній роботі, підйомі в гори, опусканні під воду, при захворюваннях органів дихання, серцево-судинної системи та кровотворної системи.

Субстратне окиснення енергетично менш вигідне, ніж тканинне дихання, т.к. Редокс-потенціали субстратів незначно відрізняються.

В організмі поряд з окисним фосфорилюванням процесом, що дає енергію, є субстратне фосфорилювання.

Субстратне фосфорилювання – це процес утворення макроергічних сполук за рахунок макроергічних зв'язків субстрату.

Найважливішою макроергічною сполукою є АТФ.

Енергія макроергічних зв'язків акумулюється у ряді сполук: креатинфосфат, 1,3-дифосфогліцерат, ГТФ та ін.

Біологічне окиснення

Тканинне дихання Вільне окиснення Субстратне окиснення

Пов'язано з Енергія

окисним виділяється

фосфорилюванням у вигляді тепла

Енергія виділяється

у вигляді АТФ

Фосфорилювання

Окисне фосфорилювання Субстратне фосфорилювання

пов'язано з мембранами мітохондрій не пов'язано з мембранами

Біологічне окиснення –це сукупність окиснювально-відновних перетворень різних речовин у живих організмах. Окисно-відновними називають реакції, що протікають зі зміною ступеня окиснення атомів внаслідок перерозподілу електронів між ними.

Типи процесів біологічного окиснення:

1)аеробне (мітохондріальне) окисненняпризначено для вилучення енергії поживних речовин за участю кисню та накопичення її у вигляді АТФ. Аеробне окиснення називається також тканинним диханням, Оскільки при його протіканні тканини активно споживають кисень.

2) анаеробне окиснення– це допоміжний спосіб отримання енергії речовин без участі кисню. Анаеробне окиснення має велике значення при нестачі кисню, а також при виконанні інтенсивної м'язової роботи.

3) мікросомальне окисненняпризначено для знешкодження ліків та отрут, а також для синтезу різних речовин: адреналіну, норадреналіну, меланіну в шкірі, колагену, жирних кислот, жовчних кислот, стероїдних гормонів.

4) вільнорадикальне окисненнянеобхідно для регуляції оновлення та проникності клітинних мембран.

Основним шляхом біологічного окиснення є мітохондріальне, пов'язане із забезпеченням організму енергією у доступній для використання формі Джерелами енергії в людини є різноманітні органічні сполуки: вуглеводи, жири, білки. В результаті окислення поживні речовини розпадаються до кінцевих продуктів, в основному - до СО2 і Н2О (при розпаді білків також утворюється NH3). Енергія, що виділяється при цьому, накопичується у вигляді енергії хімічних зв'язків макроергічних сполук, переважно – АТФ.

Макроергічні називаються органічні сполуки живих клітин, що містять багаті на енергію зв'язку. При гідролізі макроергічних зв'язків (позначаються звивистою лінією ~) вивільняється більше 4 ккал/моль (20 кДж/моль). Макроергічні зв'язки утворюються внаслідок перерозподілу енергії хімічних зв'язків у процесі обміну речовин. Більшість макроергічних сполук є ангідридами фосфорної кислоти, наприклад АТФ, ГТФ, УТФ і т.д. Аденозинтрифосфат (АТФ) посідає центральне місце серед речовин із макроергічними зв'язками.

аденін – рибоза – Р ~ Р ~ Р, де Р – залишок фосфорної кислоти

АТФ знаходиться в кожній клітині в цитоплазмі, мітохондріях та ядрах. Реакції біологічного окиснення супроводжуються перенесенням фосфатної групи на АДФ з утворенням АТФ (цей процес називається фосфорилуванням). Таким чином, енергія запасається у формі молекул АТФ і при необхідності використовується для виконання різних видів роботи (механічної, електричної, осмотичної) та для здійснення процесів синтезу.

Система уніфікації субстратів окиснення в організмі людини

Безпосереднє використання хімічної енергії, що міститься в молекулах харчових речовин, неможливо, тому що при розриві внутрішньомолекулярних зв'язків виділяється величезна кількість енергії, яка може призвести до пошкодження клітини. Щоб харчові речовини, що надійшли в організм, повинні пройти ряд специфічних перетворень, під час яких відбувається багатостадійний розпад складних органічних молекул більш прості. Це дає можливість поступового вивільнення енергії та запасання її у вигляді АТФ.

Процес перетворення різноманітних складних речовин на один енергетичний субстрат називається уніфікацією.Виділяють три етапи уніфікації:

1. Підготовчий етаппротікає в травному тракті, а також у цитоплазмі клітин організму . Великі молекули розпадаються на їх структурні блоки: полісахариди (крохмаль, глікоген) – до моносахаридів; білки – до амінокислот; жири – до гліцерину та жирних кислот. При цьому виділяється невелика кількість енергії (близько 1%), що розсіюється як тепла.

