Глава 6. Биологическое окисление

6.1. Общая характеристика биологического окисления.

Процессы биологического окисления являются основным источником энергии в организме. Вещество окисляется, если к нему присоединяется кислород, либо оно теряет электроны, либо одновременно электроны и протоны (т. е. водород). Окисление одного вещества всегда сопровождается восстановлением другого, т. е. окислительные реакции всегда идут одновременно с восстановительными.

В настоящее время представление о биологическом окислении связывают со следующими теориями: так называемой «активации» водорода В. И. Палладина и Виланда и «активации» кислорода А. Н. Баха. Теория активирования кислорода, разработанная в 1897 г. А. Н. Бахом, известна также под названием «перекисной теории окисления». Суть теории состоит в том, что молекулярный кислород вступает в реакцию с легко окисляемым соединением и дает перекиси. Затем происходит перенос перекисного кислорода с перекиси на другие молекулы, не реагирующие с молекулярным кислородом. А. Н. Бах считал, что в этом процессе принимают участие следующие ферменты: оксигеназа и пероксидаза. Он полагал, что процесс идет следующим образом:

О О

1. Оксигеназа + ½½ ¾® оксигеназа ½

О О

перекись

2. Оксигеназа + субстрат ¾® окисленный+ оксигеназа

О субстрат

(пероксидаза)

Эта теория приемлема к ряду окислительных процессов в растительных тканях.

Универсальной и совершенно новой теорией является теории «активации» водорода, созданная В. И: Палладиным. В основе этой теории лежат процессы дегидрирования - отнятия водорода. В. И. Палладин полагал, что атмосферный кислород не доходит до окисляемого вещества, а является только акцептором водорода. Виланд подтвердил теорию В. И. Палладина на примере окисления этилового спирта в уксусный альдегид, а последнего в уксусною кислоту, показав, что окисление идет при отсутствии кислорода, путем дегидрирования.

6.2. ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ

Процессы биологического окисления в организме проходят ряд стадий. Между окисляемым веществом и конечными продуктами его окисления образуется ряд промежуточных соединений. В их образовании принимает участие большое количество ферментов. На последних стадиях катаболизма происходит расщепление веществ с участием оксидоредуктаз, совокупность которых образует так называемую дыхательную цепь.

К числу ферментов дыхательной цепи относятся:

1. Пиридинзависимые дегидрогеназы с коферментом НАД ⁺ и

НАДФ⁺;

2. Флавинзависимые дегидрогеназы (флавопротеиды), у которых простетической группой служат ФМН и ФАД;

3. Цитохромы и цитохромоксидаза, их простетической группой является гем.

Дыхательная цепь подразделяется на водородопереносящую- гиридин- и флавопротеиды и электронопереносящую - цитохромы. Атомы водорода (протоны и электроны.) от окисляемого субстрата присоединяются к НАД⁺. Восстановленная форма НАД⁺ (НАДН) передает водород флавопротеидам. Дальнейшая судьба водорода может быть различной. Водород с флавопротеидов может быть передан прямо на кислород с образованием перекиси водорода. Последняя распадается под действием каталазы на кислород и воду. У высших животных в процессе тканевого дыхания (аэробного окисления) не происходит образования H₂O₂.

Самым распространенным вариантом окисления водорода, снятого с восстановленных флавиновых дегидрогеназ, является окисление с помощью цитохромной системы. Этот путь характерен как для животных, так и для растений. Цитохромы включаются в перенос электронов в определенной последовательности (в, с, с₁, а, а₃). Последний цитохром, который реагирует с кислородом воздуха, называется цитохромоксидазой.

В литературе имеются убедительные данные, свидетельствующие о том, что между флавинами и цитохромами могут включаться белки, содержащие негеминовое железо (НГFе) и убихинон (кофермент Q). Окисление водорода в терминальной цепи тканевого дыхания может быть изображено с помощью схемы.(рис. 12).

В литературе имеются убедительные данные, свидетельствующие о том, что между флавинами и цитохромами могут включаться белки, содержащие негеминовое железо (НГFе) и убихинон (кофермент Q). Окисление водорода в терминальной цепи тканевого дыха
ния может быть изображено с помощью схемы.(рис. 12).

