Образование атф при биологическом окислении. Реферат: Биологическое окисление

Без энергии невозможно существование ни одного живого существа. Ведь каждая химическая реакция, любой процесс требуют ее присутствия. Любому человеку легко понять это и почувствовать. Если весь день не употреблять пищу, то уже к вечеру, а возможно, и раньше, начнутся симптомы повышенной усталости, вялости, сила значительно уменьшится.

Каким же способом разные организмы приспособились к получению энергии? Откуда она берется и какие процессы при этом происходят внутри клетки? Попробуем разобраться в данной статье.

Получение энергии организмами

Каким бы способом ни потребляли существа энергию, в основе всегда лежат Примеры можно привести разные. Уравнение фотосинтеза, который осуществляют зеленые растения и некоторые бактерии − это тоже ОВР. Естественно, что процессы будут отличаться в зависимости от того, какое живое существо имеется в виду.

Так, все животные − это гетеротрофы. То есть такие организмы, которые не способны самостоятельно формировать внутри себя готовые органические соединения для дальнейшего их расщепления и высвобождения энергии химических связей.

Растения, напротив, являются самым мощным продуцентом органики на нашей планете. Именно они осуществляют сложный и важный процесс под названием фотосинтез, который заключается в формировании глюкозы из воды, углекислого газа под действием специального вещества − хлорофилла. Побочным продуктом является кислород, который является источником жизни для всех аэробных живых существ.

Окислительно-восстановительные реакции, примеры которых иллюстрируют данный процесс:

• 6CO 2 + 6H 2 O = хлорофилл = C 6 H 10 O 6 + 6O 2 ;

• диоксид углерода + под воздействием пигмента хлорофилла (фермент реакции) = моносахарид + свободный молекулярный кислород.

Также существуют и такие представители биомассы планеты, которые способны использовать энергию химических связей неорганических соединений. Их называют хемотрофы. К ним относят многие виды бактерий. Например, водородные микроорганизмы, окисляющие молекулы субстрата в почве. Процесс происходит по формуле: 2Н 2 +0 2 =2Н 2 0.

История развития знаний о биологическом окислении

Процесс, который лежит в основе получения энергии, сегодня вполне известен. окисление. Биохимия настолько подробно изучила тонкости и механизмы всех стадий действия, что загадок почти не осталось. Однако так было не всегда.

Первые упоминания о том, что внутри живых существ происходят сложнейшие преобразования, которые являются по природе химическими реакциями, появились примерно в XVIII веке. Именно в это время Антуан Лавуазье, знаменитый французский химик, обратил свое внимание на то, как схожи биологическое окисление и горение. Он проследил примерный путь поглощаемого при дыхании кислорода и пришел к выводу, что внутри организма происходят процессы окисления, только более медленные, чем снаружи при горении различных веществ. То есть окислитель − молекулы кислорода − вступают в реакцию с органическими соединениями, а конкретно, с водородом и углеродом из них, и происходит полное превращение, сопровождающееся разложением соединений.

Однако, хоть данное предположение по сути своей вполне реально, непонятными оставались многие вещи. Например:

• раз процессы схожи, то и условия их протекания должны быть идентичными, но окисление происходит при низкой температуре тела;
• действие не сопровождается выбросом колоссального количества тепловой энергии и не происходит образования пламени;
• в живых существах не менее 75-80% воды, но это не мешает «горению» питательных веществ в них.

Чтобы ответить на все эти вопросы и понять, что на самом деле представляет собой биологическое окисление, понадобился не один год.

Существовали разные теории, которые подразумевали важность наличия в процессе кислорода и водорода. Самые распространенные и наиболее успешные были:

• теория Баха, именуемая перекисной;
• теория Палладина, основывающаяся на таком понятии, как «хромогены».

В дальнейшем было еще много ученых, как в России, так и других странах мира, которые постепенно вносили дополнения и изменения в вопрос о том, что же такое биологическое окисление. Биохимия современности, благодаря их трудам, может рассказать о каждой реакции этого процесса. Среди самых известных имен в этой области можно назвать следующие:

• Митчелл;
• С. В. Северин;
• Варбург;
• В. А. Белицер;
• Ленинджер;
• В. П. Скулачев;
• Кребс;
• Грин;
• В. А. Энгельгардт;
• Кейлин и другие.

Виды биологического окисления

Можно выделить два основных типа рассматриваемого процесса, которые протекают при разных условиях. Так, самый распространенный у многих видов микроорганизмов и грибков способ преобразования получаемой пищи − анаэробный. Это биологическое окисление, которое осуществляется без доступа кислорода и без его участия в какой-либо форме. Подобные условия создаются там, куда нет доступа воздуху: под землей, в гниющих субстратах, илах, глинах, болотах и даже в космосе.

Этот вид окисления имеет и другое название − гликолиз. Он же является одной из стадий более сложного и трудоемкого, но энергетически богатого процесса − аэробного преобразования или тканевого дыхания. Это уже второй тип рассматриваемого процесса. Он происходит во всех аэробных живых существах-гетеротрофах, которые для дыхания используют кислород.

Таким образом, виды биологического окисления следующие.

1. Гликолиз, анаэробный путь. Не требует присутствия кислорода и заканчивается разными формами брожения.
2. Тканевое дыхание (окислительное фосфорилирование), или аэробный вид. Требует обязательного наличия молекулярного кислорода.

Участники процесса

Перейдем к рассмотрению непосредственно самих особенностей, которые заключает в себе биологическое окисление. Определим основные соединения и их аббревиатуры, которые в дальнейшем будем использовать.

