Биологическое окисление

Биологическое окисление – процесс окисления протонов водорода молекулярным кислородом с образованием эндогенной воды.

В настоящее время биологическое окисление определяется как совокупность реакций окисления и восстановления. Вещество окисляется если теряет электроны (е^-), или одновременно электроны и протоны, или присоединяет кислород. Противоположный процесс называется восстановлением. Субстраты окисления, отдающие электроны, называются донорами электронов. Электроны, при участии промежуточных переносчиков (ферментативных комплексов, локализованных на внутренней мембране митохондрий), передаются на кислород – конечный (терминальный) акцептор электронов у аэробных организмов. Одновременно с процессами отщепления электронов от субстратов и присоединения их к кислороду в биологических системах происходит образование (синтез) молекул АТФ. Данный процесс, также, локализован в митохондриях, на внутренней мембране, но в грибовидных выростах, где имеется специфический для данной реакции фермент – АТФ-синтаза.

Т.о., процессы биологического окисления тесно связаны с процессами окислительного фосфорилирования (в результате которых синтезируются молекулы АТФ).

Известны четыре основных механизма биологического окисления:

1. дегидрирование субстратов – путем отнятия двух атомов водорода;

2. дегидрирование субстратов – путем отнятия гидрид-иона (:Н^-), с высвобождением свободных протонов;

3. путем присоединения кислорода к субстратам окисления;

4. путем отнятия только электронов.

Способность молекул отдавать электроны другой молекуле определяется окислительно-восстановительным потенциалом (ОВП или редокс - потенциалом). Редокс - потенциал определяют путем измерения электродвижущей силы в вольтах. В качестве стандарта принят редокс-потенциал водорода:

Н₂     2Н⁺ + 2е^-;

ОВП = -0,42В

Запомните!

ü Чем меньше потенциал окислительно-восстановительной системы, тем легче она отдает электроны и в большей степени является восстановителем.

ü Чем выше потенциал окислительно-восстановительной системы, тем сильнее выражены ее окислительные свойства, т.е. способность принимать электроны присуща только молекулам с более высоким редокс-потенциалом.

Это правило лежит в основе последовательности расположения ферментативных систем цепи переноса электронов – промежуточных переносчиков электронов от протонов водорода до кислорода.

Т.о., транспорт высокоэнергетических электронов восстановленных субстратов происходит в сложной системе, состоящей из окислительно-восстановительных ферментов и коферментов, локализованных на внутренней мембране митохондрий. Ферменты переноса протонов и электронов относятся к классу оксидоредуктаз. Фермент, участвующий в процессах синтеза АТФ – к классу синтаз (АТФ-синтаза).

В митохондриях поток электронов устремляется от субстрата, содержащего водород, к молекулярному кислороду. Реакция соединения водорода с кислородом протекает со взрывом («гремучий газ»), т.к. сопровождается выделением большого количества тепла (энергии) – до 239 кДж/моль. В этой реакции водород отдает свои электроны (окисляется), а кислород присоединяет электроны (восстанавливается).

Однако в клетках живого организма эта реакция протекает без взрыва (иначе сам процесс существования живой системы был бы невозможен). Почему? Потому что происходит поэтапное выделение энергии в межмембранное пространство митохондрий, где скапливаются протоны водорода, несущие заряд (+).

Поэтому, биологическое окисление отличается от реакции образования гремучего газа следующими характеристиками:

1) постепенным выделением энергии;

2) окисляется не молекулярный водород, а водород, включенный в состав субстратов (SH₂);

3) энергия высвобождается не только в идее тепла, но и аккумулируется в виде электрохимического потенциала и АТФ.

Реакция образования воды протекает не одномоментно, она состоит из большого числа связанных друг с другом реакций, составляющих реакционную цепь. Эта цепь начинается с отрыва водорода субстрата и заканчивается переходом электронов на кислород, поступающий с вдыхаемым воздухом, а переносчиками электронов и протонов водорода являются ферменты дыхательной цепи – оксидоредуктазы.