Биологическое окисление

Митохондриальное  окисление 160401

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ.

ПОНЯТИЕ О МЕТАБОЛИЗМЕ.

Метаболизм – это совокупность химических реакций, протекающих в  организме. При этом процессы, происходящие в просвете желудочно-кишечного  тракта, не входят в понятие метаболизма, поскольку полость желудочно-кишечного тракта рассматривается как часть внешней среды. Метаболизм включает в себя более чем 100 000 разнообразных реакций, но существуют основные метаболические пути, построенные по единому плану. Такие пути могут быть линейными и разветвленными. Ферменты, катализирующие реакции, протекающие на этих путях, в организме объединены в мультиферментные системы. В мультиферментных системах продукт предыдущей реакции является субстратом для последующей.

Метаболизм – это двуединый  процесс, складывающийся из 2-х частей: катаболизма и анаболизма. В ходе катаболизма происходит разрушение, расщепление сложных веществ до более простых. В процессе анаболизма организм синтезирует собственные сложные органические вещества из простых. Оба процесса связаны между собой большим числом реакций, хотя в клетке часто бывают пространственно разделены.

Однако, существуют химические реакции  из числа обратимых, которые в  равной степени можно отнести  как к катаболизму, так и анаболизму. Принадлежность той или иной реакции  к одному из этих процессов определяется тем, в какую сторону сдвинуто ее равновесие в данный момент времени.  

СХЕМА ЭТАПОВ КАТАБОЛИЗМА

1-й этап. Образование  мономеров из полимеров.

Полимеры -------->Мономеры

Белки ----------->Аминокислоты

Крахмал --------->глюкоза

Жиры ------------>глицерин + жирные кислоты 

 

2-й этап. Превращение мономеров в ПВК и Ацетил-КоА.

 

3-й этап. Превращение  Ацетил-КоА в конечные продукты  катаболизма: СО₂ и Н₂О.

Для всех классов веществ  последний этап катаболизма одинаков: на 3-м этапе образуется большинство субстратов митохондриального окисления - 4 вещества из 9 основных и 5-й субстрат - ПВК.

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ - это совокупность окислительных процессов в живом организме, протекающих с обязательным участием кислорода. Синоним - ТКАНЕВОЕ ДЫХАНИЕ. Окисление одного вещества невозможно без восстановления другого вещества. Окислительно-восстановительных процессов в живой  природе  очень  много. Часть окислительно-восстановительных процессов, протекающих с участием кислорода, относится к биологическому окислению.

 

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ О БИООКИСЛЕНИИ.

А. Лавуазье в конце XVIII века показал, что животный организм потребляет   из воздуха кислород и выделяет углекислый газ. Сделал вывод, что горение и окисление - это  одно и то же, что биологическое окисление представляет собой "медленное горение", происходящее в присутствии воды и при низкой температуре.

В конце XIX века русские исследователи А.Н. Бах и В.И.Палладин, работая независимо друг от друга, предложили 2 основные теории для объяснения процессов, протекающих в ходе биологического окисления.

1-я теория: А.Н.Бах (1857-1946) полагал, что в живых клетках существуют особые ферменты - "оксигеназы", которые взаимодействуют с кислородом, образуя перекиси. Сам кислород является не очень активным окислителем. Зато перекиси ("активный кислород") являются очень сильными окислителями и способны передавать кислород окисляемому веществу.

Эта теория известна как "перекисная" или "теория активации  кислорода".

2-я теория: В.И. Палладин (1859-1922) создал теорию "активации водорода". Считал, что универсальным путем окисления является отнятие от веществ (субстратов) водорода с участием специальных ферментов - хромогенов. После этого водород, по Палладину, может передаваться или на молекулу кислорода с образованием воды, или на другие молекулы, восстанавливая их.

Впоследствии теория В.И.Палладина блестяще подтвердилась  для процессов митохондриального  окисления, а ферменты, принимающие  непосредственное участие в отнятии  водорода от субстратов, в настоящее время называются дегидрогеназами.

 

СОВРЕМЕННАЯ ТЕОРИЯ БИООКИСЛЕНИЯ

Согласно СОВРЕМЕННОЙ  ТЕОРИИ БИООКИСЛЕНИЯ в нашем организме  окисление может происходить  двумя способами:

1. Путем отнятия водорода от  окисляемого субстрата: сюда относятся  МИТОХОНДРИАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ и ВНЕМИТОХОНДРИАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ОКСИДАЗНОГО ТИПА.

    2. Путем присоединения  кислорода к окисляемому субстрату  - так происходит внемитохондриальное  ОКИСЛЕНИЕ ОКСИГЕНАЗНОГО ТИПА (старое  название - МИКРОСОМАЛЬНОЕ окисление).

