Введение в метаболизм (биохимия). Биохимические пути приспособляемости организма к условиям геохимической среды Общие и специфические метаболические пути

ИОННЫЙ И ГАЗОВЫЙ МЕТАБОЛОМ ЖИДКИХ СРЕД ОРГАНИЗМА

Организм человека в среднем на 60% массы тела состоит из воды. Вода заполняет все составные части клеток и внеклеточного пространства и представляет собой среду, в которой осуществляются биохимические реакции, перенос веществ и химической энергии. Биохимические реакции протекают в водной среде организма при постоянной температуре.

Вода является средой, в которой растворены, или диспергированы, различные вещества, входящие в состав организма. В воде содержатся основные макрокомпоненты организма - белки, углеводы, липиды, а также микроэлементы, нуклеиновые кислоты и другие микрокомпоненты.

Вода - основа циркулирующих в организме жидкостей, она также принимает участие в обменных процессах.

Очевидно, что знание свойств растворов необходимо для понимания биохимических превращений в организме человека.

Растворы имеют большое значение как в повседневной жизни, так и в медицине. По современным представлениям, жизнь возникла в океане, который являл собой водный раствор неорганических и органических веществ. В ходе эволюции живые организмы развивались и менялись. Многие из них покинули океан и перешли на сушу. Однако животные и растения, выйдя из морской колыбели, сохранили в своих организмах водные растворы, содержащие различные неорганические ионы и органические вещества. Растворами являются плазма крови, спинномозговая жидкость и лимфа. Лекарственные вещества эффективны лишь в растворенном состоянии или должны перейти в растворенное состояние в организме.

МЕТАБОЛИЗМ И МЕТАБОЛИЧЕСКИЕ ПУТИ

Метаболизм (от греч. metabole - «движение, изменение, превращение») - совокупность биохимических превращений веществ, поступающих в организм, и взаимопревращения веществ, из которых состоит организм.

Превращения (обмен) веществ в процессах метаболизма осуществляются через цепи последовательных реакций. Эти цепи последовательных реакций называют метаболическими путями (МП).

Характер метаболизма в тканях во многом определяется питанием.

У человека и других млекопитающих метаболическим превращениям подвергаются продукты, абсорбируемые после переваривания содержащихся в пище белков, жиров и углеводов.

У жвачных животных (и в меньшей степени у других травоядных) целлюлоза переваривается симбиотическими микроорганизмами с образованием низших гомологов органических кислот (уксусной, пропионовой, масляной); тканевый метаболизм у этих животных адаптирован к утилизации в качестве основного субстрата низших жирных кислот.

При экспериментальном исследовании метаболического пути, во-первых, индентифицируют реагирующие компоненты, выясняют стехиометрию и механизм для каждой из последовательных стадий процесса. Заключительным этапом такого исследования является воспроизведение ферментативных реакций в пробирке. Во-вторых, идентифицируют генетические, аллостерические и гормональные механизмы, с помощью которых осуществляется регуляция скорости данного метаболического процесса.

Метаболические пути в целом организме изучают либо методом определения вводимых в организм и выводимых из него веществ (в норме, а также в условиях стресса и патологии), либо методом перфузии (промывки) отдельных органов, либо методом переживающих срезов ткани. Очень перспективным считают метод, основанный на изучении полученных мутантных организмов с генетическими дефектами, а также метод меченых атомов.

Таблица 2.1. Взаимосвязь общего катаболизма (расщепления) и анаболизма (синтеза)

Метаболизм включает катаболизм и анаболизм.

Катаболизм - фаза распада, ферментативное расщепление сложных молекул на более простые, метаболический путь от сложного к простому.

Анаболизм - синтез сложных молекул из малых, метаболический путь от простого к сложному.

В свою очередь, каждый из этих процессов (катаболизм и анаболизм) состоит из двух одновременно протекающих взаимосвязанных процессов:

Промежуточного метаболизма - последовательности ферментативных реакций распада или синтеза, промежуточные продукты которой носят название «метаболиты»;

Энергетического сопряжения - превращений энергии в реакциях метаболизма, в результате которых энергия либо запасается в высокоэнергетичных соединениях (АТФ, NADPH), либо расходуется при распаде этих соединений (табл. 2.1).

Процессы общего катаболизма можно разбить на три основные стадии (рис. 2.1).

Рис. 2.1. Три основные стадии катаболизма

Первые две стадии катаболизма - расщепление белков, полисахаров и липидов до пирувата и ацетил-кофермента-А (ацетил-КоА). Третья стадия - цикл лимонной кислоты, основной процесс, обеспечивающий организм энергией и различными метаболитами.

Процессы анаболизма также включают три стадии. Исходными веществами, или строительными блоками, служат для анаболизма соединения, поставляемые процессами катаболизма.

Катаболические и анаболические пути не совпадают между собой.

Метаболизм пищевых веществ. Поступающая в организм пища, в значительной мере состоящая из белков, углеводов и жиров, должна быть деструктурирована до таких компонентов, как аминокислоты, гексозы, жирные кислоты, которые непосредственно участвуют в процессах метаболизма. Превращение исходных веществ в резорбируемые субстраты происходит поэтапно в результате процессов катаболизма, проходящих с участием различных ферментов.

Биохимические пути адаптации животных и человека к геохимическим условиям среды - это вопрос не об отдельных изолированных организмах, а о приспособляемости особей внутри популяции как ее части. Не только популяцию, но и особь необходимо рассматривать как физиолого-генетические единицы эволюционного процесса, занимающие различные уровни в структуре биосферы. Изучение внутрипопуляционной изменчивости организмов раскрывает роль популяции в эволюции отдельных особей и в свою очередь отдельных особей в эволюции популяции как целого.

Значение естественной геохимической среды для развития организмов и эволюции жизни определяется использованием организмами многих химических элементов в процессах обмена веществ и биологически активных соединений, в состав которых входят эти элементы. Поэтому неоднородность геохимической среды является одной из важных причин изменчивости обмена веществ и синтеза биологически активных соединений в организмах.

Современными биогеохимией, геохимией, почвоведением с полной очевидностью доказана геохимическая неоднородность биосферы, значительная химическая изменчивость среды жизни в условиях литосферы, гидросферы и тропосферы. Организмы глубоко связаны с геохимической средой. Они поглощают из этой среды все доступные химические элементы, образующие растворимые соединения, или активно превращают нерастворимые соединения в доступные.

Очень важным свойством биосферы является единство геохимической среды и жизни, которое сложилось в процессе эволюции биосферы и выражается постоянной зависимостью жизни от геохимических условий среды и климата (водный режим, температура, инсоляция, конвекция). Степень накопления химических элементов организмами определяется не только геохимией среды и биологической природой организмов, но и биогеохимическими пищевыми цепями, состоящими из системы взаимозависимых звеньев, через которые осуществляется связь организмов и среды (почвообразующие породы, почвы, воды, воздух, микроорганизмы, растения, животные, человек).