1. Ацетилкоэнзим-А (ацетил-КоА) − конденсат щавелевой и уксусной кислоты с коферментом, формирующийся на первой стадии цикла трикарбоновых кислот.
2. Цикл Кребса (цикл лимонной кислоты, трикарбоновых кислот) − ряд сложных последовательных окислительно-восстановительных преобразований, сопровождающихся высвобождением энергии, восстановлением водорода, образованием важных низкомолекулярных продуктов. Является главным звеном ката- и анаболизма.
3. НАД и НАД*Н − фермент-дегидрогеназа, расшифровывающийся как никотинамидадениндинуклеотид. Вторая формула − это молекула с присоединенным водородом. НАДФ - никотинамидадениндинуклетид-фосфат.
4. ФАД и ФАД*Н − флавинадениндинуклеотид - кофермент дегидрогеназ.
5. АТФ − аденозинтрифосфорная кислота.
6. ПВК − пировиноградная кислота или пируват.
7. Сукцинат или янтарная кислота, Н 3 РО 4 − фосфорная кислота.
8. ГТФ − гуанозинтрифосфат, класс пуриновых нуклеотидов.
9. ЭТЦ − электроно-транспортная цепь.
10. Ферменты процесса: пероксидазы, оксигеназы, цитохромоксидазы, флавиновые дегидрогеназы, различные коферменты и прочие соединения.

Все эти соединения являются непосредственными участниками процесса окисления, которое происходит в тканях (клетках) живых организмов.

Стадии биологического окисления: таблица

Это все процессы, которые сопровождают биологическое окисление при участии кислорода. Естественно, что описаны они не полностью, а лишь по сущности, так как для подробного описания нужна целая глава книги. Все биохимические процессы живых организмов чрезвычайно многогранны и сложны.

Окислительно-восстановительные реакции процесса

Окислительно-восстановительные реакции, примеры которых могут проиллюстрировать описанные выше процессы окисления субстрата, следующие.

1. Гликолиз: моносахарид (глюкоза) + 2НАД + + 2АДФ = 2ПВК + 2АТФ + 4Н + + 2Н 2 О + НАДН.
2. Окисление пирувата: ПВК + фермент = диоксид углерода + ацетальдегид. Затем следующий этап: ацетальдегид + Кофермент А = ацетил-КоА.
3. Множество последовательных преобразований лимонной кислоты в цикле Кребса.

Данные окислительно-восстановительные реакции, примеры которых приведены выше, отражают суть происходящих процессов лишь в общем виде. Известно, что соединения, о которых идет речь, относятся к высокомолекулярным, либо имеющим большой углеродный скелет, поэтому изобразить все полными формулами просто не представляется возможным.

Энергетический выход тканевого дыхания

По приведенным выше описаниям очевидно, что подсчитать суммарный выход всего окисления по энергии несложно.

1. Две молекулы АТФ дает гликолиз.
2. Окисление пирувата 12 молекул АТФ.
3. 22 молекулы приходится на цикл трикарбоновых кислот.

Итог: полное биологическое окисление по аэробному пути дает выход энергии, равный 36 молекулам АТФ. Значение биологического окисления очевидно. Именно эта энергия используется живыми организмами для жизни и функционирования, а также для согревания своего тела, движения и прочих необходимых вещей.

Анаэробное окисление субстрата

Второй вид биологического окисления − анаэробный. То есть тот, что осуществляется у всех, но на котором останавливаются микроорганизмы определенных видов. и именно с него четко прослеживаются различия в дальнейшем преобразовании веществ между аэробами и анаэробами.

Стадии биологического окисления по данному пути немногочисленны.

1. Гликолиз, то есть окисление молекулы глюкозы до пирувата.
2. Брожение, приводящее к регенерации АТФ.

Брожение может быть разных типов, в зависимости от организмов, его осуществляющих.

Молочнокислое брожение

Осуществляется молочнокислыми бактериями, а также некоторыми грибками. Суть состоит в восстановлении ПВК до молочной кислоты. Этот процесс используют в промышленности для получения:

• кисломолочных продуктов;
• квашеных овощей и фруктов;
• силоса для животных.

Этот вид брожения является одним из самых применяемых в нуждах человека.

Спиртовое брожение

Известно людям с самой древности. Суть процесса заключается в превращении ПВК в две молекулы этанола и две диоксида углерода. Благодаря такому выходу продукта, данный вид брожения используют для получения:

• хлеба;
• вина;
• пива;
• кондитерских изделий и прочего.

Осуществляют его грибы дрожжи и микроорганизмы бактериальной природы.

Маслянокислое брожение

Достаточно узкоспецифичный вид брожения. Осуществляется бактериями рода Клостридиум. Суть состоит в превращении пирувата в масляную кислоту, придающую продуктам питания неприятный запах и прогорклый вкус.

Поэтому реакции биологического окисления, идущие по такому пути, практически не используют в промышленности. Однако эти бактерии самостоятельно засевают продукты питания и наносят вред, понижая их качество.

ИСТОРИЯ УЧЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ.

Первые представления о биологическом окислении были высказаны ЛАВУАЗЬЕ, который говорил, что биологическое окисление - медленное горение. С химической точки зрения, горение - это взаимодействие углерода с кислородом с образованием СО2. Но в организме образование С02 идёт путём ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЯ, а биологическое окисление протекает при низкой температуре, не путём образования СО2 в присутствии воды и без образования пламени.

Исходя из этого, были выдвинуты следующие настоящие представления о биологическом. окислении в начале 20 в.

1 .Теория «активации» кислорода академика БАХА. Ведущей ролью в процессе биологического окисления он представлял образование ПЕРОКСИДОВ.

Эти взгляды поддержали ботаники, т.к. в растениях много ПЕРОКСИДАЗ, а учёные, изучающие животные ткани, не поддержали эти взгляды, т.к. в них не обнаруживаются ПЕРОКСИДАЗЫ.

