Глава 12. Биохимия питания и пищеварения 3 страница

Значения редокс-потенциалов позволяют предсказать направление потока электронов при биологическом окислении и рассчитать изменение энергии при переносе электронов от одной редокс-пары к другой.

Субстраты окисления, как уже указывалось, образуются в ходе катабо­лизма белков, углеводов и липидов. Эти субстраты подвергаются дегидриро­ванию как наиболее распространенному типу биологического окисления, происходящего с участием находящихся в клетке дегидрогеназ. Если акцепто- 192
ром водорода в реакциях дегидрирования служит не кислород, а другой субстрат, то такие реакции называют анаэробным окислением-; ъели же акцеп­тором водорода является кислород н образуется вода, то такие реакции биоло­гического окисления называют тканевым дыханием.

Анаэробное окисление есть не что иное, как процесс генерации водорода (второй блок в приведенной выше схеме энергетического аппарата клетки) В этих реакциях участвуют никотинамидэависимые дегидрогеназы, где акцептором отщепляемого от органического субстрата водорода служат НАД⁺ и НАДФ⁺, и флавинзависимые дегидрогеназы, где акцептором водо­рода служат ФМН и ФАД. Субстраты дегидрирования образуются вне мито­хондрий, но затем транспортируются внутрь митохондрий, где совершаются окислительные превращения веществ.

ГЛАВА 13. АЭРОБНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ

В МИТОХОНДРИЯХ

В митохондриях производится основная часть всей энергии клетки, поэтому митохондрии образно называют энергетическими станциями клеток.

1. Структурная организация мятохоядрий

Митохондрии находятся в животных и растительных клетках. Их форма варьи­рует от овальной до палочковидной и нитевидной. Недавно было доказано, что митохондрии, тесно примыкая друг к другу, располагаются в ряд, имея вид митохондриальных сетей, а не рассеянных по клетке изолированных органоидов, как представлялось ранее.

Митохондрии имеют размеры порядка 0, 5x3, 0 им. Они состоят нз двух отдельных мембранных мешков: наружного и внутреннего, которые разде­лены мембранным пространством, запол­ненным водной средой (рнс. 32). Наруж­ная мембрана состоит наполовину из бел­ков и липидов. Внутренняя мембрана примерно на ³Д состоит из белков и на '/₄ из.ципндов, в основном кардиолипи- на. Внутренняя мембрана причудливо ук­ладывается, образуя складки — кристы. Пространство между, кристами заполнено водной фазой — матриксом. Внутренняя поверхность крист, обращенная к матрик- су, усеяна грибовидными частицами, называемыми элементарными частицами. При обработке митохондрий в гипотони­ческой среде (например, в дистиллиро­ванной воде) наружная мембрана лопа­ется и остается внутренний мембранный мешок. Внутренняя мембрана прочна и не поддается разрушению с помощью осмо­тического шока. Необходима специальная

7—271
химическая обработка детергентами (тритоном Х-100, твином, дигитонином н другими), которые разрушают внутреннюю мембрану. Можно разрушить мембрану ультразвуком. При этом фрагменты внутренней мембраны замы­каются и образуются так называемые субмитохондриальные частицы, ко­торые представляют собой как бы вывернутый наизнанку участок внутрен­ней мембраны митохондрий.

Операции по выделению основных структур митохондрий позволили выяснить локализацию в них отдельных фермектов и целых биохимических Циклов.

2. Ферментные системы митохондрий— генераторы водорода

ется как промежуточный продукт распада углеводов, белков и аминокислот, глицерина. Окислению пируват подвергается в митохондриях, куда он про­никает из цитоплазмы. Кроме пиру(вата в митохондриях окисляются й другие субстрату. Некоторые из них участвуют в акцептировании водорода цито­плазмы и переносе его внутрь митохондрий к дыхательной цепи. Ценность пирувата как субстрата окисления состоит не только в том, что он является источником водорода, но и ацетил-КоА, который можно отнести к основным продуцентам водорода в митохондриях Остановимся прежде на фермента­тивной системе окисления пирувата.

