Биоенергетика Цели Цели на преподавателя

5.2.3 Стадии в катаболизма

Клетките, които използват кислород като електронен акцептор за генериране на енергия, имат аеробен метаболизъм, а тези, които не използват кислород, имат анаеробен метаболизъм. Аеробният метаболизъм се състои от три стадия (фази) (Х. Кребс) - виж фиг. 5-4.

Фиг. 5-4. Общ поглед върху катаболизма на основните горива и синтезата на АТФ в окислителното фосфорилиране.

При човека в първата фаза, означавана като подготвителна, приетите с храната биополимери се хидролизират до мономери в храносмилателния тракт. Отделената свободна енергия е незначителна и не се акумулира в макроергични съединения.

Във втората фаза мономерите (хексози, мастни киселини и аминокиселини) се превръщат във все по-прости молекули, докато се получи ацетил-КоА и други метаболити от цитратния цикъл. В тази фаза отделни реакции са окислителни. Те протичат като пряко едностъпално анаеробно дехидрогениране на субстратите. Това именно анаеробно дехидрогениране на стотици различни субстрати по пътя на тяхното разграждане в хода на катаболизма се означава като субстратно окисление. Използват сe и термините окисление на субстратно ниво или окисление в субстратната верига.

В третата фаза ацетил-КоА (с 2 атома) се разгражда до СО₂ в цикъла на Кребс, който е крайният общ метаболитен път с изключително значение за катаболизма. В него има окислително-редукционни реакции, чрез които отделеният от субстратите водород попада в дихателните вериги. В тези вериги електроните се пренасят към кислорода и се получава вода.

При окислението в дихателни вериги се отделят значителни количества енергия, която се акумулира в АТФ. Окислителното фосфорилиране в дихателната верига дава около 75 %, а субстратното фосфорилиране около 25 % от АТФ в клетките.

5.2.4 Особености на биологичното окисление

Биологичното окисление се отличава от окислението в неживата природа с някои свои важни особености.

1) Биологичното окисление се катализира от ензими от група I (оксидоредуктази), които го ускоряват, придават му специфичност и възможност за регулация според нуждите на организма. Всички оксиредуктази (т. 5.2.5) са двукомпонентни и действат съвместно с редокссистеми (вж т. 5.2.6). Многобройни съединения с разнообразни химични групи се явяват техни субстрати (табл. 5-3), както ще проличи при изучаване на конкретните катаболитни пътища в следващите глави. Отделените от субстрата водород или електрони се пренасят върху краен акцептор. При аеробни условия краен акцептор е кислородът, който се редуцира до вода. При анаеробни условия краен акцептор е друго вещество, напр. пируват, който се редуцира до лактат, или ацеталдехид, който се редуцира до етанол.

2) В неживата природа взаимодействието на веществата с кислорода е директно и съпроводено с отделяне на огромно количество топлина. Напр. в т.н. реакция на гърмящия газ при свързване на водород и кислород, температурата се повишава до 3000 ^оС.

Обратно, при биологичното окисление водородът или електроните, отделени от субстратите, не достигат до крайния акцептор директно, а постепенно многостъпално, минавайки в поредица от реакции, катализирани от ензими с техните редокс-системи с последователно нарастващи редокс-потенциали.

3) Всеки пренос на водород (електрони) от редокс-система с по-нисък към редокс-система с по-висок редокспотенциал е екзергоничен процес, т.е. съпроводен е с отделяне на свободна енергия. Тази енергия не се отделя наведнъж, а на порции в отделните стъпала на дихателните вериги. Само първата порция остава пряко свързана с окислението на субстрата - т.е. в субстратната верига. Това постепенно (на порции) освобождаване на енергията в стъпалата на дихателните вериги позволява максимална част от нея да бъде превърната в макроергични съединения - в дихателните вериги се получават няколко мола АТФ при окисление на 2 Н атома, отделени от субстрата. Това не би било възможно, ако енергията се отдели наведнъж при пряко свързване на субстрата с кислород. Организацията на окислителното фосфорилиране може да се сравни с каскадното използване на енергията на водния пад. Стъпаловидното спускане и извличане на енергия от всяко стъпало (каскада) е по-изгодно, отколкото ако водата се пусне от голяма височина еднократно.

5.2.5 Ензими, осъществяващи биологичното окисление

Оксидоредуктазите се разделят на четири групи: дехидрогенази, оксидази, оксигенази и хидроксипероксидази.

5.2.5.1 Дехидрогенази

Всички ензими от тази голяма група са анаеробни, т. е. не могат да използват кислород като акцептор на водорода. Специфични са по отношение на субстрата и участват както в субстратното окисление, така и в дихателната верига. В зависимост от редокс-системата, с която действат, има :

1) Дехидрогенази с никотинамидни редокс-системи, например малат дехидрогеназа катализира реакцията:

малат + НАД⁺ ------> оксалацетат + НАДН + Н⁺

Тези ензими катализират пренос на 1 Н и 1 е^- (хидриден йон)

2) Дехидрогенази с флавинови редокс-системи, например сукцинат дехидрогеназа катализира реакцията:

сукцинат+Е-ФАД -------->фумарат + Е-ФАД.Н₂

Обикновено дехидрогеназните реакции са обратими поради малката разлика в редокспотенциала между субстрата и редокс-системата. Никотинамидните редокс-системи са слабо свързани с апоензима, докато връзката между него и флавиновите редокс-системи е много по-здрава, дори ковалентна в някои случаи.

