Окислення біологічне (клітинне або тканинне дихання) - окислювально-відновні реакції, які відбуваються в клітинах організму, в результаті яких складні органічні речовини окислюються за участю специфічних ферментів киснем, що доставляються кров'ю. Кінцевими продуктами біологічного окислення є вода і двоокис вуглецю. Вивільнювана в процесі біологічного окислення енергія частково виділяється у вигляді тепла, основна ж її частина йде на освіту молекул складних фосфорорганічних сполук (Головним чином аденозинтрифосфату - АТФ), які є джерелами енергії, необхідної для життєдіяльності організму.
При цьому процес окислення складається у відібранні від окисляемого речовини (субстрату) електронів і рівного їм числа протонів. Субстратами біологічного окислення є продукти перетворень жирів, білків і вуглеводів. Біологічне окислення субстратів до кінцевих продуктів здійснюється ланцюгом послідовних реакцій, в число проміжних продуктів яких входять трикарбонових кислот - лимонна, цісаконітовая і ізолімонная кислоти, тому вся ланцюг реакцій носить назву циклу трикарбонових кислот, або циклу Кребса (по імені дослідника, який встановив цей цикл).
Початковою реакцією циклу Кребса є конденсація щавелево-оцтової кислоти з активованою формою оцтової кислоти (ацетату), яка являє собою з'єднання з коферментом ацетилювання - ацетил-КоА. У результаті реакції утворюється лимонна кислота, яка після чотирикратної дегідрогенізаціі (відщеплення від молекули 2 атомів водню) і дворазового декарбоксилирования (відщеплення молекули CO2) Утворює щавлевооцтову кислоту. Джерелами ацетил-КоА, що використовується в циклі Кребса, є оцтова кислота, пировиноградная кислота - Один з продуктів гліколізу (див.), Жирні кислоти (див.) Та ін. Поряд з окисленням ацетил-КоА в циклі Кребса можуть піддаватися окисленню та інші речовини, здатні перетворюватися на проміжні продукти цього циклу, наприклад багато з амінокислот, які утворюються при розпаді білка. Зважаючи оборотності більшості реакцій циклу Кребса продукти розпаду білків, жирів і вуглеводів (інтермедіати) у ньому можуть не тільки окислюватися, а й виходити при його зверненні. Так здійснюється зв'язок між обміном жирів, білків і вуглеводів.
Протікають в циклі Кребса реакції окислення не супроводжуються, як правило, утворенням багатих енергією з'єднань. Виняток становить перетворення сукцініл-КоА в сукцинат (див. Янтарна кислота), яке супроводжується утворенням гуанозінтріфосфата. Велика частина АТФ утворюється в ланцюзі дихальних ферментів (див.), Де перенесення електронів (а на перших етапах і протонів) до кисню супроводжується виділенням енергії.
Реакції відщеплення водню здійснюються ферментами класу дегидрогеназ, причому атоми водню (т. е. протони + електрони) приєднуються до коферментам: никотинамидадениндинуклеотида (НАД), никотинамидадениндинуклеотид-фосфату (НАДФ), флавінаденіндінуклеотіда (ФАД) та ін.
Процеси біологічного окислення, пов'язані з циклом Кребса і ланцюгом дихальних ферментів, протікають переважно в мітохондріях і локалізовані на їх мембранах.
Таким чином, процеси біологічного окислення, пов'язані з циклом Кребса, мають значення як при утворенні сполук, багатих енергією, так і для здійснення зв'язку вуглеводного, жирового і білкового обміну. Інші види біологічного окислення, мабуть, мають більш вузьке значення, наприклад енергозабезпечення клітин. Така стадія гліколізу, яка полягає в окисленні ряду фосфорних сполук з одночасним відновленням НАД і утворенням АТФ або реакції пентозного циклу (т. Е. Окисного перетворення глюкозо-6-фосфату), що супроводжуються утворенням фосфопентози і відновленого НАДФ. Пентозний цикл відіграє важливу роль в тканинах, що характеризуються інтенсивно протікають синтезами - нуклеїнових, жирних кислот, холестерину та ін. Див. також Обмін речовин і енергії.
