Биологическое окисление

сложный процесс, который протекает в три стадии, согласно следующей схеме:

Схема 1. Стадии катаболизма питательных веществ.[1,1994]

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, называе-мый пищеварением, осуществляется главным образом вне клеток под дейст-вием ферментов, секретируемых в полость пищеварительного тракта. На ста-дии 2 образовавшиеся небольшие молекулы поступают в клетки и подверга-ются дальнейшему расщеплению в цитоплазме. Большая часть углеродных и водородных атомов сахаров превращается в пируват, который, проникнув в митохондрии, образует там ацетильную группу химически активного соеди-нения 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 СО2 и Н2О. Именно на этой заключительной стадии образуется большая часть АТФ. В серии со-пряженных химических реакций больше половины той энергии, которую, со-гласно теоретическим расчетам, можно извлечь из углеводов и жиров при окислении их до Н2О и СО2, используется для осуществления энергетически невыгодной реакции Фн + АДФ  АТФ. Поскольку остальная часть энергии, высвобождающейся при окислении, выделяется клеткой в виде тепла, ре-зультатом образования АТФ является общее возрастание неупорядоченности Вселенной, что полностью соответствует второму закону термодинамики.

Благодаря образованию АТФ энергия, первоначально извлеченная путем окисления из углеводов и жиров, преобразуется в более удобную концентри-рованную форму химической энергии. В растворе, находящемся во внутри-клеточном пространстве типичной клетки, имеется примерно 1 млрд. моле-кул АТФ, гидролиз которых до АДФ и фосфата обеспечивает необходимой энергией множество энергетически невыгодных реакций.

Самым важным этапом стадии 2 катаболизма является гликолиз – по-следовательность реакций, приводящих к расщеплению глюкозы. При глико-лизе молекула глюкозы, содержащая 6 атомов углерода, превращается в 2 молекулы пирувата, содержащие по 3 атома углерода каждая. Для такого превращения требуется 9 последовательных ферментативных реакций, в ко-торых происходит образование ряда промежуточных фосфатсодержащих со-единений. (см. рисунок 1.)

Логически рассуждая, последовательность реакций гликолиза можно разде-лить на три этапа: 1) в реакциях 1-4 (см.рисунок 1) глюкоза превращается в трехуглеродный альдегид глицеральдегид-3-фосфат (для этого превращения нужны две фосфатные группы, а необходимая энергия выделяется при гид-ролизе АТФ); 2) в реакциях 5-6 альдегидная группа каждой молекулы глице-ральдегид-3-фосфата окисляется до карбоксильной, и выделяющаяся при этом энергия расходуется на синтез АТФ из АДФ и Фн; 3) в реакциях 7-9 те две молекулы фосфата, которые присоединились к сахару на первой стадии, переносятся обратно на АДФ, в результате чего образуется АТФ и компенси-руются затраты АТФ на этапе 1.

Рисунок 1. Промежуточные продукты гликолиза.[1,1994]

Суммарный выход энергии при гликолизе сводится к синтезу двух мо-лекул АТФ (на одну молекулу глюкозы), которые образовались в реакциях 5 и 6. Таким образом, данные реакции имеют решающее значение для гликоли-за. Эти две реакции – единственные во всем процессе, в которых из Фн фор-мируется высокоэнергетическая фосфатная связь. Суммарным результатом этих двух реакций является окисление сахарного альдегида в фосфоглицеро-ловую кислоту, перенос Фн на АДФ с образованием высокоэнергетической связи АТФ и восстановления НАД+ до НАДН.

Для большинства клеток животных гликолиз предшествует стадии 3 ка-таболизма, т.к. образующаяся при гликолизе молочная кислота быстро по-ступает в митохондрии, где окисляется до СО2 и Н2О. Тем не менее у ана-эробных организмов и тканей, способных работать в анаэробных условиях, гликолиз может стать основным источником клеточного АТФ. В этих случа-ях молекулы пирувата остаются в цитозоле и превращаются в лактат, кото-рый затем выводится из клетки. Дельнейшее превращение пирувата в этих энергодающих реакциях, называемых брожением, требуется для того, чтобы полностью использовать восстановительный потенциал, полученный в реак-ции 5 гликолиза, и таким путем регенерировать НАД+, необходимый для дальнейшего осуществления гликолиза.[1,1994]

Окислительное фосфорилирование.

