Сучасна теорія біологічного окислення

2.3 Сучасна теорія біологічного окислення

Біологічне окислення – сукупність хімічних реакцій у яких проходить перенос електронів і протонів від окислювальної речовини ( донора ) до речовини що відновлюється (акцептора). Процес відбувається з виділенням енергії.

Перенос електронів і протонів водню між речовинами (компонентами дихального ланцюга мітохондрій) відбувається згідно їх величин спорідненості до електрону (сила притягання електрона до ядра). Кількісною мірою останньої є величина окисно-відновного потенціалу Е.о.: – від‘ємна величина Е.о. характеризує низьку спорідненість до електрона, речовина добре віддає електрони і протони, тобто є їх донором; – позитивна величина Е.о. характеризує високу спорідненість до електрона, речовина краще приєднує електрони і протони ніж віддає їх, тобто є акцептором протонів і електронів.

Перенос електронів і протонів відбувається за допомогою різноманітних ферментних систем.

Дегідрогенази – складні білки які каталізують відщеплення атомів водню та електронів від окислювальних субстратів. Складаються з білкової частини – апоферменту, та небілкової – коферменту чи простетичної групи. В організмі налічується біля 150 видів дегідрогеназних ферментних систем.

В процесах окислення найчастіше беруть участь три типи систем які відрізняються будовою небілкової частини.

1). Якщо коферментом дегідрогеназної системи є вітамін РР (амід нікотинової кислоти), то говорять про НАД– та НАДФ-залежні дегідрогенази.

НАД і НАДФ–залежні дегідрогенази: легко окислюють вуглеводневі, жирові та білкові субстрати; високорухливі носії протонів водню між різними дегідрогеназними системами; Е.о. = –0.3 В.

Нікотинамідаденіндинуклеотид Нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат

CONH₂ CONH₂

N N

 O–CH₂ O O–CH₂ O

 H H H H

 H OH OH H H OH OH H

O=P–OH O=P–OH NH₂

NH₂

 O N N O N N

O=P–OH O=P–OH

N N N N

 O–CH₂ O–CH₂

 O O

 H H H H

H OH HO H H O HO H

HO–P=O

OH
Активною частиною їх є піридинове кільце нікотинаміду:

H H H H

S + H CONH₂ H CONH₂

H H H H H + H⁺ + S

N⁺ N

2) Якщо простетичною групою є вітамін В₂ (рибофлавін) то говорять про флавінзалежні дегідрогенази ФМН та ФАД. ФАД–залежні дегідрогенази, які переважно окислюють жирові субстрати та НАД-залежні дегідрогенази маючи окисно-відновний потенціал Е.о. = - 0.1 В.

Активною частиною їх молекули є ізоаллоксазинове кільце рибофлавіну:

 O O

H CH₃ N NH CH₃ NH NH

S + + S

H CH₃ O CH₃ O

N⁺ N N NH

Флавінмононуклеотид Флавінаденіндинуклеотид

O O

CH₃ N NH CH₃ N NH

CH₃ O CH₃ O NH₂

N⁺ N N N N

CH₂ CH₂

CH–OH CH–OH N

CH–OH CH–OH N

CH–OH OH CH–OH OH OH

CH₂–O–P–OH CH₂-O-P-O-P-O-CH₂

 O O O

O

 H H

H OH OH

H

3) Якщо коферментом є похідне вітаміну К, то відповідні дегідрогенази називають убіхінонзалежними чи коферментом Q.

O

CH₃O CH₃

 CH₃ CH₃

CH₃O (CH₂–CH=C–CH₂)₉–CH₂–CH=C–CH₃

O

Активною частиною молекули кофермента Q є убіхінон:

O OH

H CH₃O CH₃ CH₃O CH₃

 S + + S

H CH₃O R CH₃O R

O OH

Убіхінонзалежні дегідрогенази володіючи Е.о. = – 0.05 В окислюють тільки НАД- і ФАД-залежні дегідрогенази. Являючись надзвичайно високорухливими, є вузловими пунктами збору протонів водню окислених субстратів.

Особливим типом переносчиків є цитохроми. На відміну від дегідроге-наз, які безпосередньо окислюють субстрати забираючи від них протони водню та електрони, цитохроми лише переносять електрони окислених субстратів на кінцевий акцептор.

Цитохроми – складні білки, що складаються із залізовмісної простетичної групи та білка носія. Перенос електронів відбувається за рахунок зміни окисно-відновних потенціалів іону заліза:

Fe³⁺ + e Fe²⁺

Fe²⁺ – е Fe³⁺

По будові білка носія та значенням окисно–відновних потенціалів цитохроми поділяють на слідуючі типи :

Цит В < цит C < цит С < цит А₁ < цит А₃

+0.7мВ + 212мВ + 210мВ + 210мВ + 385мВ.

Отже:

1. Окислення субстратів організму проходить шляхом їх дегідрування за допомогою дегідрогеназних ферментних систем;

2. Перенос протонів водню та електронів окислених субстратів відбу-вається за допомогою дегідрогеназних ферментних систем згідно вели-чин їх окисно-відновних потенціалів (від речовини з нижчим його значенням до речовини з більш високим значенням);

3. НАД, ФАД, УХ – залежні дегідрогенази та цитохроми знаходяться в мітохондріальній мембрані, являючи собою єдину систему біологічного окислення, так званий «дихальний ланцюг»;

4. Дегідрогеназна система ферментів забезпечує окислення енергетичних субстратів і транспорт протонів та електронів а цитохромна, транспорту-ючи електрони, активує кінцевий акцептор.

3. Механізм переносу протонів і електронів по дихальному ланцюгу

 

3.1. Аеробне та анаеробне окислення

В залежності від кінцевого акцептору протонів водню та електронів, що пройшли крізь дихальний ланцюг, реакції біологічного окислення поділяють на аеробні та анаеробні.

Аеробними – називають реакції в яких кінцевим акцептором протонів водню та електронів, що пройшли по дихальному ланцюгу, є кисень.

H 2Н⁺

S НАД⁺ ФАДНН УХ⁺ в⁺⁺ с⁺⁺⁺ а⁺⁺ О

H цит цит цит

в⁺⁺⁺ с⁺⁺ а⁺⁺⁺ О^2–

S НАДНН ФАД⁺ УХНН

H₂O

Кінцевим продуктом аеробних реакцій біологічного окислення є вода і вугле-кислий газ.