2. Теория активирования водорода академика ПАЛЛАДИНА. Он исходил из того, что в животных тканях много фермента - ДГ.

Конечным продуктом биологического окисления является вода. Взгляды БАХА и ПАЛЛАДИНА трансформировали. В настоящее время считается, что в биологическом окислении принимают участие ДГ и ОКСИДАЗЫ.

СОВРЕМЕННЫЕ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ.

1. Биологическое окисление, как и окисление вообще, есть процесс переноса электронов. То вещество, что отдаёт электроны, окисляется, то, что принимаем восстанавливается. Если акцептором электронов является кислород, то такой процесс называется ТКАНЕВЫМ ДЫХАНИЕМ. Биологическое окисление предполагает ДЕГИДРИРОВАНИЕ с образованием воды.

R-Н2 ---ДГ----> R + КоН2

КoH2 +1/2 О2.------> Ко + Н2О

Если водород взаимодействует с кислородом с образованием воды вне организма, то это сопровождается взрывом. Биологическое окисление - это процесс многоступенчатый - многоступенчатая передача электронов с постепенным выделением энергии, что исключает взрыв. Биологическое окисление - это процесс, требующий много ферментов. Т.о. биологическое окисление - это многоступенчатый процесс транспорта электронов, осуществляемый комплексом ферментов. Этот комплекс ферментов называется ЭЛЕКТРОН-ТРАНСПОРТНОЙ ЦЕПЬЮ (ЭТЦ), или ЦЕПЬЮ ПЕРЕНОСА ЭЛЕКТРОНОВ (ЦПЭ), или дыхательной цепью. ЭТЦ – это своеобразный КОНВЕЕР по переносу электронов и протонов от субстрата к кислороду.

КОМПОНЕНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

1. НИКОТИНЗАВИСИМЫЕ ДГ, т.е. содержащие КОФЕРМЕНТЫ - НАД, НАДФ

2. ФЛАВИНЗАВИСИМЫЕ ДГ, т.е. содержащие КОФЕРМЕНТЫ - ФМН, ФАД.

3. УБИХИНОН (Ко-Q)

4. ЦИТОХРОМЫ: в, с, с1, а, а3.

Почти все эти компоненты, за исключением первого, встроены во внутреннюю мембрану МИТОХОНДРИЙ. В печени таких дыхательных цепей до 5000, а в сердце - до 20000.

СТРОЕНИЕ КОМПОНЕНТОВ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

1. В НАД и НАДФ рабочей частью является витамин РР - НИКОТИНАМИД.

2.В ФАД и ФМН рабочей частью является ФЛАВИН (компонент витамина В2)

3. УБИХИНОН легко переходит в восстановленную форму КОQ + 2H +2e =КОQ*Н2

4.ЦИТОХРОМЫ - это ГЕТЕРОПРОТЕИНЫ. Их белковой частью является ГЕМ, структура которого представляет собой 4 ПИРРОЛЬНЫХ кольца и атом железа, который легко меняет валентность. Также могут включать медь.

ФЕРМЕНТЫ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

1.ДГ субстратов находятся в цитоплазме клетки, могли быть в МАТРИКСЕ МИТОХОНДРИИ.

2.НАДН - ДГ(ФМН).

4. Q*Н2 - ДГ (ЦИТОХРОМЫ в, с1).

5.ЦИТОХРОМ С.

6.ЦИТОХРОМОКСИДАЗА участвует в передаче электронов на кислород (включает ЦИТОХРОМЫ а, аЗ).

ФУНКЦИОНИРОВАНИЕ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ.

Полная ЭТЦ - взаимодействие субстрата с НАД. Укороченная ЭТЦ - взаимодействие субстрата с ФАД и последующий транспорт электронов и протонов сразу на КОФЕРМЕНТ Q.

Порядок компонентов дыхательной цепи обусловлен величиной их геd-ох потенциалов Он изменяется от -0.32В до + 0,81 В. -0,32 характерно для НАДН2, +0,81 характерно для О2.

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ.

В дыхательной цепи создаются условия для синтеза АТФ, т.е. выделяется достаточное количество энергии.

Осуществление биосинтеза биоло-гических молекул требует постоянного притока энергии. В автотрофных кле-точных биосистемах такой энергией служит лучистая энергия Солнца. В гетеротрофных клеточных биосистемах процесс биосинтеза идёт с помо-щью энергии, получаемой от расщепления молекул органических веществ — уг-леводов , белков и жиров . Регулярное поступление энергии является необходи-мым условием биосинтеза. Поэтому синтез органических веществ сопровож-дается непрерывной доставкой требуемой энергии, освобождающейся при расщеплении молекул других органических соединений, имеющихся в клетке .

Процесс высвобождения необходимой энергии из органических ве-ществ путём их расщепления называют биологическим окислением или кле-точным дыханием .

При этом идёт накопление энергии в виде молекул АТФ и других макроэнергетических соединений.

АТФ , или аденозинтрифосфорная кислота , — это нуклеотид, состоя-щий из аденина, рибозы и трёх остатков фосфорной кислоты — трифосфата (рис. 66).

