Розділ 3. Біоенергетичні процеси: транспорт електронів. Окисне фосфорилування в мітохондріях

Внутрішньомолекулярне окиснення біологічних субстратів (або біологічне окиснення) є основним молекулярним механізмом, за рахунок якого забезпечується енергетичні потреби функціонування живих організмів.

Важливу роль у розвитку теорії біологічного окиснення відіграли роботи В. Палладіна (1907). Вивчаючи окиснення субстратів в рослинах, В. Палладін встановив, що воно може проходити і при відсутності кисню, якщо в середовиші є речовини, які здатні приєднувати водень. Такими речовинами можуть бути пігменти хромогени й інші речовини, які виконують функцію проміжних перенощиків водню. Приєднуючи водень від субстратів, які при цьому окиснюються, хромогени відновлюються і стають неполярними:

Біологічне окиснення має важливе значення для живих організмів. Велика кількість енергії, яка необхідна для життєдіяльності, утворюється в результаті окиснювально-відновних реакцій.

Окиснення – це процес втрати атомом, молекулою, що окиснюється (субстратом окиснення), електронів або атомів водню. Окиснення речовин може здійснюватись наступним чином: а) відщепленням водню від субстрату (процес дегідрування); б) віддачею субстратом електрона; в) приєднанням кисню до субстрату. Окиснення шляхом приєднання кисню до різних речовин відбувається переважно шляхом включенням його з води. Перетворення жирних кислот, амінокислот в окси- та кетокислоти відбувається саме поєднанням процесів дегідрування і гідратації.

Такий процес окиснення без участі атмосферного кисню, як уже зазначалося, називається анаеробним окисненням. У вищих організмів, в тому числі і в людини, теж відбувається анаеробне окиснення багатьох субстратів. Таке окиснення, зокрема, спостерігається при перетворенні фосфогліцеринового альдегіду в 1,3-дифосфогліцеринову кислоту, при окиснювапьному дезамінуванні глутамінової кислоти до α-кетоглутарової кислоти і в ряді інших процесів. Однак вирішальне значення для життя цих організмів мають аеробні процеси, врешті-решт, водень через ряд проміжних систем передається на атмосферний кисень з утворенням молекули води.

Відновлення – реакція зворотна окисненню, супроводжується приєднанням органічним субстратом електронів або атомів водню (гідруванням) субстрату.

Відповідно, в окисно-відновному процесі бере участь два типи речовин: окисник (сполука, що приймає електрони) та відновник (сполука, що віддає електрони). Окисник та відновник складають окисно-відновну систему (редокс систему).

Здатність окисно-відновної системи віддавати або приймати електрони характеризується її окисно-відновним потенціалом, величина якого кількісно визначає здатність системи бути донором або акцептором електронів відносно іншої редокс-системи.

Згідно рекомендованих положень Міжнародного союзу з теоретичної та прикладної хімії прийнято вважати, що більш негативні редокс-потенціали мають системи з підвищеною здатністю віддавати електрони, а більш позитивні - системи, що схильні акцептувати електрони.

Стандартні окисно-відновні потенціали вимірюють (у вольтах) відносно потенціалу водневого електрода Н⁺/Н₂, приймаючи останній за нуль, при рН=0. Для біологічних систем більш зручно визначати редокс-потенціали за умов рН=7,0 – такий стандартний потенціал позначають Е₀’. За цих умов Е₀’ водневого електрода дорівнює -0,42 в.