біологічне окислення

Біологічне окислення - це сукупність окисно-відновних перетворень різних речовин в живих організмах. Окислювально-відновні називають реакції, що протікають зі зміною ступеня окислення атомів внаслідок перерозподілу електронів між ними.

Типи процесів біологічного окислення:

1) аеробне (митохондриальное) окислення призначене для добування енергії поживних речовин за участю кисню і накопиченні її у вигляді АТФ. Аеробне окислення називається також тканинним диханням. оскільки при його протіканні тканини активно споживають кисень.

2) анаеробне окислення - це допоміжний засіб вилучення енергії речовин без участі кисню. Анаеробне окислення має велике значення при нестачі кисню, а також при виконанні інтенсивної м'язової роботи.

3) мікросомальне окислення призначене для знешкодження ліків і отрут, а також для синтезу різних речовин: адреналіну, норадреналіну, меланіну в шкірі, колагену, жирних кислот, жовчних кислот, стероїдних гормонів.

4) вільнорадикальне окислення необхідно для регуляції поновлення і проникності клітинних мембран.

Основним шляхом біологічного окислення є митохондриальное. пов'язане із забезпеченням організму енергією в доступній для використання формі. Джерелами енергії для людини є різноманітні органічні сполуки: вуглеводи, жири, білки. В результаті окислення поживні речовини розпадаються до кінцевих продуктів, в основному - до СО2 і Н2 О (при розпаді білків також утворюється NH3). Що виділяється при цьому енергія накопичується у вигляді енергії хімічних зв'язків макроергічних сполук, переважно - АТФ.

Макроергічними називаються органічні сполуки живих клітин, що містять багаті енергією зв'язку. При гідролізі макроергічних зв'язків (позначаються звивистою лінією

) Вивільняється більше 4 ккал / моль (20 кДж / моль). Макроергічні зв'язку утворюються в результаті перерозподілу енергії хімічних зв'язків в процесі обміну речовин. Більшість макроергічних сполук є ангідридами фосфорної кислоти, наприклад, АТФ, ГТФ, УТФ і т.д. АТФ (АТФ) займає центральне місце серед речовин з макроергічними зв'язками.

аденін - рибоза - Р

Р, де Р - залишок фосфорної кислоти

АТФ знаходиться в кожній клітині в цитоплазмі, мітохондріях і ядрах. Реакції біологічного окислення супроводжуються перенесенням фосфатної групи на АДФ з утворенням АТФ (цей процес називається фосфорилюванням). Таким чином, енергія запасається у формі молекул АТФ і при необхідності використовується для виконання різних видів роботи (механічної, електричної, осмотической) і для здійснення процесів синтезу.

Система уніфікації субстратів окислення в організмі людини

Безпосереднє використання хімічної енергії, що міститься в молекулах харчових речовин неможливо, тому що при розриві внутрішньо молекулярних зв'язків виділяється величезна кількість енергії, яке може привести до пошкодження клітини. Щоб харчові речовини, що надійшли в організм, повинні пройти ряд специфічних перетворень, в ході яких відбувається багатостадійний розпад складних органічних молекул на простіші. Це дає можливість поступового вивільнення енергії і запасання її у вигляді АТФ.

Процес перетворення різноманітних складних речовин в один енергетичний субстратназивается уніфікацією. Виділяють три етапи уніфікації:

1. Підготовчий етап протікає в травному тракті, а також в цитоплазмі клітин організму. Великі молекули розпадаються на складові їх структурні блоки: полісахариди (крохмаль, глікоген) - до моносахаридів; білки - до амінокислот; жири - до гліцерину і жирних кислот. При цьому виділяється невелика кількість енергії (близько 1%), яка розсіюється у вигляді тепла.

