Биологическое окисление Биологическое окисление

4. Внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд белков-переносчиков, осуществляющих транспорт необходимых метаболитов и неорганических ионов.

 При прохождении высокоэнергетических электронов, доставляемых НАДН и ФАДH₂, по дыхательной цепи внутренней митохондриальной мембраны от одного переносчика к следующему высвобождается энергия, которая используется для перекачивания протонов (Н ) через внутреннюю мембрану из матрикса в межмембранное пространство. (см.рисунок 2)

Рисунок 2. Перенос протонов при участии АТФ-синтазной системы (модель Митчелла).[10,1993]

В результате на внутренней мембране создается электрохимический протонный градиент; энергию о6ратного тока протонов «вниз» по этому градиенту используется связанный с мембраной фермент АТФ-синтетаза, катализирующий образование ATФ из АДФи Ф_н, т.е. завершающий этап окислительного фосфорилирования.

 Редокс-цепь окислительного фосфорилирования.

Электроны переносятся с НАДН на кислород с помощью трех больших ферментных комплексов дыхательной цепи. Хотя механизмы извлечения энергии в дыхательной цепи и в других катаболических реакциях различны, в их основе лежат общие принципы. Реакция Н₂ 1/2 О₂ ® Н₂О разбита на много небольших «шагов», так что высвобождаемая энергия может переходить в связан­ные формы, а не рассеивается в виде тепла. Как и в случае образования АТФ и НАДH при гликолизе или в цикле лимонной кислоты, это связано с использованием непрямого пути. Но уникальность дыхательной цепи заключается в том, что здесь прежде всего атомы водорода расщепляются на электроны и протоны. Электроны передаются через серию переносчиков, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану. Когда электроны достигают конца этой электронтранспортной цепи, протоны оказываются там же для нейтрализации отрицательного заряда, возникающего при переходе электронов на молекулу кислорода.

Проследим процесс
окисления, начиная с образования НАДH – главного акцептора реактивных электронов, извлекаемых при окислении молекул питательных веществ. Каждый атом водорода состоит из одного электрона и одного протона. Каждая молекула НАДH несет гидрид-ион (водо­родный атом добавочный электрон, Н:^–), а не просто атом водорода. Однако из-за присутствия в окружающем водном растворе свободных протонов перенос гидрид-иона в составе НАДH эквива­лентен переносу двух атомов водорода или молекулы водорода (Н:^– Н ® Н₂).

Перенос электронов по дыхательной цепи начинается с отнятия гидрид-иона (Н:^–) от НАДH; при этом регенерируется НАД , a гидрид-ион превращается в протон и два электрона (Н:^– ® Н 2е^–). Эти электроны переходят на первый из более чем 15 различных переносчиков электронов в дыхательной цепи. В этот момент электроны обладают очень большой энергией, запас которой постепенно уменьшается по мере прохождения их по цепи. Чаще всего электроны переходят от одного атома металла к другому, причем каждый из этих атомов прочно связан с белковой молекулой, которая влияет на его сродство к электрону. Важно отметить, что все белки – переносчики электронов – группируются в три больших комплекса дыхательных ферментов, каждый из которых содержит трансмембранные белки, прочно закрепляющие комплекс во внутренней мембране митохондрии. Каждый последующий комплекс обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий. Электроны последовательно переходят с одного комплекса на другой, пока наконец не перейдут на кислород, имеющий наибольшее сродство к электрону.

 Энергия, высвобождаемая в процессе переноса электронов по дыхательной цепи, запасается в форме электрохимического протонного градиента на внутренней мембране митохондрий.

Окислительное фосфорилирование возможно благодаря тесной ассоциации переносчиков электронов с белковыми молекулами. Белки направляют электроны по дыхательной цепи так, что они последо­вательно переходят от одного ферментного комплекса к другому, не «перескакивая» через промежуточные звенья. Особенно важно то, что перенос электронов сопряжен с аллостерическими изменениями определенных белков молекул, в pезультате чего энергетически выгодный поток электронов вызывает перекачивание протонов (Н ) через внутреннюю мем6рану из матрикса в межмембранное пространство и далее за пределы митохондрии. Передвижение протонов приводит к двум важным следствиям: 1) между двумя сторонами внутренней мембраны создается градиент рН – в матриксе рН выше, чём в цитозоле, где значение рН обычно близко к 7,0 (так как малые молекулы свободно проходят через наружную мембрану митохондрии, рН в межмембранном пространстве будет таким же как в цитозоле); 2) на внутренней мембране
создается градиент напряжения (мембранный потенциал), причем внутренняя
сторона мембраны заряжается отрицательно, а наружная – положительно. Градиент рН (DрН) заставляет ионы Н переходить обратно в матрикс, а ионы ОН^– из матрикса, что усиливает эффект мембранного потенциала, под действием которого любой положительный заряд притягивается в матрикс, а любой отрицательный выталкивается из него. Совместное действие этих двух сил приводит к возникновению электрохимического протонного градиента. Электорохимический протонный градиент создает протонодвижущую силу, измеряемую в милливольтах (мВ).

Энергия электрохимического протонного градиента используется для синтеза АТФ и транспорта метаболитов и неорганических ионов в матрикс.

Внутренняя мембрана митохондрий отличается необычно высоким содержанием белка – в ней по весу примерно 70% белка и 30%фосфолипидов. Многие из этих белков входят в состав электронтранспортной цепи, поддерживающей протонный градиент на мембране. Другой важный компонент – фермент АТФ-синтетаза, катализирующий синтез АТФ. Это большой белковый комплекс, через который протоны перетекают обратно в матрикс по электрохимическому градиенту. Подобно турбине,
АТФ-синтетаза преобразует одну форму энергии в другую, синтезируя АТФ из AДФ и Ф_н в митохондриальном матриксе в ходе реакции, сопряжённой с током протонов в матрикс (см. рисунок 3).

Рисунок 3. Общий механизм окислительного фосфорилирования.[1,1994]

 Но синтез АТФ – это не единственный процесс, идущий за счет энергии
электрохимического градиента. В матриксе, где находятся ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты и других мета­болических реакциях, необходимо поддерживать высокие концентрации различных субстратов; в частности, для АТФ-синтетазы требуются AДФ и фосфат. Поэтому через внутреннюю мембрану должны транспортироваться разнообразные несущие заряд субстраты. Это достигается с помощью различных белков-переносчиков, встроенных в мембрану, многие из которых активно перекачивают определенные молекулы против их электрохимических градиентов, т.е. осуществляют процесс, требующий затраты энергии. Для большей части метаболитов источником этой энергии, служит сопряжение с перемещением каких-то других молекул «вниз» по их электрохимическому градиенту. Например, в транспорте АДФ участвует система антипорта АДФ-АТФ: при переходе каждой молекулы AДФ в матрикс из него выходит по своему электрохимическому градиенту одна молекула АТФ. В то же время система симпорта сопрягает переход фосфата внутрь митохондрии с направленным туда же потоком Н : протоны входят в матрикс по своему градиенту и при этом “тащат” за собой фосфат. Подобны образом переносится в матрикс и пируват. Энергия электрохимического протонного градиента используется также для переноса в матрикс ионов Са² , которые, по-видимому, играют важную роль в регуляции активности некоторых митохондриальных ферментов.

 Чем больше энергии электрохимического градиента затрачивается на перенос молекул и ионов в митохондрию, тем меньше остается для синтеза АТФ. Например, если изолированные митохондрии поместить в среду с высоким содержанием Са² , то они полностью прекратят синтез АТФ; вся энергия градиента будет расходоваться на транспорт Ca² в матьрикс. В некоторых специализированных клетках электрохимический протонный градиент «шунтируется» таким образом, что митохондрии вместо синтеза АТФ образуют тепло. Очевидно, клетки способны регулировать использование энергии электрохимического протонного градиента и направлять ее на те процессы, которые наиболее важны в данный момент.

 Быстрое превращение АДФ в АТФ в митохондриях позволяет поддерживать высокое отношение концентраций ATФ/AДФ в клетках. С помощью особого белка, встроенного во внутреннюю мембрану, AДФ транспортируется в матрикс в обмен на АТФ по принципу антипорта. В результате молекулы AДФ, высвобождаемые при гидролизе АТФ в цитозоле, быстро поступают в митохондрию для «перезарядки», в то время как молекулы АТФ, образующиеся в матриксе в процессе окислительного фосфорилирования, тожебыстро выходят в цитозоль, где они нужны. В организме человека молекулы АТФ за сутки, что позволяет поддерживать в клетке концентрацию АТФ, более чем в 10 раз превышающую концентрацию АДФ.