Окисление осуществляется путём отрыва от окисляемой молекулы электронов или атома водорода. Такая потеря всегда сопровождается выделени-ем значительного количества энергии. Это объясняется тем, что электроны в соста-ве молекул органических соединений находятся на очень высоких энергетических уровнях этих молекул. Перемещаясь с высоких на более низкие уровни своей или другой молекулы или атома, электроны высвобождают энергию. Молекулы, те-ряющие электроны, называются донорами, а принимающие их — акцепторами. Конечным акцептором в окислительных процессах клетки часто выступает кисло-род. Именно поэтому кислород так важен для дыхания многим организмам . Окан-чивается биологическое окисление (клеточ-ное дыхание) органических соединений образованием воды и углекислого газа. На примере окисления глюкозы этот процесс клеточного дыхания выражается обобщён-ным уравнением:

C 6 H 12 O 6 + 6O 2 → 6CO 2 + 6H 2 O + Энергия;

Для осуществления клеточного дыхания многим организмам нужен кислород, в этом случае говорят об аэробном (кислородном) дыхании или аэробном способе высвобожде-ния энергии. Однако в природе существует множество различных групп организмов, которые могут получать энергию для своей жизнедеятельности без использования свободного атмо-сферного кислорода, т. е. путём бескислородного или анаэробного клеточно-го дыхания (анаэробное высвобождение энергии).

Основным веществом, используемым для получения энергии, в клетке обычно служат жиры и глюкоза. Процессы окисления глюкозы протекают в не-сколько этапов и сопровождаются ступенчатым выделением энергии, что обеспечивает возможность её запасания и дальнейшего перехода в макроэнергетическую связь в виде молекул аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ.

Молекула АТФ необычайно энергоемка. Это связано с тем, что её трифосфатный компонент содержит две фосфорангидридные связи. Разрыв од-ной из них, т. е. отделение от АТФ одного концевого фосфата (Ф Н), сопро-вождается выделением 40 кДж на 1 моль вместо 12 кДж, выделяемых при разрыве обычных химических связей других соединений. Образовавшаяся при этом молекула аденозиндифосфата (АДФ) с двумя фосфатными остатками может быстро восстановиться до АТФ или, при необходимости, отдать ещё один концевой фосфат и превратиться в адепозинмонофосфат (АМФ). Упро-щенно процессы можно представить на схемах освобождения энергии при отделении концевых фосфатов у АТФ и АДФ (1) до АМФ, а также восстановле-ния АТФ из АДФ (2):

Высвобождение энергии из химических связей органических веществ в общих чертах напоминает обратную последовательность процессов её свя-зывания. Поэтому можно сказать, что клеточное дыхание противоположно фотосинтезу и в схематическом виде оно распадается на два этапа: бескисло-родный этап (гликолиз) и кислородный этап. Материал с сайта

В отличие от гликолиза, кисло-родный этап клеточного дыхания является мембранозависимым. Он осу-ществляется в матриксе митохондрий и на мембранах их крист. Здесь происходит полное окисление пирувата до конечных продуктов — CO 2 и H 2 O. В связи с этим различают две стадии, связанные с окислительным циклом трикарбоновых кислот (цикл Кребса, или лимонный цикл) и с дыхательной цепью переноса электронов , где синтезируется АТФ.

Наличие в живой материи разных высокоупорядоченных биохимиче-ских процессов гликолиза (в цитоплазме), кислородного дыхания (в мито-хондриях), как и фотосинтеза (в хлоропластах), позволяет судить о наличии в живой клетке целостных молекулярных биологических систем, а также о молекулярном структурном уровне как исключительно важном, основопола-гающем и обеспечивающем все процессы жизни на Земле.

На этой странице материал по темам:

• Биологическое окисление клеточное дыхание

• Кислородное окисление или дыхание

• Биологическое окисление биохимия кратко

• В чем биологическая роль окисления

• Доклад по клеточному дыханию

Вопросы по этому материалу:

Биоэнергетические процессы, приводящие к синтезу АТФ, к зарядке «биологических аккумуляторов», протекают в специали­зированных мембранах митохондрий. Именно здесь локализо­ваны и пространственно организованы молекулярные системы, ответственные за энергетику живых организмов. Синтез АТФ в митохондриях сопряжен с электронным и ионным транспортом и с механохимическими явлениями. Функции митохондриальных мембран весьма сложны и многообразны. Другой тип биоэнерге­тических сопрягающих мембран - мембраны хлоропластов рас­тений, ответственные за фотосинтез, - рассматривается в гл.7.

Источником энергии, расходуемой клеткой на биосинтез, ак­тивный транспорт, механическую и электрическую работу, яв­ляется дыхание, т. е. окисление органических соединений кисло­родом воздуха. В 1780 г. Лавуазье показал, что дыхание и горе­ние имеют единую природу. За последующие почти два столетия исследования химиков, биологов и физиков привели к раскры­тию основных особенностей биологического окисления - одного из важнейших процессов (или, скорее, системы процессов), про­исходящих в живой природе.

Топливо, т. е. окисляемые вещества, поступает в организм животного с пищей в виде жиров, углеводов и белков. Жиры представляют собой триглицериды жирных кислот, главным об­разом многоатомных. Они расщепляются, т. е. гидролизуются в реакциях, катализируемых специальными ферментами. Жирные кислоты активируются с участием специфических ферментов и АТФ, превращаясь в ацилпроизводные так называемого кофер - мента А, Ко А - SH, структура которого показана на рис. 6.1. Окисление ацилпроизводного Ко А - SH происходит в ряде стадий, на каждой из которых образуется остаток жирной кис­лоты, содержащий на два атома углерода меньше, чем преды­дущий . Полное уравнение реакции окисления жирной кис­лоты с четным числом атомов углерода до ацетил-S - Ко А имеет вид

Н3С(СН2СН2)„С02Н + АТФ + (п + 1) КоА - SH + лНАД+ +

ПЕ ■ ФАД + лН20 ->- (п + 1)CH3COS - КоА +

+ (£5ф + £фч) + "НАД-Н + пЕ - ФАД-Н +

Здесь НАД - кофермент никотинамидадениндинуклеотид (рис.

6.2), Е - фермент, ФАД- кофермент флавинадениндинуклеотид

Рис. 6.1. Кофермент А.