Для выяснения сложных путей приспособления организмов к геохимической среде необходимо определить общие закономерности действия на организм различных концентраций химических элементов. Установлено, что как при недостатке, так и избытке в рационе кобальта, меди, цинка прирост веса животных уменьшается. Синтез многих биологически активных соединений в организме также зависит от содержания определенных микроэлементов в рационе или геохимической среде. Накопление витамина В 12 в печени животных (овцы, крупный рогатый скот, кролики и другие) значительно снижается при уменьшении количества кобальта в среде или рационе и незначительно высоком его содержании. Недостаток йода или его избыток приводят к компенсаторному увеличению размеров щитовидной железы и торможению синтеза в ней йодсодержащих соединений: йодтирозинов, иодтиронинов, тироксина и их производных. Важными регуляторами пуринового обмена являются молибден и медь. При относительном недостатке или избытке молибдена у человека и животных тормозится синтез или уменьшается активность фермента ксантиноксидазы, содержащего молибден, превращающего некоторые пуриновые основания в мочевую кислоту, а у животных при низком, как и при повышенном количестве меди снижается синтез уратоксидазы, окисляющей мочевую кислоту в аллантоин. Можно привести много подобных примеров. Во всех случаях наблюдается одна и та же закономерность: недостаток или избыток в среде или рационе тех или других химических элементов тормозит определенные биохимические процессы в организме. Следовательно, уровень синтеза ферментов и других биологически активных соединений в организме, обеспечивающий нормальное течение жизненных процессов, наблюдается только при определенных концентрациях и соотношениях в среде и организме микроэлементов (рисунок). Регулирующие системы организма (депонирования, выделительная, барьерная, синтеза биологически активных соединений и другие) не могут нормально функционировать при концентрации микроэлементов выше или ниже этих пределов.

В таких случаях происходит нарушение функций или срыв их, возникают дисфункции, аномалии развития и обмена веществ, что «может привести к появлению эндемических заболеваний у человека и животных.

Отдельные реакции на недостаток или избыток микроэлементов мы рассматриваем как часть целого. Для понимания этих явлений необходимо выяснить основные точки приложения химических элементов к биохимическим процессам и установить цепь процессов, вовлекающих целый организм в реакции на недостаток или избыток определенных элементов, т. е. объяснить значение части в реакции целого. Например, основная роль кобальта в организме состоит в микробном синтезе в пищеварительном тракте витамина В 12 , содержащего кобальт.

При недостатке кобальта может значительно ослабляться синтез витамина B 1 2 и его всасывание через слизистую оболочку кишечника. Ослабление процесса всасывания витамина B 12 обусловливается снижением секреции желудочного сока и недостатком мукопротеида, дающего с витамином В 12 соединение, для которого проницаема слизистая оболочка кишечника. Еще нет ясности в вопросе о значении для ьсасывания витамина B 12 образования его соединения с цинком. Вследствие недостатка в организме витамина В 12 уменьшается его депонирование печенью и другими органами. Это особенно ярко выражено у жвачных животных (овцы, крупный рогатый скот), у которых недостаток кобальта вызывает заболевание эндемическими гипо- и авитаминозом В 12 , но достаточно ясно проявляется н в других группах (кролики, свиньи). При недостатке в организме витамина В 12 развивается пернициозная анемия. Кроме того, при этом тормозится синтез коэнзима изомеразы, действующей на метилмалоновую кислоту, и нарушается метилирование тимина и метионина. Нарушение столь важных процессов в организме приводит к включению в патологический процесс все новых и новых звеньев обмена веществ. Недостаточность кобальта вызывает ослабление синтеза белков, нуклеиновых кислот (например, тимонуклеиновой кислоты), понижение активности многих ферментов (например, аргиназы), в том числе ферментов нуклеинового обмена (ДНК-азы), снижение основного обмена, потерю веса животных. Еще недостаточно изучено значение кобальта в процессах обмена веществ. Но несомненно, что недостаточность кобальта может повлечь за собой глубокие изменения целого организма.

При малой концентрации меди в окружающей среде и рационе у животных наблюдаются характерные изменения обмена веществ, вызываемые снижением активности окислительных ферментов, содержащих медь или железо. Это особенно четко проявляется в биогеохимических провинциях эндемической атаксии, в которых недостаток меди сочетается с избытком молибдена н сульфатов. При недостатке меди угнетение цитохромоксидазы у крыс сильнее выражено в печени, у свиней и цыплят - в сердце, у овец - в мозгу, а угнетенные сукцинатдегидрогеназы у овец - в белом веществе головного и спинного мозга; торможение активности НАД-цитохром-с-редуктазы установлено в митохондриях печени крыс, сульфидоксидазы - в печени овец, ДОФА-оксидазы - в печени и сером веществе головного и спинного мозга овец, моноаминоксидазы у свиней и овец - в сыворотке крови, у цыплят - в аорте; активность изоцитратдегидрогеназы митохондрий печени крысы при недостатке меди повышается, так как, по-видимому, медь легко угнетает этот фермент; при недостатке меди и повышенном содержании молибдена усиливается активность ферментов пуринового обмена - ксантиноксидазы и уратоксидазы у различных видов млекопитающих животных.

Приведенные данные о влиянии недостатка меди на активность многих ферментов различных органов и тканей показывают значение сравнительных физиологических исследований.

Изменение активности ферментов животного организма при недостатке меди влечет за собой нарушение многих биохимических процессов и физиологических состояний. Весьма вероятно, что важными токсическими агентами в организме при недостатке меди являются сульфиды, образующиеся в печени при распаде пистеина и в рубце жвачных в результате микробиологического восстановления сульфатов. При избытке в рационе сульфатов образуются сульфиды, при этом пищевая медь превращается в сернистую, не усваиваемую организмом, что усиливает дефицит меди. Обезвреживание большой части сульфидов происходит в печени путем их окисления в тиосульфат и сульфат. Окисление сульфидов в тиосульфат осуществляется сульфидоксидазой печени, активность которой угнетается при низком содержании меди в рационе и избытке молибдена. Очевидно, при недостаточности меди усиливается образование сульфидов в тканях, а избыток сульфидов еще более усиливает ее. Опыты с радиоактивной медью позволяют считать, что в биогеохимических провинциях при недостатке меди и избытке молибдена и сульфатов увеличивается потеря меди тканями, что также усиливает дефицит этого микроэлемента.

Недостаток меди, изменяя активность многих ферментов, вызывает значительные нарушения процессов обмена веществ, например, обмена липидов (снижение уровня сфингомиелина и ацетальфосфатидов в белом веществе головного и спинного мозга, нарушение миелинизации центральной нервной системы), хромо- протеидов (падение концентрации гемоглобина частично в связи с задержкой созревания эритроцитов и уменьшением продолжительности их жизни), синтеза эластина и коллагена (повреждение соединительной ткани, разрыв аорты и сердечных сосудов), пуринового обмена (возможно повышение активности ксантиноксидазы, образование мочевой кислоты, повышение активности уратоксидазы), угнетение окисления большинства субстратов цикла трикарбоновых кислот (цитрата, малата, а-кетоглутарата, пирувата и других).