В процессе окислительного фосфорилирования каждая пара электронов НАДH обеспечивает энергией образование примерно трех молекул АТФ. Пара электронов ФАДH₂, обладающая меньшей энергией, дает энергию для синтеза только двух молекул АТФ. В среднем каждая молекула ацетил-СоА поступающая в цикл лимонной кислоты, дает около 12 молекул АТФ. Это означает, что при окислении
одной молекулы глюкозы образуются 24 молекулы АТФ, а при окислении одной молекулы пальмитата – жирной кислоты с 16 углеродными атомами – 96 молекул АТФ. Если учесть также экзотермические реакции, предшест­вующие
образованию ацетил-СоА, окажется, что полное окисление одной молекулы глюкозы дает около 36 молекул АТФ, тогда как при полном окислении пальмитата образуется примерно 129 молекул АТФ. Это максимальные величины, так как фактически количество синтезируемого в митохондриях АТФ зависит от того_, какая доля энергии протонного градиента идет на синтез АТФ, а не на другие процессы. Если сравнитъ изменение свободной энергии при сгорании жиров и углеводов прямо до СО₂ и Н₂О с общим количеством энергии, запасаемой в фосфатных связях АТРФ в процессах биологического окисления, окажется, что эффективность преобразования, энергии окисления в энергию АТФ часто превышает 50%. Поскольку вся неиспользованная энергия высвобождается в виде тепла, крупные организмы нуждались бы в более эффективных способах отвода тепла в окружающую среду.

 Огромное количество свободной энергии, высвобождаемое при окислении, может эффективно использоваться только мелкими порциями. В сложном процессе окисления участвует много промежуточных продуктов, каждый из которых лишь незна­чительно отличается от предыдущего. Благодаря этому высвобождаемая энергия дробится на меньшие количества, которые можно эффективно преобразовывать с помощью сопряженных реакций в высо­коэнергетические связи молекул АТФ и НАДH .

В 1960 г. было впервые показано, что различные мембранные белки, участвующие в окислительном
фосфорилировании, могут быть вы­делены без потери активности. От поверхности субмитохондриальных частиц удалось отделить и перевести в растворимую форму усеивающие их крошечные белковые структуры. Хотя субмитохондриальные частицы без этих сферических структур продолжали окислять НАДH в присутствии кислорода, синтеза АТФ при э^том не происходило. С другой стороны, выделенные структуры действовали как АТФазы, гидролизуя АТФ до
АДФ и Ф_н. Когда сферические структуры (названные F₁-АТФазами) добавляли к лишенным их субмитохондриальным частицам, реконструированные частицы вновь синтезировали АТФ из AДФ и Ф_н.

F₁– АТФаза – это часть большого, пронизывающего всю толщу мембраны комплекса, который состоит по меньшей мере из девяти различных полипептидных цепей. Этот комплекс получил название АТФ-синтетаза; он составляет около 15% всего белка внутренне митохондриальнои мембраны. Весьма сходные АТФ-синтетазы имеются в мембранах хлоропластов и бактерий. Такой белковый комплекс содержит трансмембранные каналы для протонов, и происходит только тогда, когда через эти каналы проходят протоны вниз по своему электрохимическому градиенту.

 АТФ-синтетаза может действовать в обратном направлении – расщеплять АТФ и перекачивать протоны. Действие АТФ-синтетазы обратимо: онa способна использовать как энергию гидролиза АТФ для перекачивания протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию потока протонов по электрохимическому градиенту для синтеза АТФ. Таким образом, АТФ-синтетаза – это обратимая сопрягающая система, которая осуществляет взаимопревращение энергии электрохимического протонного градиента и химических связей. Направление ее работы зависит от соотношения между крутизной
протонного градиента и локальной величиной DG для гидролиза АТФ.

АТФ-синтетаза получила свое название в связи с тем, что в обычных условиях npoтоннoro градиента, поддерживаемого дыхательной цепью, синтезирует большую часть всего АТФ клетки. Число протонов, необходимое для синтеза одной молекулы АТФ, в точности не известно. При прохождении через АТФ-синтетазу протонов синтезируется одна молекула АТФ.

Как будет работать в данный момент АТФ-синтетаза – в направлении синтеза или гидролиза АТФ, – зависит от точного баланса между изменениями свободной энергии для прохождения трех протонов через мембрану в матрикc и для синтеза АТФ в матриксе. Как уже говорилось, величина DG_{синт.АТФ} определяется концентрациями трех веществ в матриксе митохондрии – АТФ, AДФ и Ф_н. При постоянной протонодвижущей силе АТФ-синтетаза будет синтезировать ATФ тех пор, пока отношение АТФ к AДФ и Ф_н не достигнет такого значения, при котором величина DG_{синт.АТФ} станет в точности равна 15,2ккaл/мoль. При таких условиях синтез АТФ будет точно уравновешиваться его гидролизом.

Предположим, что в связи с реакциями, требующими затраты энергии, в цитозоле внезапно гидролизовалось большое количество АТФ, и это привело к падению отношения АТФ:AДФ в матриксе митохондрии. В этом случае DG_синт.
понизится и АТФ-синтетаза вновь переключится на синтез АТФ, пока не восста­новится исходное отношение АТФ:AДФ. Если же протонодвижущая сила внезапно снизится и будет поддерживаться на постоянном уровне, то АТФ-синтетаза начнет расщеплять АТФ, и эта реакция будет продолжаться до тех пор, пока соотношение между концентрациями ATФ и AДФ не достигнет какого-то нового значения (при котором DG_{синт.АТФ} = 13,8 ккал/моль), и так далее.

Если АТФ-синтетаза в норме не транспортирует Н из матрикса, то дыхательная цепь, находящаяся во внутренней митохондриальной мембране, при нормальных условиях переносит через эту мембрану протоны, создавая таким образом электрохимический протонный гра­диент, доставляющий энергию, для синтеза AТФ.

Большинство переносчиков электронов, входящих в состав дыхательной цепи, поглощают свет, и их окисление или восстановление сопровождается изменением цвета. Обычно спектр поглощения и реакционноспособность каждого переносчика достаточно характерны, что позволяет даже в неочищенном экстракте прослеживать изменения его состояний с помощью спектроскопии. Это дало возможность выделить такие переносчики задолго до того, как стала понятна их истинная функция. Например, цитохромы были открыты в 1925 г. как соединения, которые быстро окисляются и восстанавливаются у таких различных организмов, как дрожжи, бактерии и насекомые. Наблюдая клетки и ткани с помощью спектроскопа, удалось идентифицировать три типа цитохромов, которые различались по спектрам поглощения и названы цитохромами а, b и c. Клетки содержат несколько видов цитохромов каждого типа, и классификация по типам не отражает их функцию.

Самый простой переносчик электронов представляет собой неболь­шую гидрофобную молекулу, растворенную в липидном бислое и называемую убихиноном или коферментом Q. Он способен принять или отдать как один, так и два электрона и временно захватывает из среды протон при переносе каждого электрона.

Рисунок 4. Структура убихинона.[10,1993]

Дыхательная цепь содержит три больших ферментных комплекса, встроенных во внутреннюю мембрану

Мембранные белки трудно выделить в виде интактных комплексов,так как они нерастворимы в большинстве водных растворов, а такие вещества, как детергенты и мочевина, необходимые для их солюбилизации, могут нарушать нормальное белок-белковое взаимодействие. Однако в начале 1960-х гг. было обнаружено, что с помощью относительно мягких ионных детергентов, таких как дезоксихолат, можно солюбилизировать некоторые компоненты митохондриальной внутренней мембраны в нативной форме. Это позволило идентифицировать и выделить три главных связанных с мембраной комплекса дыхательных ферментов на пути от НАДH до кислорода.

Рисунок 5. Дыхательные ферментные комплексы.[1,1994]

1. НАДН-дегидрогеназный комплекс – самый большой из дыхательных ферментных комплексов – имеет молекулярную массу свыше 800000 и содержит более 22 полипептидных цепей. Он принимает электроны от НАДH и передает их через флавин и по меньшей мере пять железо-серных центров на_ убихинон – небольшую жирорастворимую молекулу, передаюшую электроны на второй комплекс дыхательных ферментов-комплекс b-c₁.