TOC \o "1-3" \h \z (рис. 6.3), АДФ и АМФ - аденозиндифосфат и аденозинмоно - фосфат, Фн, ФФН - неорганические моно - и дифосфаты. Обратим внимание попутно на общность и

Строения АТФ, КоА-SH, НАД и Н В

ФАД (см. , гл. 2). При разруше - /\ / \

Нии жиров в конечном счете обра - н| 9 NH2

Зуется ацетил-КоА, а также про - п ^

ПИОНИЛ-КО А И ГЛИЦерИН. - g_p_Q_QH

Расщепление и окисление угле - і | |

Водов (в частности, крахмала) при - \ С^н н^С водит к образованию триозофосфа - і |>с«исг I NH

Тов и пировиноградной кислоты I н L L н I 2

(пирувата). н°-рГ° 0Н 0Н „ /ч

При разрушении белков, наряду / С N

С индивидуальными аминокислота - \ НСч J I

Ми, используемыми в синтезе бел - СН2 0 \

Ков de novo, образуются ацетил - N

Ко А, оксалацетат, а-кетоглутарат, INc^c/I

Фумарат и сукцинат. Эти процессы н і і н

Метаболизма детально изучены в он ОН

Современной биохимии (см. ). Рис. в-2- Никотинамидаденин-

Основные продукты расщепле - динуклеотид (НАД),

Ния и окисления жиров, углеводов

И белков претерпевают дальнейшие превращения в цикличе­ской системе реакций, именуемой циклом лимонной кислоты или циклом Кребса. Эта система локализована в митохондриях. Цикл Кребса, «образно говоря, та главная ось, вокруг которой вертится метаболизм почти всех существующих клеток... Цикл

Кребса является «фокусом», в котором сходятся все метаболи­ческие пути» .

Цикл Кребса изображен на рис. 6.4. За один оборот цикла, состоящего из восьми реакций, отмеченных на рисунке цифрами в кружках, происходит деградация одной молекулы ацетил-КоА

Н2с-СН-СН-СН-СН,-О-Р-О-Р-О-СН, n-^Ч

A/\A/NH он он

Н, С V N С s Н II

Рис. 6.3. Флавииадениндинуклеотид (ФАД).

Или одной молекулы пиру вата до С02 и Н20, т. е. «сгорание» этих молекул. Соответствующие суммарные реакции имеют вид

CH, COS - КоА + З НАЦ+ + (ФАД) + ГДФ + Ф„ + 2 Н20 -

2 С02 + КоА - SH + З НАД-Н + (ФАД-Н) + ГТФ + ЗН+, Пируват" + КоА - SH + НАД+ -* CH3COS - КоА + НАД-Н+ + Н+ + С02.

(Скобки обозначают, что ФАД тесно связан с белком.)

От цикла Кребса идут пути многих биосиитетических реак­ций- пути синтеза углеводов, липидов, пуринов, пиримидииов и порфирннов. Синтез белков также связан с циклом, в котором создаются предшественники ряда аминокислот. Вместе с тем, как мы увидим, биологическое окисление является источником энергии, запасаемой в АТФ и необходимой для биосинтетических процессов.

В реакциях цикла возникают С02 и ионы Н+. Одновременно происходит восстановление коферментов НАД и ФАД. Для не­прерывного и полного биологического окисления эти кофермеи - ты должны окисляться вновь. Окисление осуществляется сово­купностью переносчиков электронов, образующих цепь переноса электронов (ЦПЭ), фиксированную в митохондриях. ЦПЭ обес­печивает следующие реакции:

З НАД-Н + 1,5 02 + ЗН+ з НАД+ + 3 Н20 - 3 52,4 ккал/моль,

(ФАД-Н) + 0,5 О, - (ФАД) + Н20 - 36,2 ккал/моль.

Реакция ацетил-КоА имеет вид

CH3COS - КоА + 2 02 -> 2 С02 + Н20 + КоА - SH - 215,2 ккал/моль.

ЦПЭ, иначе именуемая дыхательной цепью, представляет собой

Углеводы-*- CH-CDC07 п

ПируВат у Жирные

У v4*- "Ацетил-КоК С02 2Н ■

^ с=о (Т) г«

Фн Сущинил-Ш KoA_SH Рис. 6.4. Цикл Кребса.

Тре-"ЪА.-изоцитрац

А-кетоглутарапі

НО-СН С02 fiOj (2)

" СН2 Оксалацетат Цитрат

FQ) l-тлат \ Vz

Полиферментную систему, акцептирующую электроны из цикла Кребса и цикла окисления жирных кислот.

Электрон переносится по следующей цепи : Сукцинат - ФП3 1

Субстрат -*■ НАД -»- ФП0 ->■ Цитохром Ь ->- -*■ Цитохром С) -» Цитохром с -»- Цитохромы а + аз -*■ 02.

Флавопротеиды - специфические ферменты, содержащие флави- новые коферменты-ФАД (см. рис. 6.3) и флавинмононуклео - тид ФМН, рибофлавин-5"-фосфат. Цитохромы содержат группу гема, атом железа которого при работе цепи подвергается окис­лению и восстановлению:

Fe2+ Fe3+ - f e~.

Перенос электронов в приведенной цепи происходит слева на­право, завершаясь восстановлением кислорода, который соеди­няется с водородом и образует воду. Освобождаемый при окис­лении электрон соединяется со следующим звеном цепи. Перенос электронов сопровождается изменением свободной энергии, так как электроны перемещаются по каскаду возрастающих окисли­тельно-восстановительных потенциалов. Их значения приведены в табл. 6.1 .

