Размещено на http://www.allbest.ru/

• Содержание
• Введение 2
• 1. Первые попытки 3
• 2. Открытие ЦТК. 4
• 3. Теория активации водорода (Палладин, Украина) 1909 г. 6
• 4. Дальнейшее развитие 7
• 5. Современнай этап 10
• Заключение 12
• Литература 13

Введение

Биологическое окисление представляет собой совокупность реакций окисления, протекающих во всех живых клетках. Основной функцией этого процесса является обеспечение организма энергией в доступной для использования форме (прежде всего в форме АТФ).

Принципиальной особенностью биологического окисления, или тканевого дыхания, является то, что оно протекает постепенно, через многочисленные промежуточные ферментативные стадии, то есть происходит многократная передача протонов и электронов или только электронов от одного соединения (донора) к другому (акцептору). При этом протоны транспортируются лишь частью промежуточных переносчиков. У аэробов конечным акцептором протонов и электронов служит кислород.

Учитывая всю важность процесса биологического окисления, хочется узнать его историю, ведь без прошлого нет будущего.

1. Первые попытки

Изучение процессов окисления в организме было начато в XVIII веке А. Лавуазье. Он обратил внимание на наличие известного сходства между процессами горения органических веществ вне организма и дыханием животных. Лавуазье считал, что сущность процесса дыхания состоит в соединении кислорода вдыхаемого воздуха с углеродом и водородом органических веществ внутри тела. После работ Лавуазье в науке в течение долгого времени господствовало мнение о тождестве явлений горения и медленного окисления питательных веществ в организме. Вместе с тем было ясно, что биологическое окисление протекает при весьма необычных условиях: при низкой температуре (температура тела), без появления пламени (как это бывает при горении) и, наконец, в присутствии воды, содержание которой обычно достигает в тканях 75 - 80% от общей массы. Причину столь своеобразного течения окислительных процессов в живых организмах ученые вначале пытались объяснить «активацией» кислорода в клетках организма.

Одна из первых теорий биологического окисления, связанных с «активацией» кислорода, была развита А.Н. Бахом (1857-1946). Согласно этой теории непосредственным агентом, окисляющим субстрат является активированный кислород. Активация молекулярного кислорода осуществляется особыми ферментами оксигеназами и ведет к образованию реакционноспособных пероксидов, которые при участии ферментов пероксидаз и взаимодействуют с субстратом.

В дальнейшем оказалось, что действительно в клетках существует ферменты, способные активировать молекулярный кислород и использовать его для окисления ряда веществ. Существуют ферменты монооксигеназы (гидроксилаза), которые присоединяют к субстрату один атом кислорода (SH +1/2 O₂ > SOH) и диоксигеназы, которые присоединяют к субстрату 2 атома кислорода (S + O₂ > SO₂). Монооксигеназы и диоксигеназы катализируют реакции гидроксилирования стероидов, ксенобиотиков, образование простагландинов и лейкотриенов, но не принимают участия в процессах биологического окисления в митохондриях.

Механизм перекисного окисления

Таким образом, по мнению А.Н. Баха, путь использования кислорода в клетках лежит через образование перекисей, поэтому данная теория получила название перекисной теории окисления. Однако истинный механизм главного пути окисления различных субстратов дыхания оказался иным.

Следует отметить, что А.Н. Бах допускал возможность окисления различных субстратов при тканевом дыхании гидроксилом воды.

2. Открытие ЦТК

Впервые предположение о существовании такого цикла для окисления пирувата в животных тканях было высказано в 1937 году Гансом Кребсом. Эта идея родилась у него, когда он исследовал влияние анионов различных органических кислот на скорость поглощения кислорода суспензиями измельченных грудных мышц голубя, в которых происходило окисление пирувата. Грудные мышцы отличаются чрезвычайно высокой интенсивностью дыхания, что делает их особенно удобным объектом для изучения окислительной активности.

Кребс также подтвердил, что обнаруженные ранее в животных тканях другие органические кислоты (янтарная, яблочная, фумаровая и щавелевоуксусная) стимулируют окисление пирувата. Кроме того, он нашел, что окисление пирувата мышечной тканью стимулируется шестиуглеродными трикарбоновыми кислотами - лимонной, цис-аконитовой и изолимонной, а также пятиуглеродной -кетоглутаровой кислотой. Испытаны были и некоторые другие встречающиеся в природе органические кислоты, но ни одна из них не обнаружила подобной активности.

Обращал на себя внимание сам характер стимулирующего действия активных кислот: даже малого количества любой из них было достаточно для того, чтобы вызвать окисление во много раз большего количества пирувата.

