Процес дихання

                                                      

Окиснення: біологічна роль

    Відомо, що реакція окислення-відновлення полягає у переміщенні електронів і водню від одних атомів або молекул до інших. Втрату електронів  атомом або молекулою водню називають окисленням, приєднання електронів або атомів водню - відновленням. Окиснювана   речовина є донором, а відновлена - акцептором електронів або водню. Реакція окислення супроводжується виділенням енергії.

    Чому при окисленні органічних сполук звільняється енергія?

Електрони в складі молекул органічних сполук володіють великим запасом енергії, оскільки знаходяться на високих енергетичних рівнях цих молекул. Переміщаючись з вищого на нижчий енергетичний рівень своєї чи іншої молекули або атома, електрони звільняють енергію. Широко поширеним кінцевим акцептором електронів служить кисень. У цьому і полягає його головна біологічна роль, саме для цієї мети нам необхідний кисень повітря. 

     Біологічне окислення органічних речовин в клітинах веде до утворення води і вуглекислого газу. Процеси біологічного окислення протікають східчасто за участю ряду ферментів і переносників електронів. Якщо при окисленні органічних речовин в процесі горіння майже вся енергія виділяється у вигляді теплоти, то при біологічному окисленні близько 50% енергії перетворюється на енергію високоенергетичних зв'язків АТФ, а також інших молекул - носіїв енергії. Решта 50% енергії перетворюються в теплоту. Оскільки процеси біологічного окислення йдуть східчасто, то електрони переміщаються по низхідній "сходах" переносників. При переході зі сходинки на сходинку виділяється порція енергії, достатня для утворення АТФ з АДФ. При такому ступінчастому перенесення електрона виділяється також невелика порція теплоти, яка встигає розсіюватися у зовнішньому середовищі, не пошкоджуючи чутливих до нагрівання білків та інших речовин клітини. Виділяється теплова енергія, яка служить теплокровним тваринам і людині для підтримки постійної температури тіла,що  здебільшого значно вище температури зовнішнього середовища. У теплокровних тварин кількість виділеної при цьому теплоти  регулюється, зростаючи при зниженні температури зовнішнього середовища.
      Глюкоза - один з основних джерел енергії для всіх клітин. Цей цукор утворюється в клітинах рослин у процесі фотосинтезу. Внаслідок ферментативної полімеризації тисячі молекул глюкози з'єднуються між собою і утворюють полісахариди: в клітинах рослин - крохмаль, а в клітинах тварин - глікоген. Це енергетичні ресурси клітин. При недостатньому надходженні органічних речовин в клітини тварин або при припиненні фотосинтезу в клітинах рослин ці запасні полісахариди розщеплюються ферментами до глюкози, яка далі окислюється і служить, таким чином, джерелом енергії.

Цикл Кребса (трикарбонових кислот)

Дві молекули піровиноградної кислоти надходять на ферментативний кільцевий "конвеєр", який називають циклом Кребса, на ім'я дослідника, який відкрив його, або циклом трикарбонових кислот, які утворюються в цьому циклі як проміжні продукти. Якщо ферменти гліколізу знаходяться в цитоплазмі клітин, поза клітинних органел, то всі ферменти циклу трикарбонових кислот локалізовані в мітохондріях, в їх внутрішньому міжмембранному просторі, яке заповнене матриксом - полужидким білковим речовиною. Потрапляючи в мітохондрії, піровиноградна кислота окислюється і перетворюється в багате енергією похідне оцтової кислоти - ацетилкофермент А. Якби піровиноградна кислота перетворювалася просто в оцтову кислоту, виникло б з'єднання, виражене формулою СН3-СООН. Проте в ході ферментативної реакції до залишку оцтової кислоти приєднується складне органічне з'єднання - кофермент A (HS-КоА), і утворюється багата енергією молекула ацетилкофермента А, або, скорочено, ацетил-КоА. Перетворення піровиноградної кислоти в ацетил-КоА відбувається за участю гігантського ферментативного комплексу, до складу якого входять 60 білкових молекул трьох типів і приєднані до них переносники електронів (рис. 38). Не тільки глюкоза може служити джерелом енергії. Окислюються в клітинах і жирні кислоти, які утворюються завдяки ферментативному розщепленню жирів ліпазою. В результаті окислення жирних кислот в кінцевому підсумку також утворюється ацетил-КоА і відновлюються акцептори електронів НАД в НАДН. При цьому відбувається відновлення акцепторів ще одного типу - ФАД в ФАДН (ФАД - це флавінаденіндінуклеотід). Енергія, запасена в циклі трикарбонових кислот, в молекулах НАДН і ФАДН2, також ісользуется далі для синтезу АТФ. Жири, які у тварин накопичуються і зберігаються в спеціальних клітках - ліпоцитах, як і вуглеводи, служать важливим енергетичним резервом. Коли в клітинах виникає дефіцит і глюкози, і жирних кислот, окислювання піддається ряд амінокислот. При цьому також утворюється ацетил-КоА, або органічні кислоти, які окислюються далі в циклі трикарбонових кислот. Амінокислоти - це останній енергетичний резерв, який надходить в "топку" біологічного окислення, коли вичерпані інші резерви. Амінокислоти - найдорожчий будівельний матеріал, і вони в основному служать для синтезу білків.

