Регуляция процесса окислительного фосфорилирования.

Экспериментальные исследования показали, что добавление в ячейку полярографа с инкубируемыми митохондриями АДФ резко стимулировало потребление митохондриями кислорода. Накопление АДФ – регуляторный сигнал, вызывающий стимуляцию тканевого дыхания, т.е. усиление окисления субстратов тканевого дыхания. Это имеет большое физиологическое значение, так как увеличение концентрации АДФ в клетке является свидетельством низкой концентрации АТФ (соотношение адениловых нуклеотидов в клетке постоянно), следовательно, указывает на энергетическое её голодание. Отсюда вытекает и необходимость большего потребления субстратов. Помимо регуляторной роли соотношения АДФ/АТФ, в контроле скорости фосфорилирования участвуют НАД-зависимые коферменты: высокое соотношение НАДНН⁺/НАД⁺, так же как и увеличение соотношения АТФ/АДФ будет снижать интенсивность тканевого дыхания.

Способность генерации энергии присуща всем тканям но для того, чтобы они все зароботали, необходимо сильное охлаждение организма.

Поэтому в организме есть ткань, которая обеспечивает термогенез в обычных условиях. Это бурая жировая ткань (БЖТ). Ее особенно много у новорожденных (от затылка до крестца, вдоль всей спины). У взрослого она локализуется в в определенных местах: между лопаток, в паху. Ярко выраженной способностью к теплопродукции обладает бурая жировая ткань новорождённых (а её много в организме зимнеспящих животных), которая отличается от типичной жировой ткани тем, что содержит много триацилглицеролов. Кроме того, в митохондриях этой ткани так много цитохромов, что она приобретает бурый цвет. Митохондрии бурой жировой ткани содержат разобщающий белок термогенин (димер 32 кД), который действует подобно каналу, контролирующему проводимость протонов во внутренней митохондриальной мембране. Поток протонов через этот канал ингибируется физиологическими концентрациями пуриновых нуклеотидов (АДФ, АТФ, ГДФ и др), но это ингибирование может быть устранено свободными жирными кислотами. Компоненты этой системы подчиняются гормональному контролю, в частности, норадреналину, который через систему цАМФ активирует гормончувствительную липазу, расщепляющую триацилглицеролы бурого жира с освобождением свободных жирных кислот.

БЖТ имеет большое количество митохондрий, т. к. митохондрии содержат цитохромы, то это и придает этой ткани бурый цвет. Особенностью митохондрий БЖТ является отсутствие АТФ-азы, DmН⁺ генерируется в обычном режиме, но нет инструмента (аденилаттранслаказы), трансформирующего DmН⁺ ---> АТФ. Вместо нее есть белок термогенин, который шунтирует DmН⁺ с наружной мембраны во внутрь и одновременно способствует рассеиванию энергии DmН⁺ в виде тепла, так и происходит подогрев тканей. БЖТ охватывает крупные кровеносные сосуды и согревает кровь, а потом эта кровь согревает перефирические участки тела.

Это и есть несократительный термогенез.

Механизм сократительного термогенеза связан с окислительным фосфорилированием.

При охлаждении организма, активизируется симпатическая нервная система, в овет на это происходит выброс адреналина, под действием которого идет гликолиз, через аденилатциклазный механизм. Образующиеся при этом ЖК разобщают окислительное фосфорилирование и (согласно 1-му закону термодинамики) теплопродукция увеличивается. Именно поэтому, после принятия жирной пищи наступает состояние температурного комфорта.

Основополагающая роль энергетического обмена. Пути утилизации DmН⁺ и АТФ. Прикладные аспекты биоэнергетики.

Энергетический обмен играет ведущую роль в жизнедеятельности организмов, т. к. все функции организма энергозависимы. Систему механизмов, обеспечивающих стабильный уровень субстратов энергообмена называют энергетическим гомеостазом.

Одним из механизмов поддержания постоянного уровня АТФ в клетке, является наличие мегамитохондрий, которое дает большое преимущество.

Если один участок клетки плохо снабжается кислородом, то при помощи мегамитохондрий энергия DmН⁺ транспортируется в этот участок и восполняет недостаток АТФ.

Пути потребления O₂ в организме. Характеристика микросомальной ДЦ, ее сравнение с митохондриальной. Характеристика цитохромов P₄₅₀, их функция.

Тканевое дыхание - один из процессов диссимиляции, по сути это и есть биологическое окисление в тканях и клетках организма. В организме существует 3 пути потребления и утилизации кислорода:

1 путь - 90-95% O2 идет на митохондриальное окисление.

2 путь - 5-10% идет на микросомальное окисление (в печени при поступлении больших количеств токсинов - 40%).

3 путь - перекисное окисление (2-5%).