2. Комплекс b-с₁ состоит по меньшей мере из 8 разных полипептидных цепей и, вероятно, существует в виде димера с молекулярной массой 500000. Каждый мономер содержит три тема, связанных с цитохромами, и железо-серный белок. Комплекс принимает электроны от убихинона и передает цитохрому с, небольшому периферическому мембранному белку, который затем переносит их на цитохром-оксидазный комплекс.

3.Цитохромоксидазный комплекс (цитохром аа₃) – наиболее изучен­ный из трех комплексов. Он состоит не менее чем из восьми различных полипептидных цепей и выделен как димерс молекулярной массой 300000; каждый мономер содержит два цитохрома и два атома меди.этот комплекс принимает электроны от цитохрома с и передает их на кислород.

Цитохромы, железо-серные центры и атомы меди способны переносит одновременно только один электрон. Между тем, каждая молекула НАДН отдает два электрона и каждая молекула О₂ должна принять 4 электрона при образовании молекулы воды. В электронтранспортной цепи имеется несколько электронсобирающих и электронраспределяющих участков, где согласовывается разница в числе электронов. Так, например, цитохромоксидазный комплекс принимает от молекул цитохрома с по отдельности 4 электрона и в конечном итоге передает их на одну связанную молекулу О₂, что ведет к образованию двух молекул воды. На промежуточных ступенях этого процесса два электрона, прежде чем перейти к участку, связывающему кислород, поступают в гем цитохрома а, и связанный с белком атом меди, Cu_a. В свою очередь участок связывания кислорода содержит еще один атом меди и гем цитохрома а₃. Однако механизм образования двух молекул воды в результате взаимодействия связанной молекулы О₂ с четырьмя протонами в точности не известен.

В большинстве клеток с цитохромоксидазой взаимодействует около 90% всего поглощаемого кислорода. Токсичность таких ядов, как цианид и азид, связаны с их способностью прочно присоединяться к цитохромоксидазному комплексу и блокировать тем самым весь транспорт электронов.

Два компонента, переносящие электроны между тремя главными ферментными комплексами дыхательной цепи, – убихинон и цитохром с – быстро перемещаются путем диффузии в плоскости мембран.

Столкновения между этими подвижными переносчиками и ферментными комплексами вполне позволяют объяснить наблюдаемую ско­рость переноса электронов (каждый комплекс отдает и принимает один электрон каждые 5-10 миллисекунд). Поэтому нет необходимости предполагать структурную упорядоченность цепи белков-переносчиков в липидном бислое; в самом деле, ферментные комплексы, видимо существуют в мембране как независимые компоненты и упорядоченный перенос электронов обеспечивается только специфичностью функциональных взаимодействий между компонентами цепи.

В пользу этого говорит и тот факт, что различные компоненты дыхательной цепи присутствуют в совершенно разных количествах. Например, в митохондриях сердца на каждую молекулу НАДН-дегидрогеназного комплекса приходятся З молекулы _| комплекса b-c₁ комплекса, 7 молекул цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома с и 50 молекул убихинона; весьма различные соотношения этих белков обнаружены и в некоторых других клетках.

Значительный перепад окислительно-восстановительного потенциала на каждом из трех комплексов дыхательной цепи доставляет энергию, необходимую для перекачивания протонов.

Такую пару, как Н₂О и ½О₂ (или НАДH и НАД ), называют сопряженной окислительно-восстановительной парой, так как один из ее членов превращается в другой, если добавить один или несколько электронов и один или несколько протонов (последних всегда доста­точно в любом водном растворе). Так, например, ½О₂ 2е 2Н ® Н₂О

Хорошо известно, что смесь соединений, образующих сопряженную кислотно-щелочную пару, в соотношении 50:50 действует как буфер, поддерживающий определенное «давление протонов» (рН), величина которого определяется константой диссоциации кислоты. Точно таким же образом смесь компонентов пары в соотношении 50:50 поддерживает определенное «давление электронов», или окислительно-восстановительный потенциал (редокс-потенциал) Е, служащий мерой сродства молекулы-переносчика к электронам.

Помещая электроды в раствор с соответствующими окислительно-восстановительными парами, можно измерить редокс-потенциал каж-дого переносчика электронов, участвующего в биологических окислительно-восстановительных реакциях. Пары соединений с наиболее отрицательными значениями редокс-потенциала обладают наименьшим сродством к электронам, т.е. coдepжaт перенocчики с наименьшей тенденцией принимать электроны и наибольшей тенденцией их отдавать. Например, смесь НАДH и НАД (50:50) имеет редокс-потенциал -320 мВ, что указывает на сильно выраженную способность НАДH отдавать электроны, тогда как редокс-потенциал смеси равных ко­личеств Н₂О и ½О₂ составляет 820 мВ, что означает сильную тенденцию 0₂ к принятию электронов.

Резкий перепад имеет место в пределах каждого из трех главных дыхательных комлексов.
Разность потенциалов между любыми_двумя переносчиками электронов прямо пропорциональна энергии, высвобождаемой при переходе электрона от одного переносчика к другому. Каждый комплекс действует как энергопреобразующее
устройство, направляя эту свободную энергию на перемещение протонов через мембрану, что приводит к созданию электрохимического протонного градиента по мере прохождения электронов по цепи.

Для работы энергопреобразующего механизма, лежащего в основе окислительного фосфорилирования, нужно, чтобы каждый ферментный комплекс дыхательной цепи был ориентирован во внутренней митохондриальной мембране определенным образом – так, чтобы все протоны перемещались в одном направлении, т. е. из матрикса наружу. Такая векторная организация мембранных белков была продемонстрирована с помощью специальных зондов, не проходящих сквозь мембрану, которыми метили комплекс только с какой-нибудь одной стороны мембраны. Специфическая ориентация в бислоe свойственна всем мембранным белкам и очень важна для их функции.

 Механизмы перекачивания протонов компонентами дыхательной цепи.

В процессе окислительного фосфорилирования при окислении одной молекулы НАДН (т.е. при прохождений двух электронов через все три ферментных комплекса) образуется не более трех молекул АТФ. Если предположить, что обратное прохождение трех протонов через АТФ-синтетазу обеспечивает синтез одной молекулы АТФ, можно будет заключить, что в среднем перенос одного электрона каждым комплексом сопровождается перемещением полутора протонов (иными словами, при транспорте одного электрона некоторые комплексы перекачивают один протон, а другие – два протона). Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта электронов с перемещением протонов. Аллостерические изменения конформации белковой молекулы, связанные с транспортом электронов, могут в принципе сопровождаться «перекачиванием» протонов, подобно тому как перемещаются протоны при обращении действия АТФ-синтетазы. При переносе каждого электрона хинон захватывает из водной среды протон, который затем отдает при высвобождении электрона. Поскольку убихинон свободно передвигается в липидном бислое, он может принимать электроны вблизи внутренней поверхности мембраны и передавать их на комплекс b-с₁ около ее наружной поверхности, перемещая при этом через бислой по одному протону на каждый перенесенный электрон. С помощью более сложных моделей можно объяснить и перемещение комплексом b-c₁ двух протонов на каждый электрон, предположив, что убихинон повторно проходит через комплекс b-c₁ в определенном направлении.

В отличие от этого молекулы, передающие электроны цитохромоксидазному комплексу, по-видимому, не переносят протонов, и в этом случае транспорт электронов, вероятно, связан с определенным аллостерическим изменением конформации белковых молекул, в результате которого какая-то часть белкового комплекса сама переносит протоны.

Действие разобщителей.

С 40-х годов известен ряд липофильных слабых кислот, способных действовать как разобщающие агенты, т.е. нарушать сопряжение транспорта электронов с синтезом АТФ. При добавлении к клеткам этих низкомолекулярных органических соединений митохондрии прекраща­ют синтез АТФ, продолжая при этом поглощать кислород. В присутствии разобщающего агента, скорость транспорта электронов остается высокой, но протонный градиент не создается. Это простое объяснение этого эффекта: разобщающие агенты (например, динитрофенол, тироксин) действуют как переносчики Н (Н -ионофоры) и открывают дополнительный путь – уже не через АТФ-синтетазу – для потока Н через внутреннюю митохондриальную мембрану.[13, 2000]

 Дыхательный контроль.

