Из истории развития учения о биологическом окислении

Роль НАД и ФАД при окислении молекул

Биологическое окисление представляет собой совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках. Основной функцией данного процесса является обеспечение организма энергией в доступной для использования форме (прежде всего в форме АТФ).

Принципиальной особенностью биологического окисления, или тканевого дыхания, является то, что оно протекает постепенно, через многочисленные промежуточные ферментативные стадии, т. е. происходит многократная передача протонов и электронов или только электронов от одного соединения-донора к другому-акцептору; при этом протоны транспортируются лишь частью промежуточных переносчиков. У аэробов конечным акцептором электронов и протонов служит кислород.

ИЗ ИСТОРИИ РАЗВИТИЯ УЧЕНИЯ О БИОЛОГИЧЕСКОМ ОКИСЛЕНИИ

Изучение процессов окисления в организме было начато в XVIII веке Лавуазье. Он обратил внимание на наличие известного сходства между процессами горения органических веществ вне организма и дыхания животных. Лавуазье считал, что сущность процесса дыхания состоит в соединении кислорода вдыхаемого воздуха с углеродом и водородом органических веществ внутри тела. После работ Лавуазье в науке в течение долгого времени господствовало мнение о тождестве явлений горения и медленного окисления питательных веществ в организме. Вместе с тем было ясно, что биологическое окисление протекает при весьма необычных условиях: при низкой температуре (температура тела), без появления пламени (как это бывает при горении) и, наконец, в присутствии воды, содержание которой обычно достигает в тканях 75-80%, от сырой массы.

Причину столь своеобразного течения окислительных процессов в живых организмах ученые вначале пытались объяснить "активацией" кислорода в клетках организма. Одна из первых теорий биологического окисления, связанных с "активацией" кислорода, была развита А. Н. Бахом, который считал, что "активация" молекулярного кислорода происходит в результате разрыва одной его связи и присоединения к органическим веществам - оксигеназам (обозначим их буквой А), способным к аутооксидации:

Образующиеся высокомолекулярные перекиси отдают активированный кислород при участии ферментов (пероксидаз) субстрату.

Таким образом, по мнению А. Н. Баха, путь использования кислорода в клетках лежит через образование перекисей, поэтому данная теория получила название перекисной теории окисления. Однако истинный механизм главного пути окисления различных субстратов дыхания оказался иным.

Важнейшая заслуга в развитии учения о биологическом окислении принадлежит другому русскому ученому - ботанику и биохимику В. И. Палладину.

Основные положения о механизме биологического окисления В. И. Палладии пояснил на примере окисления глюкозы:

Суммируя эти два уравнения, получим:

С₆H₁₂О₆ + 60₂-------> 6СО₂ + 6Н₂0

Здесь R - промежуточные переносчики водорода (пигменты или хромогены, по В. И. Палладину). Исходя из приведенных выше уравнений, следует:

• а) первая фаза тканевого дыхания, сопровождающаяся образованием углекислого газа (СО₂), не требует участия кислорода воздуха и осуществляется анаэробно. Кислород, входящий в состав СО₂, это - кислород воды¹ или субстрата. (¹ Следует отметить, что уже А. Н. Бах допускал возможность окисления различных субстратов при тканевом дыхании гидроксилом воды. Однако все же основное значение при биологическом окислении он придавал, как уже отмечалось, "активации" кислорода.)
• б) важнейшую роль в осуществлении начальной анаэробной фазы дыхания играют не соединения, активирующие кислород, а специфические дегидрогеназы, катализирующие отщепление водорода от окисляемых субстратов;
• в) первичным акцептором атомов водорода, отщепляемых от окисляемых субстратов дегидрогеназами, являются особые термостабильные вещества, названные В. И. Палладиным хромогенами. Они могут существовать как в восстановленной, так и окисленной (дегидрированной) форме, т. е. играют роль промежуточных переносчиков водорода; (В настоящее время известно, что в цепи биологического окисления первичными акцепторами атомов водорода (электронов) являются не хромогены, а коферменты НАД или НАДФ и в некоторых случаях ФМН или ФАД.)
• г) поглощаемый при тканевом дыхании кислород воздуха играет лишь роль конечного акцептора водорода. Следовательно, если восстановленная форма промежуточного акцептора вступает во взаимодействие с кислородом воздуха, то образуется вода, и в этом случае (т. е. в аэробных условиях) речь идет о биологическом окислении. Если же в качестве конечного акцептора водорода фигурирует тот или иной метаболит, это - анаэробный процесс (брожение).

В дальнейшем значительный вклад в изучение биологического окисления (его локализация в клетке, связь с другими процессами обмена веществ, механизмы ферментативных окислительно-восстановительных реакций, аккумуляция и превращение энергии и др.) внесли Варбург, Виланд, Кейлин, Кребс, Митчелл, Грин, Ленинджер, Чанс, Рэкер, а в СССР - В. А. Энгельгардт, В. А. Белицер, С. Е. Северин, В. П. Скулачев и др.