Микросомальная дыхательная цепь.

Микросомы (микрочастицы) - это замкнутые мембранные пузырьки (везикулы), образуемые из гладкой ЭПС при гомогенизации клетки. Как таковых микросом не существует.

Микросомальное окисление - это окисление, протекающее на гладкой ЭПС нормальной неразрушенной клетки.

Наиболее интенсивно микросомальное окисление протекает в печени и надпочечниках, а также в местах контакта с внешней средой, в коже, почках, легких, селезенке.

ЭПС - 2-й слой мембран, ассоциированных с 3-мя основными классами ферментов:

1) оксидоредуктазы;

2) трансферазы;

3) гидролазы.

Главная функция этих ферментов - реакции детоксикации.

Микросомальное окисление осуществляется с помощью одноименной ДЦ, которая представляет собой систему переносчиков протонов и электронов с НАД или НАДФ на кислород.

Существует 2 варианта микросомальной ДЦ:

1) НАДФ ----> ФП ---> b5 ---> p450 ---> O₂

2) НАД ----> ФП ----> b5-----

Цитохром b5 одной цепи может передавать свои электроны на цитохром b5 другой цепи, а также на цитохром p450.

Микросомальное окисление можно записать и так:

RH + НАД (НАДФ).H₂ + O₂ ---> ROH + НАД (НАДФ) + HOH

схема

FP - флавопротеид, включающий ФАД и Fe-белок, содержащий негеминовое железо.

P450 - восстановленный CO-комплекс, который имеет max поглощения при длине волны = 450 нм.

Многие гидрофобные вещества организма обладают токсичностью, за счет того, что растворяются в клеточных мембранах и тем самым разрушают их.

Задачей организма является перевод этих гидрофобных соединений в гидрофильные, которые легче выводятся почками. Это осуществляется микросомальным окислением.

Таким образом, основная роль микросомальной ДЦ заключается в осуществлении реакций синтеза с участием кислорода (в схеме видно образование фенола из бензола (гидроксилирование)).

Для связывания второго атома кислорода необходим косубстрат, каковым является аскорбат (Vit C), кторый также отдает 2H+ на синтез H₂O. Для обеспечения реакций детоксикации необходимо большое количество Vit C в составе косубстрата: реакции детоксикации протекают по механизму гидроксилирование гетероциклических и алифатических соединений (ксенобиотики), поступающие из вне.

Реакции детоксикации могут привести к снижению концентрации токсических веществ или может возникнуть летальный синтез.

Роль микросомального окисления состоит в биосинтезе Vit D, кортикостероидов, коллагена, тирозина, катехоламинов.

- Реакции деалкилирования - отщепление алкильной группы;

- реакции окисления спиртов, альдегидов, кетонов, нитросоединений;

- реакции разрыва кольца ароматических соединений;

- реакции восстановления, когда идет сброс протов;

- реакции десатурации (перевод насыщенных ЖК в ненасыщенные).

В 70-е годы было показано, что микросомальная и митохондриальная дыхательные цепи взаимодействуют друг с другом через цитохром b5.

В условиях интоксикации (этанол, барбитураты) происходит ингибирование 1 комплекса митохондриальной ДЦ.

НАД ---> ФП -/-> Q ---> b ---> c1 ---> c ---> aa3 ---> ½ O₂

Окисление НАД.Н2 не происходит и он накапливается. В межмембранном пространстве имеется цитохром b5, который принимает электроны с НАД.Н М/Х ДЦ и перебрасывает их на микросомальную ДЦ и тем самым угроза энергетического голода устраняется.

Таким образом ц. b5 - фермент, компонент микросомальной ДЦ, который обеспечивает межмембранный митохондриально-микросомальный перенос электронов.

Сходства и различие митохондриальной и микросомальной дыхательных цепей.

1. Сходства: а) они имеют одинаковые начало и конец и одинаковую суммарную разность потенциалов (а значит одинаковый градиент энергии в начале и конце);

б) имеют одинаковые переносчики: НАД, ФП, цитохромы.

2. Различия: а) по локализации;

б) микросомальная ДЦ короче и электроны на последнем переносчике М/С цепи более энергизированы и спосбны активировать кислород;

в) будучи активным кислород способен внедряться в структуру многих молекул, т. е. используется с «пластическими» целями (ФЕН---> ТИР). В то время как в М/Х ДЦ кислород - всего лишь конечный акцептор электронов и используется в энергетических целях;

г) в процессе переноса электронов в М/Х ДЦ их энергия депонируется в форме АТФ. В М/С ДЦ - депонирование энергии ни в каком виде не происходит;

д) М/С окисление - современная интерпретация теории БахаЭнслера. М /Х окисление - современный вариант теории Палладина-Виланда.

