Биологическое окисление

В процессе эволюции возникали метаболические пути превращения питательного субстрата как источника энергии. У прокариот, как ранних форм жизни, возникли разнообразные метаболические пути в получении энергии из различных субстратов. В основе извлечения энергии из субстратов (органических, неорганических) лежат процессы биологического окисления с участием биологических катализаторов - ферментов. В разработку теории биологического окисления большой вклад внесли работы русских ученых-биохимиков Н. И. Баха (1857-1946), А. В. Палладина (1885-1972). Биологическое окисление в физиологии принято называть термином «дыхание».

А. Н. Бах впервые сформулировал идею о сопряженности окислительно-восстановительных процессов дыхания.

Дыхание с позиции биохимии - это медленное окисление. При окислении происходит отнятие от окисляемого субстрата водорода или электронов и перенос их на акцептор. Донор окисляется, а акцептор восстанавливается. На последнем этапе окислительно-восстановительных реакций при аэробном дыхании водород соединяется с кислородом с образованием воды. Молекулярный кислород обладает невысокой реакционной способностью. Молекулярный кислород способен действовать как окислитель органических веществ только после активации, разрыва одной из связей в его молекуле. Согласно учению А. Н. Баха, активация кислорода происходит, если в среде присутствуют легко окисляемые соединения, например, имеющие двойные связи, взаимодействуя с кислородом, они образуют пероксиды.

Пероксиды потом окисляют другие молекулы.

Окисление происходит параллельно, взаимосвязанно с восстановлением с участием фермента пероксидазы. Эта теория получила название пероксидазной теории дыхания Баха. А. Н. Бах в своей теории исходил из представлений, что поскольку молекулярный кислород имеет невысокую реакционную активность, то он может действовать как окислитель органических веществ только после активации, разрыва одной из связей в его молекуле. Активация происходит, в частности, если в среде присутствуют легко окисляемые соединения, например, имеющие двойные связи. Взаимодействуя с кислородом, они дают пероксиды.

А. В. Палладии развил теорию о дыхании как системе ферментативных процессов и указывал на особое значение окисления дыхательного субстрата путем отнятия водорода.

Биоэнергетика биологического окисления обеспечивает баланс энергетических процессов в живом организме. Дыхание с точки зрения химии - это сопряженная реакция окисления и восстановления (окислительно-восстановительные процессы).

Биохимические реакции, при которых происходит перенос электронов от доноров (восстановитель) к акцептору (окислитель), называются окислительно-восстановительными. В некоторых из них перенос электронов осуществляется путем передачи атомов водорода. В биохимических реакциях, как правило, перенос водорода осуществляется путем раздельного транспорта протонов (Н ) и электронов (е): протоны выделяются в среду и при необходимости поглощаются из нее, а электроны должны быть обязательно переданы на соответствующие молекулы. Поэтому все окислительно-восстановительные превращения субстратов являются по сути и перемещениями электронов.

Разнообразные соединения, способные окисляться, т. е. являющиеся источниками отрываемых электронов, называются донорами электронов. Поскольку электроны не могут существовать самостоятельно, они обязательно должны быть перенесены на молекулы, способные их воспринимать и таким образом восстанавливаться. Такие молекулы называются акцепторами электронов. Донором электронов не может быть предельно окисленное вещество, а их акцептором - предельно восстановленное.

Многие прокариоты получают энергию в процессе дыхания. Они окисляют восстановленные вещества с относительно низким окислительно-восстановительным потенциалом (ЕО), возникающие в реакциях промежуточного метаболизма или являющиеся исходными субстратами (НАД Н>, сукцинат, лактат, NH,, H2S и др.).

Восстановители и окислители образуют окислительно-восстановительные пары:

Донор электронов «—> е + Акцептор электронов.

Способность восстановителя отдавать электрон окислителю обычно выражается величиной стандартного восстановительного потенциала (Ео). Он измеряется при pH 7,0 и t 25 °C. Стандартный восстановительный потенциал численно равен электродвижущей силе (в вольтах).

В качестве стандарта принят восстановительный потенциал реакции: Н2 «-> 2Н+ +2е~. В процессе дыхания молекулы одних веществ окисляются, других -восстанавливаются, т. е. окислительно-восстановительные процессы всегда межмолекулярны. При pH 7,0 стандартный восстановительный потенциал системы Н,«-> 2Н+ равен 0,42 мВ.

В процессе жизнедеятельности микроорганизмов постоянно происходит трансформация энергии, например, химической в тепловую у гетеротрофов, световой в химическую - у фотоавтотрофов, химической в световую - у светящихся бактерий.

Питание живых организмов зависит от энергетической емкости (калорийности) питательного субстрата. Энергетика обеспечивает жизнедеятельность живых организмов. Высвобождение химической энергии из органических и неорганических соединений происходит при их окислении.

