ОКИСЛЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ • Med-of-Rita

ОКИСЛЕНИЕ БИОЛОГИЧЕСКОЕ — ферментативные процессы окисления, протекающие в организмах животных и растений, а также в микроорганизмах. Окислительные процессы используются клеткой для создания и пополнения ресурсов энергии, для биосинтеза многих существенных для обмена веществ соединений (стеринов, простагландинов, нейромедиаторов и др.)? Для превращения крупных органических молекул в более простые и, наконец, для образования конечных продуктов обмена веществ и энергии, подлежащих выделению из организма. Окислительные реакции играют также большую роль в обезвреживании токсичных для организма веществ.

Началом научного исследования процессов О. б. явились труды А. Лавуазье, высказавшего предположение о медленном окислении продуктов питания в крови животных и человека, сопровождающемся поглощением кислорода и выделением углекислого газа. Позднее Спалланцани (L. Spallanzani) показал, что О. б. происходит не в крови, а в других тканях. В нашей стране проблеме О. б. были посвящены многие труды А. Н. Баха, В. А. Белицера, В. И. Палладина, С. Е. Северина, В. А. Энгельгардта и др.

Окислительно — восстановительные реакции (см.) в организмах протекают во всех клетках; они катализируются ферментами, относящимися к классу оксидоредуктаз (см.). При различных заболеваниях и при ряде вредных воздействий на живой организм происходит нарушение процессов О. б. Большая группа наследственных болезней человека, к к-рой относятся Фенилкетонурия (см.), алкаптонурия (см.) и др., связана с генетически обусловленной недостаточностью или блокированием нек-рых оксидоредуктаз. При нарушениях окислительно-восстановительных превращений витамина D в почках не происходит образования биологически активных производных этого витамина, что влечет за собой нарушение обмена кальция в организме, следствием к-рого является деминерализация костей. При отсутствии активности каталазы (см.) или пероксидаз (см.), напр, глутатионпероксидазы (КФ 1.11.1.9), в тканях происходит накопление перекиси водорода, активирующей процессы перекисного окисления (см. Перекиси) и окисляющей гемоглобин в метгемоглобин, результатом чего является нарушение снабжения тканей кислородом, а также разрушение биол, мембран. К аналогичным последствиям приводит и гиповитаминоз E (см. Токоферолы). Повышение интенсивности О.б. наблюдают при гиперфункции щитовидной железы, при нек-рых формах туберкулеза, при переохлаждении, при лихорадочных состояниях и т. д. В тканях нек-рых злокачественных опухолей наблюдают активацию анаэробного гликолиза и нередко ингибирование процессов клеточного дыхания. При гипоксии (см.) различного происхождения повышается активность ферментов дыхательной цепи (см. Дыхательные ферменты), по-видимому, за счет их усиленного синтеза.

Процесс окисления любого субстрата сопровождается переносом электронов или атомов водорода, так наз. восстановительных эквивалентов, от соединения-донора к соединению-акцептору. У гетеротрофных организмов, для к-рых окислительно-восстановительные реакции являются единственным источником получения необходимой для жизнедеятельности энергии, донорами электронов обычно служат различные органические соединения (напр., глюкоза, жирные к-ты, аминокислоты). Значительно реже эту роль выполняют неорганические соединения типа водорода, сероводорода, серы, аммиака.

При аэробном окислении конечным акцептором электронов в цепи последовательных окислительно-восстановительных реакций является кислород. Такие реакции катализируют оксидазы (см.). У нек-рых бактерий акцептором электронов могут быть богатые кислородом анионы (напр., NO₃^—, SO₄^2-) или углекислота (CO₂). Это так наз. анаэробное окисление, т. е. окисление без использования кислорода.

Окисление с использованием атмосферного кислорода, называемое также тканевым или клеточным дыханием, является источником большей части энергии, получаемой аэробными клетками. Роль тканевого дыхания в живых клетках чрезвычайно велика, т. к. именно благодаря ему в клетке создается запас основной части энергии, заключенной прежде в сложных органических молекулах различной структуры и трансформированной в легко утилизируемую свободную энергию фосфатной связи молекулы АТФ (см. Аденозинтрифосфорные кислоты). Из природных соединений, способных активировать тканевое дыхание, следует отметить гормоны щитовидной железы, а также свободные жирные к-ты.

Начальным этапом тканевого дыхания считают многоступенчатый ферментативный процесс — цикл Трикарбоновых к-т, к-рый называют еще циклом Кребса или циклом лимонной к-ты (см. Трикарбоновых кислот цикл). Ранние стадии распада углеводов, белков и жиров катализируются самыми разнообразными ферментами и представляют собой широкий спектр реакций, специфических для каждого класса веществ. Однако конечными продуктами углеводного обмена (см.), азотистого обмена (см.) и жирового обмена (см.) является небольшое число соединений, теми или иными путями вовлекаемых в общий для всех этих классов веществ цикл — цикл Трикарбоновых к-т.