Изучение основной роли металлов в обмене веществ животного организма - важный путь исследований влияния геохимической среды на животный организм. В биогеохимических провинциях с избытком молибдена действие этого металла связано с усилением синтеза ксантиноксидазы и повышением ее активности; в провинциях, обогащенных бором, частично ингибируются протеиназы и амилазы пищеварительного тракта; недостаток йода лимитирует синтез гормонов щитовидной железы; недостаток или избыток кобальта, а также марганца задерживают использование йода в синтезе трийодтиронинов и тироксина. Эти первичные воздействия металлов на процессы обмена веществ обусловливают вторичные дисфункции многих биохимических и физиологических процессов.

Оценка возможности нарушений обмена веществ или вообще появления биологических эффектов под влиянием геохимических факторов среды должна основываться на количественных параметрах. Поэтому важной задачей геохимической экологии является определение границ концентрации химических элементов в почвах, кормовых растениях, пищевых рационах, в пределах которых обеспечивается возможность нормального’ развития и жизни животных организмов, а также определение пороговых концентраций, при которых нарушается течение жизненных процессов.

Знание почвенных и пищевых пороговых концентраций химических элементов дает возможность представить географическую изменчивость обмена веществ в животном организме в зависимости от условий геохимической среды и может явиться основой биогеохимического районирования.

Биосферу, соответствующую территории СССР, мы разделили на регионы, названные биогеохимическими зонами. Они обусловливаются единством почвообразовательных процессов, климатических факторов, биогенной миграции химических элементов и характером биологических реакций организмов на геохимические и физические факторы среды.

Зональные регионы биосферы делятся на субрегионы - зональные биогеохимические провинции, в которых комбинируются признаки зон по концентрации и соотношению химических элементов, и азональные, признаки которых не соответствуют характеристике зон. Нами составлена схематическая карта биогеохимических зон и провинций СССР, где показаны районы характерных изменений обмена веществ и распространения ряда эндемических заболеваний человека и животных, а также районы обострения естественного отбора под влиянием недостатка или избытка микроэлементов. Синтез окислительных ферментов в животных организмах в условиях черноземной зоны выражен сильнее, чем в нечерноземной зоне; в провинциях эндемической атаксии в Дагестане, Узбекистане и в Актюбинском области наблюдается наиболее выраженное торможение синтеза окислительных ферментов; витамин Bi 2 депонируется в животном организме сильнее в черноземной зоне по сравнению с нечерноземной (особенно депонирование витамина В, 2 в печени и мышцах уменьшено в районах песчаных почв); синтез йодных соединений щитовидной железы ослаблен в нечерноземной зоне и горных зонах, а также пойме рек других зон; синтез ксантиноксидазы усилен в условиях молибденовых провинций Армении; уратоксидаза более активна у животных в провинциях с повышенным содержанием меди; в некоторых случаях наблюдается в различной степени выраженное ингибирование протеиназ и амилаз в борных провинциях сухостепной, полупустынной, пустынной биогеохими ческой зон.

Для анализа изменчивости обмена веществ животных необходимо учитывать не только изменчивость отдельных особей, но популяции в целом, состоящей из индивидуумов одного вида, необходимо выяснить структуру популяции, использовав физиологическую, биогеохимическую и морфологическую характеристики особей. При этом индивидуальную изменчивость следует рассматривать как составляющую популяционной изменчивости. Это позволит внутри популяции различать группы организмов с различной чувствительностью к экстремальным геохимическим факторам. Этим создается возможность наблюдать закономерности изменчивости популяций одного вида в различных условиях геохимической среды - при недостатке, избытке или нормальном содержании химических элементов в почвах, водах, растениях, кормах, пищевых рационах.

Изменчивость пороговой чувствительноти животных к геохимической среде (медь, молибден, бор, стронций, уран и другие) мы широко исследовали. Внутрипопуляционная физиологическая и биохимическая изменчивость организмов определяет степень обострения естественного отбора и степень адаптированности организма к экстремальным условиям. Можно предполагать, что в популяциях животных накапливаются значительные резервы потейциальной скрытой изменчивости, обусловленной, очевидно, малыми мутациями генов и их рекомбинациями. Такие резервы изменчивости обнаружены нами у почвенных микроорганизмов, живущих в условиях высокой концентрации определенных химических элементов (молибден, ванадий, бор, селен, кобальт). Внутрипопуляционная изменчивость микроорганизмов определялась в нашей лаборатории по физиологическому признаку - приспособляемости организмов отдельных штаммов, выделенных из одной колонии, к различным возможным естественным концентрациям химических элементов (от минимальных до максимальных). Например, штаммы Bacillus megaterium из почв, богатых ураном, хорошо растут при высоких концентрациях этого элемента и мало развиваются при низких его концентрациях. Наоборот, бактерии того же вида, выделенные из почв, бедных ураном, не могут развиваться при высоких его концентрациях. Это общее правило для различных видов микроорганизмов и химических элементов. Такие же закономерности роста бактерий и ряда актиномицетов в условиях борных провинций при сравнении их с такими же видами, взятыми из почв, бедных бором. Среди исследованных штаммов обнаружены мутантные, не подчиняющиеся общим правилам - выделенные из почв, богатых бором, но растущие хорошо при любых его концентрациях. Путем введения ДНК от мутантных форм и форм, адаптированных к высоким концентрациям бора, в культуры микроорганизмов, выделенных из почв, бедных бором, можно у них получить генетическую трансформацию приспособленности к бору - формы, хорошо растущие при высоких его концентрациях. Генетическая трансформация была осуществлена также у Bacillus megaterium , живущих при низких концентрациях селена, с помощью ДНК, выделенной из форм селеновой провинции. Из неприспособленных к селену были получены формы, хорошо развивающиеся при высоких концентрациях селена. При этом необходимо указать, что у этих бактерий из селеновых провинций обнаружен защитный фермент - селен-редуктаза, восстанавливающий селениты до элементарного неусвояемого селена. У форм этого же вида, выделенных из почв, бедных селеном, этот фермент не обнаружен. Генетическая трансформация приводит к появлению фермента у форм, не синтезировавших его ранее.

С помощью генетической трансформации показана наследственная природа приспособленности микроорганизмов к экстремальным условиям химической среды. Можно предполагать, что в биогеохимических провинциях, богатых или бедных определенными химическими элементами, возникают мутации, индуцированные экстремальными факторами. Происходит обогащение генофонда популяции, что создает условия для обострения естественного отбора и видообразования, преобразования генетической и экологической структур популяции при экстремальных изменениях условий геохимической среды.

Изменчивость микробных популяций и их генетическую природу можно изучать (при удачном выборе природных объектов) с помощью обычных микробиологических методов (экспериментальная геохимическая экология микроорганизмов), тогда как для проведения подобных исследований на растительных и животных организмах необходимы условия фито- и зоотронов, где можно регулировать химические и физические факторы среды. Геохимическая экология организмов должна не только наблюдать природные явления - влияние среды и сообществ на организмы, но должна развиваться как экспериментальная наука (экспериментальная геохимическая экология).