Істотно, що при окисленні глюкози, жирних кислот і деяких амінокислот утворюється однаковий кінцевий продукт - ацетил-КоА. При цьому відбувається "знеособлення" первинного джерела енергії, оскільки ацетил-КоА не має жодних слідів свого походження. Таким способом готується "паливо" для основної біологічної "топки" в мітохондріях. Отже, в цикл трикарбонових кислот надходять молекули ацетил-КоА з різних енергетичних джерел.

Що б ми не з'їли - хліб, масло, картоплю чи іншу їжу, при розщепленні крохмалю картоплі чи хліба пищевари тільним ферментом утворюються молекули глюкози, а при розщепленні жиру утворюються жирні кислоти. Вони надходять у кров, доставляються в клітини і там розщеплюються і окислюються до ацетил-КоА. На наступному етапі циклу трикарбонових кислот ацетил-КоА з'єднується з молекулою щавелевоуксусной кислоти, і при цьому утворюється трикарбонових лимонна кислота (у її остові вже не два атоми вуглецю, як в ацетил-КоА, а три атоми вуглецю і, відповідно, при них три карбоксильні групи - СООН). Ця реакція наведена на рис. схема 80:

Лимонна кислота окислюється в ході наступних чотирьох ферментних реакцій. При цьому відновлюються три молекули НАД в НАДН, одна молекула ФАД в ФАД-Н2, і утворюється молекула гуанозінтріфосфата (ГТФ) з високоенергетичної фосфатної зв'язком. Енергія ГТФ використовується для фосфорилювання АДФ і утворення АТФ. Лимонна кислота втрачає два вуглецевих атома, за рахунок яких утворюються дві молекули CO2. У сумі, в результаті семи послідовних ферментативних реакцій, лимонна кислота перетворюється на щавлевооцтову кислоту. Новоутворена молекула щавелевоуксусной кислоти з'єднується з новою молекулою ацетил-КоА, що надходить на цей циклічний конвеєр ферментів. При цьому знову утворюється молекула лимонної кислоти, яка східчасто окислюється до щавелевоуксусной кислоти, і цикл знову повторюється. У складі лимонної кислоти як би згоряє приєднався залишок ацетил-КоА. При цьому утворюється вуглекислий газ, атоми водню і електрони переносяться на акцептори - НАД + і ФАД +. Таким чином, енергія хімічних зв'язків органічних речовин, вуглеводів, жирів, білків накопичується в молекулах НАДН, ФАДН2 і АТФ.

Універсальним біологічним акумулятором є молекули АТФ. Як ми вже знаємо, молекули АТФ служать для скорочення м'язів, роботи нервових клітин, вироблення секреції гормонів і безлічі інших видів діяльності клітин і організму. Однак в описаних вище процесах глюкози виникали головним чином молекули НАДН і ФАДН2, в яких запасена енергія глюкози та інших органічних речовин, і зовсім мало синтезувалося молекул АТФ.

