Биологическое и свободное окисление

1.

«Окислительные процессы принадлежат к
разряду тех процессов живого организма,
которые не только больше всего
бросаются в глаза, но и оказываются
самыми важными, т.к. служат
источником энергии живых существ»
Леонор Михаэлис, 1936 г.

2.

Совокупность окислительных реакций,
происходящих в биологических объектах и
обеспечивающих их энергией и
метаболитами для осуществления
процессов жизнедеятельности, называется
биологическим окислением.

3. Функции биологического окисления

ФУНКЦИИ БИОЛОГИЧЕСКОГО
ОКИСЛЕНИЯ
1. Энергетическое обеспечение:
а) поддержания температуры тела;
б) биолюминесценции (свечения);
в) химических синтезов;
г) осмотических явлений;
д) электрических процессов;
е) механической работы.
2. Синтез важнейших (ключевых) метаболитов.
3. Регуляция обмена веществ.
4. Устранение вредных для клетки продуктов обмена (шлаков).
5. Детоксикация проникших в организм чуждых соединений –
ксенобиотиков (пестицидов, препаратов бытовой химии,
лекарственных средств, промышленных загрязнений и т.п.).

4. Ферменты биологического окисления

ФЕРМЕНТЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО
ОКИСЛЕНИЯ
Разнообразные
реакции
биологического
окисления
ускоряются
многочисленными
ферментами
оксидоредуктазами, которые, как правило, встроены в
биологические мембраны, причем очень часто в виде
ансамблей.
Их разделяют на 5 групп:
1. Оксидазы (катализируют удаление водорода из субстрата,
используя при этом в качестве акцептора водорода только
кислород)

5. Ферменты биологического окисления

ФЕРМЕНТЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО
ОКИСЛЕНИЯ
2. Аэробные дегидрогеназы (в отличие от оксидаз
они могут использовать в качестве акцептора водорода
не только кислород, но и искусственные акцепторы)

6. Ферменты биологического окисления

ФЕРМЕНТЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО
ОКИСЛЕНИЯ
3. Анаэробные дегидрогеназы (не способны использовать
кислород в качестве акцептора водорода)
Выполняют две главные функции:
a. Перенос водорода с одного субстрата на другой
b. Компонент дыхательной цепи, обеспечивающий транспорт
электронов от субстрата на кислород

7. Ферменты биологического окисления

ФЕРМЕНТЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО
ОКИСЛЕНИЯ
4. Гидроксипероксидазы
(используют
в
качестве субстрата перекись водорода или
органические перекиси)
5. Оксигеназы
(катализируют
прямое
введение кислорода в молекулу субстрата)

8. Типы биологического окисления

ТИПЫ БИОЛОГИЧЕСКОГО
ОКИСЛЕНИЯ
Существуют 2 типа биологического окисления:
1. Свободное окисление
Окисление, не сопряженное с фосфорилированием АДФ
и не сопровождающееся трансформацией энергии,
выделяющейся при окислении, в энергию макроэргических
связей.
При свободном окислении высвобождающаяся энергия
переходит в тепловую и рассеивается.
2. Окисление, сопряженное с фосфорилированием АДФ
Этот тип биологического окисления осуществляется
двумя путями:
a) субстратное фосфорилирование
b) окислительное фосфорилирование

9.

10. свободное окисление

СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ
Реакции свободного окисления органических соединений в
живой природе и ускоряющие их ферментные системы
многообразны. Этим путем непосредственно окисляются не
только
многочисленные
природные
и
неприродные
субстраты, но и восстановленные коферменты (НАДН,
НАДФН, ФАД·Н2 и др.), образовавшиеся при действии
первичных и вторичных дегидрогеназ.
Реакции свободного окисления протекают в цитозоле, на
мембранах различных субклеточных структур, в ядерном
аппарате клетки. Основным средоточием их являются
мембраны эндоплазматической сети (ЭПС).
Так как мембраны ЭПС при гомогенизации клеток и
фракционировании субклеточных частиц гомогената дают
фракцию микросом, то реакции окисления на мембранах ЭПС
называются микросомальным окислением.

11. Особенности микросомальной дыхательной цепи

ОСОБЕННОСТИ МИКРОСОМАЛЬНОЙ
ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ
1) Несмотря на наличие ферментов цепи
переноса электронов, ни в одном пункте этой
цепи
не
происходит
сопряжения
с
фосфорилированием АДФ.
2) Своеобразие структуры и функциональной
активности цитохромов b5 и Р–450, входящих в
ее состав.
3) Высокое сродство терминальной оксидазы
микросомальных
цепей
к
кислороду,
позволяющее ей конкурировать за кислород с
митохондриальной цитохромоксидазой.

