“Биологическое окисление и его роль для живых организмов

Составитель: старший преподаватель кафедры математики и естественных дисциплин Муковоз Ю.В. Дата: 20.12.2000 г.

“Биологическое окисление и его роль для живых организмов.”

1.Исторический обзор.

Лавуазье принадлежит известная фраза: “ Жизнь - это медленное горение”. Он в 1774 году установил, что горение органических веществ подобно процессу дыхания:

С₆Н₁₂О₆ + 6 О₂ = 6 СО₂ + 6 Н₂О + 2.400 кдж

При дыхании:

не происходит возникновения высоких температур;

не возникает пламя;

происходит в присутствии воды.

Вскоре было выяснено, что дыхание характерно для каждой клетки (клеточное или тканевое дыхание).

В 1897 году Бах выдвинул теорию активации кислорода с образованием перекисных соединений. Активация происходит с помощью оксигеназ (легко окисляемых веществ). Затем активная форма кислорода передаётся трудно окисляемым веществам. Это перекисная теория окисления.

В 1908 году Палладин выдвинул свою теорию окисления, в которой большую роль в этом процессе играет водород. Он считал, что в окислении органических веществ принимают участие пигменты. Их окисленная форма окрашена, а после присоединения водорода превращается в неокрашенную форму. В основе всех пигментов лежит хинон:

ХИНОН ГИДРОХИНОН

О ОН

II I

С СН

/ \ восстановленный окисленный /\\

НС СН + субстрат субстрат + НС СН

II II А Н₂ А II I

НС СН НС СН

\ / \//

С СН

ГИДРОХИНОН ХИНОН

ОН О

I II

С С

/\\ / \

НС СН НС СН

II I + 0,5 О₂ II II + Н₂О

НС СН НС СН

\// \ /

С С

I II

ОН О

Таким образом в начале XX века сложились две концепции биологического окисления:

1).Через активацию О₂.

2).Через активацию Н₂.

В 1928 году эти две концепции объединились благодаря открытию фермента цитохромоксидоредуктазы. Было выяснено, что эти два процесса взаимосвязаны и между ними лежат ансамбли ферментов (дегидрогеназный ансамбль ферментов).

2. Современные позиции биологического окисления.

Биологическое окисление – это перенос атомов водорода от окисляемого вещества навстречу кислороду с образованием воды в качестве конечного продукта реакции. Биологическое окисление обеспечивает организм энергией (основная функция).

Функции биологического окисления:

I. Детоксикация ксенобиотиков II. Устранение шлаков

III. Синтез метаболитов IY. Регуляция обмена веществ

Биологическое

окисление

Y. Энергетическое обеспечение

Поддержание Биосинтез Электрические

температуры процессы

тела Свечение у Осмотические Механическая

некоторых явления работа

животных

Энергетика процессов окисления:

В процессе окисления выделяется энергия, а в процессе дыхания – тепло.

Тепло не может быть использовано для выполнения механической работы, биосинтеза, для снятия наследственной информации. При дыхании вырабатывается энергия, заключенная в химических связях, она и используется для перечисленных биохимических процессов. Но сами вещества топливом не являются, они являются поставщиками протона и электрона. Энергию несет электрон (энергия солнца). Она выделяется электроном, когда он проходит через электронно-транспортную систему (ЭТС). Энергия выделяется порциями. Посредниками между ЭТС и местом потребления энергии являются макроэргические соединения. Это такие соединения, которые содержат макроэргическую связь( связь, при гидролизе которой выделяется энергия ):

а) соединения, содержащие енолфосфатную связь (производные пировиноградной кислоты):

СООН ОН

I I

С – О ~ Р = О

II I

СН₂ ОН

фосфоенолпировиноградная кислота

б) соединения, содержащие карбоксил фосфатную связь (в карбоксильной группе вместо атома водорода находится остаток фосфорной кислоты):

О ОН

II I

С – О ~ Р = О

I I

Н– С–ОН ОН

НО–Р–ОН

1,3 – дифосфоглицериновая кислота

в) соединения, содержащие фосфоаминную связь.

Н₂N–CН–СООН

(СН₂)₃

NН

НN = С ОН

I I

Н–N ~ Р = О

ОН

Аргенинфосфат

г) ацетилкоэмзин А – это соединение содержит высокоэнергетическую связь, при ее гидролизе высвобождается 32,2 кдж энергии. Используется в биосинтезе жирных кислот, стиролов, в работе цикла трикарбоновых кислот. Это вещество содержит кофермент А, который является важнейшим ацилирующим агентом клетки.