6.3.ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

Окислительное фосфорилирование было бы правильнее назвать

фосфорилированием в дыхательной цепи (Ленинджер, 1972). Суть его состоит в следующем. Перенос электронов и протонов по окислительно-восстановительной цепи ферментов сопровождается высвобождением значительного количества энергии, большая часть которой трансформируется в энергию фосфатных связей макроэргических соединений, главным образом АТФ. Неиспользованная энергия рассеивается в виде тепла. Для синтеза АТФ необходим АДФ, неорганический фосфат, 8-10 ккал энергии и соответствующие ферменты.

АДФ+НзР0₄+8-10 ккал энергии ® АДФ~Р ® АТФ

При распаде АТФ соответственно высвобождается такое же количество энергии. Процесс синтеза АТФ из АДФ и нес фосфата за счет энергии дыхания (энергии переноса электронов) получил название окислительного фосфорилирования.

Идея о наличии сопряжения между фосфорилированием АДФ и аэробным дыханием впервые была высказана советским ученым В. А. Энгальгардом. При дальнейшем изучении энергетики дыхательной цепи оказалось, что в дыхательной цепи имеется три участка, в которых перенос электронов сопровождается высвобождением энергии, превышающим величину стандартной свободной энергии образования АТФ. Оказалось, что в цепи дыхания происходит три реакции фосфорилирования. То есть при окислении одной молекулы водорода происходит образование трех молекул АТФ в следующих местах дыхательной цепи:

1. Между НАДН и флавопротеидом.

2. Между цитохромами b и с.

3. Между цитохромом а и молекулярным кислородом. Процесс окислительного фосфорилирования, как и процесс биологического окисления, происходит в митохондриях.

ГЛАВА 7. ОБМЕН УГЛЕВОДОВ

7.1. РОЛЬ УГЛЕВОДОВ В ПИТАНИИ

Углеводы составляют большую часть пищи человека, около 60-70% пищевого рациона. В среднем количество углеводов в суточном рационе человека составляет 450—600 г. Организм человека и животных получает углеводы с различными пищевыми веществами, главным образом, растительного происхождения. Окисление углеводов в тканях является одним из основных источников энергии, необходимой организму для осуществления разнообразных функций.

Избыток углеводов в пище ведет к превращению их в жиры. Избыточное введение углеводов может привести к нежелательному ожирению у человека, т. е. отложению жира в жировых депо. Недостаточное потребление углеводов для человека также нежелательно. Оно может закончиться нарушением обмена веществ.

7.2. ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ УГЛЕВОДОВ

Распад углеводов начинается в ротовой полости. В слюне содержится фермент, называемый µ-амилазой (птиалином, диастазой), расщепляющий крахмал. Расщепление идет до декстринов, а при более длительном воздействии - до мальтозы. В желудке углеводы не подвергаются перевариванию, так как там нет соответствующего фермента. Основное переваривание углеводов происходит в двенадцатиперстной кишке и в дальнейших отрезках тонких кишок под влиянием µ-амилазы, поступающей в двенадцатиперстную кишку с соком поджелудочной железы. Главным, конечным продуктом гидролиза крахмала µ-амилазой является мальтоза, которая затем расщепляется на две молекулы глюкозы под действием фермента мальтазы.

Мальтаза, а также и другие гликозидазы - сахараза и лактаза, вырабатываемые в железах слизистой оболочки тонких кишок, расщепляют дисахариды до моносахаридов. Сахараза гидролизует сахарозу на глюкозу и фруктозу, а лактаза - лактозу до глюкозы и галактозы. Клетчатка (целлюлоза) из-за отсутствия целлюлазы в животном организме не разлагается ферментами пищеварительных соков.

Из кишечника в кровь всасываются только моносахариды. Скорость всасывания у разных моносахаридов различна. Полагают, что они всасываются в виде моносфорных эфиров, что дает возможность взаимопревращению в стенке кишечника гексоз, в частности, превращению фруктозы и галактозы в глюкозу. Моносахариды с током крови по системе воротной вены попадают в печень. В печени часть глюкозы превращается в гликоген. Печень способна как синтезировать гликоген, так и расщеплять его с образованием глюкозы.

