Біологічне окислення

Вивчення процесів окислення було започатковано M.В. Ломоносовим та А. Лавуазьє на основі дослідження продуктів згорання. А. Лавуазьє, співставляючи процеси горіння з процесами дихання в живих організмах, звернув увагу на подібність між ними.

При диханні, як і при згоранні, відбувається поглинання кисню і утворення CO₂ і H₂O. Енергетичний ефект окислення органічних сполук в організмі та згорання їх також виявились тотожними. Так, при окисленні глюкози до кінцевих продуктів і при згоранні її в колориметрі виділяється однакова кількість енергії 2881 кДж/моль. В зв’язку з цим А. Лавуазье висловив припущення, що сполуки в організмі окислюються в результаті їх повільного згорання. Не зрозумілим було ще те, чому „горіння” різних сполук в організмі відбувається при низькій температурі, без полум'я і за наявності води.

Перші спроби з'ясувати особливості та механізм окислення сполук в організмі (біологічного окислення) зробив Ф. Шенбайн, який висловив припущення, що біологічне окислення – це каталітичний процес, необхідною умовою перебігу якого є активація кисню.

На початку XX cт. O.H. Бах та K. Енглер одночасно і незалежно один від одного запропонували гіпотезу, згідно з якою біологічне окислення проходить за рахунок активування кисню і першим етапом даного процесу є утворення пероксидних сполук. Активування кисню здійснюється за рахунок енергії сполук, здатних до самоокислення, та ферментів оксидаз. Такими сполуками є каротини, терпени, полієнові вищі жирні кислоти, в молекулах яких є кратні подвійні зв'язки, внаслідок чого вони легко взаємодіють з молекулярним киснем, утворюючи пероксидні сполуки, які розщеплюються за участю ферментів пероксидаз і утворюють активний кисень. Останній окислює молекули інших органічних сполук, які з молекулярним киснем не реагують.

Оскільки окислення проходить через утворення пероксидних сполук, то теорія O.M. Баха дістала назву пероксидної теорії окислення.

Значний внесок у розуміння процесів біологічного окислення зробив російський біохімік В.І. Палладін. Вивчаючи окислення речовин у рослинах, він встановив, що воно може відбуватися і при відсутності кисню, якщо в реакційному середовищі є речовини, які здатні приєднувати водень. Такими речовинами виявились пігменти – хромогени. Приєднуючи водень від субстратів, які окислюються, вони відновлюються і стають безбарвними. Потім – віддають водень, тобто окислюються, знову набувають забарвлення, перетворюючись на хінони, причому, перетворення проходить за участю кисню повітря.

Слід зазначити, що В.І. Палладін надавав великого значення кисню як акцептора водню і цим самим показав важливу роль кисню в процесах біологічного окислення. Дослідження В.І. Палладіна були підтверджені працями Віланда. Він висловив думку, що дегідрування субстратів є основним процесом, який лежить в основі біологічного окислення, і що кисень взаємодіє вже з активованими атомами водню. Отже, була створена теорія окислення речовин шляхом їх дегідрування, яка дістала назву теорії Палладіна-Віланда.

Основою в підтвердженні даної теорії було відкриття і вивчення цілого ряду дегідрогеназ – ферментів, які каталізують відщеплення атомів водню від різних субстратів. Було доведено, що процеси окислення субстратів – це цілий ланцюг послідовних реакцій, які починаються з дегідрування субстратів і закінчуються перенесенням електронів на кисень та взаємодією останнього з протонами водню з утворенням води. Оскільки при такому окисленні постійно має місце поглинання кисню, то його ще називають тканинним диханням.

Отже, на основі вищенаведених теорій і досліджень створено сучасні уявлення про механізм біологічного окислення, в основі якого лежить пероксидна теорія Баха і теорія Палладіна-Віланда про дегідрування субстратів.

Суть біологічного окислення. Біологічне окислення, яке проходить в організмах людини і тварин, є досить складним процесом. У ньому беруть участь десятки і сотні різних ферментів, внаслідок чого потенціальна енергія, яка міститься в молекулах органічних речовин, вивільняється і використовується в найрізноманітніших процесах життєдіяльності організму.

Процес біологічного окислення проходить поетапно. У ньому беруть участь ферментні системи, які містять у вигляді: небілкової частини НАД⁺, НАДФ⁺; ФМН, ФАД, убіхінони і залізопорфіринові комплекси.

На першому етапі біологічного окислення здійснюється дегідрування субстратів – продуктів розщеплення білків, жирів і вуглеводів. Цей процес відбувається за участю ферментів дегідрогеназ (оксидоредуктаз), які містять коферменти НАД⁺ і НАДФ⁺. Вони є майже універсальними акцепторами водню для багатьох субстратів – спиртів, альдегідів, дикарбонових і кетокислот, амінів тощо. Віднімаючи від субстратів атоми водню (електрони і протони), вони самі відновлюються, а субстрати при цьому окислюються.

Прикладом дегідрогеназ може бути лактатдегідрогеназа, яка каталізує реакцію дегідрування молочної кислоти.

Далі, на наступному етапі, акцептором атомів водню є група флавінових ферментів, які у вигляді небілкової частини містять ФМН. Вони здійснюють перенесення атомів водню від відновлених НАД або НАДФ.

Наступним етапом є перенесення електронів і протонів від відновлених форм ФМН на убіхінони (коензим Q).

На наступному етапі з коензиму Q протони атомів водню переходять у навколишнє середовище, а електрони поступають на цитохромну систему. Цитохромна система складається з ряду оксидоредуктаз, небілковою частиною яких є залізопорфірини, близькі за своєю будовою до гему. Відомо понад 20 різних цитохромів. Вони позначаються латинськими буквами – а, в, с, d і т.д. В цитохромну систему входять цитохроми і фермент – цитохромоксидаза (аа₃). Характерною особливістю цієї системи ферментів є те, що вони переносять електрони з відновленого коензиму Q на кисень, а останній, сполучаючись з іонізованими атомами водню, утворює воду.