Перекисное окисление. Механизм образования активных форм кислорода. Роль перекисных процессов в норме и при патологии. Общее представление о ПОЛ (НЭЖК R^· диеновые коньюгаты гидроперекиси МДА). Способы оценки активности ПОЛ.

Перекисное окисление и антиоксидантная защита.

Еще Мечников, изучая фагацитоз утверждал, что фагоцитарное действие лейкоцитов осуществляется за счет перекисных процессов.

Перекисное окисление - это третий путь утилизации вдыхаемого кислорода (от 2 до 5%).

Кислород сам по себе является парамагнитным элементом (это было установлено методом молекулярных орбиталей) т. к. имеет на внешнем слое 2 неспаренных электрона.

--------- _ _ .

--------- O_2;O2 + e ---> O₂, т. е. в реакциях перекисного

--- окисления происходит одноэлектронное восстановление

кислорода.

--------- _.

--------- O₂ - супероксидный ион-радикал, более активная форма

--- кислорода.

Возможна еще одна активная форма кислорода:

--------- _

--------- O_{2 -}синглетный кислород.

_. _

O₂ и O_{2 -}инициируют образование большого количества радикалов, по цепному механизму:

_. _.

O₂ + H+ ---> HO_{2 -}гидропероксидный радикал

_. _.

HO₂+ H+ + O_{2 ---->}H₂O₂ + O_{2 .}

H2O2 + Fe2+ ----> Fe3+ + OH- + OH (пероксидный радикал).

O₂ + Fe3+ ---> O₂ + Fe2+

В процессе взаимодействия этих радикалов с веществом поражаются наиболее уязвимые места клеток: ненасыщенные ЖК фосфолипидов мембран, они «выжигаются» в результате чего мембрана делается более ригидной и следовательно изменяется ответная реакция клетки.

В нормальных условиях перекисное окисление регулирует агрегатное состояние мембран, лежит в основе тканевой адаптации. (Это играет роль в стрессовых ситуациях, когда клетка т. о. защищается от избытка гормонов).

При всех видах патологии активность перекисных процессов возрастает, и является инструментом повреждения мембраны. В ней образуются мощные ионные каналы, через которые входят ионы Na+, K+ и др. и содержимое клетки как бы вываливается и она гибнет.

OH. - радикал взаимодействует с ДНК и РНК, вызывая возникновение генных мутаций и провоцируя канцерогенез.

Перекисные процессы инициируются в структуре нуклеиновых кислот.

Антиоксидантная защита: ферментная и неферментная.

Клетки имеют мощную антиоксидантную защиту, состоящую из двух уровней:

1) ферментативная (происходит восстановление продуктов перекисного окисления и их ликвидация с помощью ферментов):

а) супероксиддисмутаза – сложный фермент, встречаются Mg, Zn, Fe, Cu – содержащие формы в разных тканях. Его активность повышается при любых формах активации перекисных процессов. Этот фермент за рубежом выделяется в чистом виде и эффективно используется в лучевой терапии. Действие СОД направлено на супероксид ион:

СОД

О₂* + О₂* + 2Н ----------- Н₂О₂ + О₂

б) каталаза (её субстратом является Н₂О₂) особенно активна в эритроцитах, которые специализируются на переносе кислорода:

2Н₂О₂ --------- 2Н₂О + О₂

в) пероксидаза – наиболее активна глутатион – пероксидаза

г) глутатион – редуктаза – является непосредственным защитником эритроцитов, в частности предохраняют от образования МеHb, который не способен к транспорту кислорода, что ведёт к гипоксии. МеHb образуется при приёме избытка нитратов, аспирина, сульфаниламидов.

К ферментативной антиоксидантной защите относятся ферменты, генерирующие восстановительную форму НАД * Н и НАДФ * Н (такую систему имеют все клетки, но особенно мозг и миокард), а также ферменты, поддерживающие восстановительную форму металлов.

2) неферментативная: сюда относится ряд легко окисляющихся веществ, обладающих меньшей активностью, чем естественные метаболиты:

- хинон

- убихинон (Ко – Q)

- витамины Е и А (являются компонентами мембран и блокируют перекисные процессы)

- витамин С

Между этими тремя витаминами существует взаимосвязь: витамин С обеспечивает восстановительную форму витамина Е, а для поддержания восстановительной формы витамина С нужен витамин А. В настоящее время существует мощный препарат антиоксидантной защиты, представляющий собой комплекс трёх витаминов (Vit C = 2 г, Vit E = 500000 E, Vit A + 140000 – 170000 Е). Витамин А довольно токсичен, поэтому в качестве замены используется В – каротин.

Также к антиоксидантам относятся Vit F, кортикостероиды, гистидин, аргинин, билирубин и растительные пигменты.