СН₃ – С – О ~ К₀ А

Ацетилкоэмзим А

д) аденозинтрифосфорная кислота (АТФ)

NH₂

/\\

N–С N

II II I

НC С СН

ОН ОН ОН \/ \//

I I I N N

ОН – Р ~ О – Р ~ О – Р ~ О – СН₂

II II II I О

О О О НC CН

\ /

НС–СН

I I

НО ОН

Ангидридные связи Сложноэфирная связь

( 30,4 кдж ) (14,1 кдж)

Пути синтеза АТФ в организме:

Фотосинтетический.

Хемосинтетический.

Субстратное фосфорилирование (образование макроэргических веществ на уровне субстрата).

Окислительное фосфорилирование(образование макроэргических веществ в электронно-транспортной цепи).

Пути потребления кислорода организмом:

Путь потребления О₂	Форма потребления О₂	Функция в организме
1.Оксидоредуктазный (80-90%)	Н₂О	энергетическая
2.Свободное окисление (10-20%)
а)пероксидазный	Н₂О₂	окисление некоторых водорастворимых веществ
б)оксигеназный	О₂внедряется в субстрат.	окисление липофильных веществ
в)липооксидазный	Перекисное соединение на мембране	обновление и распад мембран

1.Оксидоредуктазный путь.

Этот путь сопряжен с процессами фосфорилирования (биосинтез АТФ).

Протекает на внутренней мембране митохондрий , где функционирует система дыхательных ферментов.

Компоненты дыхательной цепи митохондрий:

1).А•Н₂ + НАД А + НАД•Н₂ + Е(импульс энергии)

Е + АДФ + Н₃РО₄ = АТФ

2). НАД•Н₂ + ФАД НАД + ФАД•Н₂

3). ФАД•Н₂ + кофермент Q ФАД + кофермент Q•Н₂

4). кофермент Q•Н₂ + 2 цтх В(Fе⁺³) кофермент Q + 2 цтх В(Fе⁺²) +2Н⁺

5). 2 цтх В(Fе⁺²) + 2 цтх С(Fе⁺³ ) 2 цтх В(Fе⁺³) + 2 цтх С(Fе⁺²) + Е

Е + АДФ + Н₃РО₄ = АТФ

6). 2 цтх С(Fе⁺²) + 2 цтх(а•а₃ Сu⁺² ) 2 цтх С(Fе⁺³ ) + 2 цтх(а•а₃ Сu⁺ )

7). 2 цтх(а•а₃ Сu⁺ ) + О₂ + 2Н⁺ 2 цтх(а•а₃ Сu⁺² ) + Н₂О + Е

Е + АДФ + Н₃РО₄ = АТФ

Характеристика оксидоредуктаз:

1.Первичные оскидоредуктазы:

Это пиридин зависимые дегидрогеназы. Содержат в своём составе коферменты НАД и НАДФ. Активатором этих ферментов является ион Zn²⁺

2.Флавинзависимые оксидоредуктазы(чаще вторичные, но бывают и первичные):

ФАД - это простетическая группа и отдельно не функционирует( в отличие от НАД). ФАД работает в четвертичной структуре. Активатором является ион Fе³⁺.

Кофермент Q - производное бензохинона.

Биороль: разъединяет протоны водорода от электронов: протоны в окружающую среду, электроны к системе цитохром.

Работают ансамбли ферментов класса оксидоредуктаз.

ФАД работает редко, чаще всего с субстратом работает НАД – он снимает 2Н⁺, восстанавливаясь в НАД•Н₂.

Характеристика системы цитохром:

Цитохромы - это сложные белки хромопротеиды, содержащие протопорфиновое ядро, в котором находятся ионы железа или меди( эти ионы способны изменять степень окисления в результате переноса электронов).

Различия цитохромов в белковых ответвлениях. Почти все эти ферменты работают в анаэробных условиях, кроме цтх а₃ (аэробные условия).

Формы биологического окисления субстратов в оксидоредуктазном пути:

1.Дегидрирование насыщенных соединений с образованием двойной связи:

СООН СООН

I I

Н – С – Н С – Н

I + ФАД II + ФАД•Н₂

Н – С – Н С – Н

I I

СООН СООН

Янтарная кислота Фумаровая кислота В систему

дыхательных

ферментов

2 АТФ

2.Дегидрирование спиртов:

СООН СООН

I I

Н – С – ОН С = О

I + НАД I + НАД•Н₂.

СН₂ СН₂

I I

СООН СООН

Яблочная кислота ЩУК В систему дыхательных

ферментов

3 АТФ

Н О

I II

СН₃ – С – ОН + НАД СН₃ – С – Н + НАД•Н₂.

I В систему дыхательных

Н Уксусный альдегид ферментов

Этиловый спирт 3 АТФ

2.Окисление альдегидов:

О ОН О

II I II

СН₃ – С – Н + НОН СН₃ – С – Н + НАД СН₃ – С – ОН + НАД•Н₂.