Отже, на завершальному етапі дихання здійснюються два процеси – приєднання до кисню електронів і перетворення його на негативно заряджений іон (іонізація), а потім приєднання до іонізованого кисню протонів з утворенням молекули води. Молекулярний кисень O₂ приєднує до себе 4 електрони і 4 протони, а оскільки через систему цитохромів переноситься лише 2 електрони, використовується ½ O₂ (див. нижче).

У процесі перенесення електронів через систему дихального ланцюга проходить поступове вивільнення акумульованої в них енергії і до кисню вони переносяться вже енергетично бідними, тому утворення води в організмі не супроводжується вибухом, як у випадку утворення гримучого газу.

Отже, в ланцюгу окисно-відновних процесів створюється своєрідний електронний каскад. Послідовність розміщення основних компонентів дихального ланцюга визначається співвідношенням швидкості окислення і відновлення окремих компонентів системи, а також величиною редокс-потенціалів, що виникають між сусідніми компонентами. Перенесення електронів здійснюється завжди від меншого потенціалу до більшого. Для більшості органічних субстратів нормальні редокс-потенціали окисно-відновних систем дорівнюють – 0,6 В.

Окисно-відновна рівновага, окисно-відновний потенціал. Зміна вільної енергії, яка характеризує реакції окислення і відновлення, пропорційна здатності реактантів віддавати або приєднувати електрони. Відповідно, зміну вільної енергії окисно-відновного процесу можна характеризувати не тільки величиною DG, але і величиною окисно-відновного потенціалу системи (Е₀). За звичай окисно-відновний потенціал системи (Е₀) порівнюють з потенціалом водневого електрону, приймаючи останній за 0,00 В при рН = 0. Однак, для біологічних систем правильніше використовувати окисно-відновний потенціал при рН = 7 (Е₀'); при такому рН потенціал водневого електрону дорівнює – 0,42 В. Окисно-відновні потенціали деяких систем, які представляють особливий інтерес для біохімії ссавців, наведені в таблиці 1. Використовуючи цю таблицю, можна передбачити, в якому напрямку піде потік електронів при спряженні однієї окисно-відновної системи з іншою.

Ферменти і коферменти, які приймають участь в окисно-відновних процесах. Ферменти, які каталізують окисно-відновні процеси, називаються оксидоредуктазами. Їх ділять на 5 груп.

Таблиця 1

Стандартні потенціали деяких окисно-відновних систем

1) Оксидази. Істинні оксидази каталізують видалення водню із субстрату, використовують як акцептор тільки кисень. Вони обов’язково містять мідь, продуктом реакції є вода (виключення складають реакції, які каталізуються уриказою і монооксидазою, в результаті яких утворюється Н₂О₂ ):

Цитохромоксидаза – гемопротеїн, широко розповсюджений в рослинних і тваринних тканинах. Вона служить кінцевим компонентом ланцюга дихальних переносників, локалізованих в мітохондріях, і каталізує реакцію, в результаті якої електрони, вивільняються із молекул субстрату при їх окисленні дегідрогеназами, переносяться на кінцевий акцептор – кисень. Даний фермент отруюється оксидом вуглецю, ціанідом сірководнем. Інколи цитохромоксидазу називають цитохромом аа₃. Спочатку припускали, що цитохром а і цитохром а₃ – це автономні гемопротеїни, оскільки кожний з них характеризується визначеним спектром, крім того, вони виявляють різну чутливість до дії оксиду вуглецю і ціаніду. Однак було доведено, що вони входять до складу комплексу, який одержав назву цитохром аа₃. Він містить дві молекули гема, у кожній з який атом заліза може переходити зі стану Fe²⁺ у стан Fe³⁺ і назад у ході окислення і відновлення, а також два атоми Сu, кожний з яких взаємодіє з одним з гемів.

Фенолаза (тирозиназа, поліфенолоксидаза, катехолоксидаза) – це мідьвмісний фермент із широкою специфічністю. Він каталізує перетворення монофенолу (у присутності о-дифенолу) у о-хінон. Мідь виявлена в ряді інших ферментів, зокрема в уриказі, яка каталізує окислення сечової кислоти в алантоїн, і в моноамінооксидазі, яка окислює адреналін і тирамін у мітохондріях.

2) Аеробні дегідрогенази – ферменти, які каталізують видалення водню із субстрату; на відміну від оксидаз вони як акцептор водню можуть використовувати не тільки кисень, а і штучні акцептори, такі, як метиленовий синій. Ці дегідрогенази відносяться до флавопротеїнів, і продуктом реакції, яку вони каталізують є пероксид водню, а не вода:

,

Аеробні дегідрогенази – флавопротеїни; містять простетичні групи – флавінмононуклеотид (ФМН) або флавінаденіндинуклеотид (ФАД).

До ферментів групи аеробних дегідрогеназ відноситься дегідрогеназа L-амінокислот (оксидаза L-амінокислот) ФМН-вмісний фермент, який знаходиться в нирках і володіє широкою специфічністю, каталізує окисне дезамінування природних L-амінокислот. Широко поширена ксантиндегідрогеназа (ксантиноксидаза); вона виявлена в молоці, у тонкому кишечнику, нирках і печінці.

Ксантиндегідрогеназа містить молібден; відіграє важливу роль у перетворенні пуринових основ у сечову кислоту в печінці і нирках. Особливе значення має для птахів, які екскретують сечову кислоту як головний кінцевий азотовмісний продукт метаболізму пуринів, а також катаболізму білків і амінокислот.