3) Анаеробни транселектронази, катализиращи пренос на един електрон.

цит. bс₁ (Fe²⁺) + цит. c (Fe³⁺) -----> цит. bс₁ (Fe³⁺) + цит. с (Fe²⁺)

Транселектронази са също и цитохромите в електрон-пренасящите вериги в ендоплазмения ретикулум (виж т. 5.6.3).

5.2.5.2 Оксидази

Оксидазите са аеробни - използват кислород за акцептор на водорода, отделен от субстратите, при което се образува вода или водороден прекис. Към оксидазите спадат:
1) Цитохром с оксидаза (цитохром аа₃)
Този ензим съдържа хем като простетична група и медни йони. Това е крайният ензим в дихателната верига, предаващ електроните от цитохром с към кислорода, при което заедно с протони се образува вода:

4 цит.с (Fe²⁺) + 4Н⁺ + О₂  -----> 2 H₂O + 4 цит.с (Fe³⁺)

2) Останалите оксидази, наричани също аеробни дехидрогенази, не са свързани с дихателните вериги. Те съдържат най-често ФМН или ФАД като простетични групи, т.е. са флавопротеини. Катализират пренос на два водородни атомa от субстрата директно към кислород, при което се получава водороден прекис вместо вода. Отделената при окислението на субстрата енергия се разсейва като топлина. АТФ не се получава. Към оксидазите-флавопротеини спадат D-и L- аминоацидо оксидази (виж фиг. 4-6 и глава 8), ксантин оксидаза (фиг. 4-29 и глава 9), алдехид дехидрогеназа, глюкозо оксидаза.

5.2.5.3 Оксигенази

1) Монооксигенази или хидроксилази
Те катализират вмъкването на един атом кислород в субстрата, при което се получава алкохолна или фенолна група. Другият кислороден атом се редуцира до вода от друг донатор на водород:

R-H + O₂ + R₁-H₂   ------> R-OH + Н₂О + R₁

Тези ензими са част от електрон-пренасящите вериги в ендоплазмения ретикулум в черния дроб, които неспецифично хидроксилират попадналите в клетките лекарствени и други чужди вещества с цел обезвреждане (виж т.5.6.3). Митохондрийните хидроксилазни системи в стероидогенни тъкани катализират стереоспецифични хидроксилирания в биосинтезите на стероидни хормони, витамин D, жлъчни киселини и др.

2) Диоксигенази

5.2.5.4 Хидроксипероксидази

Тези ензими катализират разграждането на вредните за организма прекиси и получаващите се от тях свободни радикали (т.5.6.4.), които увреждат белтъците, нуклеиновите киселини, мембраните и водят до рак и атеросклероза. Прекисите се редуцират под действие на различни редуктори като аскорбат, цитохром с, хинони и др. Тук спадат:

1)Пероксидази

Н₂О₂+ АН₂  -----> 2 Н₂О+ A

2) Каталаза
Тя катализира следната реакция:

Н₂О₂+ Н₂О₂ ----------> 2 Н₂О + О₂

като едната молекула водороден прекис е донатор, а другата акцептор на водородни атоми (електрони).

5.2.6 Редокс-системи с биологично значение

5.2.6.1 Никотинамидни редокс-системи

Тук спадат никотинамидаденин динуклеотид (НАД⁺/НАДН + Н⁺) и никотинамидаденин динуклеотидфосфат (НАДФ⁺/НАДФН + Н⁺). Пълната структурна формула на окислените им форми е вече позната от фиг. 4-2 в т. 4.1.5. Единствената структурна разлика между двете е, че в НАДФ има допълнителна фосфатна група на 2' позиция в рибозата на адениловия нуклеотид. Функционално активна и променяща се в тази динуклеотидна структура е само никотинамидната база, която е всъщност витамин РР. НАД и НАДФ са производни на витамин РР (никотинамид).

На фиг.5-5 е представена редукцията на НАД⁺ и едновременното окисление на субстрат с обща формула АH₂. По същия начин протича и взаимодействието на НАДФ⁺ със субстрати. Тези редокс-системи пренасят един Н атом и един електрон, т. е. формално хидриден йон Н^-. Окислените форми съдържат положително зареден пиридинов пръстен с ароматен характер (пиридиниев йон). Редуцираните форми не са заредени и пръстенът е с хиноноподобен характер. Поради това спектрите на окислените и редуцираните форми се различават. Редуцираните форми имат максимум на поглъщане при 340 nm и това позволява чрез измерване на екстинкцията при тази дължина на вълната да се определя количеството им, а от него и активността на дехидрогеназата, катализираща реакцията съвместно с никотинамидната редокс-система.

Фиг. 5-5. Оксидо-редукция между никотинамидна редокс-система и субстрат под действие на дехидрогеназа.

Никотинамидните редокс-системи освен близка структура, имат и много близък, при това нисък нормален редокс-потенциал (табл.5-4) - малко по-висок от този на различни субстрати, но по-нисък от този на флавиновите редокс-системи. Поради това биологичната роля на НАД⁺ и НАДФ⁺ е една и съща - като коензими на голям брой анаеробни дехидрогенази те отнемат водород от голям брой разнообразни субстрати в хода на началното субстратно окисление. Връзката между коензима и съответния апоензим е слаба. Специфичността към субстрата се определя от съответния апоензим.

Табл. 5-4. Стандартни редокс-потенциали на някои важни редокс-системи и субстрати