Происхождение молекулярного кислорода в первичной восстановительной атмосфере древней Земли обусловлено возникновением аэробного фотосинтеза у цианобактерий и прохлорофитов в период примерно 2,8 млрд лет назад. Тенденция к быстрому размножению этих фотосинтезирующих прокариот и соответственно увеличению количества свободного кислорода в воздухе производила сдвиг в газовом составе атмосферы в сторону ее окисления. Считают, что в период до 0,6 млрд лет содержание кислорода в атмосфере увеличилось до 2%. Для первичных анаэробов, возникших в бескислородной среде, появление свободного кислорода оказывало неблагоприятное воздействие, что требовало либо приспособления к новым условиям существования, либо ухода из кислородной среды в другие экологические ниши с отсутствием в них кислорода, в анаэробные места обитания.

Насыщение газового состава атмосферы свободным кислородом потребовало формирования новых метаболических путей, включающих молекулярный кислород как акцептор электронов, возникающий в окислительно-восстановительных реакциях.

Для анаэробов молекулярный кислород является токсичным, т. е. оказывает отрицательное действие на метаболизм.

В современном газовом составе атмосферы кислород составляет 21%. Значительное накопление (по объему) кислорода в атмосфере связано с жизнедеятельностью фотосинтезирующих водорослей и высших наземных растений, когда они в древние времена завоевали сушу, став главными продуцентами кислорода. Кислород стал жизненно важным химическим элементом для всех аэробных форм жизни.

Свободный кислород содержится почти исключительно в атмосфере, количество его оценивается в 1,5—1015 т. При всей громадности этой величины он не превышает 0,0001 общего содержания кислорода в земной коре. В земной коре распространен кислород в виде соединений. В воде содержится 89% кислорода, в человеческом организме - около 65%, в песке - 53%, в глине - 56% и т. д.

Если подсчитать количество кислорода в атмосфере, гидросфере, литосфере, то окажется, что на его долю приходится примерно 50% их общей массы. Таким образом, более половины всех составляющих земную кору атомов приходится на долю кислорода.

Воды гидросферы содержат 1,5 х Ю13 т растворенного кислорода. Растворимость кислорода в воде имеет жизненно важное значение для аэробных животных, обитающих в водах Мирового океана, для которых кислород необходим для окислительно-восстановительных процессов метаболизма, в чем и состоит химическая сущность дыхания.

В узком смысле слова под окислением понимают присоединение к веществу кислорода, так как он является самым активным химическим элементом, способным энергично реагировать почти со всеми остальными химическими соединениями.

Если окисление протекает с выделением большого количества тепла и света, его обычно называют горением.

Медленно протекающие процессы окисления в зависимости от окисляемого вещества называют ржавлением (для железа), тлением (для органических остатков) или, чаще всего, просто окислением.

Окислительные процессы протекают гораздо энергичнее в чистом кислороде, чем на воздухе. Например, тлеющая лучинка вспыхивает и ярко горит в кислороде. Такой же эффект из всех известных газов дает только закись азота, почти не встречающаяся в природе. Поэтому проба на тлеющую лучинку часто служит доказательством присутствия кислорода.

В условиях кислородной атмосферы формируется аэробный тип жизни. Органические соединения благодаря фотосинтезу имеют биогенное происхождение. Аэробный тип жизни, аэробный метаболизм связан с созданием новой системы электронного транспорта, в принципе сходной, но не идентичной фотосинтетической системе переноса электронов и сопряженного с ней механизма окислительного фосфорилирования.

Прокариотная модель структуры и биохимии клеточной жизни универсальна для всего живого. Физиологические процессы в прокариотной клетке: метаболизм, способы добывания энергии, воспроизведение себе подобных в ряду поколений составили биологическую основу для всего живого в органическом мире.

Важнейшим свойством жизни является постоянный обмен веществ - непременный признак всего живого - основа проявления жизнедеятельности организма. Метаболизм включает энергетические (катаболические) и конструктивные (анаболические) взаимосвязанные процессы.

Стратегия метаболизма издревле исходит от древних прокариот. Первозданные прокариоты изобрели несколько способов добывания энергии: разные виды брожения, дыхание, фотосинтез, которые характеризуют все разнообразие типов жизни прокариот (гетеротрофы, фототрофы, литотрофы).

Многие прокариоты извлекают энергию в процессе дыхания - это процесс окисления восстановленных веществ из исходного субстрата энергоносителей («топливо») или продуктов промежуточного метаболизма.

Брожение, дыхание или гликолиз характерны для многих прокариот. При этом роль конечного акцептора электронов играет кислород, а донором электронов являются окисляемые органические и неорганические соединения.

