voronina

Ацетил-КоА включається в цикл Кребса, у ході якого утворю- ється CO2 й вода, а енергія акумулюється в AТФ. При розриві тіо- ефірного зв'язку виділяється в середньому 33,6 кДж енергії на 1 моль, тобто приблизно стільки ж, скільки (за деяких умов) при гід- ролізі АТФ на АДФ і фосфорну кислоту.

Таким чином, біологічні системи здатні утворювати специфічні сполуки, які містять велику кількість вільної енергії. Надлишок віль- ної енергії запасається у вигляді хімічної (АТФ) і електричної (НАД Н) енергій, тобто у формах, в яких клітина може її використо- вувати для прояву різноманітних процесів життєдіяльності.

Біоенергетика

Зупинимося тепер докладніше на процесах синтезу А'ГФ в орга- нізмі, тобто на тому, якими шляхами енергія поживних речовин ви- вільняється, і як вона запасається у вигляді АТФ.

Як уже зазначалося, організми людини і вищих тварин є гетеро- трофами – вони отримують енергію з поживними речовинами. Од- нак енергія, яка міститься в хімічних зв'язках вуглеводів, ліпідів, біл- ків та інших органічних сполук, відразу не може бути використана безпосередньо для виконання тієї або іншої роботи в клітині. Тому ці групи речовин в обмінних процесах зазнають розщеплення, а потім – окислення. Тобто відбувається універсалізація «палива», у результаті якої утворюється АТФ. Макроергічні зв'язки АТФ є універсальним джерелом енергії для численних ендергонічних процесів у клітині.

У зв'язку з тим, що джерелом енергії у клітині виступає голо- вним чином електрон водню, то процес її вивільнення можна уявити як процес вивільнення водню й умовно розбити на три етапи (фази) (див. табл. 8 і рис. 56).

Універсалізація «палива» в організмі

Перша підготовча фаза. У цій фазі відбувається переведення ви- сокомолекулярних біополімерів, які надходять з їжею або знаходять- ся всередині клітин, у зручну для вилучення енергії форму – мономе- ри. Здійснюється цей етап у шлунково-кишковому тракті (ШКТ) або всередині клітин організму за допомогою гідролаз. Всередині кліти- ни гідроліз здійснюється за участю ферментів цитоплазми й лізосом. Так, вуглеводи (полісахариди, олігосахариди) розпадаються до мо- носахаридів, триацилгліцерини – до гліцерину і вищих жирних кис- лот, білки – до амінокислот (табл. 8 і рис. 56). На цьому етапі звіль- нюється незначна кількість енергії, приблизно до 1% енергії суб- стратів, але й вона розсіюється у формі тепла.

181

				Таблиця 8
	Універсалізація «палива» в організмі
			Органи і тканини
Джерела енергії	Ентеральний об-	Кров		Мітохондрії людини
	мін у ШКТ і внут-		(проміжний обмін)
	рішньотканинний
	розпад
			Низькомолекуляр-
1. Вуглеводи	Моносахариди	Глюкоза		Тканинне дихання: ви-
(крохмаль, гліко-	(головним чином		ні жирні кислоти та	вільнення атома водню
ген, моно- і диса-	глюкоза)		їх похідні; ацетил-	у складі переносників;
хариди та ін.)			КоА	розділення його на Н+ і
			Низькомолекуляр-	е–, перенесення е– на О
2. Ліпіди	Гліцерин і високо-	Специфічний жир
				2–		2
(триацилгліцерини	молекулярні жирні	після ентерального	ні жирні кислоти та	з утворенням іона О	:
та ін.)	кислоти (ВМЖК)	обміну і продукти	їх похідні; ацетил-
		гідролізу ліпідів пі-	КоА
		сля тканинного
		обміну
			Низькомолекуляр-	Звільнювана поетапно
3. Білки	Амінокислоти	Амінокислоти
			ні жирні кислоти;	(частинами) енергія ру-
			щавлевооцтова, α-	хомого е– внаслідок
			кетоглутарова кис-	процесу фосфорилю-
			лоти; ацетил-КоА	вання АДФ акумулю-
				ється в АТФ