Мы рассмотрели некоторые вопросы геохимической экологии на уровне особей и популяций. Геохимическая же среда действует на организмы на всех уровнях строения биосферы, на уровне регионов биосферы (биогеохимические зоны) и субрегионов (биогеохимические провинции) биогеоценозов, популяций, отдельных особей.

Исследования в области геохимической экологии, установление причинных зависимостей невозможно без изучения органов и тканей (концентрирование химических элементов и влияние степени их накопления на промежуточный обмен веществ, активность и синтез биологически активных соединений, особенно ферментов). Такие исследования, как и проводимые на клеточном, субклеточном и молекулярном уровнях, являются основой понимания связи организмов с геохимической средой и адаптации организмов к геохимическим факторам среды. Примером исследования вопросов геохимической экологии на молекулярном уровне может служить анализ действия на организм различных концентраций и соотношений меди и молибдена. При высокой концентрации в пищевом рационе животных молибдена и низкой меди индуцируется молибденом синтез ксантиноксидазы, повышается ее активность и возрастает образование мочевой кислоты. При нарастании в организме содержания мочевой кислоты она индуцирует синтез уратоксидазы, фермента, вызывающего деградацию мочевой кислоты. Взаимоотношения между веществами, участвующими в рассматриваемых формах пуринового обмена, очень сложны. При увеличении в рационе количества меди и постепенном падении уровня молибдена происходят интересные адаптивные изменения ксантиноксидазы. При дефиците молибдена и повышенном содержании меди ее активность все же сохраняется. Нашими исследованиями показано, что ксантиноксидаза молока при этих условиях может обогащаться медью в 3,5-5,5 раза, теряя молибден. Синтез уратоксидазы в этих случаях индуцируется не только мочевой кислотой, но и медью, содержание которой повышено.

В этих экспериментах при действии на организм различных соотношений меди и молибдена может быть достигнут высокий оптимум активности ксантиноксидазы, не соответствующий физиологическому оптимуму, наблюдаемому при соотношении в рационе меди и молибдена 1:4.

Эта ранее неизвестная форма молекулярной адаптации процессов в организме крысы, очевидно, является фенотипическим проявлением генной функции фермента.

При экологических исследованиях, таким образом, можно подойти к анализу процесса эволюции организмов - изменчивости, приспособляемости, образования новых таксономических единиц, естественного отбора и их генетических основ. Для такого изучения вопросов эволюции открывает путь геохимическая экология организмов и их популяций в экстремальных условиях среды - при избыточном или недостаточном содержании микроэлементов в биосфере.

Содержание статьи

БИОХИМИЯ, наука, которая описывает на языке химии строение и функции живых организмов. Биохимические концепции находят применение в медицине, пищевой, фармацевтической и микробиологической промышленности, сельском хозяйстве, а также в перерабатывающей промышленности, использующей отходы и побочные продукты сельского хозяйства.

Области исследований.

В развитии биохимии можно выделить несколько этапов и направлений.

Типы органических соединений и их структура.

Фундаментальное значение имело составление перечня органических соединений, обнаруженных в живых организмах, и установление структуры каждого из них. Этот перечень включает относительно простые соединения – аминокислоты, сахара и жирные кислоты, затем более сложные – пигменты (придающие окраску, например, цветкам), витамины и коферменты (небелковые компоненты ферментов), а заканчивается гигантскими молекулами белков и нуклеиновых кислот.

Метаболические пути.

По-видимому, наиболее значительные успехи в биохимии связаны с выяснением путей биосинтеза природных соединений из более простых веществ, т.е. из компонентов пищи у животных и из диоксида углерода и минеральных веществ (в ходе фотосинтеза) у растений. Биохимикам удалось подробно изучить основные метаболические пути, обеспечивающие синтез и расщепление природных соединений у животных, растений и микроорганизмов (в частности, у бактерий).

Структура и функции макромолекул.

Третье направление биохимии связано с анализом связи между структурой и функцией биологических макромолекул. Так, биохимики пытаются понять, какие особенности структуры белковых катализаторов лежат в основе их специфичности, т.е. способности ускорять строго определенные реакции; как выполняют свои функции сложные полисахариды, входящие в состав клеточных стенок и мембран; каким образом сложные липиды, присутствующие в нервной ткани, участвуют в функционировании нервных клеток – нейронов.

Функционирование клеток.

Еще одна проблема, которой занимаются биохимики, – раскрытие механизмов функционирования специализированных клеток. Исследуются, например, следующие вопросы: как происходит сокращение мышечных клеток, как определенные клетки формируют костную ткань, каким образом эритроциты переносят кислород от легких к тканям и забирают из тканей углекислый газ, каков механизм синтеза пигментов в клетках растений и т.д.

Генетические аспекты.

Исследования, начавшиеся в 1940-х годах и проводившиеся на грибах и бактериях, а затем на высших организмах, включая человека, показали, что обычно в результате мутации генов в клетках перестают протекать определенные биохимические реакции. Эти наблюдения привели к созданию концепции гена как информационной единицы, отвечающей за синтез специфического белка. Если белок является ферментом, а кодирующий его ген подвергся мутации (т.е. изменился), то клетка утрачивает способность осуществлять реакцию, которую этот фермент должен был бы катализировать.

Ген – это специфический сегмент молекулы дезоксирибонуклеиновой кислоты (ДНК), который способен реплицироваться (воспроизводить себя) и ответствен за синтез определенного белка. Многие биохимические исследования направлены на выяснение деталей репликации нуклеиновых кислот и механизма синтеза белков, а потому тесно связаны с генетикой. Область исследований, лежащую в сфере и биохимии и генетики, обычно называют молекулярной биологией.

Проект «Геном человека»

– грандиозный международный проект в области молекулярной биологии и генетики, в котором принимают участие коллективы ученых из многих стран. Цель проекта – построить генетические карты 23 хромосом человека с точным указанием положения всех десятков тысяч генов на этих хромосомах и в конечном итоге определить структуру хромосом, т.е. последовательность примерно 3 млрд. пар азотистых оснований, из которых состоит хромосомная ДНК. Эти исследования позволят создать доступную для всех ученых базу данных, представляющих большую ценность для изучения генетики человека, а главное – помогут биохимикам раскрыть механизмы наследственных болезней.

Медицинская биохимия.

С каждым годом все большее число болезней удается связать с теми или иными нарушениями метаболизма. Совместные усилия биохимиков и врачей позволили раскрыть природу нарушений, лежащих в основе таких заболеваний, как сахарный диабет и серповидноклеточная анемия. Более чем в 800 случаях установлена корреляция между нарушениями метаболизма и генетическими дефектами, в некоторых случаях найдены способы, которые позволяют смягчить последствия заболевания.