Когда к клеткам добавляют разобщающий агент, например динитрофенол, поглощение кислорода митохондриями значительно возрастает, так как скорость переноса электронов увеличивается. Такое ускорение связано с существованием дыхательного контроля. Полагают, что этот контроль основан на прямом инги6ирующем влиянии электрохимического протонного градиента на транспорт электронов. Когда в присутствии разобщителя электрохимический градиент исчезает, не контролируемый более транспорт электронов достигает максимальной скорости. Возрастание градиента притормаживает дыхательную цепь, и транспорт электронов замедляется. Более того, если в эксперименте искусственно создать на внутренней мембране необычно высокий электрохимический градиент, то нормальный транспорт электронов прекратится совсем, а на некоторых участках дыхательной цепи можно будет обнаружить обратный поток электронов. Это позволяет пред­полагать, что дыхательный контроль отражает простой баланс между изменением свободной энергии при перемещении протонов, сопряжен­ного с транспортом электронов, и изменением свободной энергии при самом транспорте электронов.Величина электрохимического градиента влияет как на скорость, так и на направление переноса электронов, так же как и на направление действия АТФ-синтетазы.

Дыхательный контроль – это лишь часть сложной системы взаимосвязанных регуляторных механизмов с обратными связями, координи­рующей скорости гликолиза, расщепления
жирных кислот, реакций цикла лимонной кислоты и транспорта электронов. Скорости всех этих процессов зависят от отношения АТФ:AДФ – они возрастают, когда это отношением уменьшается в результате усиленного использования АТФ. Например, АТФ-синтетаза внутренней
митохондриальной мембраны работает быстрее, когда концентрации ее субстратов, т. е. .AДФ и Ф_н, увеличиваются. Чем выше скорость этой реакции, тем больше протонов перетекает в матрикс, быстрее рассеивая тем самым электрохимический градиент; а уменьшение градиента в свою очередь приводит к ускорению транспорта электронов.[1,1994]

Митохондрии бурой жировой ткани – генераторы тепла.

 Всем позвоночным в молодом возрасте для образования тепла, в дополнение к механизму мышечного тремора, необходимо термогенное устройство. Такого рода устройство особенно важно для животных, впадающих в зимнюю спячку. Мышцы в состоянии тремора сокращаются и при отсутствии нагрузки, используя сократительные белки для гидролиза АТФ обычным для мышечных клеток образом и освобождая в виде тепла всю энергию, потенциально доступную при гидролизе АТФ. Необходимость особого термогенного устройства определяется прочно сопряженным окислительным фосфорилированием нормальных митохондрий. Если бы этот процесс мог быть разобщен, как это бывает в присутствии динитрофенола, он мог бы служить в качестве адекватного приспособления, производящего тепло; именно так это происходит в митохондриях бурого жира. Хотя эти митохондрий обладают обычной обратимой АТФазой, в них имеется также трансмембранная протонная транслоказа, посредством которой протоны могут возвращаться в матрикс и электрически шунтировать работу АТФазы. Если этот процесс достаточен для того, чтобы поддерживать окислительно-восстановительный потенциал водорода значительно ниже 200 мВ, синтез АТФ становится невозможным и окислительный процесс протекает свободно, в результате чего вся энергия освобождается в виде тепла.[2, 1994]

Цикл лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот, цикл Кребса).

Цикл лимонной кислоты представляет собой серию реакций, протекающих в митохондриях, в ходе которых осуществляется катаболизм ацетильных групп и высвобождение водородных
эквивалентов; при окислении последних поставляется свободная энергия топливных ресурсов тканей. Ацетильные группы находятся в составе ацетил-КоА (активного ацетата), тиоэфира кофермента А.

Главная функция цикла лимонной кислоты состоит в том, что он является общим конечным путем окисления углеводов, белков и жиров, поскольку в ходе метаболизма глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты превращаются либо в ацетил-СоА, либо в промежуточные соединения цикла. Цикл лимонной кислоты играет также главную роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования, дезаминирования и липогенеза, Хотя ряд этих процессов протекает во многих тканях, печень – единственный орган, в котором идут все перечисленные процессы. Поэтому серьезные последствия вызывает повреждение большого числа клеток печени или замещение их соединительной тканью. О жизненно важной роли цикла лимонной кислоты свидетельствует и тот факт, что у человека почти не известны генетические изменения ферментов, катализирующих реакции цикла, так как наличие таких нарушений несовместимо с нормальным развитием.[10,1993]

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 a-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.[9, 1991]

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.

Катаболическая роль цикла лимонной кислоты

Цикл начинается со взаимодействия молекулы ацетил-СоА с щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом), в результате которого образуется шестиуглеродная трикарбоновая кислота, называемая лимонной. Далее следует серия реакций, в ходе которых происходит высвобождение двух молекул С02 и регенерация оксалоацетата. Поскольку количество оксалоацетата, необходимое для превращения большого числа ацетильных единиц в С0₂, весьма невелико, можно считать, что оксалоацетат выполняет каталитическую роль.

Цикл лимонной кислоты является механизмом, обеспечивающим улавливание большей части свободной энергии, освобождаемой в процессе окисления углеводов, липидов и белков. В процессе окисления ацетил-СоА благодаря активности ряда специфических дегидрогеназ происходит образование восстановительных эквивалентов в форме водорода или электронов. Последние поступают в дыхательную цепь; при функционировании этой цепи происходит окислительное фосфорилирование, то есть синтезируется АТФ.

Ферменты цикла лимонной кислоты локализованы в митохондриальном матриксе, где они находятся либо в свободном состоянии, либо на внутренней поверхности внутренней митохондриальной мембраны; в последнем случае облегчается перенос восстановительных эквивалентов на ферменты дыхательной цепи, локализованные во внутренней митохондриальной мембране.[11, 1989]

Реакции ЦТК.

Начальная реакция – конденсация ацетил-СоА и оксалоацетата, катализируется конденсирующим ферментом, цитратсинтетазой, при этом происходит образование связи углерод-углерод между метальным углеродом ацетил-СоА и карбонильным углеродом оксалоацетата. За реакцией конденсации, приводящей к образованию цитрил-СоА, следует гидролиз тиоэфирной связи, сопровождающийся потерей большого количества свободной энергии в форме теплоты; это определяет протекание реакции слева на право до ее завершения:

Ацетил-СоА Оксалоацетат Н₂О → Цитрат CoA-SH

Превращение цитрата в изоцитрат катализируется аконитазой, содержащей железо в двухвалентном состоянии. Эта реакция осуществляется в две стадии: сначала происходит дегидратация с образованием цис-аконитата (часть его остается в комплексе с ферментом), а затем – гидратация и образование изоцитрата:

Цитрат ↔ цис -Аконитат ↔ Изоцитрат – Н₂О

Реакция ингибируется фторацетатом, который сначала превращается во фторацетил-СоА; последний конденсируется с оксалоацетатом, образуя фторцитрат. Непосредственным ингибитором аконитазы является фторцитрат, при ингибировании накапливается цитрат.

Эксперименты
с использованием промежуточных соединений показывают, что аконитаза взаимодействует с цитратом ассиметрично: она всегда действует на ту часть молекулы цитрата, которая образовалась из оксалоацетата. Возможно, что цис-аконитат не является обязательным интермедиатом между цитратом и изоцитратом и образуется на боковой ветви основного пути.

Далее изоцитратдегидрогеназа катализирует дегидрогенирование с образованием
оксалосукцината. Описаны три различных формы изоцитратдегидрогеназы. Одна из них, НАД-зависимая, найдена только в митохондриях. Две другие формы являются НАДФ-зависимыми, причем одна из них также находится в митохондриях, а другая в цитозоле. Окисление изоцитрата, связанное с работой дыхательной цепи, осуществляется почти исключительно НАД-зависимым ферментом:

Изоцитрат НАД ↔ Оксалосукцинат (в комплексе с ферментом) ↔ альфакетоглутарат СО₂ НАДН₂

Рисунок 5. Реакции цикла Кребса.[10,1993]

Далее
следует декарбоксилирование с образованием альфакетоглутарата,
которое также катализируется изоцитратдегидрогеназой.
Важным компонентом реакции декарбоксилирования являются ионы Mg² (или Мn² ). Судя по имеющимся данным, оксалосукцинат, образующийся на промежуточной стадии реакции, остается в комплексе с ферментом.