182

Рис. 56. Етапи (фази) вивільнення енергії в організмі (пояснення в тексті)

На другому етапі мономери розпадаються в клітинах тканин і органів на більш прості сполуки, які можуть бути однаковими в різ- них мономерів. Так, при окисленні моносахаридів, триацилгліцери- нів і деяких амінокислот утворюються, хоча й різними шляхами, жи- рні кислоти з довжиною ланцюга від C2 до C6; їх приблизно 10 різно- видів. Наприклад, піровиноградна, лимонна, ізолимонна, α-кетоглу- тарова, янтарна, яблучна, щавлевооцтова та ін. (див. цикл Креб- са ). Одним із ключових проміжних продуктів розпаду є оцтова кис- лота, сполучена з коферментом ацетилювання (ацетилкоензим А).

На другому етапі, який відбувається в анаеробних умовах, звіль- нюється близько 25–30% енергії вихідних речовин. Частина цієї енер-

183

гії акумулюється у фосфатних зв'язках АТФ (субстратне фосфорилю- вання), а частина розсіюється у вигляді тепла. Перетворення моно- мерів протікає в гіалоплазмі, а кінцеві реакції – в мітохондріях.

Третя фаза – остаточний розпад речовин до CO2 і H2O за участю кисню і з повним звільненням енергії. Звільнений водень у складі своїх переносників під впливом ферментів тканинного дихання розділяєть- ся на H+ і е–. Електрон, переходячи на нижчу орбіталь кисню, активує його і, сполучаючись із протонами, утворює воду. Вільна енергія, яка виділяється при цьому, акумулюється в молекулах АТФ, в утворенні якої беруть участь АДФ, фосфат і фермент АТФ-синтетаза. Близько 70–80% усієї енергії хімічних зв'язків речовин звільнюється в цій фазі. Енергія окислення субстратів зосереджується у фосфатних зв'язках АТФ, частина її виділяється у вигляді тепла. Всі реакції цієї фази лока- лізовані в мітохондріях.

Біологічне окислення. Тканинне дихання

Біологічне окислення має величезне значення для живих орга- нізмів. Більша частина енергії, необхідної для життєдіяльності, утворюється внаслідок окислювально-відновних реакцій.

Окислення речовин може здійснюватися такими шляхами: а) від- щепленням водню від субстрату, який окислюється (процес дегідру- вання); б) віддачею субстратом електрона; в) приєднанням кисню до субстрату. У живих клітинах зустрічаються всі перелічені типи окис- лювальних реакцій, які каталізуються відповідними ферментами – ок- сидоредуктазами. Процес окислення відбувається не ізольовано, він пов’язаний з реакцією відновлення: одночасно відбуваються реакції приєднання водню або електрона, тобто здійснюються окислюваль- но-відновні реакції.

Окисленням називають усі хімічні реакції, під час яких відбува- ється віддача електронів, що супроводжується збільшенням позити- вних валентностей. Але одночасно з окисленням однієї речовини по- винне відбуватися й відновлення, тобто приєднання електронів до іншої речовини.

Таким чином, біологічне окислення й відновлення – це відпові- дні реакції переносу електронів, що відбуваються в живих організ- мах, а тканинне дихання – такий вид біологічного окислення, при якому акцептором електрона є молекулярний кисень.

Коротка історія розвитку вчення про біологічне окислення. Ви-

вчення процесів біологічного окислення започаткував у XVIII ст. А. Лавуазьє. Він звернув увагу на наявність певної тотожності процесів горіння органічних речовин поза організмом і диханням тварин. Ви- явилося, що при диханні, як і при горінні, поглинається кисень і утворюються CO2 и H2O, проте процес «горіння» в організмі йде ду- же повільно, до того ж, без полум’я.