Введение в метаболизм (биохимия)

Обмен веществ или метаболизм – это совокупность химических реакций в организме, которые обеспечивают его веществами и энергией, необходимыми для жизнедеятельности. Процесс метаболизма, сопровождающийся образованием более простых соединений из сложных, обозначают термином - катаболизм. Процесс, идущий в обратном направлении и приводящий, в конечном счете, к образованию сложного продукта из относительно более простых – анаболизм. Анаболические процессы сопровождаются потреблением энергии, катаболические – высвобождением.

Анаболизм и катаболизм не являются простым обращением реакций. Анаболические пути должны отличаться от путей катаболизма хотя бы одной из ферментативных реакций, чтобы регулироваться независимо, и за счет контроля активности этих ферментов регулируется суммарная скорость распада и синтеза веществ. Ферменты, которые определяют скорость всего процесса в целом, называются ключевыми.

Более того, путь по которому идет катаболизм той или иной молекулы, может быть непригодным для ее синтеза по энергетическим соображениям. Например, протекающие в печени расщепление глюкозы до пирувата представляет собой процесс, состоящий из 11 последовательных стадий, катализируемых специфическими ферментами. Казалось бы, синтез глюкозы из пирувата должен быть простым обращением всех этих ферментативных стадий её распада. Такой путь представляется на первый взгляд и самым естественным, и наиболее экономичным. Однако в действительности биосинтез глюкозы (глюконеогенез) в печени протекает иначе. Он включает лишь 8 из 11 ферментативных стадий, участвующих в ее распаде, а 3 недостающие стадии заменены в нем совсем другим набором ферментативных реакций, свойственным только этому биосинтетическому пути. Кроме того, реакции катаболизма и анаболизма часто разделены мембранами и протекают в разных компартментах клеток.

Таблица 8.1. Компартментализация некоторых метаболических путей в гепатоците

Компартмент	Метаболические пути
Цитозоль	Гликолиз, многие реакции глюконеогенеза, активация аминокислот, синтез жирных кислот
Плазматическая мембрана	Энергозависимые транспортные системы
	Репликация ДНК, синтез различных видов РНК
Рибосомы	Синтез белка
Лизосомы	Изоляция гидролитических ферментов
Комплекс Гольджи	Образование плазматической мембраны и секреторных пузырьков
Микросомы	Локализация каталазы и оксидаз аминокислот
Эндоплазматическая сеть	Синтез липидов
Митохондрии	Цикл трикарбоновых кислот, цепь тканевого дыхания, окисление жирных кислот, окислительное фосфорилирование

Метаболизм выполняет 4 функции:

1. снабжение организма химической энергией, полученной при расщеплении богатых энергией пищевых веществ;

2. превращение пищевых веществ в строительные блоки, которые используются в клетке для биосинтеза макромолекул;

3. сборка макромолекулярных (биополимеры) и надмолекулярных структур живого организма, пластическое и энергетическое поддержание его структуры;

4. синтез и разрушение тех биомолекул, которые необходимы для выполнения специфических функций клетки и организма.

Метаболический путь – это последовательность химических превращений конкретного вещества в организме. Промежуточные продукты, образующиеся в процессе превращения, называют метаболитами, а последнее соединение метаболического пути – конечным продукт. Примером метаболического пути является гликолиз, синтез холестерина.

Метаболический цикл – это такой метаболический путь, один из конечных продуктов которого идентичен одному из соединений вовлеченных в этот процесс. Наиболее важными в организме человека метаболическими циклами являются цикл трикарбоновых кислот (цикл Кребса) и орнитиновый цикл мочевинообразования.

Почти все метаболические реакции в конечном итоге связаны между собой, поскольку продукт одной ферментативной реакции служит субстратом для другой, которая в данном процессе играет роль следующей стадии. Таким образом, метаболизм можно представить в виде чрезвычайно сложной сети ферментативных реакций. Если поток питательных веществ в какой-нибудь одной части этой сети уменьшится или нарушится, то в ответ могут произойти изменения в другой части сети, для того чтобы это первое изменение было как-то уравновешено или скомпенсировано. Более того, и катаболические и анаболические реакции отрегулированы таким образом, чтобы они протекали наиболее экономично, то есть с наименьшей затратой энергии и веществ. Например, окисление питательных веществ в клетке совершается со скоростью, как раз достаточной для того, чтобы удовлетворить ее энергетические потребности в данный момент.

Специфические и общие пути катаболизма

В катаболизме различают три стадии:

1. Полимеры превращаются в мономеры (белки – в аминокислоты, углеводы в моносахариды, липиды – в глицерол и жирные кислоты). Химическая энергия при этом рассеивается в виде тепла.

2. Мономеры превращаются в общие продукты, в подавляющем большинстве в ацетил-КоА. Химическая энергия частично рассеивается в виде тепла, частично накапливается в виде восстановленных коферментных форм (НАДН, ФАДН2), частично запасается в макроэргических связях АТФ (субстратное фосфорилирование).

1-ая и 2-ая стадии катаболизма относятся к специфическим путям, которые уникальны для метаболизма белков, липидов и углеводов.

3. Заключительный этап катаболизма, сводится к окислению ацетил-КоА до СО 2 и Н 2 О в реакциях цикла трикарбоновых кислот (цикла Кребса) – общий путь катаболизма. Окислительные реакции общего пути катаболизма сопряжены с цепью тканевого дыхания. При этом энергия (40–45%) запасается в виде АТФ (окислительное фосфорилирование).

В результате специфических и общих путей катаболизма биополимеры (белки, углеводы, липиды) распадаются до СО 2 , Н 2 О и NH 3 , которые являются основными конечными продуктами катаболизма.

Метаболиты в норме и при патологии

В живой клетке ежесекундно образуются сотни метаболитов. Однако их концентрации поддерживаются на определенном уровне, который является специфической биохимической константой или референтной величиной. При болезнях происходит изменение концентрации метаболитов, что является основой биохимической лабораторной диагностики. К нормальным метаболитам относят глюкозу, мочевину, холестерол, общий белок сыворотки крови и ряд других. Выход концентрации этих веществ за пределы физиологических норм (повышение либо снижение) говорит о нарушении их обмена в организме. Более того, ряд веществ в организме здорового человека обнаруживается только в определенных биологических жидкостях, что обуславливается спецификой их метаболизма. Например, белки сыворотки крови в норме не проходят через почечный фильтр и, соответственно, не обнаруживаются в моче. Но при воспалении почек (гломерулонефрите) белки (в первую очередь альбумины) проникают через капсулу клубочка, появляются в моче – протеинурия и трактуются как патологические компоненты мочи.

Патологическими метаболитами являются миеломные белки (белки Бенс-Джонса), парапротеины при макроглобулинемии Вальденштрема, накопление аномального гликогена при гликогенозах, разнообразных фракций сложных липидов при сфинголипидозах и т.д. Они обнаруживаются только при болезнях и для здорового организма не характерны.

Уровни изучения обмена веществ

Уровни изучения обмена веществ:

1. Целый организм.

2. Изолированные органы (перфузируемые).

3. Срезы тканей.

4. Культуры клеток.