12. Ферменты свободного окисления

ФЕРМЕНТЫ СВОБОДНОГО
ОКИСЛЕНИЯ

13. Примеры диоксигеназных реакций

ПРИМЕРЫ ДИОКСИГЕНАЗНЫХ
РЕАКЦИЙ
Пирокатехаза
(катехол:
кислород-1,2оксидоредуктаза дециклизующая)
Она содержит в активном центре два прочно
связанных атома Fе, которые, согласно О.
Хайаиши,
соединяются
с
молекулярным
кислородом в комплекс, где кислород далее
активируется:
Fe2+ + О2 → Fе2+О2 → Fе3+О2–

14.

OH
O
e
OH
-
-
OH
O
O
O
Fe2+
O+ H
Fe3+
Ï è ðî ê àòåõè í
O
OH
O
C
OH
O
C
OH
OH
O
Ì óê î í î âàÿ ê è ñë î òà

15. Примеры диоксигеназных реакций

ПРИМЕРЫ ДИОКСИГЕНАЗНЫХ
РЕАКЦИЙ
Превращение β-каротина в витамин А
+ О2
15
15`
êàðî òèí
Î
Ñ
Í
2
β-каротин-15,15'-оксигеназа
(содержит Fe2+)
Ретиналь (витамин А)

16. Свободное окисление при участии монооксигеназ

СВОБОДНОЕ ОКИСЛЕНИЕ ПРИ
УЧАСТИИ МОНООКСИГЕНАЗ
Фенолгидроксилаза (фенол-2-монооксигеназа):
OH
+ O2 + Í ÀÄÔÍ + Í
Фенол
+
OH
+ Í ÀÄÔ + + H2O
OH
Пирокатехин

17.

18.

19.

20.

Субстратное фосфорилирование – такой
вид биологического окисления, при котором:
макроэргическая связь возникает в момент
непосредственного окисления субстрата,
затем тем или иным путем передается на
фосфатный остаток,
который, в свою очередь, используется для
фосфорилирования АДФ, т.е. синтеза АТФ.
Окисление, сопряженное с фосфорилированием
АДФ на уровне субстрата.

21. Примеры реакций субстратного фосфорилирования

ПРИМЕРЫ РЕАКЦИЙ СУБСТРАТНОГО
ФОСФОРИЛИРОВАНИЯ
При окислении 3-фосфоглицеринового альдегида
(3-ФГА) в 2-фосфоглицериновую кислоту (2-ФГК) –
гликолиз;
При превращении фосфоенолпировиноградной
кислоты (ФЕП) в пировиноградную (пируват, ПВК)
– гликолиз;
При превращении -кетоглутаровой кислоты в
янтарную (реакция цикла Кребса).

22. Окислительное декарбоксилирование -кетоглутаровой кислоты

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ДЕКАРБОКСИЛИРОВАНИЕ
-КЕТОГЛУТАРОВОЙ КИСЛОТЫ
На этом участке цикла Кребса донором электронов
является оксиацетилтиаминпирофосфат; акцептором
электронов – липоевая кислота:
S
S
ëèï î àò
S
S
COOH
Липоевая кислота

23.

O
R
N
C COOH
н.ф.ц.
H2C
R1
HO
R C
N
S
COOH
CH3
OH OH
H2 H 2
H
C C O P O P OH
N
э.ф.ц. S
NH2
O
O
Тиаминпирофосфат (витамин В1)
N
R1
R2
R3
- СО2
HO
R C
R2
N
S
R3
S
S
H
Оксиацилтиаминпирофосфат
липоат

24.

R1
I
R2
N
O
R3
C
S
R
HS
липоат
HS
Ацилтиаминпирофосфат
R1
H
HS
R2
N
S
R3
Тиаминпирофосфат
HS
HS
R
C
липоат
+ НSКоА
S
O
Ацилгидролипоат
липоат
R
C
O
SKoA
Ацил-КоА (сукцинил-КоА)

25.

На следующих этапах в реакцию вступает фермент
(сукцинат: КоА-лигаза):
Ф R
Ф R
Ô O
C
SKoA
Н3РО4
II
C
O
O
OH
P O + НSКоА
OH
R
C
O
OH
Ф
O
P
O
O
OH
OH
P
O
OH
OH
+ АТФ
+ ГДФ
Ф + ГТФ
ГДФ + АТФ
III

26.

27. Окислительное фосфорилирование

ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ
ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Это сопряжение окисления с синтезом АТФ, когда
атомы
водорода
с
коферментов
дегидрогеназ,
принимающих участие в окислении субстратов,
передаются в оксидоредуктазную цепь, где сопряжено с
переносом ионов Н+ и электронов на молекулярный
кислород происходит активирование неорганического
фосфата и при его посредстве – фосфорилирование АДФ
с образованием АТФ
Окисляемый
субстрат
в
этом
случае
непосредственного
участия
в
активировании
неорганического фосфата не принимает
Сопряжение окисления с фосфорилированием идет
главным
образом
на
внутренних
мембранах
митохондрий

28.