Уксусный альдегид I Уксусная кислота

ОН

В систему дыхательных

ферментов

3 АТФ

2.Свободное окисление.

Имеет ряд особенностей:

Оно не сопровождается трансформацией энергии в макроэргические связи. Энергия переходит в тепловую и рассеивается.

Своеобразное специфическое строение цитохромов (в частности, цтх Р-450) и высокое их сродство к кислороду.

Пероксидазный путь:

АН₂ + О₂ А + Н₂О₂

Такие реакции широко распространены в растительных клетках. Образовавшийся пероксид водорода используется для обезвреживания болезнетворных микроорганизмов.

2. Оксигеназный путь:

Кислород внедряется в субстрат. Выделяют:

а)монооксигеназный путь: в субстрат внедряется один атом кислорода. Используется для окисления природных веществ в ходе синтеза желчных кислот, стироидных гормонов из холестерина; при окислении аминокислот, оксикислот, но большую роль играет при обезвреживании лекарственных препаратов, ядов, ксенобиотиков. Монооксидазы содержат Сu⁺, который отдает электроны кислороду, а затем забирает электроны у ферментов оксидоредуктазного пути. Например:

NН₂ – СН – СООН NН₂ – СН – СООН

I I

СН₂ СН₂

I I

С С

/\\ / \\

НС СН цтх Р-450 НС СН

II I + О₂+ НАД•Н₂ II I + Н₂О+ НАД

НС СН НС СН

\// \ //

СН С

ОН

Фенилаланин Тирозин

Фермент: фенилаланинмонооксигеназа.

б) диоксигеназный путь – внедрение в субстрат двух атомов кислорода (например, окисление каротина в витамин А). Активатором является Fe⁺².

Одна из главных функций свободного окисления - детоксикация ксенобиотиков. Ксенобиотики - это вещества, полученные синтетическим путём и не встречающиеся в природе. Большинство из них является мутагенами. В настоящее время известно около 60 000 ксенобиотикив. Одним из опасных является диоксин и его производные. Диоксин содержится в выхлопных газах автомобилей, выделяется при производстве бумаги, при металлургических процессах, при горении городских свалок( особенно там, где находятся пластмасса и резина), может образовываться при очистке воды , содержащей фенол. Ежегодно в атмосферу выбрасывается 62 млн. тонн вредных веществ. Диоксин в 500 раз токсичнее цианистого калия.

Н-С О С-Н

// \/\/ \\

Сl - С С С С - Сl

I II II I

Сl - С С С С - Сl

\\ / \/ \//

Н-С О С-Н

Диоксин

Всего 75 производных этого вещества. Диоксин - это иммунносупрессор (“химический СПИД”). Очень стабилен (сохраняется в почве, в донных осадках), соединяется с жирами, способен проходить через плацентарный барьер, клеточную и ядерную мембраны, вызывает экспрессию ряда генов (уродства у эмбрионов, онкологические заболевания у взрослых), накапливается в половых клетках, передаётся с молоком матери ребёнку.

Живой организм вырабатывает защиту от ксенобиотиков (в процессе свободного окисления с участием хромопротеидов, в частности, цтх Р-450).

Цитохром Р-450 обладает множеством форм (сотни и тысячи). Все эти формы возникают в ответ на введение того или иного класса ксенобиотиков (как антитела синтезируются на присутствие антигена). Поэтому цитохром Р-450 называют мембранным иммуноглобином.

Литература.

Альбертс Б. Молекулярная биология клетки. - М.: Наука, 1978.

Асатиани В.С. Химия нашего организма. - М.: Мысль, 1969.

Белозерский А.Н. Молекулярная биология - новая ступень в познании биологии. - М.: Наука, 1996.

Березов Т.Т. и др. Биологическая химия. - М.: Просвещение, 1990.

Бресслер С.Е. Введение в молекулярную биологию. - М.: Высшая школа, 1966.

Волькенштейн М.В. Молекулы и жизнь. - М.: Наука, 1965.

Грин Д. Молекулярные основы жизни. - М.: Мир, 1968.

Кнорре Д.Г., Мызина С.Д. Биологическая химия. - М.: Высшая школа, 1998.

Ленинджер А. Биохимия. - М.: Мир, 1974.

Николаев Л.А. Химия жизни. - М.: Просвещение, 1973.

Роуз, Стивен. Химия жизни. - М.: Мир, 1971.

Старз Д. Молекулы жизни. - М.: Мир, 1976.

Страйер, Люберт. Биохимия. М.: Наука, 1984.

Филиппович Ю.В. Основы биохимии. - М.: Высшая школа, 1969.