Процесс биологического окисления питательных веществ в организме привлекает внимание ученых уже более 200 лет.
Связано это с тем, что биологическое окисление веществ в тканях организма, как и процесс горения, сопряжено с освобождением энергии.
Энергия, выделяющаяся при окислении питательных веществ, не только рассеивается в виде тепла, но и накапливается в молекулах АТФ.
В настоящее время процессы биологического окисления и образования АТФ в клетках организма хорошо изучены.
Процессы биологического окисления.
При обмене веществ в организме человека протекают окислительно-восстановительные реакции.
Процесс окисления любого вещества связан с отдачей электронов окисляемым веществом (донором электронов), а процесс восстановления — с присоединением электронов к какому-то веществу (акцептору электронов).
В живых организмах в целях сохранения целостности клетки выделение энергии происходит постепенно.
Процесс биологического окисления питательного вещества — субстрата (S) в клетках организма протекает с участием специфических ферментов и переносчиков водорода (А) согласно следующей схеме:
Конечным акцептором водорода в реакциях биологического окисления в клетках организма человека могут быть органические вещества и кислород вдыхаемого воздуха.
Процессы биологического окисления питательных веществ в клетках, протекаемые с участием кислорода воздуха, называются тканевым дыханием.
Типы реакций биологического окисления.
Выделяют аэробные и анаэробные реакции биологического окисления веществ.
Если акцептором водорода является кислород — это аэробный, или дыхательный тип окисления.
Протекает он с участием ферментов оксидаз:
Если акцептором водорода является не кислород, а какое-либо органическое вещество (например, S2 ), то такой тип окисления является анаэробным.
В анаэробных реакциях участвуют ферменты дегидрогеназы:
Кроме этих реакций в клетках протекают окислительно-восстановительные реакции с изменением валентности атомов железа, как это имеет место при передаче водорода на кислород в системе дыхательной цепи митохондрий:
Взаимосвязь процессов биологического окисления и образования АТФ.
Освобождаемая в реакциях биологического окисления энергия может рассеиваться в виде тепла или улавливаться в процессе синтеза макроэргических соединений.
Поэтому выделяют свободное и сопряженное окисление.
Свободное окисление не взаимосвязано с переходом энергии биологического окисления в энергию макроэргических соединений.
Выделяющаяся энергия рассеивается в виде тепла.
Этот вид энергообразования в клетках важен для теплорегуляции и детоксикации вредных продуктов обмена веществ.
Наблюдается он при отдельных видах мышечной деятельности и интенсивной разминки.
Сопряженное окисление связано с переходом свободной энергии, выделяющейся в процессе биологического окисления, в доступную для использования форму энергии — макроэргические связи АТФ или другие виды энергии, например ионный градиент.
Различают такие виды сопряженного окисления, как субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование.
Субстратное фосфорилирование — это синтез АТФ за счет переноса высокоэнергетического ортофосфата (Н3 Р04 ) от окисляемого субстрата на АДФ.
Такое фосфорилирование происходит в основном в мышцах при анаэробном окислении глюкозы с участием высокоспецифических ферментов.
За счет реакций субстратного фосфорилирования образуется сравнительно небольшое количество АТФ в клетке.
Окислительное фосфорилирование — это синтез АТФ за счет энергии, которая выделяется при переносе электронов по дыхательной цепи от окисляемых питательных веществ к атомарному кислороду. Окислительное фосфорилирование является основным механизмом образования АТФ в аэробных условиях.
Субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование характеризуются разной степенью сопряженности между реакциями, протекающими с освобождением и накоплением энергии.
При субстратном фосфорилировании окисление тесно связано с образованием первичного макроэргического соединения.
При окислительном фосфорилировании окисление в дыхательной цепи непосредственно не связано с синтезом АТФ и первоначально используется для образования протонного потенциала, который в дальнейшем приводит к синтезу АТФ.
Энергия протонного потенциала может затрачиваться и на другие виды работы, поэтому образование АТФ не является единственным и обязательным следствием окисления.
Ферменты и коферменты реакций биологического окисления, их участие в метаболизме клеток.
Окислительно-восстановительные реакции в организме катализируются специфическими ферментами из класса оксидоредуктаз.
Реакции окисления, связанные с отщеплением водорода от окисляемого субстрата (дегидрогенизация), катализируются ферментами дегидрогеназами, а реакции присоединения водорода к кислороду — ферментами оксидазами.
Обмен энергии в организме. Ч.1.
Обмен энергии в организме. Ч.2. АТФ — универсальный источник энергии в организме.