3.1. Типи реакцій біологічного окиснення

У процесах біологічного окиснення у живих системах виділяють такі типи реакцій:

1. Реакції, пов’язані з передаванням субстратом, що окиснюється (SН₂), певному акцептору (А), водню (тобто протонів і електронів):

SН₂ +А → S + АН₂

Реакції такого типу називаються реакціями дегідрування, а ферменти, що їх каталізують – дегідрогеназами. Коферментами дегідрогеназ, що виконують функції безпосередніх акцепторів відновлювальних еквівалентів, є такі сполуки:

-нікотинамідні коферменти - нуклеотиди НАД⁺ (нікотинамідаденіндинуклеотид) та НАДФ⁺ (нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат);

-флавінові коферменти – нуклеотиди ФАД (флавінаденіндинуклеотид) та ФМН (флавінмононуклеотид). Ці коферменти утворюють ланцюги передавання відновлювальних еквівалентів у біологічних системах.

Залежно від хімічної природи акцептора, з яким взаємодіють дегідрогенази, реакції дегідрування поділяють на такі класи:

1.1. Реакції дегідрування, в яких акцептор є хімічна сполука (R), відмінна від кисню:

SН₂ +R → S + RН₂

Ферменти цих реакцій є анаеробні дегідрогенази.

1.2. Реакції дегідрування, в яких як акцептор використовують кисень:

SН₂ +О₂ → S + Н₂О₂

Ферменти цих реакцій є аеробні дегідрогенази або оксидази;

2. Реакції, що відбуваються з передаванням від субстрату до акцептора електронів:

у .результаті їх дії утворюється пероксид водню.

Sе^- +А → S +Ае^-

Реакції такого типу каталізують цитохроми дихального ланцюга мітохондрій.

3. Реакції, що полягають у безпосередньому приєднанні до субстрату, який окиснюється, одного або двох атомів кисню. Такі реакції називають оксигеназними, а відповідні ферменти, що їх каталізують оксигенази.

Залежно від кількості атомів кисню, що взаємодіють з субстратом, оксигеназні реакції поділяють на:

- монооксигеназні:

SН₂ +1/2О₂ → S – ОН

- діоксигеназні:

S + О₂ → SО₂

Монооксигеназні реакції каталізуються цитохромом Р₄₅₀ і лежить в основі окиснювального гідроксилювання багатьох гідрофобних субстратів екзогенного та ендогенного походження (мікросомальне окиснення). До діоксигеназних реакцій належать реакції пероксидного окиснення ліпідів, тобто ненасичених жирних кислот, що входять до складу ліпідів.

Біологічне окиснення протікає при :низькій температурі тіла,без появи полум"я, у присутності води, яка становить у тканинах приблизно 2/3 від загальної маси тіла.

3.2. Сучасні уявлення про тканинне дихання

Тканинним або клітинним диханням називають розпад органічних речовин в живій тканині, що супроводжується використанням кисню і виділенням води та вуглекислого газу. Таким чином, тканинне дихання – послідовність реакцій, за допомогою яких організми використовують енергію зв’язків органічних речовин для синтезу АТФ з АДФ і фосфату, а система ферментів, забезпечуючи цей процес, називається дихальним ланцюгом. Тканинне дихання починається реакціями дегідрування (відщеплення водню від органічних речовин за допомогою ферментів дегідрогеназ) і закінчується перенесенням електронів на кисень.

Джерелом кисню для цього процесу є О₂, який надходить з тканин за умов нормальної діяльності зовнішнього дихання та кисеньтранспортувальної функції гемоглобіну крові, і через плазматичні мембрани дифундує всередину клітини. Поряд з водою, іншим кінцевим продуктом тканинного дихання є вуглекислий газ (СО₂), який утворюється в процесах окиснення органічних речовин при численних реакціях декарбоксилювання. Отже, з «хімічної точки зору» різниця між аеробним та анаеробним окисненням, тобто тканинним диханням, зводиться до різниці в акцепторах, які зв'язують водень, що відщеплюється від різних речовин при окисненні. Саме мітохондріальне дихання є біологічною основою утворення та акумуляції вільної хімічної енергії, яка використовується у ендергонічних процесах.

3.2.1. Пероксидна теорія окиснення О. Баха. О.Бах підійшов до вивчення дихання з позиції активації кисню. Він висловив гіпотезу, що для активації кисню потрібний розрив одного із зв'язків і вивільнення валентності для його сполучення з іншими речовинами. Енергія для такого розриву молекулярного кисню може забезпечуватися ненасиченими сполуками, що містять у собі необхідні її запаси.

Утворені високомолекулярні пероксиди віддають активований кисень при участі ферментів (пероксидаз) на субстрат.

Таким чином, на думку О.Баха такий шлях використання кисню тканинами проходить через стадію утворення пероксидів, тому ця теорія дістала назву пероксидної теорії.

3.2.2. Теорія дегідрування В. Палладіна. Досліджуючи процеси дихання у рослинах, В.Палладін вивчав рослинні пігменти - хромогени. Останні можуть існувати у безбарвній відновленій формі та при окисленні (дегідруванні) перетворюються на хінони, які мають забарвлення. В формі хінонів вони мають властивість приєднувати водневі та знову відновлюватися до хромогенів. Ці пігменти під впливом ферментів оксидаз окиснюються киснем повітря (при цьому утворюється вода) до хінонів, які знову можуть виступати як акцептори водню різних субстратів. Основні положення про біологічне окиснення В.Палладін показав на прикладі окиснення глюкози.

Сумарне рівняння:

Приведені реакції, можна розділити на низку етапів:

а) перший етап тканинного дихання призводить до утворення СО₂ і не потребує участі атмосферного кисню, здійснюється в анаеробних умовах. Кисень, який входить в СО₂, - це кисень води або субстрату;

б) важливу роль у здійсненні початкового анаеробного етапу відіграють специфічні дегідрогенази, які каталізують відщеплення водню від субстратів;

в) речовини, які можуть відщеплювати водні від субстратів, В.Палладін назвав хромогенами. Вони є термостабільні і можуть бути як в окисленій, так і в відновленій формі;

г) кисень, який поглинається клітинами з повітря, відіграє роль кінцевого акцептора водню, з якого утворюється вода.

Значний внесок у вивчення біологічного окиснення зробили вчені О.Варбуг, Г.Віліанд, Г.Калькар, Д.Кейлін, Г.Кребс, П.Мітчел, Д.Грін, А. Ленніджер, Б.Чанс, Е.Рекер, В.А.Енгельгард, В.А.Беліцер, С.Е.Северин, В.П.Скулачов та інші.