Клиническая биохимия. Биологическое окисление. Дыхательная цепь
Материал подготовлен резидентом КазНМУ им. С.Д. Асфендиярова Енцовым Д.В.
Кислород в организме используется в процессе тканевого дыхания, также включается в различные субстраты при участии специализированных ферментов (оксигеназ).
В разработке теории биологического окисления большую роль сыграли работы русских ученых А.Н. Баха (1897) и В.И. Палладина (1907). Дыхание, с точки зрения химии, это медленное окисление. Водород или электроны переходят от донора ДН2 к акцептору А:
ДН2 + А = Д + АН2
Донор при этом окисляется, а акцептор восстанавливается. В последнем звене окислительно-восстановительных реакций водород соединяется с кислородом с образованием воды.
В процессе дыхания транспорт водорода и электронов происходит ступенчато, через несколько промежуточных реакций, в результате чего энергия окисления выделяется малыми порциями и накапливается в высокоэнергетических соединениях.
Тканевое дыхание включает в себя:
1) отнятие водорода от субстрата в разнообразных реакциях;
2) многоэтапный процесс переноса электронов на кислород.
Этот процесс сопровождается уменьшением свободной энергии и увеличение редокс-потенциала системы, при этом около 30-40% энергии используется на синтез АТФ, а остальная часть рассеивается в виде тепла.
Ферменты, участвующие в окислительно-восстановительных реакциях, называются оксидоредуктазами, которые делятся на 5 групп:
Оксидазы катализируют удаление водорода из субстрата, используя в качестве акцептора водорода только кислород. Эти ферменты содержат медь (например, цитохромоксидаза - конечный компонент дыхательной цепи митохондрий)
Аэробные дегидрогеназы катализируют удаление водорода, используя в качестве акцептора не только кислород, но и другие соединения. Эти дегидрогеназы относятся к флавопротеинам, а продуктом катализируемых ими реакций является перекись водорода, а не вода (например, альдегиддегирогеназа, ксантиндегидрогеназа).
Анаэробные дегидрогеназы катализируют удаление водорода из субстрата, но они не могут использовать кислород в в качестве акцептора водорода. В зависимости от используемых коферментов эти дегидрогеназы делятся на НАД-зависимые, в них НАД непрочно связан с апоферментом, в восстановленной форме (НАДН) он отделяется от апофермента и служит донором водорода для следующего акцептора; и ФАД-зависимые, в которых ФАД ковалентно связан с апоферментом, участвует в переносе протонов и не отделяется от апофермента. К числе анаэробных дегидрогеназ относятся, в частности, НАД-зависимые дегидрогеназы цикла трикарбоновых кислот, гликолиза, дыхательной цепи митохондрий; НАДФ-зависимые дегидрогеназы в процессах синтеза жирных кислот и стероидов, в пентозофосфатном пути; НАДН-дегидрогеназы (флавопротеин дыхательной цепи митохондрий; флавопротеин сукцинатдегидрогеназа).
Гидроксипероксидазы используют в качестве субстрата перекись водорода или органические перекиси (например, глутатионпероксидаза, каталаза).