Полная версия

Главная arrow Математика, химия, физика arrow БИОЛОГИЧЕСКАЯ ХИМИЯ

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>

Анаэробный и аэробный механизм окисления - общая характеристика

В живой клетке реализуется два типа ферментативного окисления органических веществ - анаэробный, протекающий без участия кислорода, и аэробный, связанный с окислительным действием на заключительных стадиях кислорода. В основе первого лежат процессы дегидрировании (отщепления молекул ЬЬ) (В.И. Палладии, Г. Виланд, О. Варбург) под влиянием ферментов дегидрогеназ и декарбоксилиро- вания, осуществляемого ферментами декарбоксилазами. Высвобождаемая в этих процессах биоэнергия аккумулируется за счет фосфорилирования АДФ в АТФ.

В качестве акцепторов отщепляющихся молекул водорода в анаэробном окислении выступают промежуточные продукты превращений - метаболиты (например, ацетальдегид - в спиртовом брожении; пировиноградная кислота - в молочнокислом брожении).

Именно анаэробное окисление было безальтернативным механизмом энергообеспечения на ранних стадиях эволюции жизни на Земле, поскольку кислород в атмосфере в то время отсутствовал. Требуемый для биохимических превращений кислород в анаэробных условиях поставляет вода. Вначале молекула воды внедряется в субстрат, затем ферменты дегидрогеназы отщепляют молекулу водорода, оставляя субстрат в окисленной форме.

Химической моделью биологического окисления через дегидрирование субстрата является классическая реакция серебряного зеркала в химии альдегидов. Постадийно:

Процессы окисления, связанные с дегидрированием, реализуются в условиях анаэробного окисления глюкозы (гликолиз, брожение) (схемы 7.1, 7.2), при окислительной деструкции нировиноградной о

кислоты (схема 7.5) и а цетил-S-Ко A (h3c-c-s-koa) в цикле трикар-

боновых кислот (ЦТК) (схема 7.6), в пентозофосфатном окислении

глюкозы (схема 7.8), в реакциях а- и /?-окисления жирных кислот и в других процессах.

Например, в процессе р -окисления карбоновой кислоты реализуются такие ферментативные реакции:

Окисление альдегидной группы 3-фосфатглицеральдегида в процессе гликолиза связано с предварительным присоединением по карбонильной группе группы SH фермента глицеральдегид-3- фосфатдегидрогеиазы (R-SH) и последующим дегидрированием:

Позже (в историческом плане) фотосинтез и жизнедеятельность живой материи привели к накоплению в атмосфере Земли свободного кислорода, что создало предпосылки для формирования аэробного механизма окисления. Процессы дегидрирования при этом не потеряли своего значения, но в качестве акцептора (окислителя) молекул водорода на заключительных стадиях начал функционировать кислород.

С этих пор процесс развития живой материи значительно интенсифицировался, так как аэробное окисление в плане энергообеспечения во много раз эффективнее анаэробного. До 80% необходимой для жизнеобеспечения энергии организмы получают именно за счет аэробного биологического окисления (дыхания).

Существует зри способа окислительного действия кислорода:

  • 1. Окисление водорода до воды в дыхательной цепи, то есть в комплексе ферментов цитохромов (оксидаз), локализованных в митохондриях клетки. Молекулы водорода поставляются в цепь в виде восстановленных коферментов НАДН2, ФАДН2, связанных с анаэробными дегидрогеназами.
  • 2. Окисление водорода НАДН2 и НАДФ-ЬЬ с участием промежуточных агентов - аэробных дегидрогеназ флавинового типа. Флавино- вые ферменты (флавопротеиды) включают в качестве коферментов флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД), являющиеся более сильными окислителями (акцепторами водорода), чем НАД и НАДФ.

Известным флавопротеином является желтый дыхательный фермент, отщепляющий Н2 от НАДФ Н2 при окислении гексозомоно- фосфата в фосфоглюконовую кислоту. Далее аэробная дегидрогеназа, а именно - ее восстановленный фрагмент ФАД Н2 передает молекулу водорода кислороду воздуха.

ФАД является активной простетической фуппой фермента, катализирующего окисление аминокислот, а также фермента ксантинок- сидазы, катализирующего окисление пуриновых оснований, в частности, ксантина, до мочевой кислоты.

Восстановленные формы флавиновых ферментов могут передавать водород нс только кислороду воздуха, но и метиленовой сини, по- лифенолоксидазной или цитохромной системам.

3. Третий путь окисления связан с непосредственным воздействием окислителя на субстрат с внедрением в его структуру одного или двух атомов кислорода (А.Н. Бах). Окисление такого типа осуществляется так называемыми «прямыми» оксидазами и не сопровождается образованием АТФ.

Классическим примером, демонстрирующим взаимосвязь и энергетические возможности анаэробного и аэробного окисления, является многоплановый процесс диссимиляции (катаболизма) глюкозы. Подробно он будет рассмотрен в следующей главе. В настоящем параграфе мы лишь проследим за тем, что стадии, связанные с анаэробным окислением, продуцируют гораздо меньше энергии, чем аэробные процессы.

Первая фаза - гликолиз (от лат. gluco - сахар; lysis - распад), то есть распад молекулы глюкозы на две молекулы пировинофадной или молочной кислоты является общей для обоих процессов и протекает в анаэробном режиме:

Анаэробный процесс спиртового брожения связан с дскарбоксили- рованием нировиноградной кислоты и восстановлением образующего уксусного альдегида до спирта:

В целом спиртовое брожение

характеризуется незначительным изменением свободной энергии системы (aG = -210 кДж/моль) и полезным использованием энергии на 29%.

Гликолиз находит продолжение и в аэробном биологическом окислении, питающим энергией растительные и животные организмы. Однако следующие за гликолизом стадии этого процесса, а именно:

- окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты

О

м

с образованием ацетил-КоА (H3C-C-S-KoA) (1);

- полная деструкция последнего до СО: и Н2 в цикле трикарбоновых кислот (ЦТК) (2) - все еще протекают, как и гликолиз, в анаэробном режиме. В основе этих стадий лежат реакции дегидрирования и де- карбоксилирования.

Необходимо подчеркнуть, что декарбокенлирование существенно отличается от окислительного декарбоксилирования. Так, обычное декарбокенлирование а -кетокислоты выражается в замещении карбоксильной группы на атом водорода:

Окислительное декарбокенлирование этого же субстрата протекает глубже - альдегид становится промежуточным соединением, который окисляется до кислоты или ее производного (например, до тиоэфира). Как было показано на странице 49, окисление альдегида связано с присоединением по карбонильной группе про- тогенного реагента (например. HjO или R-SH) и последующим дегидрированием интермедиата.

И лишь в заключительной стадии аэробного окисления глюкозы в процесс включается кислород. Четыре молекулы водорода поставляются из ЦТК дегидрогеназами в дыхательную цепь, локализованную в силовых станциях клеток - митохондриях, и окисляются до воды, освобождая большое количество энергии. Диссимиляция двух молекул ацетил-КоА вместе с окислением восьми молекул водорода в дыхательной цепи продуцируют 24 молекулы АТФ. Суммарно в условиях полного окисления глюкозы:

образуется 38 молекул АТФ, то есть в 19 раз больше, чем в анаэробном процессе спиртового брожения. При этом изменение свободной энергии системы составляет aG = -2880 кДж/моль, а коэффициент полезного использования энергии - порядка 40%.

 
<<   СОДЕРЖАНИЕ ПОСМОТРЕТЬ ОРИГИНАЛ   >>