Таблица 6.1

Окислительно-восстановительные потенциалы некоторых систем

Перенос электронов по дыхательной цепи сопряжен с запа­санием энергии в макроэргических молекулах АТФ. Иными сло­вами, освобождаемая свободная энергия конвертируется в хи­мическую энергию АТФ. Происходит окислительное фосфорили - рование.

Это важнейшее явление было впервые открыто Энгельгард - том в 1930 г. . Белицер и Цыбакова подробно изучили стехиометрические соотношения между окислением и фосфори - лированием, провели первые определения коэффициента Фн О. т. е. отношения числа молекул этерифицированного неорганиче­
ского фосфата к числу атомов поглощенного кислорода, и по­казали, что значение этого коэффициента не менее 2. В работе были даны термодинамические оценки, показавшие, что энер­гия переноса электронов на кислород достаточна для образова­ния двух или большего числа молекул АТФ на один атом по­глощенного кислорода. Калькар установил, что аэробное фосфо - рилирование сопряжено с дыханием и не зависит от гликолити - ческого фосфорилирования . Количественные соотношения были уточнены Очоа . Коэффициент Фн: О для окислительных реакций цикла Кребса и реакций с участием НАД равен 3. Ленинджер впервые установил, что процессы окислительного фосфорилирования локализованы именно в митохондриях .

Прямые стрелки показывают места вхождения электронов. ФП,. ФП, ...-флавопротеиды.

KoQ - кофермент Q.

10], и в работах его лаборатории были найдены узловые пункты дыхательной цепи, в которых происходит фосфорилирование. Указанное значение Фн: О следует из уравнения

НАД-Н + Н+ + З АДФ + 3 Ф„ + V2O2 - НАД+ + 4 Н20 + 3 АТФ. В этом уравнении суммируются экзергоническая реакция НАД-Н + Н+ + V2O2 -> НАД+ + Н20 + 52,7 ккал/моль

И эндергоническая реакция

3 АДФ + 3 Фн ->■ З АТФ + 3 Н20 - 21,9 ккал/моль.

Фосфорилирование АДФ -> АТФ происходит в трех узловых пунктах - в участке цепи НАД-Н - флавопротеид, в участке цитохром Ь цитохром сі и в участке цитохром с -* цитохромы а + а3.

Общая схема сопряжения окисления с фосфорилированием приведена на рис. 6.5.

Напишем вновь брутто-уравнение фосфорилирования

ПируВат^ Сущинагп

АДФ + H2P04" - f Н+ +=± АТФ + HgO - ДО,

Где AG - изменение свободной энергии. Имеем

TOC \o "1-3" \h \z [адф] Гн, ро:1 [н+] , >4

AG = AG" + RT ІП. (6.1)

AG0 - стандартное изменение свободной энергии в калориях, т. е. значение AG при рН 7,0, 25°С и концентрациях всех компо­нентов, равных 1,0 М. Как известно,

AG0 = - RT In К, (6.2)

где К - константа равновесия реакции. Для фосфорилирования AG0 = 7,3 ккал/моль. Наблюдаемое значение AG in vivo зависит от концентрации протонов по обе стороны мембраны и, следо­вательно, от мембранной разности потенциалов. AG зависит так­же от концентрации ионов Mg++. При изменении рН от 6,0 до 9,0 при = 10 мМ AG меняется от 6,17 до 9,29 ккал/моль (см. ).

Изменение свободной энергии при переносе двух электронных эквивалентов по ЦПЭ от НАД-Н к 02 определяется разностью окислительно-восстановительных потенциалов 0,82 - (-0,32) = = 1,14 В, т. е.

AG0 = z Д-ф = - 2 23,06 -1,14 ккал/моль = - 52,7 ккал/моль.

Это обеспечивает с избытком синтез 3 молей АТФ из АДФ и Фн. Эффективность процесса выражается величиной 21,9/52,7, т. е. примерно равна 40%.

Энергетический смысл дыхания состоит в синтезе АТФ. Энер­гия, аккумулированная в АТФ, используется клеткой для выпол­нения всех видов ее работы.

Раскрытие химизма биологического окисления - крупнейшее достижение биохимии. Здесь изложены лишь некоторые важней­шие сведения, подробное рассмотрение сложной биохимической системы окисления содержится в специальной литературе (см. ).

Особенность системы окислительного фосфорилирования, от­личающая ее от ряда ферментативных реакций, протекающих в растворе, состоит в строгой пространственной локализации зве­ньев многоступенчатого процесса. Окислительное фосфорилиро - вание локализовано в митохондриях и непосредственно связано с транспортной и механохимической функциональностью их мембран. По-видимому, столь сложная система биохимических реакций принципиально требует пространственной неоднородно­сти и не могла бы реализоваться в гомогенной среде.

Расшифровка кратко описанных здесь окислительно-восста­новительных реакций была получена в результате применения тонких химических и физических методов. Здесь, в частности,
сыграли большую роль работы Чаиса, посвященные спектроско­пии переносчиков электронов (НАД, ФП, цитохромов) в интакт - ных митохондриях. Эти переносчики обладают характерными полосами поглощения в видимой и близкой ультрафиолетовой областях спектра, и разностные спектры позволяют изучать ки­нетику их окисления и восстановления . Были применены различные способы удаления из митохондрий специфических ферментов н. тем самым, сохранения лишь определенных звеньев

Рис. 6.6. Распределение белков по комплексам ЦПЭ І, II, III, IV.

А, Ь, с. Сі, йі- >нтохромы, Си - медьсодержащие белкн, (Fe -be) -негемнновое железо, fs - сукцинатдегидрогеназа, iq-НАД Н-дегидрогеназа.