Окисление пирувата до ацетнл-КоА

Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кцслоты осуществля­ется полиферментным пирцватдегидрогеназным комплексом. Этот комплекс находится в матриксе, но не в растворенном виде, а прикрепляется к белкам внутренней мембраны митохондрий, обращенным в матрйкс. Пируватдегидро- геназный комплекс является примером структурной организации нескольких разных ферментов и обладает всеми преимуществами такой организации.

Масса пвруаатдегидрогеназного ком­плекса 4 • 10 дальтон. Он состоит из трех разных ферментов: пируватдегидро- гвназы, дигйдролипоцлацетилтрансфера- зы и дигидролипоилдегидрогеназы. На рис. 33 пируватдегидрогеназа изображе­на в виде внешних больших сфер, ди- гидролипонлацетилтрансфераза, — в цент­ре, в виде мелких сфер, а дигидро- липоилдегидрогеназа ' занимает сред­нюю часть комплекса и изображена в виде четырех групп сфер среднего раз­мера.

Рнс. 33. Структура пируватдегидрогенаэ- ного полифсрмситксго комплекса: / — пируватдегидрогеназа; 2 — дигидролипо- кданетнлтрансфераза; 3 — дигидролипоклде- гидрогеназа

Пнруватд^гидрргеуаза со­стоит из 24 молекул фермента, каждая из которых содержит одцн остаток тиа- мцндуфосфата, являющегося кофер­ментом п нру в атдегидроген аэ£ 4. Общая масса этого фермента примерно 2, 16 • Ю®
дальтон. Дигидролипоилацетилтрансфераза имеет массу по­рядка 0, 76 • 10® дальтон; четвертичная структура этого фермента состоит из 24 субъединиц с молекулярной массой 36 000. Каждая субъеднница дигид- ролипоилацетилтрансферазы содержит один остаток лнпоевой кислоты. - В состав комплекса входит 12 молекул дигидролнпоилдегидрогенаэы, каж­дая из которых содержит 1 остаток ФАД. Общая масса этого ферментного комплекса 0, 66 • 10^е дальтон.

Итак, все ферменты пируватдегидрогеназного комплекса двухкомпо- нентны и содержат прочно связанные коферменты: тиаминпирофосфат (ТПФ), липоевую кислоту (ЛК С |) и ФАД. Кроме того, в работе комп­лекса, т. е. в окислении пирувата, принимают участие два внешних (не свя­занных с комплексом) кофермента: KoA-SH и НАД⁺, которые играют роль акцепторов продуктов окисления пирувата. ПнруЬат последовательно подвер­гается действию ферментов пируватдегидрогеназного комплекса.

Обозначив ферменты комплекса: Е, -ТПФ — пируватдегидрогеназа, Е^ЛК⁵^! —дигидролипоилацетилтрансфераза, Е₃-ФАД — дигидролипоилде- гидрогеназа, можно записать стадии окисления пирувата следующим образом.

н

1) Е.-ТПФ + СН, —С—СООН — Е, -ТПФ—СН, + СО*

«1 о йн

н

2) Е, -ТПФ—С—CHs-t-Ej-ЛК^! -»Е, -ЛКС ' +Е, -ТПФ ^Xs ь—С—СНг

Ь

4) Е»-ЛК< + Е, -ФАД —Е, -ФАД-Н, + Е_}-ЛК< |

SH s

5) Е₉-ФАД. Hs + НАД* -v Е„-ФАД + НАД. H + Н*

На первой стадии действует пируватдегидрогеназа, в результате образуется конечный продукт обмена СО_а (декарбоксилирование пирувата) и гидро- оксиэтнльное производное, связанное с ТПФ в активном центре пируват- дегидрогеназы. Другой фермент — дигидролипоилацетилтрансфераза ката­лизирует две стадия: это восстановление дисульфидной группы липоевой кислоты за счет гндроксиэтнла и перенос ацетильной группы на внешний KoA-SH (стадии 2 и 3). В результате образуется восстановленная форма фермента — дигндролипоил-Е₂ и конечный продукт окисления пирувата в
пируватдегидрогеназном комплексе — ацетил-КоА. Третий фермент -ком­плекса — дигидролипоилдегидрогеиаза окисляет восстановленную форму липоевой кислоты (4 стадия), акцептируя водород собственным кофермен- том — ФАД. Затем он катализирует реакцию дегидрирования и перенос водорода на внешний НАД⁺. В результате образуется конечный продукт окисления НАД • H + H*.