Після робіт А. Лавуазьє в науці протягом тривалого часу панувала думка про тотожність явищ горіння й повільного окислення поживних речовин в організмі. Проте залишалося незрозумілим, чому це особ- ливе повільне «горіння» в організмі відбувається за незвичайних умов:

184

за певної низької температури (36–37°C), без виникнення полум'я (як це має місце при горінні) і в присутності води, вміст якої досягає в тканинах 75–80% від загальної маси і яка у звичайних умовах горінню заважає. Це вказувало на те, що повільне окислення органічних речо- вин в організмі за своїм механізмом різко відрізняється від звичайно- го горіння в повітрі органічних речовин (дерева, вугілля тощо), хоча кінцевими продуктами в обох випадках є CO2 і вода.

Причину такого своєрідного перебігу окислювальних процесів у живих організмах вчені спочатку намагалися пояснити «активацією» кисню в клітинах організму.

Одна з перших теорій біологічного окислення, пов'язаних з «акти- вацією» кисню, була розвинута російським вченим О.М.Бахом (1897), який вважав, що молекула кисню здатна діяти як окислювач органічних речовин тільки після своєї активації внаслідок розриву одного із зв'язків у його молекулі (-O-O-). Активація відбувається, зокрема, якщо в сере- довищі присутні сполуки, які легко окислюються (наприклад, які мають подвійні зв'язки), за участюферментів оксигеназ.

Сполуки, що легко окислюються, наприклад, ненасичені жирні кислоти, взаємодіючи з киснем, утворюють пероксиди:

Утворені пероксиди потім віддають активний кисень за участю ферментів (пероксидаз) субстрату:

У цих реакціях окислення йде паралельно з відновленням. У та- кий спосіб О.М. Бах уперше сформулював ідею про спряженість оки- слювально-відновних процесів при диханні. Теорія О.М. Баха отри- мала назву «перекисної теорії» активації кисню.

Проте істинний механізм активації кисню під час окислення різ- них субстратів дихання виявився іншим.

Значну роль у розвитку теорії біологічного окислення відіграли роботи іншого російського вченого – В.І. Палладіна (1907). Він роз- винув уявлення про дихання як систему ферментативних процесів і особливого значення надавав окисленню субстратів шляхом відщеп- лення водню (процес дегідрування).

Вивчаючи окислення субстратів у рослинах, В.І. Палладін вста- новив, що воно може відбуватися без кисню, якщо в середовищі на- явні речовини, здатні приєднувати відщеплений при окисленні во- день. Такими речовинами можуть бути пігменти або хромогени та інші речовини, які виконують функцію проміжних переносників вод- ню. Приєднуючи водень від субстратів, які при цьому окислюються, хромогени відновлюються і стають безбарвними:

185

Таким чином, В.І. Палладін надавав великого значення процесу окислення як процесу дегідрування, а також вказував на важливу роль кисню як акцептора водню в процесах біологічного окислення.

Дослідження В.І. Палладіна були підтверджені роботами Г. Віланда, котрий встановив на прикладі окислення альдегідів, що процес дегідрування субстратів є основним процесом, який лежить в основі біологічного окислення, і що кисень взаємодіє вже з активо- ваними атомами водню. Отже, булa створена концепція окислення речовин шляхом їх дегідрування, яка стала називатися теорією Пал- ладіна-Віланда. Велику роль у підтвердженні цієї теорії відіграло відкриття й вивчення цілого ряду ферментів-дегідрогеназ, які ката- лізують відщеплення атомів водню від різних субстратів.

В подальшому були вивчені: зв'язок дихання з іншими процеса- ми обміну речовин, у тому числі й з процесом фосфорилювання; властивості ферментів, які каталізують реакції біологічного окис- лення; локалізація цих ферментів у клітині; механізм акумуляції й перетворення енергії тощо.

Значний внесок у вивчення біологічного окислення зробили О. Варбург, Д. Кейлін, Г. Кребс, П. Мітчелл, Д. Грін, А. Ленінджер, Б. Чанс, Е. Рекер, В.О. Енгельгардт, В.О. Беліцер, С.Є. Северін, В.П. Скулачов та ін.