Процесса. Митохондрии подвергались расчленению, из субмито- хондриальных частиц выделялись комплексы дыхательных фер­ментов, свободные от структурных белков. Такие комплексы оказалось возможным очищать и детально исследовать. Были проведены успешные опыты по восстановлению ЦПЭ из выде­ленных препаратов и растворимых ферментов. Наконец, очень ценная информация была получена в опытах по ингибированию отдельных стадий процесса и по разобщению окислительного фосфорилирования и переноса электронов (см. § 6.5).

Можно считать установленным, что переносчики ЦПЭ сгруп­пированы в четыре комплекса, именуемые комплексами Грина (см. ). Соответствующая схема приведена на рис. 6.6. Моле­кулярный вес каждого комплекса равен примерно 3-Ю5 Он со­держит около 64% белка и 36% липидов. Электрон-переносящий
комплекс определяется как минимальная единица ЦПЭ, сохра­няющая способность переносить электрон со скоростью, сравни­мой с этой скоростью в интактных митохондриях.

Изучение биологического окисления встречается с необходи­мостью решения ряда физических проблем, относящихся к раз­личным уровням организации и функционирования системы.

Структура и функции молекулярных переносчиков электро­нов изучены еще недостаточно. В § 6.7 рассмотрены современ­ные данные, относящиеся к строению и свойствам цитохрома с. Цитохром с исследовался очень детально, но его динамические свойства нельзя считать полностью установленными и объяснен­ными.

Строение и функциональная организация митохондрий яви­лись предметом интенсивного изучения. Тем не менее, многие важнейшие вопросы, сюда относящиеся, пока не имеют ответа. Специфическая мембранная структура мигохондрий, присутствие в них автономной программы синтеза белков (ДНК), механохи - мическая активность митохондрий непосредственно связаны с их ролью «силовых станций» клетки. Дальнейшее развитие физики митохондрий требует целостного подхода.

Общая теория электронного транспорта в локализованной системе биологического окисления интенсивно развивается. Предложены содержательные кинетические модели, начаты тео­ретические исследования, основанные на рассмотрении элект - ронно-конформационных взаимодействий. Эти проблемы пред­ставляют первостепенный интерес для биофизики.

Необходимо установить молекулярную природу биологиче­ского окисления, осуществляемого в результате сопряжения фер­ментативных, транспортных и механохимических процессов. Ми­тохондрия есть место интегрирования широкой совокупности мо - лекулярно-биологических явлений, целостная система, требую­щая всестороннего изучения - теоретической и эксперименталь­ной разборки и сборки «черного ящика».

УРАЛЬСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ МЕДИЦИНСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра биоорганической и биологической химии

КУРСОВАЯ РАБОТА НА ТЕМУ:

Биологическое окисление.

Исполнители: студентки

педиатрического

факультета 223 группы

Заруба Н.С., Чащина Е.Е.

Руководитель: доцент,

к.м.н. Трубачев С.Д.

Рецензент:

Екатеринбург 2002.

I. Введение………………………………………………………………...3

II. Общие представления о биологическом окислении.

Окислительно-восстановительные системы и потенциалы……..3

III. Пути использования кислорода в клетке……………………………...5

Оксидазный путь использования кислорода. Митохондрии.

Ферменты, их локализация и значение в процессах окисления…….5

IV. Этапы утилизации энергии питательных веществ…………………...6

V. Окислительное фосфорилирование……………………………………9

Хемиосмотическая теория Митчелла……..……….………………..9

Редокс – цепь окислительного фосфорилирования………………10

VI. Цикл Кребса…………………………………………………………21

Открытие ЦТК……………………………………………………..22

Реакции, ферменты. Регуляция…………………………………...23

VII. Макроэргические соединения и связи……………………………...29

VIII. Витамин РР. Участие в процессах окисления…………………….30

IX. Микросомальное окисление…………………………………………31

Монооксигеназные реакции………………………………………31

Диоксигеназные реакции………………………………………….32

Цитохромы…………………………………………………………32

X. Пероксидазный путь использования кислорода…………………..33

XI. Ферментативная антиоксидантная защита…………………………34

Супероксиддисмутаза, каталазы, пероксидазы………………….34

XII. Неферментативная антиоксидантная защита………………………35

Витамины С, Е и Р…………………………………………….…...35

XIII. Заключение…………………………………………………………..38

XIV. Список литературы…………………………………………………..39

Введение.

В химии окисление определяется как удаление электронов, а восстановление - как присоединение электронов; это можно проиллюстрировать на примере окисления ферро-иона в ферри-ион:

Fe 2+ -e → Fe 3+

Отсюда следует, что окисление всегда сопровождается восстановлением акцептора электронов. Этот принцип окислительно-восстановительных процессов в равной мере применим к биохимическим системам и характеризует природу процессов биологического окисления.

Хотя некоторые бактерии (анаэробы) живут в отсутствие кислорода, жизнь высших животных полностью зависит от снабжения кислородом. Кислород, главным образом, используется в процессе дыхания – последнее можно определить как процесс улавливания клеточной энергии в виде АТФ при протекании контролируемого присоединения кислорода с водородом с образованием воды. Кроме того, молекулярный кислород включается в различные субстраты при участии ферментов, называемых оксигеназами. Многие лекарства, посторонние для организма вещества, канцерогены (ксенобиотики) атакуются ферментами этого класса, которые в совокупности получили название цитохрома Р 450 .

Гипоксические нарушения метаболизма клетки занимают ведущее место в патогенезе критических состояний. Главную роль в формировании необратимости патологических процессов приписывают крайним проявлениям расстройства клеточного метаболизма. Адекватное обеспечение клетки кислородом является основным условием сохранения ее жизнеспособности.