В общем виде уравнение окисления пирувата ферментами пируватдегид­рогеназного комплекса выглядит так:

СН, —С—СООН--------- n.Hmiw.pwHwi «0-Ц..КС- vCHa_ с~SKoA + СО, + НАД. H + Н+

Этот процесс сопровождается значительным уменьшением стандартной сво­бодной энергии (Д<? =—8, 0 кДж/моль), что говорит о необратимости его в физиологических условиях. Практически весь поступающий в митохондрии пируват быстро окисляется до ацетил-КоА.

Из продуктов окисления пирувата С0₂ — конечный продукт обмена, энергетической ценности не представляет; восстановленный НАД — богатое эвергией соединение, водород его поставляется на дыхательную цепь; ацетил-КоА поступает в цикл Кребса, локализованный внутри митохонд­рий.

Окислительная ферментативная система цикла Кребса

Главной ферментативной системой, выполняющей роль генератора водорода для дыхательной цепи, является цикл Кребса. Начало изучения реакций этого цикла было положено работами Сент-Дьердьи, который установил каталити­ческую роль фумарата, малата, сукцината в окислении эндогенных субстратов измельченной мышечной ткани.- Английский ученый Кребс на основании собственных экспериментов и данных Сент-Дьердьи предположил, что в клет­ках имеется окислительная циклическая система реакций, которую он назвал циклом лимонной кислоты, так как считал, что первым продуктом цикла яв­ляется лимонная кислота (цитрат). Этот цикл также назвали циклом трикар- боковых кислот, поскольку в -то время не было точно известно, действитель­но ли первым субстратом цикла является лимонная кислота. Впоследствии показали, что этот цикл служит главной ферментативной системой окисления остатков уксусной кислоты (ацетил-КоА) и что первой реакцией его является синтез лимонной кислоты. Однако чаще всего этот цикл называют цик­лом Кребса, впервые установившего последовательность реакций в этом процессе.

Отдельные реакции цикла Кребса

Ацетил-КоА, образующийся при окислении пирувата, жирных кислот и амино­кислот, включается в цикл Крсбса.

1. На первой стадии происходит синтез лимонной кислоты, или цитрата, при участии фермента цитратсинтазы.

C-S-KoA НО—С—СООН

Ан.

dooH

Углерод метильной группы ацетила взаимодействует с атомом углерода оксалоацетата (помечен звездочкой). Промежуто»Шым соединением является, как считают, цитрил-КоА, который гидролизуется с образованием свободного цитрата. Гидролиз богатой энергией тиоэфирной связи сдвигает равновесие реакции в сторону образования цитрата и делает реакцию практически необ­ратимой (AG=—37, 5 кДж/моль) в физиологических условиях. Потери энер­гии в ходе гидролиза цитрил-КоА обеспечивают включение ацетильного фрагмента в цикл Кребса с образованием цитрата.

2. Второй фермент цикла Кребса — аконитатгидратаза — катализирует обратимые превращения трех трикарбоновых кислот — цитрата, цис-акони- тата и изоцитрата:

СООН

.. к

: НО|—С—СООН,

.. I ~ f >

н—С—Н н₂0

СООН цитрат (91%)

Равновесие в системе устанавливается при соотношении трех субстратов, указанном в уравнении реакции. Аконитатгидратаза катализирует присоеди­нение протона и гидроксила воды в граиг-положении по месту двойной связи цыс-аконитата. При этом образуется либо цитрат, либо изоцитрат. Особен­ностью этого фермента является необходимость для реакции ионов Fe²⁺, об­разующих металлосубстратный комплекс. Чтобы сместить равновесие акони- тазной реакции в ту или другую сторону, надо расходовать изоцитрат или цитрат.

3. Ферментов, расщепляющих цитрат внутри митохондрий, нет, а превра­щение изоцитрата катализируется третьим ферментом цикла Кребса — изоцитратдегидрогеназой. Как всякая дегидрогеназа, этот фермент имеет кофермент — акцептор водорода, отщепляемый от субстрата. Истинная изоцитратдегидрогеназа цикла Кребса — НАД-зависимый фермент, который содержится только в матриксе митохондрий и катализирует дегидрирование изоцитрата по уравнению

Одновременно идет декарбоксилирование промежуточного продукта реакции (оксалосукцинат) на поверхности фермента.