Окислительное фосфорилирование позволяет аэробным организмам улавливать значительную долю потенциальной свободной энергии окисления субстратов. Возможное объяснение механизма окислительного фосфо-рилирования предлагает хемиосмотическая теория. Ряд лекарственных ве-ществ (например, амобарбитал) и ядов (цианид, окись углерода) подавляют окислительное фосфорилирование, обычно с фатальными последствиями. Окислительное фосфорилирование является столь жизненно важным процес-сом, что нарушение его нормального хода несовместимо с жизнью. Этим можно объяснить, почему обнаружено лишь небольшое количество генети-ческих нарушений, затрагивающих эту систему.

Хотя цикл лимонной кислоты составляет часть аэробного метаболизма, ни в одной из реакций этого цикла, приводящих к образованию НАДН и ФАДH2, молекулярный кислород не принимает прямого участия; это происходит только в завершающей серии катаболических реакций, протекающих на внутренней мембране. Почти вся энергия, получаемая на ранних этапах окисления от сжига-ния углеводов, жиров и других питательных веществ, вначале запасается в форме высокоэнергетических электронов, переносимых НАДН и ФАДН. Затем эти электроны взаимодействуют с молекулярным кислородом в дыхательной цепи. Taк как большое количество высвобождаемой энергии используется ферментами внутренней мембраны для синтеза АТФ из AДФ и Фн, эти последние реакции называют окислительным фосфорилированием.

Синтез АТФ в реакциях окислительного фосфорилирования, протекающих в дыхательной цепи, зависит от хемиосмотического процесса. Механизм этого процесса, впервые предложенный в 1961 году, позволил разрешить проблему, давно ставшую перед биологией клетки.

Раньше думали, что энергию для синтеза АТФ в дыхательной цепи обес-печивает такой же механизм, как и при субстратном фосфорилировании: предполагалось, что энергия окисления используется для образования высо-коэнергетической связи между фосфатной группой и каким-то промежуточ-ным соединением и, что превращение AДФ в АТФ осуществляется за счет энергии, выделяемой при разрыве этой связи. Однако, несмотря на интенсив-ные поиски, предполагаемый интермедиат не был обнаружен.

Согласно хемиосмотической гипотезе, вместо богатых энергией промежуточных продуктов существует прямая связь между процессами хи-мическими («хеми...») и транспортными (осмотическими, от греческого os-mos - толчок, давление) - хемиосмотическое сопряжение.

Хемиосмотическая гипотеза, предложенная в начале 60-х годов, вклю-чала четыре независимых постулата, касавшиеся функции митохондрий:

1. Митохондриальная дыхательная цепь, находящаяся во внутренней мембране, способна перемещать протоны; при прохождении электронов по дыхательной цепи происходит «откачивание» Н+ из матрикса.

2. Митохондриальный АТФ-синтетазный комплекс тоже перемещает протоны через внутреннюю мембрану. Поскольку этот процесс обратим, фермент может не только использовать энергию гидролиза АТФ для перено-са Н + через мембрану, но при достаточно большом протонном градиенте протоны начинают «течь» через АТФ-синтетазу в обратном направлении, что сопровождается синтезом АТФ.

3. Внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для Н +, ОН- и во-обще всех анионов и катионов.

4. Внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и не-органических ионов.

При прохождении высокоэнергетических электронов, доставляемых НАДН и ФАДH2, по дыхательной цепи внутренней митохондриальной мем-браны от одного переносчика к следующему высвобождается энергия, которая используется для перекачивания протонов (Н+) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство. (см.рисунок 2)

Рисунок 2. Перенос протонов при участии АТФ-синтазной системы (мо-дель Митчелла).[10,1993]

В результате на внутренней мембране создается электрохимический протонный градиент; энергию о6ратного тока протонов «вниз» по этому гра-диенту используется связанный с мембраной фермент АТФ-синтетаза, ката-лизирующий образование ATФ из АДФ и Фн, т.е. завершающий этап окисли-тельного фосфорилирования.

Редокс-цепь окислительного фосфорилирования.

Электроны переносятся с НАДН на кислород с помощью трех больших ферментных комплексов дыхательной цепи. Хотя механизмы извлечения энергии в дыхательной цепи и в других катаболических реакциях различны, в их основе лежат общие принципы. Реакция Н2 + 1/2 О2  Н2О разбита на много небольших «шагов», так что высвобождаемая энергия может перехо-дить в связанные формы, а не рассеивается в виде тепла. Как и в случае обра-зования АТФ и НАДH при гликолизе или в цикле лимонной кислоты, это связано с использованием непрямого пути. Но уникальность дыхательной цепи заключается в том, что здесь прежде