7.3. БИОСИНТЕЗ УГЛЕВОДОВ

БИОСИНТЕЗ ГЛИКОГЕНА.Глюкоза, прежде чем превратиться в гликоген, подвергается фосфорилированию. Эта реакция происходит с участием фермента гексокиназы (фосфотрансферазы), катализирующего перенос фосфорного остатка с АТФ на глюкозу.

1. Глюкоза+АТФ - ¾® Глюкозо-6-фосфат+АДФ.

гексокиназа

Далее глюкозо-6-фосфат превращается в глюкозо-1-фосфат при участии фермента фосфоглюкомутазы.

2. Глюкозо-6-фосфат _¾¾¾ Глюкозо-1-фосфат

^¾¾¾^®

фосфоглюкомутаза

Глюкозо-1-фосфат в присутствии фермента гликозилтрансферазы (пирофосфорилазы) взаимодействует с уридинтрифосфатом (УТФ) с образованием уридиндифосфатглюкозы (УДФ-глюкозы) и пиро-фосфата.

3. Глюкозо-1-фосфат+УТФ _¾¾¾ УДФ-глюкоза+Н₄Р₂О₇

^¾¾¾^®

пирофосфорилаза пирофосфaт

Затем в присутствии особой трансферазы (гликогенсинтетазы) и «затравочного» количества гликогена происходит удлинение цепочки гликогена за счет присоединения остатков глюкозы, входящих в состав УДФ-глюкозы.

4. Гликоген+УДФ-глюкоза ¾® Гликоген +УДФ

(затравка) гликоген-

синтетаза

Аналогичным образом идет синтез крахмала в растительных тканях.

Крахмал+УДФ-глюкоза ¾® Крахмал+УДФ

(затравка) амилосинте-

таза

7.4. РАСПАД УГЛЕВОДОВ В ТКАНЯХ

При нормальном питании только 3% глюкозы, образовавшейся в результате распада олиго- и полисахаридов в пищеварительном тракте, превращается, в печени в гликоген, около 30% превращается в жиры и приблизительно 70% окисляется до конечных продуктов СО₂ и H ₂O. Окисление углеводов в тканях проходит в два этапа: анаэробный и аэробный.

АНАЭРОБНЫЙ РАСПАД УГЛЕВОДОВ. В начале этого столетия русский ученый Л. И. Иванов на основании исследований установил, что окисление глюкозы в процессе спиртового брожения ускоряется в присутствии фосфорной кислоты. Далее было установлено, что распад гликогена и глюкозы в мышечной ткани до молочной кислоты происходит в анаэробных условиях, т. е. в отсутствии кислорода, и так же, как и спиртовое брожение, ускоряется добавлением солей фосфорной кислоты.

Гликолиз и гликогенолиз. Это путь анаэробного распада углеводов характерен в основном для мышц. Процесс гликолиза начинается с глюкозы и первым продуктом гликолиза является глюкозо-6-фосфат. Этот процесс идет при участии АТФ и фермента глюкокиназы (гексокиназы), относящейся к группе фосфотранс-фераз.

ОН

СН₂ОН СН₂ О-Р=О

ОН

Н О Н Н H О Н

Н +АТФ ¾® +АДФ

ОН Н гексо- HO ОН Н

НO ОH киназа ОН

Н ОН Н ОН

Глюкоза Глюкозо-6-фосфат

Гликогенолиз начинается с отщепления от гликогена одной молекулы глюкозы в виде глюкозо-1-фосфат. Этот процесс катализируется ферментом фосфорилазой, относящейся к классу трансфераз и подклассу гликозилтрансфераз. Этот фермент расщепляет 1,4 связи гликогена. Отщепление происходит с невосстанавливающегося конца молекулы полисахарида. Под влиянием фосфорилазы происходит ступенчатое отщепление от гликогена остатков глюкозы и образование ее фосфорных эфиров.

ОН ОН

СН₂О--Р=О СН₂ -О-Р=О

OH ОН

Н H О Н ¾¾¾¾® О OН

¾¾¾¾

ОН Н фосфогексо- Н НO CH₂OH

НO ОH изомераза H

Н ОН НO Н

Глюкозо- 6-фосфат Фруктозо-6-фосфат

Далее глюкозo-1-фocфaт превращается под действием фосфоглюкомутазы в глюкозo-6-фocфaт. Начиная с глюкозo-6-фocфaт процесс глюколиза и гликогенолиза идет одинаково. Глюкозo-6-фocфaт прежде всего претерпевает изомеризацию и превращается в фруктозо-6-фocфaт. Эта реакция обратима.