Сучасні уявлення про біологічне окислення і тканинне дихання

Тканинним або клітинним диханням називають розпад органіч-

них речовин у живій тканині, який супроводжується споживанням ки- сню й виділенням води й діоксиду вуглецю. Це послідовність реак- цій, за допомогою яких організм використовує енергію зв'язків орга- нічних молекул для синтезу АТФ з АДФ і фосфату, а система ферме-

186

нтів, що забезпечують цей процес, називається дихальним ланцюгом. Тканинне дихання починається реакціями дегідрування (відщеплен- ня водню від органічних речовин за допомогою ферментів дегідро- геназ) і закінчується переносом електронів на кисень.

У цьому розділі буде розглянута лише та частина енергетично- го обміну, яка завершується синтезом АТФ. Що стосується питань використання енергії АТФ, то вони представлені в більшості інших розділів біохімії.

Дихальний ланцюг. У процесі розщеплення поживних речовин від субстратів шляхом окислення відщеплюются протони й елек- трони (див. обмін вуглеводів, ліпідів, білків). Вони надходять на коферменти ферментів дегідрогеназ, які утворюють дихальний ланцюг і локалізовані у внутрішній мембрані мітохондрій. Рухаю- чись від одного переносника електронів до іншого, електрони пе- реходять на все нижчі енергетичні рівні, віддаючи порціями свою енергію. На останній ланці дихального ланцюга вони відновлю- ють молекулярний кисень з утворенням води. Звільнена при пе- реносі електронів по дихальному ланцюгу енергія запасається в пірофосфатних зв'язках АТФ.

Таким чином, при розгляді загального кругообігу енергії в біологічних системах відзначається накопичення енергії в процесі фотосинтезу і звільнення її в процесі тканинного дихання.

У клітинах тварин і людини спряження енергії окислювально- відновних реакцій із синтезом АТФ відбувається в клітинних органе- лах– мітохондріях, головна функція яких полягає в перетворенні енер- гії, в енергопродукції. Тому їх образно називають силовими енергетич- ними станціями клітин. Мітохондрії мають замкнуті, ізольовані одна від одної дві мембрани: внутрішню й зовнішню, які розділені міжмемб- ранним простором (рис. 58). Їх можна уявити як мішок у мішку. Внут- рішня мембрана химерно вигинається, утворюючи складки – крісти, а простір між крістами заповнений рідкою фазою– матриксом. Фермен- ти дихального ланцюга вбудованіу внутрішню мембрану мітохондрій.

Отже, окислення органічних молекул у клітині, пов’язане зі зві- льненням енергії, здійснюється дегідруванням (переносом електро- нів і протонів від атомів водню на молекулярний кисень):

Ці реакції каталізують головним чином 3 групи окислювально- відновних ферментів: 1) піридинзалежні дегідрогенази; 2) флавін- залежні дегідрогенази; 3) цитохроми.

187

Для зручності вивчення процес тканинного дихання можна роз- бити на декілька етапів.

Перший етап тканинного дихання починається з дегідрування, тобто відщеплення атомів водню від відповідного субстрату. Цей процес здійснюється так званими піридинзалежними (для одних суб- стратів) та флавінзалежними (для інших субстратів) дегідрогеназами.

Піридинзалежні дегідрогенази одержали таку назву у зв'язку з тим, що структура їх небілкового компонента містить похідне пі- ридину – нікотинамід. Тому їх ще називають нікотинамідними дегі- дрогеназами. Ці дегідрогенази містять такі коферменти:

– нікотинамідаденіндинуклеотид – скорочено НАД+. Він побу- дований із двох нуклеотидів: аденілової кислоти і другого нуклеоти- ду, в якого місце пуринової чи піримідинової основи займає нікоти- намід (вітамін РР). Ці нуклеотиди з'єднані через залишки фосфатів;

– нікотинамідаденіндинуклеотидфосфат – скорочено НАДФ+. Це НАД+, у якого в 2′-положенні рибози аденілової кислоти є додаткова фосфатна группа.