Другая, НАДФ-зависимая, изоцитратдегидрогеназа находится в основном в цитоплазме клетки (—-80%), и лишь небольшие количества ее присутствуют в митохондриях. Эта дегидрогеназа участвует в реакциях синтеза.

Реакция, катализируемая изоцитратдегидрогеназой, требует присутствия ионов Мп²⁺ или Mg н является практически необратимой (Д0 = = —20, 8 кДж/моль). Потери в энергии при декарбоксилированин обеспечи­вают непрерывность-утилизации изоцитрата, что в свою очередь способствует смещению равновесии аконитатгидратазной реакции в сторону образования изоцитрата из цис-аконитата.

4. 2-Оксоглутарат превращается полиферментным 2-оксоглутаратдегидро- генаэным комплексом, который по действию сходен с пнруватдегидрогеназным комплексом. Сходство в их механизме действия не случайно, так как оба фер- • ментных комплекса катализируют окисление а-кетокислот, 2-Оксоглутаратде-.гидрогеназный комплекс (четвертый фермент цикла Кребса) окисляет 2-оксоглутарат по уравнению:

5. Продукт этой реакции сукцинил-КоА относится к числу богатых энер­гией соединений, поэтому на следующей стадии цикла происходит перенос богатой энергией связи этого субстрата в макроэргические фосфатные связи. Эта реакция называется фосфор ил ированием на уровне субстрата или суб­стратным фосфорилированием. Благодаря этому процессу сохраняется энер­гия в макроэргических связях АТФ. Процесс катализируется сукцинат- тиоки- назой (обозначенной в уравнении «Е»):

а) Сукцинил-КоА + Н, Р0₄ + Е«£ Е-сукцнннл ~ Р0₃Н,

б) Е-сукцнкнл ~ POjHj^t Е ~ РО, Н, + Сукцинат

в) E~POjH, +ГДФ^Е + ГТФ

Акцептором фосфорила в этой реакции является ГДФ, поэтому энергия сначала аккумулируется в фосфатных связях ГТФ. Затем с помощью фермен­та нуклеозиддифосфаткиназы, связанного с внутренней мембраной мито­хондрий, происходит перенос фосфорила с ГТФ на АДф с образованием АТФ:

ГТФ + АДФз^ГДФ + АТФ

6. Сукцинат подвергается превращению с участием сукцинатдегидро- геназы. Особенностью этого фермента является то, что акцепторами электро­нов и протонов, отщепляемых от сукцнната, служат ФАД и железосеропро- теид, содержащий негеминовое железо (FeS). Железосеропротеиды связаны с субъединицами сукцинатдегндрогеназы. Кроме того, это единственный фер­мент цикла Кребса, прочно связанный с внутренней мембраной митохондрий. Он как бы «утоплен» своей гидрофобной частью в лнпидную часть мембраны, а активный центр фермента обращен в матрикс, где в растворенном внде находится сукцинат. При дегидрировании сукцината электроны переходят через негеминовое железо железосеропротенда к ФАДу, который является конечным акцептором электронов и протонов в этой реакции:

соон I

е; кц|)натдегкдрогян131 СН

^ % ' н1

сувиимт фумарк

Сукцннатдегидрогеназа катализирует отщепление от сукцината атомов водо­рода, находящихся в троне-положении. Поэтому образуется гране-форм а дикарбоновой кислоты — фумарат, а не цис-форма — малеат. Сукцинат- дегидрогеназная реакция обратима.

7. На следующем этапе происходит стереоспецифическое присоединение протона и гидроксила воды к фумарату, катализируемое фумаратгидратазой, по уравнению

соон соон

d: —н. но—с—н

и _+н.о«> " " Р'^т" " Г" '₁ I н-с Н-С-Н

<!; оон (}: оон

фуиярвт uajaT

Следовательно, этот фермент цикла Кребса обладает стереохимнческой субстратной специфичностью.

8. Завершающей стадией цикла Кребса является регенерация оксало- ацетата. Это происходит путем окисления палата, катализируемого малат- дегидрогеназой.