Простые эксперименты, а также логические рассуждения позволили Кребсу высказать предположение, что цикл, который он назвал циклом лимонной кислоты, является главным путем окисления углеводов в мышце. После, цикл лимонной кислоты был обнаружен практически во всех тканях высших животных и растений и у многих аэробных микроорганизмов. За это важное открытие Кребс был удостоен в 1953 году Нобелевской премии. Юджин Кеннеди и Альберт Ленинджер показали позднее, что все реакции цикла лимонной кислоты протекают в митохондриях животных клеток. В изолированных митохондриях печени крысы были обнаружены не только все ферменты и коферменты цикла лимонной кислоты; здесь же, как выяснилось, локализованы все ферменты и белки, которые требуются для последней стадии дыхания, т.е. для переноса электронов и окислительного фосфорилирования.

Поэтому митохондрии с полным правом называют «силовыми станциями» клетки.

3. Теория активации водорода (Палладин, Украина) 1909 г.

По этой теории, биологическое окисление может происходить путем дегидрирования субстрата и без участия кислорода, но при помощи коферментов - акцепторов водорода, т.е. окисление на первых этапах может происходить и в анаэробных условиях, а затем может идти при участии кислорода в аэробных условиях, в результате чего образуются молекулы воды. Основные положения о ммеханизме биологического окисления В. И. Палладин пояснил на примере окисления глюкозы:

С₆Н₁₂О₆ + 6Н₂О + 12R > 6СО₂ + 12RН₂

_{Глюкоза}

Анаэробная фаза

12RН₂ + 6О2 > 12R + 12 Н₂О

Аэробная фаза

Суммируя уравнение, получим:

С₆Н₁₂О₆ + 6О2 > 6СО₂ + 6Н₂О.

Здесь R - промежуточные переносчики водорода ( пигменты, или хромогены, по В.И. Палладину). Исходя из приведенных выше уравнений следует:

а) первая фаза тканевого дыхания, сопровождающаяся образованием углекислого газа (СО₂), не требует участия кислорода воздуха и осуществляется анаэробно. Кислород, входящий в состав СО₂ - это кислород воды или субстрата;

б) Важнейшую роль в осуществлении начальной анаэробной фазы дыхания играет не соединение, активирующее кислород, а специфические дегидрогеназы, катализирующие отщепление водорода от окисляемых субстратов;

в) Первичным акцептором атомов водорода , отщепляемых от окисляемых субстратов дегидрогеназами, являются особые термостабильные вещества, названные В.И. Палладиным хромогенами. Они могут существовать как в восстановленной, так и в окисленной (дегидрированной) форме, т.е. играет роль промежуточных переносчиков водорода;

г) Поглощаемый при тканевом дыхании кислород воздуха играет лишь роль конечного акцептора водорода.

Следовательно, если восстановленная форма промежуточного акцептора вступает во взаимодействие с кислородом воздуха, то образуется вода, и в этом случае (т.е. в аэробных условиях) речь идет о биологическом окислении. Если же в качестве конечного акцептора водорода фигурирует тот или иной метаболит, то это - анаэробный процесс (гликолиз или брожение).

Предполагалось, что акцептором атомов водорода являются соединения хинонной природы (подобные, убихинону). Сейчас установлено, что в процессе биологического окисления атомы водорода от субстрата отщепляются коферментами - НАД, НАДФ, ФАД и ФМН.

4. Дальнейшее развитие

Виланд подтвердил теорию Палладина, и показал, что окисление спиртов и гидратных форм альдегидов принципиально возможно и в отсутствии свободного кислорода (до этого считалось, что только кислород способен оторвать атомы водорода от вещества).

К 20-м годам нынешнего века уже было известно, что ткани млекопитающих катализируют окисление органических кислот кислородом воздуха. При обсуждении механизма этого катализа к середине 20-х годов сформировались две на первый взгляд альтернативные точки зрения. Т. Тунберг и Г. Виланд полагали, что быстрое окисление химически инертных органических кислот связано с существованием в тканях ферментов (дегидрогеназ) - активаторов атомов водорода в молекулах субстратов.

Немецкий биохимик Варбург показал, что биологическое окисление идет с участием цитохромов ( ферментов, содержащих железо и окрашенных в красный или коричневый цвет. Относятся к гемопротеинам, то есть Fe входит в структуру гема) и флавиновых ферментов, которые содержат в качестве кофермента (простетической группы) одно из двух производных витамина В₂ (рибофлавина): флавинмононуклеотид (ФМН) или флавинадендинуклеотид (ФАД).

Примерно в то же время Д. Кейлин в Кембридже обнаружил существование в тканях пигментов, названных им цитохромами, окраска которых зависела от наличия кислорода и активности дыхательного фермента Варбурга. Кейлин предположил, а потом элегантными опытами доказал, что цитохромы являются связующим звеном между дегидрогеназами Тунберга и Виланда и дыхательным ферментом Варбурга. Позднее Кейлин и его ученики доказали, что существуют несколько цитохромов, различающихся по своей окраске и все они являются обязательными компонентами почти любых живых систем (Кейлин обследовал более 100 различных видов животных и растений).