Для организма процесс тканевого дыхания энергетически наиболее выгоден. Если в процессе гликолиза (см.) — в превращении глюкозы, протекающем без потребления кислорода, происходит образование всего 2 молекул АТФ, а в цикле Трикарбоновых к-т образуется 2 молекулы АТФ на 1 молекулу расходуемой глюкозы, то при переносе электронов в дыхательной цепи митохондрий (см.) энергия запасается в высокоэргических связях 34 молекул АТФ на 1 молекулу глюкозы. Т. о., важность процессов тканевого дыхания в энергетическом обмене клетки не вызывает сомнения.

Дыхательная цепь митохондрий, в к-рой по завершении реакций цикла Трикарбоновых к-т реокисляются восстановленные НАД и сукцинатдегидрогеназа (КФ 1.3.99.1), представляет собой уникальный полиферментный комплекс, локализованный во внутренней мембране митохондрий. В состав дыхательной цепи входят несколько групп ферментов: флавинсодержащие дегидрогеназы [НАД-Н-дегидрогеназа (КФ 1.6.99.3), сукцинатдегидрогеназа, ацил-КоА-дегидрогеназа (КФ 1.3.99.3) и др.]; белки, содержащие негемовое железо (железосеропротеиды), а также несколько типов цитохромов (см.) — Цитохромы b, c1, c, a и a3. Обязательным компонентом дыхательной цепи является также кофермент Q, или убихинон, по-видимому, принимающий участие в акцептировании электронов от флавинсодержащих дегидрогеназ (см. Коферменты). Переносчики электронов расположены в дыхательной цепи в порядке возрастания величины их окислительно-восстановительного потенциала (см.). Основной функцией дыхательной цепи является ступенчатый перенос восстановительных эквивалентов от субстратов-доноров (НАД-Н, сукцината, ацил-КоА, бета-оксибутирата и др.) к конечному акцептору электронов — молекулярному кислороду. В результате такого переноса происходит постепенное высвобождение свободной энергии реакции восстановления кислорода до воды. Эта энергия частично может быть запасена в виде энергии фосфатной связи молекулы АТФ.

Процесс синтеза молекулы АТФ за счет энергии окисления различных субстратов был открыт в СССР В. А. Энгельгардтом в 1930 г. и получил название окислительного или дыхательного фосфорилирования. При переносе пары электронов от восстановленного НАД к кислороду в дыхательной цепи происходит образование 3 молекул АТФ. Если же реакция окисления начинается на уровне флавинсодержащих дегидрогеназ (сукцинатдегидрогеназы, ацил-КоА — дегидрогеназы), синтезируется только 2 молекулы АТФ. Для оценки эффективности окислительного фосфорилирования В. А. Белицер в 1939 г. ввел величину отношения P/О, т. е. количества неорганического фосфата, включившегося в молекулу АТФ, в пересчете на каждый поглощаемый атом кислорода. Величина отношения P/О при окислении НАД*H равна 3, а при окислении янтарной к-ты (сукцината) — 2.

Механизм трансформации энергии окисления в энергию хим. связи АТФ пока полностью не выяснен. Среди существующих гипотез наиболее признанной является хеми-осмотическая гипотеза Митчелла (Р. Mitchell), согласно к-рой перенос электронов в дыхательной цепи приводит к возникновению электрохимического потенциала ионов водорода по разные стороны внутренней мембраны митохондрий, энергия разности этих потенциалов используется затем в синтезе молекулы АТФ.

При нек-рых воздействиях (напр., при переохлаждении организма) у животных с постоянной температурой тела сопряженные процессы окисления и фосфорилирования (см.) разобщаются и свободная энергия, освобождающаяся при переносе электронов, не запасается в молекуле АТФ, а рассеивается в виде тепла. В интактных митохондриях перенос электронов в отсутствии субстратов фосфорилирования (АДФ и неорганического фосфата) происходит с очень низкой скоростью. В присутствии АДФ и неорганического фосфата скорость переноса электронов резко увеличивается. Такое жесткое сопряжение между окислением и фосфорилированием характерно только для интактных митохондрий. Под влиянием нек-рых соединений процессы окисления и фосфорилирования могут быть разобщены. Веществами, способными разобщать окисление и фосфорилирование, являются гормоны щитовидной железы, жирные к-ты, 2,4-динитрофенол, дикумарин и др.