5. Гомогенаты тканей.

6. Изолированные клеточные органеллы.

7. Молекулярный уровень (очищенные ферменты, рецепторы и т.д.).

Довольно часто для изучения метаболизма используют радиоактивные изотопы (3 H, 32 P, 14 C, 35 S, 18 O), которыми помечают вещества, вводимые в организм. Затем можно проследить клеточную локализацию этих веществ, определить период полураспада и их метаболические пути.

Рис. 8.1. Схема специфических и общих путей катаболизма

Глава 9. Биологические мембраны

Клетка представляет биологическую систему, основу которой составляют мембранные структуры, отделяющие клетку от внешней среды, формирующие ее отсеки (компартменты), а также обеспечивающие поступление и удаление метаболитов, восприятие и передачу сигналов и являющиеся структурными организаторами метаболических путей.

Согласованное функционирование мембранных систем – рецепторов, ферментов, транспортных механизмов помогает поддерживать гомеостаз клетки и в то же время быстро реагировать на изменения внешней среды.

Мембраны – нековалентные надмолекулярные структуры. Белки и липиды в них удерживаются вместе множеством нековалентных взаимодействий (кооперативных по характеру).

К основным функциям мембран можно отнести:

1. отделение клетки от окружающей среды и формирование внутриклеточных компартментов (отсеков);

2. контроль и регулирование транспорта огромного разнообразия веществ через мембраны (избирательная проницаемость);

3. участие в обеспечении межклеточных взаимодействий;

4. восприятие и передача сигнала внутрь клетки (рецепция);

5. локализация ферментов;

6. энерготрансформирующая функция.

Мембраны асимметричны в структурном и функциональном отношениях (углеводы локализуются всегда снаружи и их нет на внутренней стороне мембраны). Это динамичные структуры: входящие в их состав белки и липиды могут двигаться в плоскости мембраны (латеральная диффузия). Однако существует и переход белков и липидов с одной стороны мембраны на другую (поперечная диффузия, флип-флоп), которая происходит крайне медленно. Подвижность и текучесть мембран зависят от её состава: соотношениям насыщенных и ненасыщенных жирных кислот, а также холестерола. Текучесть мембраны тем ниже, чем выше насыщенность жирных кислот в фосфолипидах и чем больше содержание холестерола. Кроме того, для мембран характерна самосборка.

Общие свойства клеточных мембран:

1. легко проницаемы для воды и нейтральных липофильных соединений;

2. в меньшей степени проницаемы для полярных веществ (сахара, амиды);

3. плохо проницаемы для небольших ионов (Na + , Cl - и др.);

4. характерно высокое электрическое сопротивление;

5. асимметричность;

6. могут самопроизвольно восстанавливать целостность;

7. жидкостность.

Химический состав мембран.

Мембраны состоят из липидных и белковых молекул, относительное количество которых у разных мембран широко колеблется. Углеводы содержатся в форме гликопротеинов, гликолипидов и составляют 0,5%-10% веществ мембраны. Согласно жидкостно-мозаичной модели строения мембраны (Сенджер и Николсон, 1972г.) основу мембраны составляет двойной липидный слой, в формировании которого участвуют фосфолипиды и гликолипиды. Липидный бислой образован двумя рядами липидов, гидрофобные радикалы которых спрятаны внутрь, а гидрофильные группы обращены наружу и контактируют с водной средой. Белковые молекулы как бы растворены в липидном бислое и относительно свободно «плавают в липидном море в виде айсбергов на которых растут деревья гликокаликса».

Липиды мембран.

Мембранные липиды – амфифильные молекулы, т.е. в молекуле есть как гидрофильные группы (полярные головки), так и алифатические радикалы (гидрофобные хвосты), самопроизвольно формирующие бислой, в котором хвосты липидов обращены друг к другу. Толщина одного липидного слоя 2,5 нм, из которых 1 нм приходится на головку и 1,5 нм на хвост. В мембранах присутствуют три основных типа липидов: фосфолипиды, гликолипиды и холестерол. Среднее молярное отношение холестерол/фосфолипиды равно 0,3–0,4, но в плазматической мембране это соотношение гораздо выше (0,8–0,9). Наличие холестерола в мембранах уменьшает подвижность жирных кислот, снижает латеральную диффузию липидов и белков.

Фосфолипиды можно разделить на глицерофосфолипиды и сфингофосфолипиды. Наиболее распространенные глицерофосфолипиды мембран – фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины. Каждый глицерофосфолипид, например фосфатидилхолин, представлен несколькими десятками фосфатидилхолинов, отличающихся друг от друга строением жирнокислотных остатков.

На долю глицерофосфолипидов приходится 2–8% всех фосфолипидов мембран. Наиболее распространенными являются фосфатидилинозитолы.

Специфические фосфолипиды внутренней мембраны митохондрий – кардиолипины (дифосфатидглицеролы), построенные на основе глицерола и двух остатков фосфатидной кислоты, составляют около 22% от всех фосфолипидов митохондриальных мембран.

В миелиновой оболочке нервных клеток в значительных количествах содержатся сфингомиелины.

Гликолипиды мембран представлены цереброзидами и ганглиозидами, в которых гидрофобная часть представлена церамидом. Гидрофильная группа – углеводный остаток – гликозидной связью присоединен к гидроксильной группе первого углеродного атома церамида. В значительных количествах гликолипиды находятся в мебранах клеток мозга, эпителия и эритроцитов. Ганглиозиды эритроцитов разных индивидуумов различаются строением олигосахаридных цепей и проявляют антигенные свойства.

Холестерол присутствует во всех мембранах животных клеток. Его молекула состоит из жесткого гидрофобного ядра и гибкой углеводородной цепи, единственная гидроксильная группа является полярной головкой.

Функции мембранных липидов.

Фосфо- и гликолипиды мембран, помимо участия в формировании липидного бислоя, выполняют ряд других функций. Липиды мембран формируют среду для функционирования мембранных белков, принимающих в ней нативную конформацию.

Некоторые мембранные липиды – предшественники вторичных посредников при передаче гормональных сигналов. Так фосфатидилинозитолдифосфат под действием фосфолипазы С гидролизируется до диацилглицерола и инозитолтрифосфата, являющихся вторичными посредниками гормонов.

Ряд липидов участвует в фиксации заякоренных белков. Примером заякоренного белка является ацетилхолинэстераза, которая фиксируется на постсинаптической мембране к фосфатитилинозитолу.

Белки мембран.

Мембранные белки отвечают за функциональную активность мембран и на их долю приходится от 30 до 70%. Белки мембран отличаются по своему положению в мембране. Они могут глубоко проникать в липидный бислой или даже пронизывать его – интегральные белки, разными способами прикрепляться к мембране – поверхностные белки, либо, ковалентно контактировать с ней – заякоренные белки. Поверхностные белки почти всегда гликозилированы. Олигосахаридные остатки защищают белок от протеолиза, участвуют в узнавании лигандов и адгезии.