К середине 50-х годов выяснилось, что некоторые дегидрогеназы, цитохромы Кейлина и дыхательный фермент Варбурга (дыхательная цепь) прочно связаны с внутренними мембранами митохондрий. В 60-х годах Д. Грин (D. Green) с сотрудниками в США разработал методы разделения, выделения и очистки компонентов дыхательной цепи.

Аэробный путь был открыт в 30-х годах Энгельгардтом В.А. и назван окислительным фосфорилированием, потому что на промежуточных этапах окисления освобождающаяся Е фиксируется в пирофосфатных связях молекул АТФ и других соединений. Эти связи Энгельгардт назвал макроэргическими - т.е., высокоэнергетическими. АТФ и ее аналоги играют роль универсального аккумулятора Е в организме. В этом соединении Е концентрируется в удобной форме, пригодной для утилизации. Процессы, идущие с выделением Е, связаны с синтезом АТФ. Процессы с поглощением Е сопряжены с расщеплением АТФ. Таким образом, АТФ выступает связующим звеном между ними. Благодаря АТФ, 2 процесса расчленяются во времени. Это придает Е-обмену большую гибкость. Е - законсервирована и может расходоваться в любое время и на любые нужды.

Белицер и Цыбаков (Украина) показали, что тканевое дыхание связано с транспортом электронов и ввели коэфициент Р/О, который показывает число молей АТФ, образующихся из АДФ и Р_Н на 1 грамм-атом поглощенного атома кислорода.

5. Современнай этап

окисление водород протон биологический

В 1961-1966гг. английский биохимик Митчел создал хемиосмотическую теорию окислительного фосфорилирования, в которой связал синтез молекул АТФ в митохондриях с транспортом протонов через мембрану митохондрий. В 1978 г. Митчелл получил за нее Нобелевскую премию.

Циркуляция протонов

Гипотеза опирается на следующие положения:

1. Внутренняя мембрана митохондрий обладает высоким электрическим сопротивлением и очень низкой проницаемостью для протонов и гидроксид-ионов.

2. В ходе дыхания протоны скапливаются в межмембранном пространстве (ММП), т.е. возникает электрохимический потенциал (ЭХП).

3. Протоны могут вернуться в матрикс только через канал АТФсинтазы. В этот момент происходит разрядка мембраны и синтез АТФ.

E_OK > E_ЭХП>Е_АТФ

В том же году российские ученые, биофизик Е. Либерман и биохимик В. Скулачев, придумали, как экспериментально подтвердить правоту Митчелла. С помощью синтетических ионов, проникающих через биологическую мембрану, они показали, что дыхание и фосфорилирование, действительно, связаны через протонный потенциал. Еще один серьезный шаг в поддержку Митчелла сделали биофизики биофака МГУ А. Булычев, В. Андрианов, Г. Курелла и Ф. Литвин. Используя микроэлектроды, они зарегистрировали образование трансмембранной разности электрических потенциалов при освещении крупных хлоропластов.

В.П. Скулачевым описано явление межмембранного переноса электронов , обнаружен эффект терморегуляторного разобщения окисления и фосфорилирования, доказано превращение химической и световой энергии в электрическую форму посредством белков внутриклеточных мембран, выяснено биологическое значение неравновесного распределения ионов Na⁺ и К⁺ между клеткой и средой, открыт новый тип энергетики живых организмов -- «натриевый цикл».

Заключение

Ученые ряда стран и разных времен, несомненно, внесли огромный вклад в развитие учения о биологическом окислении. Трудно переоценить их выдающиеся труды для развития общего дела. Благодаря их умам стали понятны многие процессы и механизмы, в результате чего появились новые методы лечения и профилактики различных болезней. Но до сих пор остались неясные моменты в процессе биологического окисления. Их еще предстоит разгадать нам и нашим потомкам. Ведь все тайное рано или поздно становится явным рано или поздно

Литература

1. Т.Т. Березов, Б.Ф. Коровкин «Биологическая химия», 1990 г.

2. Цыганенко, Жуков, Мясоедов, Завгородный - Клиническая биохимия, 2001 г.

3. Коневалова Н.Ю., Фомченко Г.Н. и др. «Биохимия», 2009 г.

4. Ленинджер А. «Основы биохимии», 1985 г.

5. Николаев А.Я. «Биологическая химия», 1989. г.

6. Мюррей Р. И др. «Биохимия человека», 1993 г.

Размещено на Allbest.ru