Окислення біологічне - сукупність окисно-відновних реакцій, що протікають в біологічних об'єктах. Під процесом окислення розуміють втрату речовиною електронів або електронів і протонів одночасно (втрату водневих атомів) або приєднання кисню. Реакції протилежного напрямку характеризують процес відновлення. Восстановителями називають речовини, що втрачають електрони, окислювачами - речовини, які набувають електрони. Окислення біологічне становить основу тканинного, або клітинного, дихання (процесу, в результаті якого тканини і клітини поглинають кисень і виділяють вуглекислий газ і воду) - головного джерела енергії для організму. Речовиною, приймаючим (акцептує) електрони, т. Е. Відновлюються, є молекулярний кисень, що перетворюється на аніон кисню O-. Водневі атоми, отщепляют від органічної речовини - субстрату окислення (SH2), Перетворюються при втраті електронів в протони або позитивно заряджені катіони водню:
SH2gt; Sgt; 2H- 2Нgt; 2H+ + 2e:? O2gt; О- Оgt; 2еgt; O-- 2H+ + O-gt; H2O + 55 ккал. У результаті реакції між катіонами водню і аніонами кисню утворюється вода, а реакція супроводжується виділенням значної кількості енергії на кожні 18 г води). В якості побічного продукту біологічного окислення утворюється вуглекислий газ. Деякі з реакцій О. б. призводять до утворення перекису водню, під впливом каталази розпадається на H2O і O2.
Постачальниками енергії в організмі людини служать продукти харчування - білки, жири і вуглеводи. Однак ці речовини не можуть служити субстратами О. б. Вони попередньо піддаються розщепленню в травному тракті, де з білків утворюються амінокислоти, з жирів - жирні кислоти і гліцерин, зі складних вуглеводів - моносахариди, в першу чергу гексози. Всі ці сполуки всмоктуються і надходять (прямо або через лімфатичну систему) в кров. Разом з аналогічними речовинами, утвореними в органах і тканинах, вони складають «метаболічний фонд», з якого організм черпає матеріал для биосинтезов і для задоволення енергетичних запитів. Головними субстратами О. б. є продукти тканинного обміну амінокислот, вуглеводів і жирів, що отримали назву речовин «лімоннокіслого циклу». До них відносяться кислоти:
лимонна, цісаконітовая, ізолімонная, щавелевоянтарная,? -кетоглютаровая, бурштинова, фумарова, яблучна, щавлевооцетова.
Піровиноградна кислота СН3-СО-СООН не входить безпосередньо в лимоннокислий цикл, але грає в ньому істотну роль, як і продукт її декарбоксилювання - активна форма оцтової кислоти СН3Соко (ацетил-коензим А).
Процеси, що входять в «лимоннокислий цикл» («цикл Кребса», «цикл трикарбонових кислот»), протікають під дією ферментів, укладених в клітинних органелах, які називаються мітохондріями. Елементарний акт окислення будь-якої речовини, що входить до лимоннокислий цикл, - це відібрання від цієї речовини водню, т. Е. Акт дегідрогенізаціі, обумовлений активністю відповідного специфічно чинного ферменту дегідрогенази (рис. 1).
Рис. 1. Схема лімоннокіслого циклу Кребса.
Якщо процес починається з піровиноградної кислоти, то відщеплення двох атомів водню (2Н) у циклі Кребса повторюється 5 разів і супроводжується трьома послідовними етапами декарбоксилирования. Перший акт - дегідрогенізація - відбувається при перетворенні піровиноградної кислоти в ацетил-КоА, конденсується з щавелевоуксусной кислотою в лимонну. Другий раз дегідрогенізація призводить до утворення щавелевоянтарной кислоти з ізолімонной. Третій акт - відщеплення двох атомів водню - пов'язаний з перетворенням кетоглютарової кислоти в сукцініл-коа- четвертий - з дегідрогенізаціі янтарної кислоти і, нарешті, п'ятий - з перетворенням яблучної кислоти в щавлевооцтову, яка знову може вступити в конденсацію з ацетил-КоА і забезпечити утворення лимонної кислоти. При розпаді сукцініл-КоА утворюється багата енергією зв'язок (~ Р) - це так зване субстратне фосфорилювання: сукцініл-КоА + Н3РВ4 + АДФ gt; бурштинова кислота + КоА + АТФ.
Рис. 2. Схема дегідрогенізаціі субстратів лімоннокіслого циклу специфічними ферментами, що складаються з диссоциирующих комплексів: білків - б1, б2, б3 і б4 з НАД і НАДН2 і білка б5, що утворює комплекс з ФАД (сукціндегідрогеназу) - ЦАК - цісаконітовая кислота.