Белки, локализованные в мембране, выполняют структурную и специфические функции:

1. транспортную;

2. ферментативную;

3. рецепторную;

4. антигенную.

Механизмы мембранного транспорта веществ

Различают несколько способов переноса веществ через мембрану:

1. Простая диффузия – это перенос небольших нейтральных молекул по градиенту концентрации без затрат энергии и переносчиков. Легче всего проходят простой диффузией через липидную мембрану малые неполярные молекулы, такие как О 2 , стероиды, тиреоидные гормоны. Малые полярные незаряженные молекулы – СО 2 , NH 3 , H 2 O, этанол и мочевина – также диффундируют с достаточной скоростью. Диффузия глицерола идет значительно медленнее, а глюкоза практически не способна самостоятельно пройти через мембрану. Для всех заряженных молекул, независимо от размера, липидная мембрана не проницаема.

2. Облегченная диффузия – перенос вещества по градиенту концентрации без затрат энергии, но с переносчиком. Характерна для водорастворимых веществ. Облегченная диффузия отличается от простой большей скоростью переноса и способностью к насыщению. Различают две разновидности облегченной диффузии:

Транспорт по специальным каналам, образованным в трансмебранных белках (например, катионселективные каналы);

С помощью белков-транслоказ, которые взаимодействуют со специфическим лигандом, обеспечивают его диффузию по градиенту концентрации (пинг-понг) (перенос глюкозы в эритроциты с помощью белка-переносчика ГЛЮТ-1).

Кинетически перенос веществ облегченной диффузией напоминает ферментативную реакцию. Для транслоказ существует насыщающая концентрация лиганда, при которой все центры связывания белка с лигандом заняты, и белки работают с максимальной скоростью. Поэтому скорость транспорта веществ облегченной диффузией зависит не только от градиента концентраций переносимого вещества, но и от количества беков-переносчиков в мембране.

Простая и облегченная диффузия относится к пассивному транспорту, так как происходит без затраты энергии.

3. Активный транспорт – транспорт вещества против градиента концентрации (незаряженные частицы) или электрохимического градиента (для заряженных частиц), требующий затрат энергии, чаще всего АТФ. Выделяют два вида его: первично активный транспорт использует энергию АТФ или окислительно-восстановительного потенциала и осуществляется с помощью транспортных АТФ-аз. Наиболее распространены в плазматической мембране клеток человека Na + ,K +- АТФ-аза, Са 2+ -АТФ-аза, Н + -АТФ-аза.

При вторично активном транспорте используется градиент ионов, созданный на мембране за счет работы системы первично активного транспорта (всасывание глюкозы клетками кишечника и реабсорбция из первичной мочи глюкозы и аминокислот клетками почек, осуществляемые при движении ионов Na + по градиенту концентрации).

Перенос через мембрану макромолекул. Транспортные белки обеспечивают перенос через клеточную мембрану полярных молекул небольшого размера, но они не могут транспортировать макромолекулы, например белки, нуклеиновые кислоты, полисахариды или отдельные частицы.

Механизмы, с помощью которых клетки могут усваивать такие вещества или удалять их из клетки, отличаются от механизмов транспорта ионов и полярных соединений.

1. Эндоцитоз. Это перенос вещества из среды в клетку вместе с частью плазматической мембраны. Путем эндоцитоза (фагоцитоза) клетки могут поглощать большие частицы, такие как вирусы, бактерии или фрагменты клеток. Поглощение жидкости и растворенных в ней веществ с помощью небольших пузырьков называют пиноцитозом.

2. Экзоцитоз . Макромолекулы, например белки плазмы крови, пептидные гормоны, пищеварительные ферменты синтезируются в клетках и затем секретируются в межклеточное пространство или кровь. Но мембрана не проницаема для таких макромолекул или комплексов, их секреция происходит путем экзоцитоза. В организме имеются как регулируемый так и не регулируемый пути экзоцитоза. Нерегулируемая секреция характеризуется непрерывным синтезом секретируемых белков. Примером может служить синтез и секреция коллагена фибробластами для формирования межклеточного матрикса.

Для регулируемой секреции характерны хранение приготовленных на экспорт молекул в транспортных пузырьках. С помощью регулируемой секреции происходят выделение пищеварительных ферментов, а также секреция гормонов и нейромедиаторов.

Глава 10. Энергетический обмен. Биологическое окисление

Живые организмы с точки зрения термодинамики – открытые системы. Между системой и окружающей средой возможен обмен энергии, который происходит в соответствии с законами термодинамики. Каждое органическое соединение, поступающее в организм, обладает определенным запасом энергии (Е). Часть этой энергии может быть использована для совершения полезной работы. Такую энергию называют свободной энергией (G). Направление химической реакции определяется значением DG. Если эта величина отрицательна, то реакция протекает самопроизвольно. Такие реакции называются экзергоническими. Если DG положительно, то реакция будет протекать только при поступлении свободной энергии извне – это эндергонические реакции. В биологических системах термодинамически невыгодные эндергонические реакции могут протекать лишь за счет энергии экзергонических реакций. Такие реакции называют энергетически сопряженными.

Важнейшей функцией многих биологических мембран служит превращение одной формы энергии в другую. Мембраны, обладающие такими функциями, называются энергопреобразующими. Любая мембрана, выполняющая энергетическую функцию, способна к превращению химической энергии окисляемых субстратов или АТФ в электрическую энергию, а именно в трансмембранную разность электрических потенциалов (DY) или в энергию разности концентраций веществ, содержащихся в разделенных мембраной растворах, и наоборот. Среди энергопреобразующих мембран, имеющих наибольшее значение, можно назвать внутреннюю мембрану митохондрий, внешнюю цитоплазматическую мембрану, мембраны лизосом и комплекса Гольджи, саркоплазматический ретикулум. Наружная мембрана митохондрий и ядерная мембрана не может превращать одну форму энергии в другую.

Преобразование энергии в живой клетке описывается следующей общей схемой:

Энергетические ресурсы → ΔμI → работа

где ΔμI – трансмембранная разность электрохимических потенциалов иона I. Следовательно, процессы утилизации энергии и совершения за счет нее работы оказываются сопряжены через образование и использование ΔμI. Поэтому данный ион может быть назван сопрягающим ионом. Основным сопрягающим ионом в клетке эукариот является Н + , и соответственно ΔμН + является основной конвертируемой формой запасания энергии. Вторым по значимости сопрягающим ионом является Na + (ΔμNa +). В то время как Сa 2+ , K + и Cl - не используются для совершения какой-либо работы.

Биологическое окисление – это процесс дегидрирования субстрата с помощью промежуточных переносчиков водорода и его конечного акцептора. Если в роли конечного акцептора выступает кислород, процесс называется аэробным окислением или тканевым дыханием, если конечный акцептор представлен не кислородом – анаэробным окислением. Анаэробное окисление имеет ограниченное значение в организме человека. Основная функция биологического окисления – обеспечение клетки энергией в доступной форме.