У піридинзалежних дегідрогеназ коферменти НАД+ або НАДФ+ неміцно зв'язані з апоферментом і тому можуть у клітині знаходитися окремо від білкової частини ферменту, виконуючи функцію переносни- ків атомів водню (протонів і електронів). Ці дегідрогенази є універса- льними акцепторами водню для багатьох субстратів: спиртів, альдегідів, кето- та гідроксикислот, дикарбонових кислот, амінів тощо. Забираючи від субстратів атоми водню, вони відновлюються, а субстрати окислю- ються. Специфічність дії цієї групи дегідрогеназ зумовлена білковою час- тиноюферменту, оскількикоферментизасвоєюбудовоюподібні.

188

Дегідрування субстрату – початкову стадію біологічного окис- лення за участю піридинзалежних дегідрогеназ на прикладі молочної кислоти можна подати так:

Здатність НАД+ і НАДФ+ виконувати функцію проміжного пе- реносника водню пов'язана з наявністю в їх структурі аміду нікоти- нової кислоти: один з атомів водню (H+ і е-), відщеплених від суб- страту, приєднується до вуглецю нікотинамідного кільця в поло- женні 4. Електрон другого атома водню (H+, е-) приєднується на зовнішній енергетичний рівень електропозитивного атома азоту в положенні 1, нейтралізуючи його позитивний заряд, а протон (H+) переходить у середовище, підкислюючи його. У процесі приєднання електронів і протонів змінюється структура піридинового гетеро- циклу. Кільце нікотинаміду, яке в окисленій формі мало три по- двійних зв'язки, відновлюється й має два подвійні зв'язки:

189

Флавінзалежні дегідрогенази. Флавінзалежних дегідрогеназ, які мають у структурі небілкового компонента флавінове (алоксазино- ве) кільце – вітамін В2, дуже багато. Одні з них виконують функцію первинного дегідрування певних субстратів (янтарна кислота, ацил- похідні жирних кислот та ін.). Вони здатні відщеплювати і приймати водень від субстратів; при цьому виключається дія піридинзалежних дегідрогеназ. Інші – оксидази – одразу передають одержані при дегі- друванні атоми водню від субстратів на молекулярний кисень з утворенням перекису водню.

Існують флавінові ферменти, які є проміжними переносниками водню від НАД H+H+, що утворюються, як було показано, на пер- шому етапі дихального ланцюга внаслідок дії нікотинамідних дегі- дрогеназ, на сполуки наступного етапу дихального ланцюга (убіхі- нон). Вони одержали назви НАДН2-дегідрогеназ (водень забира- ють від НАД H+H+) або флавопротеїнів-1 (ФП1). Ці флавопротеї- ни представлені складними олігомерними білковими сполуками, які містять у своєму складі простетичну групу флавінового похідно- го, атоми металів, частіше за все у формі білків із залізосірчаними центрами (Fe-S-білки). У цих білках залізо не перебуває у складі гему, а приєднане координаційними зв'язками до атомів сірки в ци- стеїнових залишках білка.

Будову й функції флавінових ферментів (флавопротеїнів) буде наведено під час розгляду другого етапу біологічного окислення.

Первинні дегідрогенази локалізуються на внутрішній поверхні внутрішньої мембрани і їхні активні центри обернені в матрикс.

Другий етап полягає в переносі по дихальному ланцюгу двох атомів водню від відновленої форми НАД H+H+ на флавопротеїни (флавінові ферменти) – проміжні переносники атомів водню.

Флавінові ферменти – це складні протеїни, що містять як про- стетичну групу один із двох похідних вітаміну В2 – флавінмононукле- отид (ФМН) або флавінаденіндинуклеотид (ФАД).

Вітамін В2 складається із трициклічної сполуки ізоалоксазину, утвореного конденсацією трьох кілець: бензольного (I), піразиново- го (II) й піримідинового (III) та спирту рибітолу (похідне рибози), у зв’язку з чим його названо рибофлавіном.

190