Чотири з названих актів дегідрогенізаціі здійснюються за участю специфічних дегідрогеназ, коферментом яких є никотинамидадениндинуклеотид (НАД). Один акт - перетворення янтарної кислоти в фумаровую - відбувається під впливом сукціндегідрогенази - флавопротеїдів I. У даному випадку коферментом є флавінаденіндінуклеотід (ФАД). В результаті п'яти повторних актів дегідрогенізаціі (рис. 2) при реакціях, що відбуваються в лимоннокисле циклі, утворюються відновлені форми коферментів: 4-НАДН2 1-ФАДН2. Дегидрогеназа відновленого НАД, т. Е. Приймаюча водень з НАДН2, належить також до флавіновие ферментам - це флавопротеид II. Однак він відрізняється від сукціндегідрогенази структурою як білка, так і флавіновие компонента. Подальше окислення відновлених форм флавопротеїдів I і II, що містять ФАДН2, відбувається за участю цитохромів (див.), Що представляють собою складні білки - хромопротеїди, що містять у своєму складі железопорфіріна - геми.
При окисленні ФАДН2 шляху протона і електронів розходяться: протони надходять у навколишнє середовище у вигляді іонів водню, а електрони через серію цитохромов (рис.3) передаються на кисень, перетворюючи його в аніон кисню O- . Між ФАДН2 і системою цитохромів, мабуть, бере участь ще один фактор - коензим Q. Кожне наступне ланка в дихальної ланцюга від НАДН2 до кисню характеризується більш високим окислювально-відновним потенціалом (див.). Протягом всієї дихальної ланцюга від НАДН2 до? O2 потенціал змінюється на 1,1 в (від -0,29в до + 0,81в). При повному окисленні, наприклад піровиноградної кислоти, що супроводжується п'ятикратним отщеплением водню, енергетична ефективність процесу складе близько 275 ккал (55X5). Ця енергія не розсіюється повністю у вигляді тепла- приблизно 50% її акумулюється у вигляді багатих енергією
фосфорних сполук, головним чином аденозинтрифосфату (АТФ).
Процес трансформації енергії окислення в багаті енергією зв'язку (~ Р) кінцевого фосфатного залишку молекули АТФ локалізований у внутрішніх мітохондріальних мембранах і пов'язаний з певними етапами перенесення водню і електронів по дихальної ланцюга (рис. 4). Прийнято вважати, що перше фосфорилирование пов'язано з транспортом водню від НАДН2 до ФАД, друге пов'язане з перенесенням електронів на цитохром c1 і, нарешті, третє, найменше вивчене, розташоване між цитохромами c і a.
Механізм утворення багатих енергією зв'язків ще не розшифрований. З'ясовано, однак, що процес складається з декількох проміжних реакцій (на рис. 4 від J ~ X до АТФ), лише останньою з яких є утворення багатого енергією фосфатного залишку АТФ. Багата енергією зв'язок кінцевої фосфатної групи в АТФ оцінюється в 8,5 ккал на грам-молекулу (у фізіологічних умовах - близько 10 ккал). При перенесенні водню і електронів по дихальної ланцюга, починаючи з НАДН2 і закінчуючи освітою води, звільняється 55 ккал і акумулюється у вигляді АТФ не менше 25,5 ккал (8,5X3). Отже, енергетична ефективність процесу біологічного окислення становить близько 50%.
Рис. 3. Схема передачі водню і електронів по дихальної ланцюги-Е0 - окислювально-відновний потенціал.
Рис. 5. Схема використання енергії фосфатних зв'язків АТФ (АМФ-Р ~ Р) для різних фізіологічних функцій.
Біологічний сенс фосфорилируют окислення зрозумілий (рис. 5): всі процеси життєдіяльності (м'язова робота, нервова діяльність, біосинтезу) вимагають витрати енергії, краї забезпечується розривом багатих енергією фосфатних зв'язків (~ Р). Біологічний сенс нефосфорілірующего - вільного - окислення можна бачити в численних реакціях окислення, не пов'язаних з лімоннокіслим циклом і перенесенням водню і електронів по дихальної ланцюга. Сюди відносяться, наприклад, всі внемітохондріальние процеси окислення, окисне видалення токсично діючих речовин і багато актів регуляції кількісного вмісту біологічно активних сполук (деяких амінокислот, біогенних амінів, адреналіну, гистидина, серотоніну і т. Д., Альдегідів та ін.) Шляхом більш- менш інтенсивного їх окислення. Співвідношення вільного і фосфорилюється окислення є також одним із шляхів терморегуляції у людини і теплокровних тварин. Див. Також Обмін речовин і енергії.