Альфакетоглутарат, в свою очередь, подвергается окислительному декарбоксилированию, сходному с окислительным декарбоксилированием пирувата: в обоих случаях субстратом является альфакетокислота. Реакция катализируется альфакетоглутаратдегидрогеназным комплексом и требует участия того же набора кофакторов – тиаминдифосфата, липоата, НАД , ФАД и СоА; в результате образуется сукцинил-СоА – тиоэфир, содержащий высокоэнергетическую связь.

α-кетоглуторат НАД CoA-SH → Сукцинил-СоА СО₂ НАДН Н

Равновесие реакции настолько сильно сдвинуто в сторону образования сукцинил-СоА, что ее можно считать физиологически однонаправленной. Как и при окислении пирувата, реакция ингибируется арсенатом, что приводит к накоплению субстрата (альфакетоглутарат).

Продолжением цикла является превращение сукцинил-СоА в сукцинат, катализируемое сукцинаттиокиназой (сукцинил-СоА-синтетазой):

Сукцинил-СоА Ф_Н ГДФ↔ Сукцинат ГТФ CoA-SH

Одним из субстратов реакций является ГДФ (или ИДФ), из которого в присутствии неорганического фосфата образуется ГТФ (ИТФ). Это – единственная стадия цикла лимонной кислоты, в ходе которой генерируется высокоэнергетическая фосфатная связь на субстратном уровне; при окислительном декарбоксилировании α-кетоглутарата потенциальное количество свободной энергии достаточно для образования НАДН и высокоэнергетической фосфатной связи. В реакции, катализируемой фосфокиназой, АТФ может образовываться как из ГТФ, так и из ИТФ. Например:

ГТФ АДФ «ГДФ АТФ.

В альтернативной реакции, протекающей во внепеченочных тканях и катализируемой сукцинил-СоА-ацетоацетат-СоА-трансферазой, сукцинил-СоА превращается в сукцинат сопряженно с превращением ацетоацетата в ацетоацетил-СоА. Впечени
имеется диацилазная активность, обеспечивающая гидролиз части сукцинил-СоА с образованием сукцината и СоА.

Далее сукцинат дегидрогенируется, затем присоединяется молекула воды, и следует еще одна стадия дегидрогенирования, приводящая к регенерации оксалоацетата:

Сукцинат ФАД « Фумарат ФАДН₂

Первое дегидрогенирование катализируется сукцинатдегидрогеназой, связанной с внутренней поверхностью внутренней митохондриальной мембраны. Это единственная дегидрогеназная реакция ЦТК, в ходе которой осуществляется прямой перенос с субстрата на флавопротеин без участия НАД . Фермент содержит ФАД и железо-серный белок. В результате дегидрогенирования образуется фумарат. Как показали эксперименты с использованием изотопов, фермент стереоспецифичен к транс-атомам водорода метиленовых групп сукцината. Добавление малоната или оксалоацетата ингибирует сукцинатдегидрогеназу, что приводит к накоплению сукцината.

Фумараза (фумаратгидротаза) катализирует присоединение воды к фумарату с образованием малата:

Фумарат Н₂О « L-малат

Фумараза специфична к L-изомеру малата, она катализирует присоединение компонентов молекулы воды по двойной связи фумарата в транс-конфигурации. Малатдегидрогеназа катализирует превращение малата в оксалоацетат, реакция идет с участием НАД :

L-малат НАД « 0ксалоацетат НАДН₂

Хотя равновесие этой реакции сильно сдвинуто в направлении малата, реально она протекает в направлении оксалоацетата, поскольку он вместе с НАДН постоянно потребляется в других реакциях.

Ферменты цикла лимонной кислоты, за исключением альфакетоглутарат- и сукцинатдегидрогеназы, обнаруживаются и вне митохондрий. Однако некоторые из этих ферментов (например, малатдегидрогеназа) отличаются от соответствующих митохондриальных ферментов.

Энергетика цикла лимонной кислоты.

 В результате окисления, катализируемого дегидрогеназами ЦТК, на каждую катаболизируемую за период одного цикла молекулу ацетил-СоА образуются три молекулы НАДН и одна молекула ФАДН₂. Эти восстановительные эквиваленты передаются в дыхательную цепь, локализованную в митохондриальной мембране. При прохождении по цепи восстановительные эквиваленты НАДН генерируют три высокоэнергетические фосфатные связи посредством образования АТФ из АДФ в процессе окислительного фосфорилирования. За счет ФАДН₂ генерируется только две высокоэнергетические фосфатные связи, поскольку ФАДН₂ переносит восстановительные эквиваленты на кофермент Q и, следовательно, в обход первого участка цепи окислительного фосфорилирования в дыхательной цепи. Еще один высокоэнергетический фосфат генерируется на одном из участков цикла лимонной кислоты, то есть на субстратном уровне, при превращении сукцинил-СоА в сукцинат. Таким образом, за период каждого цикла образуется 12  новых высокоэнергетических фосфатных связей.

Регуляция цикла лимонной кислоты.

Основные процессы, которые поставляют и запасают энергию в клетках, могут быть в общей форме изображены следующим образом:

глюкоза пируват ® ацетил-СоА жирные кислоты

AДФ

АТФ

С0₂

Регуляция этой системы inter alia должна гарантировать постоянное поступление АТФ соразмерно с существующими в данный момент энергетическими потребностями, обеспечивать превращение избытка углеводов в жирные кислоты через пируват и ацетил-СоА и наряду с этим контролировать экономное расходование жирных кислот через ацетил-СоА как ключевой продукт для входа в цикл лимонной кислоты.

Цикл лимонной кислоты поставляет электроны в электронпереносящую систему, в которой поток электронов сопряжен с синтезом АТФ и в меньшей степени снабжает восстановительными эквивалентами системы биосинтеза промежуточных продуктов. В принципе цикл не может протекать быстрее, чем это позволяет использование образуемой АТФ. Если бы весь AДФ клетки превратился в АТФ , не могло бы быть никакого дальнейшего потока электронов от НАДH, который накапливается, к 0₂. Ввиду отсутствия НAД , необходимого участника процессов дегидрирования цикла, последний перестал бы функционировать. Существуют более тонкие регуляторные приспособления, которые модулируют действие ферментов в самом цикле лимонной кислоты.

Сукцинатдегидрогеназа находится во внутренней митохондриальной мембране. Все остальные ферменты растворены в матриксе, заполняющем внутреннее пространство митохондрии. Измерения относительных количеств этих ферментов и концентраций их субстратов в митохондриях указывают, что каждая реакция протекает с одинаковой скоростью. Как только пируват (или другой потенциальный источник ацетил-СоА) поступает внутрь матрикса митохондрии, весь цикл протекает внутри этого отсека.

В некоторых участках стимуляция или ингибирование определяется относительными концентрациями НAДH/НAД, ATФ/AДФ или АМФ, ацетил-СоА/СоА или сукцинил-СоА/СоА. Когда эти отношения высоки, клетка достаточно обеспечена энергией и поток через цикл замедлен; когда же они низки, клетка испытывает потребность в энергии, и поток через цикл ускоряется.

Как необратимая реакция, соединяющая метаболизм углеводов с циклом лимонной кислоты, пируватдегидрогеназная реакция должна хорошо контролироваться. Это достигается двумя способами. Во-первых, фермент, который активируется
несколькими интермедиаторами гликолиза, конкурентно ингибируется своими собственными продуктами – НAДH и ацетил-СоА. При прочих равных условиях увеличение соотношения НAДH/НAД от 1 до 3 вызывает 90%-е снижение скорости реакции, а увеличение отношения ацетил-СоА/СоА приводит к количественно подобному эффекту. Эффект проявляется мгновенно. Медленнее возникают, но дольше действуют эффекты другого регуляторного устройства. С сердцевиной каждой молекулы дигидролипоилтрансацетилазы связано около пяти молекул киназы пируватдегидрогеназы, которая за счет АТФ катализирует фосфорилирование серинового остатка в a-цепи пируватдегидрогеназного компонента. Будучи фосфорилирован, фермент не способен декарбоксилировать пируват.

