Биологическое окисление

1. Прямое окисление молекулярным кислородом:

А + О₂→АО₂

2. Реакции, в которых А окисляется за счет В:

АН₂ + В→А + ВН₂

3. Реакции, в которых происходит перенос электронов, например окисление одной ионной формы железа (Fe²⁺) в другую (Fe³⁺): Fe²⁺ → Fe³⁺ + е^-

Клеточное дыхание – это окисление субстрата, приводящее к получению химической энергии (АТР). Субстратами для дыхания служат органические соединения – углеводы, жиры и белки.

Окисление глюкозы – в тех случаях, когда субстратом служит глюкоза, - подразделяется на три четко различимые фазы: гликолиз, окислительное декарбоксилирование и окислительное фосфорилирование. Гликолиз – фаза, общая для анаэробного и аэробного дыхания, но две другие фазы можно наблюдать только в аэробных условиях.

Отдельные этапы гликолиза.

Гликолизом называют последовательность реакций, в результате которых одна молекула глюкозы расщепляется на две молекулы пировиноградной кислоты. Эти реакции протекают не в митохондриях, а в цитоплазме, и для них не требуется присутствия кислорода. На первом этапе две молекулы АТР потребляются в реакциях фосфорилирования, а на втором – четыре молекулы АТР образуются. Поэтому чистый выход АТР при гликолизе равен двум молекулам. Кроме того, при гликолизе освобождаются четыре атома водорода. Суммарную реакцию гликолиза можно записать так:

С₆Н₁₂О₆→2С₃Н₄О₃ + 4Н + 2АТФ

Конечная судьба пировиноградной кислоты зависит от присутствия кислорода в клетке. Если кислород имеется, то пировиноградная кислота переходит в митохондрии для полного окисления до углекислого газа и воды (аэробное дыхание). Если же кислорода нет, то она превращается либо в этанол, либо в молочную кислоту (анаэробное дыхание).

Аэробное дыхание.

Аэробное дыхание распадается на две фазы. В первой из них при достаточном количестве кислорода каждая молекула пировиноградной кислоты поступает в митохондрию, где она полностью окисляется анаэробным путем. Сначала происходит окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, т.е. отщепление СО₂ с одновременным окислением путем дегидрирования. Во время этих реакций пировиноградная кислота соединяется с веществом, которое называется коферментом А (сокращенно его часто обозначают КоА или КоАS-Н), в результате чего образуется ацетилкофермент А. Количество выделяющейся при этом энергии достаточно для образования в молекуле ацетилкофермента А высокоэнергетической связи.

Вторую фазу аэробного дыхания составляет цикл Кребса. Ацетильная группа ацетил-КоА, содержащая два атома углерода, включается в цикл Кребса при гидролизе ацетил-КоА. В конце цикла щавелевоуксусная кислота регенерируется. Теперь она способна вступить в реакцию с новой молекулой ацетил-КоА, и цикл повторяется. На каждую окисленную молекулу ацетил-КоА образуется: одна молекула АТР, четыре пары атомов водорода и две молекулы углекислого газа.

Анаэробное дыхание.

Многие микроорганизмы (анаэробы) получают большую часть своего АТР за счет анаэробного дыхания. Для некоторых бактерий сколько-нибудь значительные количества кислорода вообще губительны, так что они вынуждены жить там, где кислород отсутствует. Такие организмы называют облигатными анаэробами.

Эффективность превращения энергии при аэробном и анаэробном дыхании.

Аэробное дыхание

С₆Н₁₂О₆+6О₂ → 6СО₂ + 6Н₂О + 38АТФ

DG = -2880 кДж/моль

Эффективность = 38 х (-30,6) = 40,37%

-2880

(-30,6 кДж – это величина свободной энергии, образующейся при гидролизе АТФ до АДФ)

Анаэробное дыхание

1) Дрожжевое (спиртовое) брожение

С₆Н₁₂О₆+6О₂ → 2С₂ Н₅ОН + 2СО₂+2АТФ

DG = -210 кДж/моль

Эффективность = 2 х (-30,6) = 29,14%

-210

2) Гликолиз в мышцах (молочнокислое брожение):

С₆Н₁₂О₆+6О₂ → 2СН₃ СНОНСООН + 2АТФ

DG = -150 кДж/моль

Эффективность = 2 х (-30,6) = 40,80%

-150

Приведенные цифры показывают, что эффективность превращения энергии в каждой из этих систем довольно высока. Количество же энергии, запасаемой в виде АТР при аэробном дыхании в 19 раз больше, чем при анаэробном. Объясняется это тем, что значительная часть энергии остается «запертой» в этаноле и молочной кислоте. Энергия, заключенная в этаноле, остается для дрожжей навсегда недоступной, и, значит, спиртовое брожение в смысле получения энергии – малоэффективный процесс. Из молочной же кислоты довольно большое количество энергии может быть извлечено позднее, если появится кислород.

Роль митохондрий в регуляции метаболизма. Акцепторный контроль дыхания.В дышащих митохондриях скорость переноса электронов, а следовательно, и скорость образования АТР, определяется в первую очередь относительными концентрациями АДР, АТР и фосфата во внешней среде, а не концентрацией субстратов дыхания, например пирувата. В условиях избытка дыхательного субстрата максимальная скорость потребления кислорода достигается при высокой концентрации АДР и фосфата и низкой концентрации АТР. Если же концентрация АТР велика, а концентрация АДР и (или) фосфата близка к нулю, то скорость дыхания митохондрий оказывается очень низкой, всего лишь 5-10% максимальной скорости. Из указанных трех компонентов наибольшее влияние на скорость дыхания оказывает концентрация АДР, поскольку митохондрии обладают особенно сильным сродством именно к АДР. Изменение скорости дыхания с изменением концентрации АДР, носит название дыхательного контроля или акцепторного контроля. Зависимость скорости дыхания от концентрации АДР можно наблюдать не только на изолированных митохондриях, но и в интактных клетках. Для мышцы, находящейся в состоянии покоя и не потребляющей АДР, характерна очень низкая скорость дыхания. В этих условиях концентрация АТР высока, а концентрация АДР низка. Если вызвать в такой покоящейся мышце серию сокращений, то ее цитоплазматический АТР быстро распадается на АДР и фосфат. Начало сокращений сопровождается резким увеличением скорости потребления кислорода, которая в некоторых мышцах может возрастать больше чем в 100 раз. Сигналом для такого увеличения скорости дыхания служит внезапное возрастание концентрации АДР при сокращении мышцы, которое сразу стимулирует дыхание и сопровождающее его фосфорилирование АДР. Высокая скорость дыхания сохраняется до тех пор, пока АТР-зависимая сократительная система продолжает поставлять АДР. Когда серия сокращений заканчивается и образование АДР прекращается, скорость дыхания автоматически и быстро снижается до уровня, соответствующего состоянию покоя.