БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ
Биологическое окисление – совокупность окислительно-восстановительных реакций, происходящих в биологических объектах и обеспечивающих их энергией и метаболитами для осуществления процессов жизнедеятельности (совокупность окислительно-восстановительных реакций in vivo).
Функции биологического окисления
1) энергетическая (поддержание температуры тела, химические реакции, осмос, электрические процессы, свечение, механическая работа),
2) синтез важных метаболитов,
3) устранение шлаков и детоксикация организмов,
4) регуляция обмена веществ.
История изучения механизма реакций биологического окисления
1774-1777 гг. А. Лавуазье: «дыхание – медленное горение продуктов питания»
1845-1868 гг. Хр.Ф. Шёнбайн: биологическое окисление – каталитический процесс, в котором активируется кислород и образуется Н2О2
Конец XIX – начало XX века (А.Н. Бах, К. Энглер и В. Вилд): на первом этапе биологического окисления образуются перекиси органических соединений. Например,
Эти перекиси участвуют в дальнейшем окислении других веществ:
SH2 + H2O2 
S + 2H2O
субстрат (или орг. субстрат
восстанов- перекись) окисленный
ленный
2Н2О2 
2Н2О + О2 – другой путь распада перекиси водорода. Каталаза содержится в строме эритроцитов и печени.
1912 г. Палладин В.И.: биологическое окисление – перенос водорода от окисляемого вещества навстречу кислороду с образованием воды. Таким образом, существовало две основные концепции биологического окисления: активирование кислорода (Бах) и активирование водорода (Палладин).
1925 г. Обе концепции были связаны воедино Д. Кейлином: были открыты ферменты – цитохромы (активирующие водород) и цитохромоксидазы (активирующие кислород). Существуют и другие ферментативные системы, помимо цитохромной, обеспечивающие биологическое окисление.
1930 г. В.А. Энгельгардт выдвинул гипотезу: «биологическое окисление сопряжено с фосфорилированием АДФ».
Доказательством идеи Энгельгардта может служить несложный эксперимент: голубей содержали в атмосфере, обогащенной О2 и N2, затем исследовали их эритроциты. Содержание пирофосфата оказалось выше в эритроцитах голубей, находившихся в атмосфере кислорода.
АДФ + Н3РО4 ® АТФ + Н2О
Проблема биологического окисления актуальна и в настоящее время, далека от окончательного разрешения.
Классификация реакций биологического окисления
- Свободное окисление (не сопряженное с фосфорилированием АДФ) – энергия переходит в тепловую и рассеивается. Протекает в лизосомах, пероксисомах, аппарате Гольджи, в ядре.
- Окисление, сопряженное с фосфорилированием. Осуществляется на внутренних мембранах митохондрий, которые являются энергетическими станциями клетки.
Участники (посредники) окислительно-восстановительных
Реакций in vivo
К числу наиболее значимых в живой природе посредников окислительно-восстановительных реакций относятся: никотинамидадениндинуклеотиды, группа флавиновых ферментов, коэнзим Q и цитохромы.
Никотинамидадениндинуклеотиды: НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид) и НАДФ+ (никотинамидадениндинуклеотидфосфат) являются коферментами дегидрогеназ:
Флавиновые ферменты: сложные белки, простетической группой которых является флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД). ФМН и ФАД являются метаболически активной формой рибофлавина (витамина В2):
Коэнзим Q – убихинон:
Играет роль промежуточного переносчика атомов водорода т. е. электронов и протонов в митохондриальной мембране, окисляя восстановленную форму флавиновых ферментов:
Цитохромы представляют собой гемопротеины. Являются переносчиками электронов.
Известно около 30 различных цитохромов, которые в зависимости от светопоглощающей способности разделяются на группы (a, b, c…), а внутри групп нумеруются (например, b, b1, b2, b5, …).
Цитохромы включаются в дыхательную цепь в определенной последовательности: цит.b® цит.с1® цит.с® цит.аа3 (цитохромоксидаза).
Помимо дыхательной цепи цитохромы есть в ЭПР, в растительных клетках, бактериях, дрожжах.
ВОДНЫЙ ОБМЕН
Вода составляет ¾ (75 %) биомассы Земли: в биологических жидкостях (кровь, лимфа, пасока деревьев и др.) содержится 88 – 99 % воды, в древесине и костной ткани – 20-24 %. Чем моложе организм или орган, тем выше в нем содержание воды (старение – это всегда обезвоживание).
Вода
 |
| внутриклеточная (у человека 2/3, у растений 1/3 – в вакуоли) | внеклеточная (у человека 1/3, у растений 2/3 – в протоплазме) |
| слабосвязанная (вода 2-го и др. гидратационных слоев) | прочносвязанная (вода 1-го гидратационного слоя) |
Согласно современным представлениям вода in vivo – не растворитель, а основной структурный компонент.
11.1. Функции воды in vivо:
1) структурная. Например, только при набухании митохондрий в них возможно окислительное фосфорилирование, от насыщения водой рибосом зависит способность их осуществлять белковый синтез;
2) транспортная (в силу того, что вода обладает низкой вязкостью, подвижностью, является хорошим растворителем);
3) среда (высокое значение диэлектрической проницаемости позволяет воде обеспечивать электролитическую диссоциацию);
4) поддержание постоянной температуры тела (благодаря высокой теплопроводности воды).
Обмен воды и его регуляция
Человек с мочой и калом теряет 2600 мл воды ежедневно. 6/7 от этого объема он получает с пищей. Откуда поступает 1/7? Долгое время это было загадкой, однако оказалось, что вода может образовываться в ходе обмена веществ в организме.
Обмен воды регулируется:
- некоторыми катионами – Na+ удерживает воду в организме, К+ и Са2+ способствуют выведению;
- гормонами: вазопрессин является антидиуретиком, есть диуретические гормоны.
МИНЕРАЛЬНЫЙ ОБМЕН
1872 Тимирязев К.А. (изучил роль цинка в питании растений)
Вернадский В.И.
Виноградов А.П.
12.1. Функции минеральных веществ in vivo:
1) структурная. Обеспечивают третичную и четвертичную структуру биополимеров (пептидов и нуклеиновых кислот). Например, у инсулина Zn2+, РНК – Cr3+, Ni3+, Fe3+, Zn2+, Mn2+, в гемоглобине Fe3+;
2) каталитическая (простетические группы и коферменты). Например, a-амилаза стабилизируется Са2+;
3) обменная. Участвуют в обмене белков (ионы Mn, Fe, Zn, Co, Ni – в деструкции пептидов, ионы К, Mg, Mn – в синтезе пептидов), в обмене углеводов (Mg2+ активирует ферменты гликолиза, является компонентом хлорофилла), в обмене липидов (распад липидов активируется Са2+, в цикле Кребса – Mn2+, реже используются ионы Mg2+, Co2+, Zn2+).
Большинство живых организмов способно накапливать нужные им минеральные вещества, например:
- пасленовые, лютиковые и др. (всего 150 видов) – Li,
- плауны – Al,
- морские водоросли – I,
- мухоморы – Se (в виде Se- цис: H2N-CH(CH2-SeH)-COOH).