Малатдегидрогеназа цикла Кребса — НАД-зависимый фермент и имеет несколько изоферментов.

Реакция, катализируемая этим ферментом, обратима и описывается

Существует и НАДФ-зависимая малатдегидрогеназа, но она сосредоточена преимущественно вне " митохондрий (в цитозоле). Этот фермент одновременно с дегидрированием катализирует и декарбоксилирование субстрата:

^оон

НО—С—Н (аеирбокснднрующм)

надф надф h+h ⁺

Сравнив эти два фермента, можно видеть, что НАДФ-зависимый фермент не имеет отношения к циклу Кребса, так как под действием этого фермента lie происходит регенерации оксалоацетата, необходимого для замыкания

цикла. НАДФ-малатдегидрогеназа необходима как генератор НАДФ-Н₂ для синтетических процессов или как фермент, способствующий восполнению малата, расходующегося в других реакциях.

Общая последовательность реакций цикла Кребса представлена на рис. 34. Хотя цикл Кребса изображают в виде замкнутого ферментативного процесса, следует обратить внимание на одну его особенность: обратимость ферментативных реакций на участке от сукцината до оксалоацетата. Поэтому в митохондриях эта ветвь может работать в обратном направлении, т. е. оксалоацетат может превращаться в метаболиты цикла Кребса вплоть до сукцината. Такая возможность представляется, когда нарабатывается оксало­ацетат из других субгтпятпр с помощью вспомогательных реакций.

Дополнительное образование: молекул оксалоацетата необходимо в ситуациях, при которых в ходе распада веществ образуется много ацетил- КоА (например, при интенсивном окислении жирных кислот, пирувата, неко­торых аминокислот). Если количество оксалоацетата недостаточно для синте­за из него и ацетил-КоА цитрата, то цикл Кребса не успевает перерабаты­вать ацетильные остатки, и они используются в других ферментативных процессах.

Суммарное уравнение превращения ацетил-КоА ферментами цикла Креб­са имеет вид

СН₃—CO~SKoA + 2Н, 0 + H_sP0₄ + АДФ ■ " " " «^кР^€б",

--»■ 2СО_а + ЗНАД. Н + Н* + ФАД • Н, + АТФ -I- KoA-SH

Круговорот веществ в цикле Кребса организован столь целесообразно, что ферменты цикла по ходу его используют молекулы воды, имеющейся в изобилии, для производства водорода. Источником избыточных пяти атомов водорода являются две молекулы воды, присоединяющиеся к субстратам на стадиях превращения цитрнл-КоА в цитрат и фумарата в малат, а также не­органический фосфат, участвующий в реакции субстратного фосфор ил и- рования — образовании сукцината из сукцинил-КоА. Поскольку молекулы воды служат источником водорода, можно сказать, что вода выполняет энер­гетическую роль в животных клетках.

Биохимические функции цикла Кребса

1. Интегративная — цикл Кребса является своеобразным метаболическим «коллектором», который объединяет пути катаболизма углеводов, липидов и белков.

2. Амфмболическая — цикл Кребса выполняет двойственную функцию:, ката бол ическую, поскольку в нем происходит распад ацетильных остатков, н анаболическую, поскольку субстраты цикла Кребса используются на синтез других веществ. Так, оксалоацетат идет на синтез аспарагиновой кислоты и глюкозы, 2-оксоглутарат — на синтез глутаминовой кислоты, сукцинат — на синтез гема.

3. Энергетическая — в ходе реакций цикла Кребса образуется одна молекула АТФ на уровне субстрата на 1 моль поступившего ацетил-КоА.