2. Тканинні перетворення починаються в цитоплазмі клітин, закінчуються в мітохондріях. Утворюються ще більш прості молекули, причому число їх типів істотно зменшується. Утворені продукти є загальними для шляхів обміну різних речовин: піруват, ацетил-коензиму (ацетил-КоА), α-кетоглутарат, оксалоацетат і ін. Найважливішим із таких з'єднань є ацетил-КоА - залишок оцтової кислоти, до якого макроергічним зв'язком через сірку S приєднаний коензим А - активна форма вітаміну В3 (пантотенової кислоти). Процеси розпаду білків, жирів і вуглеводів сходяться на етапі освіти ацетил-КоА, утворюючи в подальшому єдиний метаболічний цикл. Для цього етапу характерно часткове (до 20%) звільнення енергії, частина якої акумулюється у вигляді АТФ, а частина розсіюється у вигляді тепла.

3. Мітохондріальний етап. Продукти, що утворилися на другій стадії, надходять в циклічну окислительную систему - цикл трикарбонових кислот (цикл Кребса) і пов'язану з ним дихального ланцюга мітохондрій. У циклі Кребса ацетил-КоА окислюється до СО2 і водню, пов'язаного з переносниками - НАД + · Н2 і ФАД · Н2. Водень надходить в дихальний ланцюг мітохондрій, де відбувається його окислення киснем до Н2 О. Цей процес супроводжується вивільненням приблизно 80% енергії хімічних зв'язків речовин, частина якої використовується на утворення АТФ, а частина - виділяється у вигляді тепла.

Дихальна ланцюг мітохондрій О2

Класифікація і характеристика основних оксидоредуктаз в тканинах

Важливою особливістю біологічного окислення є те, що воно протікає під дією певних ферментів (оксидоредуктаз). Всі необхідні ферменти для кожної стадії об'єднані в ансамблі, які, як правило, фіксуються на різних клітинних мембранах. В результаті злагодженої дії всіх ферментів хімічні перетворення здійснюються поступово, як на конвеєрі. При цьому продукт реакції однієї стадії є вихідним з'єднанням для наступної стадії.

1.Дегідрогенази здійснюють відщеплення водню від окисляемого субстрату:

У процесах, пов'язаних з отриманням енергії, найбільш поширений тип реакцій біологічного окислення - дегидрирование. тобто відщеплення від окисляемого субстрату двох атомів водню і перенесення їх на окислювач. Насправді водень в живих системах знаходиться не у вигляді атомів, а являє собою суму протона і електрона (Н + і ē), маршрути руху яких різні.

Дегідрогенази є складними білками, їх коферменти (небілкова частина складного ферменту) здатні бути і окислювачем, і відновником. Забираючи водень від субстратів коферменти переходять в відновлену форму. Відновлені форми коферментів можуть віддавати протони й електрони водню іншому коферменту, який має більш високий окислювально-відновний потенціал.

1) НАД + - і НАДФ + -залежні дегідрогенази (коферменти - НАД + і НАДФ + - активні форми вітаміну РР). Приєднують два атома водню від окисляемого субстрату SH2. при цьому утворюється відновлена ​​форма - НАД + · Н2:

2) ФАД-залежні дегідрогенази (коферменти - ФАД і ФМН - активні форми вітаміну В2). Окисні здатності цих ферментів дозволяють їм приймати водень як безпосередньо від окисляющегося субстрату, так і від відновленого НАДН2. При цьому утворюються відновлені форми ФАД · Н2 і ФМН · Н2.

3) коензімQілі убихинон, який може дегидрированной ФАД · Н2 і ФМН · Н2 і приєднувати два атоми водню, перетворюючись в КоQ · Н2 (гідрохінон):

2.Железосодержащіе переносники електронів гемінової природи- цітохромиb, c1, c, a, a3. Цитохроми - це ферменти, що відносяться до класу хромопротеидов (забарвлених білків). Небілкова частина цитохромов представлена ​​гемом. що містить залізо і близьким за будовою до гему гемоглобіна.Одна молекула цитохрому здатна зупинити приймати один електрон, при цьому змінюється ступінь окислення заліза:

цитохром (Fe 3+) + ē ↔ цитохром (Fe 2+)

Цитохроми a, a3 утворюють комплекс, званий цитохромоксидазой. На відміну від інших цитохромів, цитохромоксидаза здатна взаємодіяти з киснем - кінцевим акцептором електронів.