В тканях организма вещества, всосавшиеся в кровь из кишечника (глюкоза, аминокислоты, жирные к-ты и др.), вступают в реакцию распада. Начальным этапом катаболизма глюкозы (см.) в тканях животных является гликолиз, представляющий собой определенную последовательность анаэробных ферментативных реакций превращения глюкозы в пировиноградную кислоту (см.). Энергетический эффект гликолиза состоит в образовании 2 молекул АТФ и 2 молекул НАД-H на 1 молекулу глюкозы. При окислении 2 молекул НАД*H в дыхательной цепи митохондрий происходит образование еще 6 богатых энергией фосфатных связей в молекулах АТФ. Источником энергии для образования АТФ в процессе гликолиза служит реакция гликолитической оксидоредукции, катализируемая глицеральдегидфосфатдегидрогеназой (КФ 1.2.1.12) и енолазой (КФ 4.2.1. 11). Пировиноградная к-та (пируват) подвергается окислительному декарбоксилированию (см.) под действием мультиферментного пируватдегидрогеназного комплекса (КФ 1.2.2.2), локализованного в митохондриях. Продуктом этой ферментативной реакции является ацетил-КоА, к-рый включается в цикл Трикарбоновых к-т.

Аминокислоты, входящие в состав белков, подвергаются ферментативным окислительным реакциям распада с образованием довольно ограниченного числа метаболитов, в основном ацетил-КоА, альфа-кетоглутаровой и щавелево-уксусной к-т. Все они способны включаться в цикл Трикарбоновых к-т. Центральное место в катаболизме аминокислот занимают транс а минирование (см.) и окислительное дезаминирование (см.). При трансаминировании альфа-аминогруппы практически всех аминокислот переносятся в молекулу а-кетоглутаровой к-ты, в результате чего образуется глутаминовая к-та. В митохондриях под действием фермента глутаматдегидрогеназы (КФ 1.4.1.3; 1.4.1.4) происходит окислительное дезаминирование глутаминовой к-ты, сопровождающееся образованием альфа-кетоглутаровой к-ты и токсичного для организма аммиака, к-рый обезвреживается в цикле мочевины (см.). Акцептором электронов в глутаматдегидрогеназной реакции служат НАД и НАДФ, окисляющиеся затем в дыхательной цепи митохондрий.

Важную роль играют окислительные процессы и в жировом обмене. Молекулы свободных жирных кислот (см.) в процессе бета-окисления и в меньшей степени α- и ω-окисления вступают в циклические окислительно-восстановительные реакции с образованием в качестве главного промежуточного продукта ацетил-КоА. Ферменты, принимающие участие в окислительном распаде жирных к-т при их бета-окислении, локализованы преимущественно в митохондриях и тесно связаны с дыхательной цепью. Выход энергии в результате окислительного распада жирных к-т, напр, пальмитиновой к-ты, очень велик: в результате β-окисления этой жирной к-ты образуется 8 молекул ацетил-КоА, 7 молекул ФАД-Н2 и 7 молекул НАД-Н, окисление к-рых в цикле Трикарбоновых к-т и дыхательной цепи митохондрий может дать до 130 молекул АТФ.

Многие окислительно-восстановительные реакции, протекающие в организме человека и животных, не направлены на накопление потенциальной энергии фосфоангидридных связей, но являются совершенно необходимыми для образования таких жизненно важных соединении, как стерины, простагландины, биологически активные производные витамина

D, нейромедиаторы и др. Реакции такого типа чаще всего катализируются оксигеназами (КФ 1.13.11), к-рые участвуют также и в катаболизме многих органических веществ, в т. ч. и токсичных для организма.

Интенсивность О. б. в отдельных органах и тканях может быть изучена с помощью манометрических методов. Дыхательный коэффициент (см.), количественно характеризующий О. б. в изолированных тканях или их гомогенатах, представляет собой величину отношения объема углекислого газа, выделившегося за определенный промежуток времени, к объему поглощенного за это же время кислорода. Количество поглощенного срезами изолированных тканей или тканевыми гомогенатами кислорода и выделенного углекислого газа можно измерить в аппарате Варбурга (см. Микрореспирометры).

Большое значение для изучения процессов О. б. имеет разработка методов фракционирования биол, материала. Для выделения тех или иных компонентов живой клетки применяются такие методы, как ультрацентрифугирование, адсорбционная, ионообменная и аффинная хроматография (см.), гель-фильтрация (см.), электрофорез (см.) и др. С помощью этих методов удается выделить не только очищенные клеточные органеллы, напр, митохондрии, но и индивидуальные оксидоредуктазы в гомогенном состоянии. Широкое применение для изучения окислительно-восстановительных реакций нашли радиоизотопные методы, спектроскопия (см.), потенциометрические, электрометрические и полярографические (см. Полярография) методы исследования.

Библиография: Беркович E. М. Энергетический обмен в норме и патологии, М., 1964; Ленинджер А. Биохимия, пер. с англ., с. 311, М., 1976; Мецлер Д. Биохимия, Химические реакции в живой клетке, пер. с англ., т. 2, М., 1980; P экер Э. Биоэнергетические механизмы, новые взгляды, пер. с англ., М., 1979; Скулачев В. П. Аккумуляция энергии в клетке, М., 1969; Скулачев В. П. и Козлов И. А. Протонные аденозинтрифосфатазы, М., 1977; Mitchell P. Keilin’s respiratory chain concept and its chemiosmotic consequences, Science, v. 206, p. 1148, 1979.

В. Г. Гривенникова.