4. Водороддонорная (или водородгенерирующая) — цикл Кребса явля­ется основным генератором водорода для дыхательной цепи. В цикле Кребса

Ркс. 35. Схема окислительных процессов в митохондриях — генераторов водорода в форме НАД • Н„ НАДФ - Н: н ФАД • Н, для дыхательной цепи (ФП* ФП„, ФГЦ — флавонротеиды)

образуется 4 пары атомов водорода, три из которых соединены с НАД и одна

На носледней функции цикла Кребса следует остановиться особо. Прежде всего, необходимо напомнить, что все процессы, «питающие» цикл Кребса или остатками уксусной кислоты, т. е. ацетил-КоА, или другими промежуточными продуктами цикла, т. е. ди- и трикарбоновыми кислотами, обеспечивают работу цикла Кребса и его функцию генератора водорода для дыхательной цепи. К этим процессам относятся (рнс. 35) цикл окисления жирных кислот, и пирувата (источники ацетил-КоА), реакции распада углеродного скелета аминокислот (источники ацетнл-КоА и дикарбоновых кислот). Торможение процессов, ведущих к образованию ацетил-КоА или метаболитов циила Креб­са, из других веществ, выключает цикл Кребса из работы. Дыхательная цепь лишается главного источника поступления водорода, использующегося на образование энергии.

Биохимические функции цикла Кребса указывают на то, что уксусная кислота и любое вещество, являющееся непосредственным компонентом цикла Кребса, должны быть хорошим Источником энергии и их можно потреб­лять с пищей как ценные энергетические вещества, лишь бы они, поступав в клетку, могли достигнуть ферментной системы цикла Кребса, расположенной внутри митохондрий. Ацетат в клетках может активироваться и превращаться в ацетил-КоА, а значит, для уксусной кислоты это предположение справед­ливо. То же относится к некоторым субстратам цикла, проникающим через митохондркальную мембрану, особенно к субстратам дегидрогеказ: изо- цитрату, 2-оксоглутараТу, сукцинату и малату. Возможности их использования 202 как энергетически ценных препаратов для медицинских целей и показания к назначению сейчас изучаются.

Вспомогательные дегидрогеназные реакции — доноры водорода в митогондрмях

Донорами водорода кроме цикла Кребса являются отдельные реакции окис­ления жирных кислот, пирувата, глутамата, изоцитрата (катализируемая НАДФ-зависимой изоцнтратдегидрогеназой), а-глицеролфосфата (см. рис. 35). Эффективность этих реакций значительно ниже, чем цикла Кребса. Более того, в отличие от цикла Кребса отщепление водорода в реакциях дегидрирования этих субстратов сопровождается образованием продуктов обмена, которые необходимо утилизировать. А для этого нужен циил Кребса. Значит, вспомогательные окислительные ферментные реакции — доноры во­дорода—самостоятельно не могут долго функционировать и лишь в присут­ствии цикла Кребса их функция эффективна.

Распределение киугримитохондрмального фонда водорода

При дегидрировании субстратов в митохондриях происходит связывание водорода с коферментами-переносчиками, которые специфичны для каждой дегидрогеназы. Весь водород внутри митохондрий поступает в дыхательную цепь по трем каналам. Основная часть водорода связана с НАД в виде НАД» Н₂, так как большинство дегндрогеназ внутри митохондрий являются НАД-завнсимымн. Вторую часть внутримитохондриального водорода состав­ляет тот, что связан с НАДФ (НАДФ-Н + Н⁺). Он образуется при дегидри­ровании НАДФ-зависимых изоцитратдегидрогеназы или глутаматдегидро- геназы. Третий поток водорода поступает при действии на субстраты флави- новых дегндрогеназ (флавопротеидов), кофер мента ми которых служит ФАД (см. рис. 35).

Распределение водорода, связанного с разными коферментами, раалич- но: НАД • Н_а и ФАД • H_s используются в окислительных процессах, а НАДФ • Н₂ —преимущественно для восстановительных синтезов. Во внутрен­ней мембране митохондрий имеется фермент трансгидрогеназа, регулирующий распределение водорода между НАДФ" ¹" и НАД⁺.

Трансгидрогеназа катализирует перенос водорода между двумя никотин- амиднуклеотидами:

НАДФ • Н, + НАД"» 3£ НАДФ* + НАД.. Н,

Если необходимо использ.овать водород НАДФ-Н₂ не для синтезов, а для окисления, то он перебрасывается к НАД⁺ с участием трансгидрогеназы.' Однако чаще используется обратная реакция, поскольку в митохондриях активны НАД-зависимые дегидрогеназы н нарабатывается много НАД * Н₃. На перенос водорода от НАД • Н₂ к НАДФ⁺ затрачивается энергия. Образо­вавшийся НАДФ • Н₂ используется в синтезе различных веществ внутри митохондрий.

