Живой организм постоянно нуждается в энергии для выполнения различных биосинтезов , механической работы, транспорта молекул и ионов. Процесс биологического окисления представляет систему окислительно- восстановительных реакций, роль которых состоит в обеспечении организма животного энергией, получаемой за счёт восстановительных органических соединений.Основными экзогенными источниками(субстратами) энергии в организме являются углеводы, жиры, белки. Окислительно – восстановительные реакции представляют основной источник биохимической реакции. Реакции окисления и восстановления протекают в органах и тканях одновременно и не могут существовать отдельно. Они протекают в митохондриях.Митохондрии имеют наружные и внутренние мембраны. Молекулы, участвующие в реакциях образования АТФ, располагаются на внутренних митохондриальных мембранах.Для окисления субстратов на внутренних митохондриальных мембранах сосредоточены ферменты цепи биологического окисления в виде «дыхательных ансамблей», относящиеся к различным дегидрогеназам (класс ферментов оксидоредуктаз) и выполняющие роль промежуточных переносчиков электронов от исходного субстрактадонора к конечному акцептору.Транспорт протонов и электронов по цепи ферментов-переносчиков определяется разностью окислительно-восстановительных потенциалов между акцепторами. Отдельные акцепторы цепи биологического окисления осуществляют транспорт протонов и электронов, тогда как другие акцепторы способны переносить лишь электроны. Принимая электроны, акцептор восстанавливается, а затем, отдавая их, он вновь переходит в окисленное состояние. На последнем этапе фермент-переносчик передает электроны на кислород, конечный акцептор электронов, который в результате восстанавливается до молекулы воды. Последовательность реакций биологического окисления носит название «дыхательной цепи».На первом этапе восстановительный субстрат передает два атома водорода (2 протона и 2 электрона) на конфермент НАД+ (никотинамидадениндинуклеотид) дегидрогеназы:
Суб. – Н2 + НАД+ >>Суб. = НАДН + Н+
В данной реакции на первом атоме углерода в структуре витамина В5 фиксируется один атом водорода и электрон, тогда как другой свободный ион Н+ остаётся в цитозоле. Если первым переносчиком атомов водорода является НАД+, то следующим переносчиком служит Флавиномононуклеотид (ФМН) – производное витамина В2:
НАДН+ + Н+ ФМН>>НАД+ + ФМНН2
Возможен перенос атомов водорода с субстрата, минуя НАД+, на ФАД (флавинадениндинуклеотид). Активной частью структуры ФМН и ФАД является изоаллоксазиновое кольцо. В обоих случаях на следующем этапе дыхательной цепи восстановленный ФМН или ФАД передает атомы водорода на KoQ(убихинон)
ФМНН2 + KoQ + ФМН >>KoQH2
Следующий этап дыхательной цепи составляют белки- ферменты семейства цитохромов. Все цитохромы представляют собой гемопротеины. Характерной особенностью гема цитохромов является перенос ими только электронов атомов водорода, тогда как протоны переходят в окружающую среду. В начале восстановленная форма KoQ(KoQ-H2) передает два электрона на две молекулы цитохрома b, имеющие в составе гема трехвалентное железо:
KoQH2 + 2 цит. B (Fe+3)>>Koq + 2 H+ + 2 цит. B (Fe+2)
Затем эти электроны с цитохрома b передаются последовательно на другие цитохромы.
Каждый переносчик дыхательной цепи в восстановленом состоянии является более высокоэнергетическим соединением по сравнению с восстановленной формой последующего переносчика. Таким образом, последовательно электроны переходят на более низкий энерггетический уровень, сопровождаясь порциальным выделением энергии. Высвобождающаяся при этом свободная энергия не может быть полностью использована организмом. Около 50% её рассеивается в организме в виде тепла. Другая часть энергии окисления субстрата преобразуется в «макроэргетические» соединения, из которых важнейшим в количественном плане является АТФ (аденозинтрифосфат). Этот процесс получил название окислительного фосфорилирования. Перенос электронов в дыхательной цепи приводит к выбросу протонов из митохондриального матрикса и генерированию мембранного потенциала. Обратный поток протонов в матрикс сопровождаетсясинтезом молекул АТФ из неорганического фосфора и АДФ. Потоки электронов на различных участках дыхательной цепи могут быть ингибированны отдельными химическими реагентами, антибиотиками. Условно ингибиторы можно разделить на три группы: ингибиторы собственно дыхательной цепи(барбитураты, сероводород, окись углерода, цианиды); ингибиторы окислительного фосфорилирования (антибиотик олигомилицин); разобщители окислительного фосфорилирования (2,4 – динитрофенол).