Когда происходит окисление жирных кислот, пируватдегидрогеназа заметно ингибируется. По-видимому, это явление объясняется сопутствующими процессу окисления высокими концентрациями АТФ, ацетил-СоА и НAДH. Большинство тканей содержат
избыток пируватдегидрогеназы, так что после приема корма в печени, а также в мышце и в жировой ткани у животных в состоянии покоя лишь 40, 15 и 10% пируватдегидрогеназы соответственно находится в активной, нефосфорилированной форме. Когда возрастает потребность в АТФ, концентрации НAД , СоА и AДФ возрастают за счет использования НAДH, ацетил-СоА и АТФ, а киназа инактивируется. Однако фосфатаза продолжает функционировать вновь активируя дегидрогеназу. Повышение Са² может активировать митохондриальную фосфатазу.

Синтез цитрата – стадия, лимитирующая скорость цикла лимонной кислоты. Регуляция этой стадии совершается благодаря небольшому, но достаточно значимому ингибированию цитрат-синтетазы посредством НAДH и сукцинил-СоА. Основное же влияние на скорость синтеза цитрата оказывает поступление субстрата.

Активность изоцитратдегидрогеназы регулируется в зависимости от концентраций Mg² , изоцитрата, НAД ,
НAДH и АМФ. Кроме субстратсвязывающих центров для НAД , изоцитрата и Mg² фермент имеет еще и положительные, и отрицательные эффекторные участки. Изоцитрат – положительный эффектор; его связывание кооперативно, т. е. связывание на каком-либо одном участке облегчает связывание на других. Оба участка связывания для АМР стимулируют активность фермента.

Таким образом, ферментная активность определяется отношениями НAД /НAДH и АМФ/АТФ.

АМФ – положительный эффектор комплекса a-кетоглутаратде-гидрогеназы, который в этом отношении напоминает изоцитратдегидрогеназу. В области физиологических концентраций и сукцинил-СоА, и НAДH обладают ингибирующим действием, причем концентрация сукцинил-СоА, по-видимому, главный фактор, управляющий скоростью процесса. Сукцинатдегидрогеназа напоминает изоцитратдегидрогеназу в том отношении, что субстрат (сукцинат) выполняет функцию положительного аллостерического эффектора. Оксалоацетат – мощный ингибитор, однако неясно, действует ли этот контроль в нормальных условиях.[5,2000]

 В цикле лимонной кислоты выполняют специфические функции четыре водорастворимых витамина группы В. Рибофлавин входит в состав ФАД, который является кофактором альфакетоглутаратдегидрогеназного комплекса и сукцинатдегидрогеназы. Ниацин входит в состав НАД, который является коферментом трех дегидрогеназ цикла: изоцитратдегидрогеназы, альфакетоглуторатдегидрогеназы и малатдегидрогеназы.
Тиамин (витамин В₁) входит в состав тиаминдифосфата, который является коферментом альфакетоглутаратдегидрогеназы. Пантотеновая кислота входит в состав кофермента А, который является кофактором, связывающим активные ацильные остатки.

Макроэргические соединения и макроэргические связи.

В клетках, освобождающаяся в результате катаболических процессов распада питательных веществ, свободная энергия может быть использована для осуществления многих химических реакций, протекающих с затратой энергии. Запасание энергии происходит в виде богатых энергией химических связей особого класса соединений, большинство из которых являются ангидридами фосфорной кислоты (нуклеозидтрифосфаты).

Существуют высокоэнергетические и низкоэнергетические фосфаты. Условной границей для этих двух групп соединений является величина свободной энергии гидролиза
фосфатной связи. Следовательно, высокоэнергетические фосфаты имеют богатую энергией высокоэргическую (макроэргическую) связь.

Энергию связи определяют как разницу свободных энергий соединений, содержащего эту связь, и соединений, получающихся после ее разрыва. Макроэргическими (богатыми энергией) принято считать те связи, при гидролизе которых изменения свободной энергии системы составляют более 21 кДж/моль.

Центральную роль в энергообмене клеток всех типов осуществляет система адениновых нуклеотидов, которая включает в себя АТФ, АДФ и АМФ, а также неорганический фосфат и ионы магния. АТФ является термодинамически неустойчивой молекулой и гидролизуется с образованием АДФ и АМФ. Именно эта неустойчивость позволяет АТФ выполнять функцию переносчика химической энергии, необходимой для удовлетворения большей части энергетических потребностей клеток. К соединениям, обладающим богатой энергией связью, помимо АТФ, относится также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, креатинфосфат, пирофосфат, некоторые тиоэфиры (например, ацетил-КоА), фосфоенолпируват, 1,3-бифосфоглицерат и ряд других соединений.

При гидролизе АТФ в стандартных условиях изменение свободной энергии составляет -30,4 кДж/моль. В физиологических условиях реальная свободная энергия гидролиза концевой фосфатной связи АТФ будет иная и приближается к -50,0 кДж/моль.

Возможно несколько вариантов освобождения энергии фосфатных связей АТФ. Основной вариант – это отщепление концевого фосфата АТФ (АТФ Н₂О ®АДФ Н₃РО₄). Другой
вариант – пирофосфатное расщепление АТФ (АТФ Н20 ®АМФ Н₄Р₂О₇). Этот тип реакции значительно реже используется в биохимических процессах.

Накопление энергии в специфических фосфатных связях АТФ лежит в основе механизма переноса энергии в живой клетке. Есть основания считать, что в клетке существуют три основных типа перехода энергии АТФ:

в энергию химических связей, в тепловую энергию и энергию, затрачиваемую на совершение работы (осмотической, электрической, механической и др.).[15,1997]

Витамин PP.

Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид, ниацин) называют антипеллагрическим витамином (от итал. Preventive pellagra – «предотвращающий пеллагру»), поскольку его отсутствие является причиной заболевания, называемого пеллагрой.

Никотиновая кислота известна давно, однако только в 1937 году она была выделена К. Эльвегеймом из экстракта печени и было показано, что введение никотиновой кислоты (или ее амида – никотинамида) или препаратов печени предохраняет от развития или излечивает от пеллагры.

Никотиновая кислота представляет собой соединение пиридинового ряда, содержащее карбоксильную группу (никотинамид отличается наличием амидной группы).

Витамин РР мало растворим в воде (порядка 1%), но хорошо растворим в водных растворах щелочей. Никотиновая кислота кристаллизуется в виде белых игл.

Наиболее характерными признаками пеллагры (от итал. pelle agra -шершавая кожа), являются поражения кожи (дерматиты), желудочно-кишечного тракта (диарея) и нарушения нервной деятельности (деменция).

Дерматиты чаще всего симметричны и поражают те участки кожи, которые подвержены влиянию прямых солнечных лучей: тыльную поверхность кистей рук, шею, лицо; кожа становится красной, затем коричневой и шершавой. Поражения кишечника выражаются в развитии анарексии, тошноты и болей в области живота, поноса. Диарея приводит к обезвоживанию организма. Слизистая оболочка толстого кишечника сначала воспаляется, затем изъязвляется. Специфичными для пеллагры являются стоматиты, гингивиты, поражения языка со вздутием и трещинами. Поражения мозга выражаются в головных болях, головокружениях, повышенной раздражимости, депрессии и других симптомах, включая психозы, психоневрозы, галлюцинации и другие. Симптомы пеллагры особенно резко выражены у больных с недостаточным белковым питанием. Установлено, что это объясняется недостатком триптофана, который является предшественником никотинамида, частично синтезируемого в тканях человека и животных, а также недостатком ряда других витаминов.

Витамин РР играет роль кофермента в НАД-зависимых дегидрогеназах (участниках тканевого дыхания), метаболизме углеводов и аминокислот, НАДФ-зависимых ферментах (пентозного шунта и синтеза липидов), НМН-зависимых энзимах (алкогольдегидрогеназа и маликфермент). Не менее важна роль его, как субстрата поли-АДФ-рибозилирования. Данный процесс участвует в сшивке хромосомных разрывов и в работе репаразной системы, а также имеет (при нехватке НАД) ключевое значение в механизме некробиоза и апоптоза клеток, особенно – высокоаэробных.[6,2000]

Показано, что ряд дегидрогеназ используют только НАД или НАДФ, другие могут катализировать окислительно-восстановительные реакции в присутствии любого из них. В процессе биологического окисления НАД и НАДФ выполняют роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым субстратом и флавиновыми ферментами.