 

МИТОХОНДРИАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ (МтО).

 

Система митохондриального  окисления - мультиферментная система, постепенно транспортирующая протоны  и электроны на кислород с образованием молекулы воды.

Все ферменты митохондриального окисления  встроены во внутреннюю мембрану митохондрий. Только первый переносчик протонов и электронов - никотинамидная   дегидрогеназа расположена в матриксе митохондрии. Этот фермент отнимает водород от субстрата и передает его следующему переносчику. Полный комплекс таких ферментов образует "дыхательный ансамбль" («дыхательную цепь»), в пределах которого атомы водорода отнимаются от субстрата, затем передаются последовательно от одного переносчика к другому, и, наконец, передаются на кислород воздуха с образованием воды.

Существует строгая последовательность работы каждого звена в цепочке   переносчиков. Эта последовательность определяется величиной РЕДОКС-ПОТЕНЦИАЛА (ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНОГО ПОТЕНЦИАЛА, сокращенно - ОВП) каждого звена. ОВП - это химическая характеристика способности вещества принимать и удерживать электроны. Выражается в вольтах (V). Вещества с положительным ОВП окисляют водород (отнимают от него электроны), вещества с отрицательным ОВП окисляются самим водородом. Самый низкий ОВП имеет начальное звено цепи, самый высокий - у кислорода, расположенного в конце цепочки переносчиков. Таким образом, передача водорода  идет от более низкого к более высокому ОВП. Перенос водорода и электронов возможен только в одном направлении - в порядке возрастания их ОВП: от -0.32V у никотинамидных дегидрогеназ (первого компонента главной цепи МтО) до 0.82V у О₂, обладающего самым высоким редокс-потенциалом. 

На одной из стадий происходит разделение атомов водорода на Н⁺ и электроны. Протоны остаются временно в окружающей среде, а электроны идут дальше по цепи и в ее конце используются для активации О₂. Кислород является конечным акцептором электронов.

O₂ + 4e -----> 2O^-2 (полное восстановление кислорода)

Все реакции, происходящие в дыхательной  цепи, сопряжены. Переносчики водорода и электронов расположены в строгом порядке, в соответствии с величиной их редокс-потенциала.

В настоящее  время различают три варианта дыхательных цепей: 1)

1. ГЛАВНАЯ (ПОЛНАЯ) ЦЕПЬ
2. УКОРОЧЕННАЯ (СОКРАЩЕННАЯ) ЦЕПЬ
3. МАКСИМАЛЬНО УКОРОЧЕННАЯ (МАКСИМАЛЬНО СОКРАЩЕННАЯ) ЦЕПЬ.

 

Сначала разберем их строение на примере главной дыхательной  цепи.

1. ГЛАВНАЯ ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Главная дыхательная цепь - это  три мультиферментных комплекса, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрии. Обозначаются они латинскими цифрами –  I, III и IV.

СХЕМА ГЛАВНОЙ (ПОЛНОЙ) ДЫХАТЕЛЬНОЙ  ЦЕПИ

МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ

Комплекс I – НАДН-KoQ-редуктаза, комплекс III – KoQH₂-редуктаза, комплекс IV – цитохромоксидаза. Есть еще комплекс II – сукцинат-KoQ-редуктаза, но он существует отдельно от остальных комплексов и не входит в состав главной цепи.

Эти комплексы транспортируют водород  от никотинамидных дегидрогеназ на кислород воздуха, в результате чего создается  электрохимический градиент концентраций протонов - DmH⁺. Он возникает на внутренней мембране митохондрий между матриксом и межмембранным пространством. Его составляют два основных фактора:

1. Электрический мембранный потенциал Dy.
2. Градиент pH (осмотический или химический градиент).

DmH⁺=Dy-k×DpH

 

DmH⁺ - положительная величина. Его можно выразить как в вольтах (V), так и в единицах энергии (кДж/моль). Изменение значения pH на одну единицу соответствует 0,06V или 5,7 кДж/моль.

Энергия DmH⁺ используется для следующих процессов:

1. Синтез АТФ.
2. Получение тепла (особенно важно для бурого жира и для мышечной ткани птиц).
3. Выполнение осмотической работы (транспорт фосфата в матрикс митохондрии).
4. Мышечная работа (в некоторых случаях).

Для человека наиболее важен  синтез АТФ.

В полной цепи при окислении  субстрата два атома водорода переносятся на НАД – кофермент никотинамидных дегидрогеназ.

 

Как видно из приведенной схемы, в полной цепи при передаче двух атомов водорода на кислород воздуха, в межмембранном пространстве оказываются 10 протонов, перенесенных сюда из матрикса.