Введением кислорода можно спасти жизнь больных, у которых нарушено дыхание или кровообращение. В ряде случаев успешно применяется терапия кислородом под высоким давлением; следует однако отметить, что интенсивная или продолжительная терапия кислородом под высоким давлением может вызвать кислородное отравление.

При написании данной работы перед нами стояла цель: изучить биологическое окисление и его значение в жизнедеятельности клетки и организма в целом. Для этого мы рассмотрели:

Использование кислорода клеткой;

Источники энергии клетки – цикл лимонной кислоты (цикл Кребса), окислительное фосфорилирование;

Микросомальное окисление;

Антиоксидантную защиту

Общие представления о биологическом окислении.

Окислительно-восстановительные системы и потенциалы.

Источник энергии, используемый для выполнения всех видов работ (химической, механической, электрической и осмотической) – это энергия химической связи. Высвобождение энергии углеводов, жиров, белков и других органических соединений происходит при их окислительно-восстановительном распаде. Высвобожденная энергия затрачивается на синтез АТФ.

Изменение свободной энергии, характеризующее реакции окисления и восстановления, пропорционально способности реактантов отдавать или принимать электроны. Следовательно, изменение свободной энергии окислительно-восстановительного процесса можно характеризовать не только величиной DG 0 " , но и величиной окислительно-восстановительного потенциала системы (Ео). Обычно окислительно-восстановительный потенциал системы сравнивают с потенциалом водородного электрода, принимая последний за ноль, 0В при рН=0. Однако для биологических систем удобнее использовать окислительно-восстановительный потенциал при рН=7,0 (Ео"); при таком рН потенциал водородного электрода равен -0,42В.

Пользуясь таблицей 1, можно предсказать, в каком направлении пойдет поток электронов при сопряжении одной окислительно-восстановительной системы.

Таблица 1. Стандартные потенциалы некоторых окислительно-восстановительных систем.

Пути использования кислорода в клетке.

Существует три пути использования кислорода в клетке, которые характеризуются следующими реакциями:

1) оксидазный путь (90% поступившего кислорода восстанавливается до Н 2 О при участии фермента цитохромоксидазы)

0 2 +4е+4Н + → 2Н 2 О

2) оксигеназный путь (включение в субстрат одного атома кислорода - монооксигеназный путь, двух атомов кислорода -диоксигеназный путь) -монооксигеназный путь

Диоксигеназный путь

3) свободно-радикальный путь (идет без участия ферментов и АТФ не образуется).

Оксидазный путь использования кислорода. Митохондрии. Ферменты, их локализация и значение в процессе окисления.

Митохондрии справедливо называют "энергетическими станциями" клетки, поскольку именно в этих органеллах в основном происходит улавливание энергии, поставляемой окислительными процессами. Митохондриальную систему сопряжения окислительных процессов с генерацией высокоэнергетического интермедиатора АТФ называют окислительным фосфорилированием.

Митохондрии имеют наружную мембрану, проницаемую для большинства метаболитов, и избирательно проницаемую внутреннюю мембрану с множеством складок (крист), выступающих в сторону матрикса (внутреннего пространства митохондрий). Наружная мембрана может быть удалена путем обработки дигитонином; она характеризуется наличием моноаминоксидазы и некоторых других ферментов (например, ацил-КоА-синтетазы, глицерофосфат-ацилтрансферазы, моноацилглицерофосфат-ацилтрансферазы, фосфолипазы А2). В межмембранном пространстве находятся аденилаткиназа и креатинкиназа. Во внутренней мембране локализован фосфолипид кардиолипин.

В матриксе находятся растворимые ферменты цикла лимонной кислоты и ферменты b-окисления жирных кислот, в связи с этим возникает необходимость в механизмах транспорта метаболитов и нуклеотидов через внутреннюю мембрану. Сукцинатдегидрогеназа локализована на внутренней поверхности внутренней митохондриальной мембраны, где она передает восстановительные эквиваленты дыхательной цепи на уровне убихинона (минуя первую окислительно-восстановительную петлю). 3-гидроксибутиратдегид рогеназа локализована на матриксной стороне внутренней митохондриальной мембраны. Глицерол-3-фосфат-дегидрогеназа находится на наружной поверхности внутренней мембраны, где она участвует в функционировании глицерофосфатного челночного механизма.

Этапы утилизации энергии питательных веществ.

Утилизация энергии питательных веществ - сложный процесс, который протекает в три стадии, согласно следующей схеме:

Схема 1. Стадии катаболизма питательных веществ.

На стадии 1 крупные молекулы полимеров распадаются на мономерные субъединицы: белки на аминокислоты, полисахариды на сахара, а жиры на жирные кислоты и холестеоролы. Этот предварительный процесс, называемый пищеварением, осуществляется главным образом вне клеток под действием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На стадии 2 образовавшиеся небольшие молекулы поступают в клетки и подвергаются дальнейшему расщеплению в цитоплазме. Большая часть углеродных и водородных атомов сахаров превращается в пируват, который, проникнув в митохондрии, образует там ацетильную группу химически активного соединения ацетилкофермента А (ацетил-СоА). Большое количество ацетил-СоА образуется также при окислении жирных кислот. На стадии 3 происходит полное расщепление ацетильной группы ацетил-СоА до СО 2 и Н 2 О. Именно на этой заключительной стадии образуется большая часть АТФ. В серии сопряженных химических реакций больше половины той энергии, которую, согласно теоретическим расчетам, можно извлечь из углеводов и жиров при окислении их до Н 2 О и СО 2 , используется для осуществления энергетически невыгодной реакции Ф н + АДФ ® АТФ. Поскольку остальная часть энергии, высвобождающейся при окислении, выделяется клеткой в виде тепла, результатом образования АТФ является общее возрастание неупорядоченности Вселенной, что полностью соответствует второму закону термодинамики.