Биологическое окисление имеет огромное значение для живых организмов. Большая часть энергии, необходимой для жизнедеятельности, образуется в результате окислительно-восстановительных реакций.
Окисление веществ может осуществляться следующими способами: а) отщеплением водорода от субстрата, который окисляется (процесс дегидрирования), б) отдачей субстратом электрона в) присоединением кислорода к субстрату. В живых клетках встречаются все перечисленные типы окислительных реакций, катализируемых соответствующими ферментами - ок-сидоредуктазамы. Процесс окисления происходит не изолированно, он связан с реакцией восстановления: одновременно происходят реакции присоединения водорода или электрона, т.е. осуществляются окислительно-восстановительные реакции.
Окислением называют все химические реакции, при которых происходит отдача электронов, что сопровождается увеличением положительных валентностей. Но одновременно с окислением одного вещества должно происходить и восстановление, т.е. присоединения электронов в другое вещество.
Таким образом, биологическое окисление и восстановление - это ответные реакции переноса электронов, происходящих в живых организмах, а тканевое дыхание - такой вид биологического окисления, при котором акцептором электрона является молекулярный кислород.
Краткая история развития учения о биологическом окисления. Изучение процессов биологического окисления начал в XVIII в. А. Лавуазье. Он обратил внимание на наличие определенной тождественности процессов горения органических веществ вне организма и дыханием животных. Оказалось, что при дыхании, как и при горении, поглощается кислород и образуются CO2 и H2O, однако процесс «горения» в организме идет очень медленно, к тому же, без пламени.
После работ А. Лавуазье в науке в течение длительного времени господствовало мнение о тождестве явлений горения и медленного окисления питательных веществ в организме. Однако оставалось неясным, почему это особое медленное «горения» в организме происходит при необычных условиях. при определенной низкой температуры (36-37 ° C), без возникновения пламени (как это имеет место при горении) и в присутствии воды, содержание которой достигает в тканях 75-80% от общей массы и которая в обычных условиях горению мешает. Это указывало на то, что медленное окисление органических веществ в организме по своему механизму резко отличается от обычного горения в воздухе органических веществ (дерева, угля и т.д.), хотя конечными продуктами в обоих случаях CO2 и вода.
Причину такого своеобразного течения окислительных процессов в живых организмах ученые сначала пытались объяснить «активацией» кислорода в клетках организма.
Одна из первых теорий биологического окисления, связанных с «активацией» кислорода, была развита русским ученым О.М.Бахом (1897), который считал, что молекула кислорода способна действовать как окислитель органических веществ только после своей активации результате разрыва одного из н "связей в его молекуле (-OO-). Активация происходит, в частности, если в среде присутствуют соединения, которые легко окисляются (например, имеющих двойные связи), при участии ферментов оксигеназ.
Соединения, легко окисляются, например, ненасыщенные жирные кислоты, взаимодействуя с кислородом, образуют пероксиды. В этих реакциях окисления параллельно с восстановлением. Таким образом О.М. Бах впервые сформулировал идею о сопряженность окислительно-восстановительных процессов при дыхании. Теория А.Н. Баха получила название «перекисной теории» активации кислорода.
Однако истинный механизм активации кислорода во время окисления различных субстратов дыхания оказался другим.
Значительную роль в развитии теории биологического окисления сыграли работы другого российского ученого - В.И. Палладина (1907). Он развил представление о дыхании как систему ферментативных процессов и особое значение придавал окислению субстратов путем отщепления водорода (процесс дегидрирования).
Изучая окисление субстратов в растениях, В.И. Палладин установил, что оно может происходить без кислорода, если в среде имеются вещества, способные присоединять отщепленным при окислении водород. Такими веществами могут быть пигменты или хромогены и другие вещества, которые выполняют функцию промежуточных переносчиков водорода. Присоединяя водород от субстратов при этом окисляются, хромогены восстанавливаются и становятся бесцветными. Таким образом, В.И. Палладин придавал большое значение процесса окисления как процесса дегидрирования, а также указывал на важную роль кислорода как акцептора водорода в процессах биологического окисления.
Исследования В.И. Палладина были подтверждены работами Г. Виланда, который установил на примере окисления альдегидов, что процесс дегидрирования субстратов является основным процессом, который лежит в основе биологического окисления, и кислород взаимодействует уже с активированными атомами водорода. Таким образом, была создана концепция окисления веществ путем их дегидрирования, которая стала называться теорией Пал-Ладина-Виланда. Большую роль в подтверждении этой теории сыграло открытие и изучение целого ряда ферментов-дегидрогеназ, катализирующих отщепление атомов водорода от различных субстратов.
В дальнейшем были изучены: связь дыхания с другими процессами обмена веществ, в том числе и с процессом фосфорилирования; свойства ферментов, катализирующих реакции биологического окисления; локализация этих ферментов в клетке; механизм аккумуляции и преобразования энергии и т.п..
Значительный вклад в изучение биологического окисления сделали О. Варбург, Д. Кейлин, Г. Кребс, П. Митчелл, Д. Грин, А. Ленинджер, Б. Чанс, Э. Рекер, В.О. Энгельгардт, В.А. Белицер, С.Е. Северин, В.П. Скулачев и др..