29. Пиридиновые дегидрогеназы

ПИРИДИНОВЫЕ ДЕГИДРОГЕНАЗЫ
Коферменты – НАД и НАДФ
Универсальный донор атомов Н для дыхательной цепи
ферментов – НАДН2
Если при окислении субстрата возникает НАДФН2, то
осуществляется реакция:
НАДФН2 + НАД ⇄ НАДФ + НАДН2
O
O
C
C
NH2
NH2
+ 2Н+ + 2е
+ Н+
N
R
+
НАД
N
R
НАДН+Н+

30. Особенности реакций с участием пиридиновых дегидрогеназ

ОСОБЕННОСТИ РЕАКЦИЙ С УЧАСТИЕМ
ПИРИДИНОВЫХ ДЕГИДРОГЕНАЗ
1. Легкая обратимость.
2. Коферменты легко отделяются от белковой
части, обладают высокой подвижностью,
что позволяет им переносить атомы Н,
ионы Н+ и электроны из одной части
клетки в другую.
3. НАД и НАДФ способны принимать атомы
Н
от
большого
числа
субстратов,
окислительно-восстановительные
потенциалы которых ниже (-0,32В).

31. Флавиновые дегидрогеназы

ФЛАВИНОВЫЕ ДЕГИДРОГЕНАЗЫ
Коферменты – ФМН и ФАД.
Флавиновые ферменты являются акцепторами атомов
водорода и осуществляют перенос их от НАДН2:
НАДН2 + ФАД ⇄ НАД + ФАДН2.
В некоторых случаях (при окислении янтарной кислоты в
цикле Кребса или при окислении жирных кислот)
флавиновые ферменты могут играть роль первичных
дегидрогеназ.
ФМН и ФАД очень прочно связаны с апоферментом и не
отщепляются от него ни на одной стадии каталитического
цикла.
Активной частью молекул ФАД и ФМН является
изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина, к атомам азота
которого могут присоединяться 2 атома водорода:

32.

R
N
N
O
+ 2H+ + 2e
NH
N
2H
O
ФАД (или ФМН)
R
N
H
N
O
NH
N
H
O
ФАДН2 (или ФМНН2)

33. Кофермент Q (убихинон)

КОФЕРМЕНТ Q (УБИХИНОН)
O
H3C
CH3
O
CH3
H3C
O
CH2
O
CH3
H2
C
C
C
H
C
H2
C
C
H
+ 2H (НАДН2)
CH3
9
OH
H3C
CH3
O
CH3
H3C
O
CH2
OH
CH3
H2
C
C
C
H
C
H2
9
+ (НАД)
C
C
H
CH3

34. Цитохромы

ЦИТОХРОМЫ
Дальнейший перенос электронов от КоQ на кислород
осуществляет система цитохромов, состоящая из ряда
гемопротеидов, расположенных в порядке возрастания
окислительно-восстановительных
потенциалов,
что
обеспечивает упорядоченную передачу электронов.
Цитохромы а и а3 содержат в своем составе еще и атомы
меди.
При
транспорте
электронов
в
направлении
увеличения
окислительно-восстановительных
потенциалов происходят процессы:
Fe2+ ⇄ Fe3+ (в цит. b, c1, с)
Cu+ ⇄ Cu2+ (в цит. а, а3).

35.

36.

Самой
примечательной
особенностью
дыхательной цепи ферментов является наличие в
ней участков, где соседние компоненты резко
отличаются
значениями
окислительновосстановительных потенциалов.
Именно
здесь
происходит
сопряжение
окисления с фосфорилированием АДФ, т.к.
разность энергетических уровней электрона,
транспортируемого с огромной скоростью, вполне
достаточна для синтеза макроэргической связи и
составляет 51 кДж для I, 36 кДж – для II и 80,7
кДж – для III точки сопряжения.

37. Хемиосмотическая гипотеза

ХЕМИОСМОТИЧЕСКАЯ ГИПОТЕЗА
Питер Митчелл, Владимир Петрович Скулачев
Реакции, сопровождающиеся расходованием или
образованием Н+, протекают на внутренней мембране
митохондрий таким образом, что протоны переносятся с
внутренней мембраны на внешнюю, т.е. перенос
электронов
сопровождается
возникновением
трансмембранного градиента концентрации ионов Н+ –
совершением осмотической работы.
Этот градиент, создающий разность химических ( ) и
электрических ( ) потенциалов, является источником
энергии для протекания эндэргонического процесса
образования АТФ.
АТФаза является ферментом, способным использовать
градиент концентрации ионов Н+ для обращения
процесса гидролиза АТФ.