Дихальний ланцюг (окисне фосфорилювання)

Наступний етап біологічного окислення служить перетворенню енергії, запасеної в НАДН і ФАДН2 в процесі гліколізу і циклу трикарбонових кислот в енергію високоенергетичних зв'язків молекул АТФ. У ході цього процесу електрони від НАДН і ФАДН2 переміщуються за багатоступеневою ланцюга перенесення електронів до кінцевого їх акцептору - молекулярного кисню. Це - ланцюг процесів окислення-відновлення. При переході електрона з рівня на щабель у певних ланках такого ланцюга вивільнювана енергія служить для фосфорилювання АДФ в АТФ. Оскільки в цьому процесі окислення пов'язане з фосфорилюванням, то його називають окислювальним фосфорилюванням. Окисне фосфорилювання відкрив в 1931 р. видатний російський біохімік В.А. Енгельгардт. У ланцюг перенесення електронів, яка розташована на внутрішній мембрані мітохондрій, входить ряд послідовно розташованих переносників електронів, які відрізняються здатністю акцептувати електрони. Найсильніша акцептор електронів кисень розташований в кінці ланцюга.

Серед проміжних переносників електронів - кофермент Q, цитохром b, цитохром ci, цитохром с, цитохром а, цитохром а3 і, нарешті, О2. Кофермент Q, або убіхінон, являє собою похідне бензохинона, здатне за участю ферменту приймати електрони окисляемого НАДН і передавати їх на відновлюваний цитохром b. Проміжним переносником електронів є фермент, до складу якого входить акцептор електронів - флавинмононуклеотид, скорочено ФМН. При перенесенні електрона з ФМН на кофермент Q відбувається перше фосфорилювання АДФ в АТФ. Ще дві молекули АТФ синтезуються на наступних етапах, де акцепторами електронів служать цитохроми. Цитохроми b, ci, з, а і а3 являють собою білки, до яких приєднані молекули гема залізо-порфірину, подібні тим, які містяться у складі гемоглобіну еритроцитів або хлорофілу, магнійпорфіріна. Нижче (рис. стр 82) схематично зображено ланцюг перенесення електрона з ділянками, в яких відбувається фосфорилювання АДФ в АТФ. У комплексі цитохром а і а3, який називають цитохромоксидазой, крім атомів заліза містяться атоми міді. Атоми заліза і міді в цих молекулах і служать поперемінно акцепторами і донорами електронів. Як енергія, запасені в НАДН і ФАДН2, служить синтезу АТФ? Атоми водню цих відновлених сполук транспортуються в мембрани мітохондрій, де вони залишають електрони е-на внутрішній стороні мембрани, а катіони Н + переносяться на зовнішню сторону. Електрони з'єднуються з киснем, внаслідок чого утворюються аніони:

О2 + е-= О2-Між зовнішньою поверхнею мембрани, де накопичуються катіони Н +, і внутрішньої, де накопичуються аніони O2-виникає різниця потенціалів. У мембрани мітохондрій вмонтовані молекули ферменту, який синтезує АТФ. Коли різниця потенціалів досягає певної величини, катіони починають рухатися через канали в молекулі ферменту, і їх енергія витрачається на синтез АТФ. Усередині мітохондрій катіони Н +, з'єднуючись з аніонами О2-утворюють воду. Таким чином, електрони відновлених НАДН і ФАДН2 в процесі гліколізу та у циклі трикарбонових кислот при окисленні глюкози, жирних кислот і деяких амінокислот акцептуються киснем, а енергія електронів витрачається на утворення АТФ. У результаті відновлення кисню утворюються молекули води. У циклі трикарбонових кислот утворюється СО2 і в ланцюзі перенесення електронів - вода. Це ті ж кінцеві продукти, які утворюються при спалюванні органічного палива. Так використовується енергія, запасена в молекулі глюкози, при доступі кисню. При цьому одна молекула глюкози повністю окислюється до СО2 і Н2О, а енергія її перетворюється на енергію 38 молекул АТФ.

При дефіциті кисню або повній його відсутності відбувається анаеробний гліколіз.

Схема   взаємозв'язку анаболізму і катаболізму