Основными источниками никотиновой кислоты и ее амида являются рис, хлеб, картофель, мясо, печень, почки, морковь и другие продукты.[18,1989]

 Микросомальное окисление.

Монооксигеназные реакции.

Живые организмы содержат группу многочисленных и разнообразных ферментов, получивших название монооксигеназ. В типичном случае один атом кислородной молекулы обнаруживается в новой гидроксидной группе субстрата, другой – восстанавливается до воды в процессе реакции. В соответствии с этим реакция должна протекать при участии фермента, субстрата, кислородаи какого-либо восстанавливающего агента.

Допамин-b-монооксигеназа, присутствующая в мозге и в хромаффинной ткани, катализирует гидроксилирование 3,4-диоксифенилэтиламина до норадреналина.

Фенолмонооксигеназы имеются у бактерий, растений, насекомых, а также в печени и коже млекопитающих. Полимеризация о-хинона, образовавшегося в результате цепочки реакции, катализируемых этими ферментами, лежит в основе образования меланина.[7,2000]

Диоксигеназные реакции.

Ферменты, катализирующие реакции, в которых оба атома молекулярного кислорода встраиваются в продукты реакции, называются диоксигеназами. Известные в настоящее время ферменты этой группы могут содержать в качестве активной группы гем или негемовое железо, а для действия некоторых необходим a-кетоглутарат.

Железо-a-кетоглутаратдиоксигеназы – железозависимые ферменты, катализирующие гидроксилирование субстрата в ходе процесса, в котором a-кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию до сукцината: М О2 a-кетоглутарат М-ОН сукцинат СО2 [5,2000]

Цитохромы – ферменты редокс-цепи.

Дальнейший перенос электронов от КоQН2 на О2 осуществляет система цитохромов. Данная система состоит из ряда гемсодержащих белков (гемпротеинов), открытых в 1886 году К. Мак-Мунном. Все они имеют простетическую геминовую группу, близкую к гему гемоглобина. Цитохромы отличаются друг от друга не только простетической группой, но и белковыми компонентами. Все цитохромы, особенно в восстановленной форме, имеют характерные спектры поглощения, величины окислительно-восстановительных потенциалов также неодинаковы.

В имеющем широкое распространение механизме гидроксилирования путем введения одного атома кислорода функциональный атом железа находится в гемовой группе цитохрома – цитохрома Р450. Эти цитохромы обнаруживаются в мембранах печеночной ЭПС, в митохондриях коры надпочечников, в почечной щеточной кайме и в плазматических мембранах различных бактерий. Катализируемая реакция такая же, как у всех других монооксигеназ.

МН О2 2е 2Н ®МОН Н2О

Цитохромы Р450 из печени относятся к числу индуцируемых ферментов; это означает, что количество присутствующего фермента может увеличиваться в 25 раз при введении одного из многочисленных чужеродных соединений, например фенобарбитала или метилхолантрена. Цитохромы обезвреживают ксенобиотики, а также лимитируют время, в течение которого могут сохранять свою активность некоторые наркотики. Лечение некоторых форм острой интоксикации может быть облегчено введением индуктора, который в этом случае вообще безвреден.

Цитохромы Р450 коры надпочечников находятся в митохондриальной мембране, где два отдельных фермента катализируют соответственно расщепление боковых цепей холестерина до прегненолона и реакции гидроксилирования различных стероидов.[2,1994]

Цитохром Р450 катализирует образование гидроксильных групп при синтезе желчных кислот, стероидных гормонов, при катаболизме ряда веществ и обмене чужеродных соединений.

Первая, обнаруженная в микросомах электронпереносящая система – это система восстановления цитохрома b5 за счет NADH; цитохром b5 восстанавливается NADH-цитохром b5-редуктазой, содержащей на молекуле один FAD, который совершает циклические переходы между полностью восстановленной и окисленной формами. Цитохром b5 прочно связан с ЭПС своей обширной гидрофобной областью. Хотя наружная поверхность области цитохрома, где находится гем, гидрофильна, она лежит в глубокой гидрофобной щели, причем карбоксильные группы пропионовой кислоты ориентированы наружу. Восстановленный цитохром b5 медленно самоокисляется с образованием супероксидного аниона. Этот механизм может быть основным генератором супероксида в клетках печени.[11,1989]

Пероксидазный путь использования кислорода.

Молекулярный кислород является парамагнитным, потому что он содержит два неспаренных электрона с параллельно ориентированными спинами. Эти электроны находятся на разных орбиталях , поскольку два электрона не могут занимать одну и ту же орбиталь, если только их спины не противоположны. Соответственно восстановление кислорода путем прямого введения пары электронов в его частично заполненные орбитали невозможно без «обращения» спина одного из двух электронов. Спиновой запрет восстановления может быть преодолен последовательным добавлением одиночных электронов. Полное восстановление О2 до 2Н2О требует 4 электрона; при одноэлектронном восстановлении в качестве промежуточных продуктов возникают супероксид, пероксид водорода и гидроксидный радикал. Эти продукты очень реакционноспособны, и их присутствие может представлять угрозу для целостности живых систем. На самом деле ОН – наиболее мутагенный продукт ионизирующей радиации – представляет собой чрезвычайно мощный окислитель, который может атаковать все органические соединения. Одноэлектронное восстановление кислорода инициирует цепь реакций, которые ведут к образованию ОН:

О2 е ® О2
(1)

О2  Н ®НО2 (2)

О2 НО2 Н ® Н2О2 О2
(3) [14,1996]

Супероксид-анион, образуемый в реакции (1), может протонироваться до гидропероксидного радикала (2). Реакция (3) представляет собой спонтанную дисмутацию, приводящую к образованию Н2О2 О2. Совокупность этих реакций дает основание предполагать, что любая система, продуцирующая О2, будет также вскоре содержать Н2О2.

Ксантиноксидаза, альдегидоксидаза и многочисленные флавопротеиды образуют О2 и Н2О2, что происходит и при самопроизвольном окислении гемоглобина, ферредоксинов, восстановленных цитохромом b5 гидрохинонов, тетрагидроптеридинов и адреналина. Угроза для клеток, возникающая из-за реакционноспособности О2и Н2О2, устраняется действием ферментов, эффективно обезвреживающих эти соединения.[14,1996]

Ферментативная антиоксидантная защита.

Супероксиддисмутазы катализируют реакцию

О2  О2 2Н® Н2О2 О2

Эти ферменты найдены во всех дышащих клетках, а также в различных факультативно анаэробных бактериях. Супероксиддисмутазы – металлоферменты. Их каталитический цикл включает восстановление и окисление иона металла, например Cu, Mn или Fe, на активном центре.

Каталазная активность наблюдается почти во всех животных клетках и органах. Печень, эритроциты и почки – богатые источники каталаз. Эта активность также обнаруживается во всех растительных материалах и в большинстве микроорганизмов, кроме облигатных анаэробов. В каждом случае каталаза, вероятно, предотвращает аккумуляцию вредного Н2О2, образуемого при аэробном окислении восстановленных флавопротеидов и из О2. Одна молекула каталазы может разложить 44000 молекулы Н2О2 в секунду. Фактически фермент почти не требует энергии активации, и скорость реакции полностью определяется диффузией. Каталаза реагирует с Н2О2 с образованием относительно стабильного фермент-субстратного комплекса.

Хотя пероксидазы встречаются относительно редко в животных тканях, в печени и почках обнаружена слабая пероксидазная активность. Лейкоциты содержат вердопероксидазу, которая ответственна за пероксидазную активность гноя. Клетки фагоцитов содержат миелопероксидазу, которая окисляет ионы галогенов, например I, до свободного галогена – эффективного бактерицидного агента.

Каталазную и пероксидазную реакции можно записать следующим образом:

НО ОН О

 2Н2О

НО ОН О

НО ОН О

R 2Н2О R

НО ОН О [5,2000]

Неферментативная антиоксидантная защита.

Аскорбиновая кислота (витамин С).

Витамин С легко окисляется до дегидроаскорбиновой кислоты, которая нестабильна в щелочной среде, в которой происходит гидролиз лактонного кольца с образованием дикетогулоновой кислоты.