Затем фруктозо-6-фocфaт фосфорилируется по первому углероду, образуя фруктозо-1,6-дифосфат. Эта реакция идет с участием фермента фосфофруктокиназы, относящегося к классу трансфераз, группе фосфотранфераз. Фосфорилирование осуществляется за счет молекулы АТФ. Фруктозо-1,6-дифосфат под действием фермента альдолазы (класс лиаз) расщепляется на две фосфотриозы: фосфодиоксиацетон и фосфоглицериновый альдегид.

ОН ОН OH

СН₂О--Р=О СН₂ -О-Р=О СН₂ -О-Р=О

OH альдолаза ОН OH

О OН ¾¾® + CHOH

¾ С =O

Н НO OH O

Н CH₂-O-Р= О CH₂OH C

НO Н OH H

Фруктозо-1,6-дифосфат Фосфодиокси- 3-фосфоглицериновый

ацетон альдегид

Фосфодиоксиацетон изомеризуетcя в фосфоглицериновый альдегид.

Это приводит к образованию второй молекулы фосфоглицеринового альдегида. Последний подвергается окислению с образованием 1,3-дифосфоглицериновой кислоты и энергии. Энергия накапливается в фосфатных связях двух молекул 1,3-дифосфоглицериновой кислоты. В дальнейшем эти две молекулы превращаются в две молекулы 3-фосфоглицериновой кислоты, при этом происходит neренос фосфорной кислоты на АДФ с образованием АТФ, т. е. происходит субстратное фосфорилирование.

Далее 3-фосфоглицериновая кислота превращается в 2-фосфо-глицериновую кислоту, последняя переходит в 2-фосфоенолпирови-ноградную кислоту, благодаря каталитическому действию фермента енолазы. В результате этой реакции образующаяся фосфоенол-пировиноградная кислота приобретает макроэргическую фосфорную связь. Затем фосфоенолпировиноградная кислота вступает в реакцию перефосфорилирования (трансфосфорилирования) с АДФ при участии фермента пируваткиназы, в результате чего происходит перенос фосфатных групп от 2 молекул фосфоенолпирувата на АДФ с образованием 2-х молекул пирувата и 2-х молекул АТФ (происходит субстратное фосфорилирование).

OH OH

СН₂—0—Р=0 СН₂-О-Р.= О

OH OH

+4НАДН+Н⁺

2СНОН —4Н,+2НАД⁺,+2 Н ₃Р0₄ 2 СНОH

¾¾¾

С=0 - ¾¾¾® С=0

фосфоглицеринальдегид OH

H дегидрогеназа

O~Р=O

3-фосфоглицериновый 1,3-дифосфоглицериновая

альдегид кислота

OH OH

СH₂—0—Р=0 СН₂-О-Р.= О

OH OH

2СНОН +2 АДФ 2 СНОH +2 АТФ

¾¾¾

С=O - ¾¾¾® СOOH

OH фосфоглицерат-

киназа

O~Р=O

1,3-дифосфоглицериновая 3-фосфоглицериновая

кислота кислота

2 пируват

пируват- ¯

Фосфоенолпируват+ 2АДФ —¾®- 2АТФ+2 енолпируват

киназа

Пировиноградная кислота под влиянием лактатдегидрогеназы вступает в оксидоредукцию с ранее образовавшейся в результате окисления фосфоглицеринового альдегида восстановленной формой никотинамидадениндинуклеотида (НАДН) и превращается в молочную кислоту при недостатке кислорода в клетках.

СН₃ СН₃

ú лактатде- ú

2 С=O +2 НАДН ¾¾® 2 CHOH + 2 НАД⁺

ú гидрогеназа ú

COOH COOH

Пировиноградная Молочная

кислота кислота

Молочная кислота (лактат) образуется в тканях в анаэробных условиях. Большинство реакций гликолиза обратимо. В результате анаэробного распада глюкозы образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты 2HADH₂, и, освобождаемая энергия накапливается в виде 2 молекул АТФ (2 молекулы АТФ расходуются и 4 молекулы образуется). В процессе гликогенолиза также образуется 2 молекулы пировиноградной кислоты, 2 НАДН₂ и 4 молекулы АТФ, но расходуется 1 молекула АТФ. Энергетический выход при гликогенолизе составляет 3 молекулы АТФ.