3. Тканевое дыхание и окислительное фосфо­рилированиё

Водород используется как главное топливо для образования энергии. В мито­хондриях поток электронов от водорода устремляется к их конечному акцеп­тору кислороду. При этом образуются молекулы воды, которая в энергети­ческой шкале биологических веществ занимает низшую ступеньку и является конечным продуктом тканевого дыхания. Следовательно, тканевое дыхание есть окислительно-восстановительный процесс, связанный с образованием воды при переносе электронов от водорода на кислород.

Первые представления о тканевом дыхании связаны с Лавуазье, который один из первых указал на то, что жизнь поддерживаекм кислородом. Он назвал дыхание процессом биологического «горения», подобным горению угля, только очень медленным.

В 1897 г. была обоснована первая гипотеза тканевого дыхания, назван­ная гипотезой перекисного (пероксидного) окисления. Ее разрабатывали независимо друг от друга А. Н. Бах в России и Энглер в Германии. Суть данной гипотезы состоит в том, что при дыхании, как считали авторы, проис­ходит активирование молекул 0₂ за счет энергии самоокнсляющихся веществ, образование пероксидов и разложение их с участием другого вещества:

1) О - О-" —О—О— (активный кислород)

2) —О—О— + А (субстрат) —'(пероксид)

3) А< ^ + В (второй субстрат) ДО ₊ BQ

Для указанных целей необходимо последовательное действие двух фермен­тов — оксиееназы и пероксидазы. Впоследствии оказалось, что это не глав­ный, а частный случай окисления веществ при дыхании. Сейчас известно, что описанный тип медленного окисления органических веществ имеет место в микросомах печени, а не в митохондриях.

Идея активирования кислорода как основного механизма тканевого дыхания разрабатывалась известным немецким ученым Варбургом, создав­шим первые аппараты для изучения тканевого дыхания. Он считал, что активирование кислорода есть ключевой процесс в тканевом дыхании, в результате чего кислород соединяется с водородом и образуется вода. В 1912 г. Варбург открыл гемосодержащий протеид, названный впослед­ствии цитохромоксидазой, которая активирует кислород. Однако после откры­тия в том же году Бателли и Штерном дегидрогеназ ученых захватила идея активирования не кислорода, а водорода субстрата как основного звена тканевого дыхания. В. И. Палладии (1912) предложил схему дыхания, по ко­торой дегидрирование является важнейшим звеном дыхания: А. Н_г (субстрат) Д'пдаогеназы, |/₃о₈^н, 0

Вскоре Виланд и Тунберг доказали, что возможно активирование водорода субстрата с помощью дегидрогеназы. Гипотеза Палладина получила под­ам тверждение. Примирить дегндрогеназную концепцию Палладина и оксидаз- ную Варбурга в тканевом дыхании удалось после открытия в 1933 г. Кейли- ном цитохромов, являющихся промежуточными переносчиками электронов от водорода к кислороду. На самом деле Кейлин переоткрыл цитохромы, кото­рые были впервые описаны Мак-Мунном в 1886 г. и названы им гистогема- тинами.

Как часто бывает, истина оказалась посередине: и активирование во­дорода субстрата с участием дегндрогеназ, и активирование кислоро­да с участием оксид аз являются необходимыми звеньями тканевого ды­хания.

На современном этапе знаний тканевое дыхание представляется поли­ферментной цепью переноса электронов и протонов от субстрата — донора водорода к кислороду. Эта цепь переносчиков называется дыхательной цепью.

Структура и функция дыхательной цепи

Дыхательная цепь—это своеобразный конвейер по переносу протонов и электронов от восстановленного НАД (НАД • Н + Н⁺), образующегося при действии на субстрат НАД-зависимых дегндрогеназ, или от восстановленного ФАД (ФАД • Н₂), образующегося при действии на субстрат флавинзависи- мых дегндрогеназ, к кислороду. Дыхательная цепь состоит из следующих переносчиков протонов и электронов: флавопротеида-1 (ФП), содержащего в качестве кофермента ФМН, кофермента Q (или убихннона), двух желе- зосерных белков, содержащих негеминовое железо, и цитохромов Ь, с,,.с, а, а₃ (рис. 36).