Окисление происходит в результате переноса электронов от доноров электронов на акцепторы электронов. Электроны не могут существовать самостоятельно, они обязательно должны быть перенесены на акцепторы, способные их воспринимать и таким образом восстанавливаться. Перенос электронов происходит в дыхательной электронтранспортной цепи, локализованной в мембране. Перенос электронов на молекулярный кислород приводит к его восстановлению при аэробном дыхании, при этом образуется намного больше АТФ в результате фосфорилирования, сопряженного с переносом электронов, чем при фосфорилировании па уровне субстрата при брожении.

Окислительно-восстановительные процессы всегда межмолекулярны: в процессе дыхания одни молекулы окисляются, другие восстанавливаются. Донором электронов не может быть предельно окисленное вещество, а их акцептором - предельно восстановленное. С помощью ферментных систем организм извлекает энергию из субстрата в реакциях его ступенчатого окисления, приводящего к освобождению энергии небольшими порциями.

Аэробные прокариоты извлекают энергию из органических субстратов при их окислении. Наиболее древняя физиологическая группа хемолитоавтотроф-ных анаэробных прокариот способна окислять неорганические вещества в анаэробных условиях.

В процессе эволюции метаболизма возник и в дальнейшем сохранился тип метаболизма, при котором водород (электроны) переносится от органического субстрата на связанный кислород. При этом носителями связанного кислорода могут быть неорганические соединения - нитрат, сульфат, карбонат или другие вещества. Они восстанавливаются водородом окисляемого субстрата. Способность переносить электроны на эти соединения дает бактериям возможность окислять субстраты без участия молекулярного кислорода. Поскольку этот процесс происходит в отсутствие кислорода (в анаэробных условиях), этот тип метаболизма называют анаэробным дыханием.

Отношение прокариот к молекулярному кислороду различное. По этому признаку современные прокариоты подразделяются на несколько групп: аэробы - облигатные (строгие) и факультативные; анаэробы - облигатные и факультативные.

К облигатньм аэробам относится большинство современных прокариот. По отношению к уровню молекулярного кислорода среди облигатных аэробов выделяются группы, растущие при концентрации кислорода в современной атмосфере (21%) и группа микроаэрофилов, которые растут при содержании кислорода в среде около 2%. По мерс накопления молекулярного кислорода в земной атмосфере отдельные группы прокариот «ушли» из аэробной среды в места обитания, где молекулярный кислород практически отсутствует и где сохранился «облик бескислородной эпохи», - это группа анаэробов, которые не могли приспособиться к новым атмосферным условиям. Такие анаэробные условия остались в глубинах Мирового оксана, в глубоких недрах земли, в гейзерах и др.

Древние анаэробы прокариоты вынуждены были искать пути приспособления к «кислородным» условиям, формировавать новые метаболические пути, служащие в первую очередь для нейтрализации отрицательного действия молекулярного кислорода. Имеются данные о том, что разнообразие прокариотных сообществ значительно уменьшилось при увеличении содержания кислорода в атмосфере (примерно 1,5 млрд лет назад).

Для приспособления к кислородным условиям жизни возникла необходимость формирования новых метаболических путей и биологических механизмов для нейтрализации токсичного действия молекулярного кислорода. В частности, возник такой тип метаболизма, как анаэробное дыхание. Осуществляют его прокариоты, которые могут жить при отсутствии кислорода - анаэробы.

Среди анаэробов различают облигатные, или строгие, и факультативные. Строгие анаэробы - Clostridium acetabutylicum, С. perfringers, метанобразую-щие бактерии и др. - не переносят следов молекулярного кислорода. Они не используют кислород в качестве конечного акцептора электронов, у них энергетические и конструктивные процесс протекают без участия кислорода.

В процессе метаболизма перенос электронов идет на связанный кислород (СО,, SO*-, НСО3, фумарат - НООС-СН=СН=СООН и др.) с запасанием освобождающейся энергии в форме АТФ (субстратное фосфорилирование). У них отсутствуют каталазы (СОД). Для них молекулярный кислород губителен.

Факультативные анаэробы растут как в присутствии кислорода, так и в его отсутствие, т. е. могут переключаться с одного метаболического пути на другой, например, с дыхания в присутствии О, на брожение в отсутствии О, и наоборот. К этой группе прокариот относят энтеробактерии, а из числа эукариот - дрожжи. Аэротолерантные молочнокислые бактерии способны расти в присутствии молекулярного кислорода (не чувствительны к нему), но не используют его в качестве акцептора электронов, так как обладают анаэробным типом метаболизма. Микрофильные бактерии (или каппофильные микроорганизмы), хотя и нуждаются в кислороде, но лучше растут при повышенном содержании СО,. К ним относят аэробные бактерии из родов Campylobacter, Helicobacter.

Из анаэробных типов дыхания различают «нитратное», «сульфатное», «карбонатное», «фумаратное», «железное» и др. Микроорганизмы, осуществляющие эти типы дыхания, играют важную роль в природе и сельском хозяйстве.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >