Свободнорадикальное окисление.

Тканевое дыхание.

Тканевое дыхание - это основной способ получения АТФ, используемый всеми клетками организма (кроме красных клеток крови).

В процессе тканевого дыхания от окисляемого вещества отнимаются два атома водорода (два протона и два электрона) и по дыхательной цепи, состоящей из ферментов и коферментов, передаются на молекулярный кислород - О₂, доставляемый кровью из воздуха во все ткани организма. В результате присоединения атомов водорода к кислороду образуется вода. За счет энергии, выделяющейся при движении электронов по дыхательной цепи, в митохондриях осуществляется синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты. Обычно образование одной молекулы воды сопровождается синтезом трех молекул АТФ.

В качестве субстратов окисления (т.е. веществ, от которых отнимается водород) в тканевом дыхании используются разнообразные промежуточные продукты распада белков, углеводов и жиров. Однако, наиболее часто окислению подвергаются промежуточные продукты цикла трикарбоновых кислот (ЦТК) - цикла Кребса (изолимонная, a-кетоглутаровая, янтарная и яблочная кислоты). Цикл Кребса - это завершающий этапкатаболизма, в ходе которого происходит окисление остатка уксусной кислоты, входящей в ацетилкофермент А, до СО₂ и Н₂О. В свою очередь, ацетилкофермент А - это универсальный метаболит организма, в который при своем распаде превращаются главные органические вещества - белки, углеводы и жиры (подробнее см. в главе 5 «Обмен углеводов»).

Тканевое дыхание представляет собой сложный ферментативный процесс. Все ферменты тканевого дыхания делятся на три группы: никотинамидные дегидрогеназы, флавиновые дегидрогеназы и цитохромы.

Никотинамидные дегидрогеназы отнимают два атома водорода от окисляемого субстрата и временно присоединяют их к своему коферменту НАД(никотинамид-аденин-динуклеотид). По строению НАД является динуклеотидом, в котором два нуклеодида соединяются между собой остатками фосфорной кислоты. В состав одного из нуклеодидов в качестве азотистого основания входит амид никотиновой кислоты (никитинамид, витамин РР), вторым нуклеотидом является аденозинмонофосфат (АМФ):

Фосфат

Рибоза

Отнимаемые от окисляемого вещества атомы водорода присоединяются непосредственно к никотинамиду (отсюда название данных ферментов – никотинамидные дегидрогеназы), при этом НАД переходит в свою восстановленную форму НАД·Н₂:

АН₂ + НАД А + НАД ·Н₂

Окисляемое Окисленное

вещество вещество

Флавиновые дегидрогеназы отщепляют два атомаводорода от образовавшегося НАД·Н₂ и временно присоединяют их к своему коферменту ФМН (флавин-мононуклеотид). По строению этот кофермент является мононуклеотидом, содержащимвитамин В₂ (рибофлавин):

Фосфат

Рибитол

Флавин (изоаллоксазин)

Рибофлавин (витамин В₂)

Два атома водорода, отнимаемые флавиновыми дегидрогеназами от восстановленного НАД (НАД·Н₂) присоединяются к флавину, выполняющего роль акцептора водорода. В результате этой стадии образуется восстановленная форма кофермента - ФМН·Н₂:

НАД ·Н₂ + ФМН НАД + ФМН ·Н₂

В некоторых случаях флавиновые дегидрогеназы, подобно никотинамидным, отнимают два атома водорода непосредственно от окисляемых веществ. Такие флавиновые дегидрогеназы используют кофермент ФАД (флавин-аденин-динуклеотид), похожий по строению на ФМН и тоже содержащий витамин В₂:

АН₂ + ФАД А + ФАД ·Н₂

Окисляемое Окисленное

вещество вещество

Следующая группа ферментов - цитохромы. Эти ферменты участвуют только в переносе электронов. По строению цитохромы похожи на одну из субъединиц гемоглобина. Молекула цитохрома состоит из полипептида и гема. Но в отличие от гемоглобина железо, входящее в гем цитохромов, имеет переменную валентность. Способность железа обратимо переходить из окисленной формы в восстановленную (Fe³⁺ + е Fe²⁺) обеспечивает возможность переноса электронов данными ферментами.

С помощью цитохромов (их имеется несколько: b, c, a, a₃) электроны от восстановленных коферментов ФМН·Н₂ и ФАД·Н₂ передаются на молекулярный кислород (О₂), который при этом переходит в активную, анионную форму - О^2-. Далее, активный кислород (О^2-) связывается с ионами водорода (протонами), которые тоже отщепляются от ФМН·Н₂ или от ФАД·Н₂. Присоединение ионов водорода к аниону кислорода приводит к образованию воды.

Таким образом, на всем протяжении дыхательной цепи наблюдается передвижение электронов. Движение электронов вызвано тем, что все участники дыхательной цепи располагаются по мере возрастания их окислительно-восстановительных потенциалов.

Окислительно-восстановительный потенциал или редокс-потенциал характеризует способность вещества принимать и удерживать электроны. Поэтому электроны переносятся от вещества с низким редокс-потенциалом к веществу с более высоким потенциалом.

Поскольку самое низкое значение редокс-потенциала имеет окисляемое вещество, а самое высокое – кислород, то в итоге электроны от окисляемого вещества поступают на молекулу кислорода.

Как уже отмечалось, движение электронов по дыхательной цепи сопровождается выделением энергии. Около половины энергии движения электронов аккумулируется в макроэргических связях молекул АТФ. Другая часть энергии выделяется в виде тепла. Синтез АТФ происходит при переносе электронов с НАД·Н₂ на ФМН, с цитохрома b на цитохром с и с цитохрома a на цитохром a₃. Всего при переносе двух атомов водорода на кислород (т.е. в расчете на одну образовавшуюся молекулу воды) синтезируется 3 молекулы АТФ.

Некоторые субстраты (жирные кислоты, янтарная кислота и др.) имеют более высокий редокс-потенциал, чем НАД. Поэтому они не могут окисляться никотинамидными дегидрогеназами. В этом случае отнятие атомов водорода от таких субстратов осуществляется флавиновыми дегидрогеназами. Из-за отсутствия никотинамидных дегидрогеназ при окислении таких веществ образуется только две молекулы АТФ.

На рис. 6 представлена схема тканевого дыхания, включающая все группы ферментов.

Рис. 6. Схема тканевого дыхания

Образование АТФ в процессе тканевого дыхания часто обозначается терминами: окислительное фосфорилирование, дыхательное фосфорилирование, аэробное фосфорилирование или аэробный синтез АТФ.

В сутки в организме за счет тканевого дыхания возникает не менее 40 кг АТФ, а у спортсменов еще больше. Поэтому этот процесс потребляет большое количество окисляемых веществ и кислорода.

При незначительной потребности клеток в АТФ тканевое дыхание протекает с низкой скоростью. Если клетка начинает использовать большое количество АТФ, то скорость тканевого дыхания возрастает и может достигнуть максимальных величин. Такой характер изменения скорости обусловлен тем, что активатором ферментов тканевого дыхания является избыток АДФ, который возникает в клетке только при интенсивном использовании АТФ.

Митохондрии, в которых протекает тканевое дыхание, имеются во всех клетках (кроме красных клеток крови) и представляют собою вытянутые палочковидные образования длиной 2-3 мкм и толщиной около 1 мкм. Количество митоходрий в клетках может достигать тысячи и более. Митохондрии снаружи окружены двойной мембраной. Внешняя мембрана гладкая, а внутренняя складчатая, с большой поверхностью. Ферменты тканевого дыхания встроены во внутреннюю мембрану и располагаются в ней в виде отдельных скоплений, называемых «дыхательными ансамблями » Каждый дыхательный ансамбль содержит все необходимые ферменты для обеспечения переноса электронов в процессе тканевого дыхания. Благодаря строго упорядоченному расположению ферментов в дыхательных ансамблях передвижение электронов по дыхательной цепи осуществляется с большой скоростью.

В клетках митохондрии часто располагаются в том месте, где используется энергия АТФ. В мышечных клетках митохондрии находятся около сократительных элементов – миофибрилл и обеспечивают энергией их сокращение в процессе мышечной работы. Под влиянием систематических тренировок количество митохондрий в мышечных клетках значительно увеличивается.

Как выше отмечалось, тканевое дыхание (митохондриальное окисление) является основным способом биологического окисления, т.е. окисления органических соединений в живом организме. Однако наряду с тканевым дыханием в организме еще имеются и другие способы окисления.

4.2. Анаэробное окисление.

В некоторых случаях отнятие атомов водорода от окисляемых веществ происходит в цитоплазме и здесь же отщепленный водород присоединяется не к кислороду (как в случае тканевого дыхания), а какому-то другому веществу. Наиболее часто таким акцептором водорода является пировиноградная кислота, возникающая при распаде углеводов и аминокислот. В результате присоединения атомов водорода пировиноградная кислота превращается в молочную кислоту (лактат). Таким образом, при данном типе окисления вместо конечного продукта - воды образуется другой конечный продукт - молочная кислота, причем это происходит без потребления кислорода, т.е. анаэробно. За счет выделяющейся при этом энергии в цитоплазме осуществляется синтез АТФ, который получил название анаэробное или субстратное фосфорилирование или же анаэробный синтез АТФ. Биологическое назначение данного типа окисления - получение АТФ без участия тканевого дыхания и кислорода.

4.3. Микросомальное окисление.

В некоторых случаях при окислении кислород включается в молекулы окисляемых веществ. Такое окисление протекает на мембранах цитоплазматической сети и носит название микросомальное окисление. За счет включения кислорода в молекуле окисляемого субстрата возникает гидроксильная группа (-ОН), в связи с чем этот вид окисления часто называют гидроксилированием. В гидроксилировании принимает участие витамин С (аскорбиновая кислота).

Микросомальное окисление не сопровождается синтезом АТФ, его биологическая роль заключается в следующем. Во-первых, за счет микросомального окисления осуществляется включение атомов кислорода в синтезируемые вещества (например, при синтезе белка - коллагена, гормонов надпочечников). Во-вторых, микросомальное окисление участвует в обезвреживании различных токсичных соединений, поступающих в организм извне или образующихся в процессе метаболизма. Включение кислорода в молекулу яда уменьшает его токсичность и делает его более водорастворимым, что облегчает его выведение из организма почками.

Свободнорадикальное окисление.

В последние десятилетия установлено, что незначительная часть кислорода, поступающего из воздуха в организм, превращается в активные формы (О₂^-, НО₂ ^-, НО^., Н₂О₂ и др.), называемые свободными радикалами или оксидантами. Свободные радикалы кислорода, обладая высокой химической активностью, вызывают реакции окисления, затрагивающие белки, липиды и нуклеиновые кислоты. Такое окисление называют свободнорадикальным (СРО). Чаще всего свободнорадикальному окислению подвергаются непредельные жирные кислоты, входящие в состав липоидов, образующих липидный слой биомембран. В процессе свободнорадикального окисления в жирных кислотах по месту двойной связи возникает группировка из двух атомов кислорода (перекись жирной кислоты), аналогичная перекиси водорода:

H H ― C ― C ―

│ │ │ │

O ― O O — O

Перекись водорода Участок молекулы жирной кислоты,

подвергшейся СРО

Далее, в этом месте происходит расщепление жирной кислоты.

В связи с возникновением перекисной группировки свободнорадикальное окисление жирных кислот, входящих в состав липоидов, часто обозначают термином перекисное окисление липидов (ПОЛ).

Образование свободных радикалов кислорода в тканях организма происходит постоянно. За счет этого процесса, прежде всего, осуществляется обновление липидного слоя биологических мембран.

Считается, что свободные радикалы кислорода выполняют также защитную функцию, окисляя различные чужеродные вещества, поступающие в организм извне и, в том числе, мембранные белки и липоиды патогенных микроорганизмов.

В физиологических условиях свободнорадикальное окисление протекает с низкой скоростью, так как ему противостоит защитная антиоксидантная система организма, предупреждающая накопление свободных радикалов кислорода и ограничивающая тем самым скорость СРО. Главным компонентом антиоксидантной системы является витамин Е (токоферол).

Активные формы кислорода могут возникать в процессе тканевого дыхания. Для нормального течения тканевого дыхания необходимо одновременное присоединение к молекуле кислорода четырех электронов. В этом случае образуются две молекулы воды. Однако же иногда (например, при избытке кислорода) к молекуле кислорода присоединяются два или даже один электрон. В этих случаях вместо воды возникают соответственно перекись водорода (Н₂О₂) и супероксид-анион кислорода (О₂ ^-), которые очень токсичны для клеток, так как являются сильными окислителям и повреждают биомембраны (подробно см. в главе «17.Молекулярные механизмы утомления»).

Для защиты от этих опасных соединений в состав антиоксидантной системы входят специальные ферменты.

Под действием фермента супероксиддисмутазы супероксид-анион превращается в перекись водорода:

2 О₂^- + 2 Н⁺ ——> Н₂О₂ + О₂

Далее перекись водорода разрушается ферментом каталазой:

2 Н₂О₂ ——> 2 Н₂О + О₂