Аскорбиновая кислота необходима для различных биологических окислительных процессов. Витамин активирует окисление n-оксифенилпирови-ноградной кислоты гомогенатами печени. В присутствии кислорода растворы, содержащие ферро-ионы и аскорбат, катализируют гидроксилирование ряда соединений. Витамин является антиоксидантом, участвует в метаболизме фенилаланина, тирозина, пептидных гормонов, в синтезе жиров и белков, необходим для образования коллагена, способствует сохранению целостности соединительной и остеоидной тканей, обладает антиканцерогенным действием, предотвращая образование канцерогенных нитрозаминов, участвует в распределении и накоплении железа.[17,1995]

Витамин Е.

Витамин был выделен из масла зародышей пшеничных зерен в 1936 году и получил название токоферол. Семь токоферолов, производных исходного соединения токола, найдены в природных источниках; среди них наибольшее распространение и наибольшую биологическую активность имеет a-токоферол. Токоферолы обозначаются греческими буквами: альфа, бета, гамма и дельта.[18,1989]

Витамин защищает клеточные структуры от разрушения свободными радикалами, участвует в биосинтезе гема, препятствует тромбообразованию, участвует в синтезе гормонов, поддерживает иммунитет, обладает антиканцерогенным эффектом, обеспечивает нормальное функционирование мышц.

Рисунок 6. Механизм действия витамина.[8,2000]

Ткани животных с недостаточностью витамина Е, особенно сердечная и скелетные мышцы, более быстро потребляют кислород, чем ткани нормальных животных. a-Токоферол нелегко подвергается обратимому окислению. Увеличенное потребление кислорода мышцами при недостаточности витамина связаны, по-видимому, с пероксидным окислением ненасыщенных жирных кислот. В других тканях, например в печени, это приводит к нарушению структуры митохондрий и снижению дыхания. Имеются данные о том, что пероксидное окисление ненасыщенных жирных кислот в эндоплазматическом ретикулуме мышечных клеток приводит к освобождению лизосомальных гидролаз, в результате развивается мышечная дистрофия. Все проявления недостаточности витамина представляет собой вторичные явления, обусловленные отсутствием торможения пероксидного окисления полиненасыщенных жирных кислот.

Классическим проявлением недостаточности витамина Е у лабораторных животных является бесплодие. У самцов наиболее ранним наблюдаемым признаком недостаточности является неподвижность сперматозоидов. Наблюдается также ряд других изменений: дегенерация эпителия почечных канальцев, депигментация передних зубов. Другим проявлением недостаточности витамина Е является гемолиз эритроцитов in vitro в присутствии пероксидов или производных аллоксана. У крыс с продолжительной недостаточностью витамина развивается мышечная дистрофия с явлениями прогрессирующего паралича задних конечностей, понижается содержание креатина в мышцах, возникает креатинурия и несколько снижается экскреция креатинина. Могут также развиваться явления недостаточности витамина А вследствие окислительной деструкции последнего из-за отсутствия в рационе витамина, обладающего антиоксидантными свойствами. Проявлениями гипервитаминоза являются тошнота, головокружение и тахикардия.[6,2000]

Витамин Р.

Витамин Р (рутин, цитрин) был выделен в 1936 году А. Сент-Дьёрдьи из кожуры лимона. Под термином «витамин Р» объединяется группа веществ со сходной биологической активностью: катехины, халконы, флавины и др. Все они обладают Р-витаминной активностью и в основе их структуры лежит дифенилпропановый углеродный «скелет» хромона или флавона (общее название «биофлавоноиды»).

Биофлавоноиды стабилизируют основное вещество соединительной ткани путем ингибирования гиалуронидазы, что подтверждается данными о положительном влиянии Р-витаминных препаратов, как и аскорбиновой кислоты, на профилактику и лечение цинги, ревматизма, ожогов и др. Эти данные указывают на тесную функциональную связь витаминов С иР в окислительно-восстановительных процессов организма.

При недостаточности биофлавоноидов или отсутствии их в пище повышается проницаемость кровеносных сосудов, сопровождающаяся кровоизлияниями и кровотечениями, отмечается также общая слабость, быстрая утомляемость и боли в конечностях.

Основными источниками витамина являются растительные продукты питания (в частности, овощи и фрукты), в которых содержится много витамина С. Витаминная промышленность выпускает ряд препаратов с Р-витаминной активностью: чайные катехины, рутин, гесперидин, нарингин и другие.[18,1989]

Заключение.

 Проблема, освещенная в данной работе, на сегодняшний день является очень важным разделом в биохимии, где, несмотря на достигнутые успехи, остается множество вопросов и пробелов.

Знание вопросов биоорганической химии является нужным и важным в практике каждого врача, так как активное развитие фармакологии и появление множества новых препаратов позволяет, зная биохимию процессов, протекающих в организме, воздействовать на них и лечить многие заболевания на клеточном уровне, стимулируя энергетические процессы на уровне митохондрий.

Любая внезапная смерть связана с гипоксией, которая сопровождается накоплением в организме большого количества молочной кислоты за счет подавления функции челночных механизмов, и как следствие – возникает ацидоз. При гипоксии неограниченно образуются свободные радикалы и интенсивно протекает перикисное окисление липидов с последующим необратимым повреждением клеток. Изучение нарушений механизмов биологического окисления и способов коррекции является важным при лечении патологий сердечно-сосудистой и дыхательной систем, возрастных патологиях, воспалениях. Особо важное значение имеют эти знания в реанимации, при наркозах, так как уровень молочной кислоты значительно возрастает во время операций под наркозом, например кетамином или этраном, под влиянием наркотических веществ происходит разобщение процессов окисления и фосфорилирования. Вот почему так важно иметь в распоряжении наиболее полные знания и информативные данные, оценка которых может обеспечить максимальные возможности прогноза течения заболевания.

Список литературы:

1.   Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж. Молекулярная биология клетки: В 3-х т.,2-е изд., пер.и доп. Т.1. Пер. с англ. – М.: Мир, 1994 – 517 с., ил.

2.   Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. Биохимия для врача. Екатеринбург: Издательско-полиграфическое предприятие «Уральский рабочий». – 1994 – 384 с.

3.   Виноградов А.Д. Митохондриальная АТФ-синтезирующая машина: пятнадцать лет спустя.//Биохимия. – 1999 – Т.64. Вып.11 – с.1443-1456

4.   Галкин М.А., Сыроешкин А.В. Кинетический механизм реакции синтеза АТФ, катализируемый митохондриальной F₀-F₁-АТФазой.//Биохимия. – 1999 – Т.64.Вып 10 – с.1393-1403

5.   Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия. – М.: «Медицина» 2000 – с.68-69, 84-85

6.   Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Основы общей патологии. Часть 2. Основы патохимии. – СПб. – 2000 – 384 с.

7.   Козинец Г.И. Физиологические системы человека. – М.: «Триада-Х» – 2000 – с.156-164

8.   Коровина Н.А., Захарова И.Н., Заплатников А.Л. Профилактика дефицита витаминов и микроэлементов у детей (справочное пособие для врачей). – Москва, 2000

9.   Ленинджер А. Основы биохимии. – М.: Мир – 1991 – 384 с.

10.   Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В2-х т. Т.1.Пер с англ.: – М.: Мир – 1993 – 384 с.

11.   Николаев А.Я. Биологическая химия. Учеб. для мед. спец. Вузов – М.: Высшая школа. – 1989 – 495с.

12.   Рябов Г.А. Гипоксия критических состояний. – М.: Медицина. – 1992 – 288 с.

13.   Самарцев В.Н. Жирные кислоты как разобщители окислительного фосфорилирования.// Биохимия. – 2000 – Т.65.Вып.9 – с.1173-1189

14.   Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло.// Соросовский образовательный журнал. – 1996 – №3 – с.4-10

15.   Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания энергии.// Соросовский образовательный журнал. – 1997 – №5 – с.11-19

16.   Скулачев В.П. Стратегии эволюции и кислород.// Природа. – 1998 – №12 – с.11-20

17.   Тутельян В.А., Алексеева И.А. Витамины антиоксидантного ряда: обеспеченность населения и значение в профилактике хронических заболеваний.// Клиническая фармакология и терапия. – 1995 – №4 (1) – с.90-95

18.   Шилов П.И., Яковлев Т.Н. Основы клинической витаминологии. – Л.: Медицина – 1989 – 343 с.