Все переносчики встроены во внутреннюю мембрану митохондрий, кроме никотинамидных дегидрогенказ. Они составляют дыхательный ансамбль, тысячи таких ансамблей существуют в митохондрии и потребляют 90-95% кислорода, который используется клеткой. Два атома водорода отнимаются от субстрата и передаются на О₂ с образованием Н₂О. Разность потенциалов на двух концах полной цепи составляет 1.14V.

НИКОТИНАМИДНЫЕ  ДЕГИДРОГЕНАЗЫ (НАДГ)

Небелковая часть этих ферментов представляет собой динуклеотид: НИКОТИНАМИД-АДЕНИНДИНУКЛЕОТИД (НАД⁺) или НИКОТИНАМИДАДЕНИНДИНУКЛЕОТИДФОСФАТ (НАДФ⁺).

Студенты обязаны знать  формулу НАД(Ф) и механизм присоединения  к нему водорода. НАД(Ф) содержит производное  витамина РР - никотинамид. (см. раздел «Витамины»).

НАД⁺ и НАДФ⁺ входят в состав каталитического центра НАДГ. Они являются КОФЕРМЕНТАМИ, так как связаны с белковой частью слабыми типами связей - могут легко диссоциировать. Они присоединяются к белковой части только в момент протекания реакции. Реакция, которую катализируют НАДГ - это реакция окисления субстрата.

Известно около 150 НАДГ, которые  различаются по строению белковой части (апофермента).

Апоферменты большей  части НАДГ способны присоединять или  только НАД, или только НАДФ, и лишь немногие способны соединяться и  с тем, и с другим коферментами.  НАДГ, участвующие в митохондриальном окислении, находятся в матриксе митохондрий, в отличие от большинства других участников дыхательной цепи, которые встроены во внутреннюю мембрану. НАДГ можно встретить и в цитоплазме клеток. Мембрана митохондрий непроницаема для НАД(Ф), поэтому митохондриальный и цитоплазматический НАД(Ф) никогда не смешиваются. В митохондриях содержится очень много НАД и почти нет НАДФ, а в цитоплазме - наоборот - очень много НАДФ и почти нет НАД.

Из матрикса митохондриальный НАД×Н₂ отдает два атома водорода на «комплекс I», встроенный во внутреннюю мембрану митохондрий.

 

КОМПЛЕКС I

В составе комплекса находится 26 полипептидных цепей общей массой 800 кДа. Комплекс содержит следующие  небелковые компоненты: Флавинмононуклеотид (ФМН), 5 центров FeS (железо-серные центры): FeS_1a, FeS_1b FeS₂, FeS₃, FeS₄.

В транспорте водорода по дыхательной  цепи в этом комплексе принимает  участие ФМН.

 

Одновременно с протонами транспортируются и электроны. Наибольшие перепады редокс-потенциала наблюдаются между железо-серными белками, расположенными в следующем порядке:

ФМНÞFeS_1aÞFeS_1bÞFeS₃ÞFeS₄ÞFeS₂

Комплекс I – интегральный белковый комплекс. Используя энергию, выделяющуюся при переносе электронов по дыхательной цепи, он транспортирует 4 протона из матрикса в межмембранное пространство – комплекс I работает как протонный генератор. Точный механизм этого транспорта до сих пор неизвестен.

Далее комплекс I восстанавливает промежуточный переносчик KoQ (убихинон).

 

Это жирорастворимое низкомолекулярное вещество, содержащее длинную изопреновую цепь, не имеет белковой части. КоQ принимает водород от комплекса I. Образовавшийся КоQH₂ отдает водород на комплекс III.

 

КОМПЛЕКС III.

В своем составе содержит цитохромы  – сложные белки, содержащие небелковый компонент - простетическую группу, сходню по строению с небелковой частью гемоглобина – гемом.

1) Цитохромы b, имеющие в своем составе два типа простетических групп тетрапиррольной структуры - «гем». Известно два гема цитохромов: b_e, обладающий низким окислительно-восстановительным потенциалом и b_h  с высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Строение простетической группы цитохромов  группы b, похожей на гем белка гемоглобина, представлено на рисунке. Его необходимо выучить.

2)FeS_III – железо-серный кластер.

3. Цитохром С₁. Имеет в своем составе особый гем типа «с».

Друг от друга цитохромы могут  отличаться:

1. Строением белковой части;
2. Значением окислительно-восстановительного потенциала;
3. Строением радикалов, расположенных по периферии гема;
4. Присоединением гема к белковой части – в некоторых случаях гем присоединен к ней ковалентной связью за счет радикалов цистеина, что характерно для цитохромов c₁ и c.