2. Тканинні перетворенняпочинаються в цитоплазмі клітин, закінчуються в мітохондріях. Утворюються ще простіші молекули, причому їх типів істотно зменшується. Продукти, що утворюються, є загальними для шляхів обміну різних речовин: піруват, ацетил-коензимА (ацетил-КоА), α-кетоглутарат, оксалоацетат та ін. Найважливішою з таких сполук є ацетил-КоА – залишок оцтової кислоти коензим А – активна форма вітаміну В 3 (пантотенової кислоти). Процеси розпаду білків, жирів та вуглеводів сходяться на етапі утворення ацетил-КоА, утворюючи надалі єдиний метаболічний цикл. Для цього етапу характерне часткове (до 20%) звільнення енергії, частина якої акумулюється як АТФ, а частина розсіюється як тепла.

3. Мітохондріальний етап. Продукти, що утворилися на другій стадії, надходять у циклічну окисну систему - цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса) і пов'язану з ним дихального ланцюга мітохондрій. У циклі Кребса ацетил-КоА окислюється до СО 2 і водню, пов'язаного з переносниками - НАД + Н 2 і ФАД Н 2 . Водень надходить у дихальний ланцюг мітохондрій, де відбувається його окислення киснем до Н 2 О. Цей процес супроводжується вивільненням приблизно 80% енергії хімічних зв'язків речовин, частина якої використовується на утворення АТФ, а частина виділяється у вигляді тепла.

		Вуглеводи (полісахариди)
I підготовчий; вивільняється 1% енергії поживних речовин (у вигляді тепла);	амінокислоти		гліцерин, жирні кислоти
II тканинні перетворення; 20% енергії у вигляді тепла та АТФ	ацетил-КоА (СН 3-СО~SKoA)
ІІІ мітохондріальний етап; 80% енергії (приблизно половина – у вигляді АТФ, решта – у вигляді тепла).	Цикл трикарбонових кислот Дихальний ланцюг мітохондрій Про 2

Класифікація та характеристика основних оксидоредуктаз у тканинах

Важливою особливістю біологічного окиснення є те, що воно відбувається під дією певних ферментів. (оксидоредуктаз).Усі необхідні ферменти кожної стадії об'єднані в ансамблі, які, зазвичай, фіксуються на різних клітинних мембранах. Внаслідок злагодженої дії всіх ферментів хімічні перетворення здійснюються поступово, як на конвеєрі. При цьому продукт реакції однієї стадії є вихідним з'єднанням наступної стадії.

Класифікація оксидоредуктаз:

1. Дегідрогенази здійснюють відщеплення водню від субстрату, що окислюється:

SH 2 + A → S + AH 2

У процесах, пов'язаних із вилученням енергії, найпоширеніший тип реакцій біологічного окислення – дегідрування, тобто відщеплення від субстрату, що окислюється, двох атомів водню і перенесення їх на окислювач. Насправді водень у живих системах перебуває над вигляді атомів, а є суму протона і електрона (Н + і ē), маршрути руху яких різні.

Дегідрогенази є складними білками, їх коферменти (небілкова частина складного ферменту) здатні бути і окислювачем, і відновником. Забираючи водень від субстратів, коферменти переходять у відновлену форму. Відновлені форми коферментів можуть віддавати протони та електрони водню іншому коферменту, який має більш високий окисно-відновний потенціал.

1) НАД + - та НАДФ + -залежні дегідрогенази(коферменти - НАД + та НАДФ + - Активні форми вітаміну РР ). Приєднують два атоми водню від окислюваного субстрату SH 2 при цьому утворюється відновлена форма - НАД + Н 2:

SH 2 + НАД + ↔ S + НАД + · Н 2

2) ФАД-залежні дегідрогенази(коферменти - ФАД та ФМН – активні форми вітаміну В 2). Окислювальні здібності цих ферментів дозволяють їм приймати водень як безпосередньо від субстрату, що окислюється, так і від відновленого НАДН 2 . При цьому утворюються відновлені форми ФАДН 2 і ФМН Н 2 .

SH 2 + ФАД ↔ S + ФАД Н 2

НАД + · Н 2 + ФМН ↔ НАД + + ФМН · Н 2

3) коензимQабо убіхінон,який може дегідрувати ФАД Н 2 і ФМН Н 2 і приєднувати два атоми водню, перетворюючись на КоQ Н 2 ( гідрохінон):

ФМН·Н 2 + КоQ ↔ ФМН + КоQ·Н 2

2. Залізовмісні переносники електронів гемінової природи – цитохромиb, c 1 , c, a, a 3 . Цитохроми – це ферменти, які стосуються класу хромопротеїдів (забарвлених білків). Небілкова частина цитохромів представлена гемом, що містить залізо і близьким за будовою до гему гемоглобіну.

цитохром(Fe 3+) + ē ↔ цитохром(Fe 2+)

Цитохроми a, a 3 утворюють комплекс, званий цитохромоксидазою. На відміну з інших цитохромів, цитохромоксидаза здатна взаємодіяти з киснем – кінцевим акцептором електронів.