На рис. 7.1 путь гликолиза и гликогенолиза изображен схематически.

Гликоген Глюкоза

½ ½

¯ Фосфорилаза АТФ ½ Гексокиназа

Глюкозо-1-фосфат ½

¯ ¯

``````````````````¯``````````

Глюкозо-6-фосфат

Фруктозо-6-фосфат

¯ + АТФ

Фруктозо-1,6-дифосфат

`¯```````````````````````````¯

Фосфоглицериновый Фосфодиоксиацетон

альдегид

¯ +2 НАД⁺

2 молекулы 1, 3- дифосфоглицери- _____________

новой кислоты + ½ 2 НАДН+ Н⁺½

¯ +2 АДФ `````````````

2 молекулы 3-фосфоглицериновой ________

кислоты + ½ 2 АТФ ½

¯ ````````

2 молекулы 2-фосфоглицериновой

кислоты

¯ Енолаза

2 молекулы 2-фосфоенолпировино-

градной кислоты

¯ + 2АДФ

2 молекулы фосфоенолпировино- ________

градной кислоты + ½ 2 АТФ ½

2 молекулы пировиноградной кислоты

Рис. 7.1. Схема реакций гликолиза.

БРОЖЕНИЕ. Процессы анаэробного распада глюкозы, вызываемые различными микроорганизмами, известны под названием брожений. Наиболее распространенными видами брожений являются:

1. Спиртовое брожение. Его суммарное уравнение:

С₆Н₁₂0 ® 2 С₂Н₅ОН+2 СО₂

Глюкоза Этиловый

спирт

2. Молочнокислое брожение идет по уравнению:

С_бН₁₂О_б ® 2 СН₃СНОН—СООН

3. Маслянокислое брожение:

С_бН₁₂0_б —® СН₃—СН₂—СН₂—СООН+2СО₂+2Н₂

Масляная кислота

Первые этапы при различных видах брожения идут аналогично вышеописанному анаэробному распаду глюкозы при гликолизе до образования пировиноградной кислоты. Так же, как это было рассмотрено выше для животных тканей, в микроорганизмах (дрожжах, бактериях) происходит прежде всего фосфорилирование глюкозы с образованием глюкозо-6-фосфат, а затем фруктозо-1,6-дифосфат. Дифосфат фруктозы также распадается на две молекулы глицеринового альдегида, а последний через ряд стадий дает пировиноградную кислоту.

Анаэробный распад углеводов в дрожжах (спиртовое брожение) приводит к образованию этилового спирта. При этом брожении пировиноградная кислота на первом этапе подвергается де-карбоксилированию под действием пируватдекарбоксилазы, кофер-ментом которой является тиаминдифосфат (тиаминпирофосфат). В результате образуется СО₂ и уксусный альдегид, последний затем при участии восстановленной алкогольдегидрогеназы восстанавливается в спирт.

1. СН₃—СО—СООН ® С0₂+СН₃—С==0

Пировиноградная пируватдекарбок- ½

кислота силаза H

Уксусный

альдегид

2. СНз-С==O НАДН+Н⁺

½ алкогольдегидрогеназа С₂Н₅ОН + НАД⁺

На процессе спиртового брожения основано виноделие и спирто-водочное производство.

Молочнокислое брожение идет при участии молочнокислых бактерий. Восстановленная дегидрогеназа (лактатдегидоогеназа) передает свой водород пировиноградной кислоте, которая восстанавливается в молочную кислоту.

лактатдегидро-

СН₃-СО-СООН + 2Н СН₃СH- ОН – СООН

геназа Молочная кислота

Молочнокислое брожение играет большую роль при производстве молочнокислых продуктов (кефира, простокваши и др.), при квашении капусты, огурцов, при силосовании кормов. Маслянокислое брожение вызывается маслянокислыми бактериями, большинство из которых являются анаэробами. Образование масляной кислоты также идет через пировиноградную кислоту.