Тканевое дыхание – процесс окисления водорода кислородом до воды ферментами цепи тканевого дыхания. Оно протекает по следующей схеме:

Вещество окисляется, если отдает электроны или одновременно электроны и протоны (атомы водорода), или присоединяет кислород. Способность молекулы отдавать электроны другой молекуле определяется окислительно-восстановительным потенциалом (редокс-потенциалом). Любое соединение может отдавать электроны только веществу с более высоким окислительно-восстановительным потенциалом. Окислитель и восстановитель всегда образуют сопряженную пару.

Выделяют 2 типа окисляемых субстратов:

1. Пиридинзависимые – спиртовые или альдегидные – изоцитрат, α-кетоглутарат, пируват, малат, глутамат, β-гидроксиацил-КоА, β-гидроксибутират, – в их дегидрировании участвуют НАД-зависимые дегидрогеназы.

2. флавинзависимые – являются производными углеводородов – сукцинат, ацил-КоА, глицерол-3-фосфат, холин – при дегидрировании передают водород на ФАД-зависимые дегидрогеназы.

Цепь тканевого дыхания – последовательность переносчиков протонов водорода (Н+) и электронов от окисляемого субстрата на кислород, локализованных на внутренней мембране митохондрий.

Рис. 10.1. Схема ЦТД

Компоненты ЦТД:

1. НАД-зависимые дегидрогеназы дегидрируют пиридинзависимые субстраты и акцептируют 2ē и один Н + .

2. ФАД (ФМН) - зависимые дегидрогеназы акцептируют 2 атома водорода (2Н + и 2ē). ФМН – зависимая дегидрогеназа дегидрирует только НАДН, в то время как ФАД-дегидрогеназы окисляют флавинзависимые субстраты.

3. Жирорастворимый переносчик убихинон (кофермент Q, КоQ) – свободно перемещается по мембране митохондрий и акцептирует два атома водорода и превращается в КоQH 2 (восстановленная форма – убихинол).

4. Система цитохромов – переносит только электроны. Цитохромы железосодержащие белки, простетическая группа которых по структуре напоминает гем. В отличие от гема атом железа в цитохроме может обратимо переходить из двух – в трехвалентное состояние (Fe 3+ + ē → Fe 2+). Это и обеспечивает участие цитохрома в транспорте электронов. Цитохромы действуют в порядке возрастания их редокс-потенциала и в дыхательной цепи располагаются следующим образом: b-с 1 -с-а-а 3 . Два последних работают в ассоциации как один фермент цитохромоксидаза аа 3 . Цитохромоксидаза состоит из 6 субъединиц (2 - цитохрома а и 4 - цитохрома а 3). В цитохроме а 3 кроме железа имеются атомы меди и он передает электроны непосредственно на кислород. Атом кислорода при этом заряжается отрицательно и приобретает способность взаимодействовать с протонами с образованием метаболической воды.

Железосерные белки (FeS) – содержат негемовое железо и участвуют в окислительно-восстановительных процессах, протекающих по одноэлектронному механизму и ассоциированы с флавопротеинами и цитохромом b.

Структурная организация цепи тканевого дыхания

Компоненты дыхательной цепи во внутренней мембране михохондрий формируют комплексы:

1. I комплекс (НАДН-КоQН 2 -редуктаза) – принимает электороны от митохондриального НАДН и транспортирует их на КоQ. Протоны транспортируются в межмембранное пространство. Промежуточным акцептором и переносчиком протонов и электронов являются ФМН и железосерные белки. I комплекс разделяет поток электронов и протонов.

2. II комплекс – сукцинат – КоQ - редуктаза – включает ФАД- зависимые дегидрогеназы и железосерные белки. Он транспортирует электроны и протоны от флавинзависимых субстратов на убихинон, с образованием промежуточного ФАДН 2 .

Убихинон легко перемещается по мембране и передает электроны на III комплекс.

3. III комплекс – КоQН 2 - цитохром с - редуктаза – имеет в своем составе цитохромы b и с 1 , а также железосерные белки. Функционирование КоQ с III комплексом приводит к разделению потока протонов и электронов: протоны из матрикса перекачиваются в межмембранное пространство митохондрий, а электроны транспортируются далее по ЦТД.

4. IV комплекс – цитохром а - цитохромоксидаза – содержит цитохромоксидазу и транспортирует электроны на кислород с промежуточного переносчика цитохрома с, который является подвижным компонентом цепи.

Существует 2 разновидности ЦТД:

1. Полная цепь – в нее вступают пиридинзависимые субстраты и предают атомы водорода на НАД-зависимые дегидрогеназы

2. Неполная (укороченная или редуцированная) ЦТД в которой атомы водорода передаются от ФАД-зависимых субстратов, в обход первого комплекса.

Окислительное фосфорилирование АТФ

Окислительное фосфорилирование – процесс образования АТФ, сопряженный с транспортом электронов по цепи тканевого дыхания от окисляемого субстрата на кислород. Электроны всегда стремятся переходить от электроотрицательных систем к электроположительным, поэтому их транспорт по ЦТД сопровождается снижением свободной энергии. В дыхательной цепи на каждом этапе снижение свободной энергии происходит ступенчато. При этом можно выделить три участка, в которых перенос электронов сопровождается относительно большим снижением свободной энергии. Эти этапы способны обеспечить энергией синтез АТФ, так как количество выделяющейся свободной энергии приблизительно равно энергии, необходимой для синтеза АТФ из АДФ и фосфата.

Для объяснения механизмов сопряжения дыхания и фосфорилирования выдвинут ряд гипотез.

Механохимическая или конформационная (Грин-Бойера).

В процессе переноса протонов и электронов изменяется конформация белков-ферментов. Они переходят в новое, богатое энергией конформационное состояние, а затем при возвращении в исходную конформацию отдают энергию для синтеза АТФ.

Гипотеза химического сопряжения (Липмана).

В сопряжении дыхания и фосфорилирования участвуют «сопрягающие» вещества. Они акцептируют протоны и электроны и взаимодействуют с Н 3 РО 4 . В момент отдачи протонов и электронов связь с фосфатом становится макроэргической и фосфатная группа передается на АДФ с образованием АТФ путем субстратного фосфорилирования. Гипотеза логична, однако до сих пор не выделены «сопрягающие» вещества.

Хемиоосмотическая гипотеза Питера Митчелла (1961г.)

Основные постулаты этой теории:

1. внутренняя мембрана митохондрий непроницаема для ионов Н + и ОН − ;

2. за счет энергии транспорта электронов через I, III и IV комплексы дыхательной цепи из матрикса выкачиваются протоны;

3. возникающий на мембране электрохимический потенциал является промежуточной формой запасания энергии;

4. возвращение протонов в матрикс митохондрии через протонный канал АТФ синтазы является поставщиком энергии для синтеза АТФ по схеме

АДФ+Н 3 РО 4 →АТФ+Н 2 О

Доказательства хемиоосмотической теории:

1. на внутренней мембране есть градиент Н + и его можно измерить;

2. создание градиента Н + в митохондрии сопровождается синтезом АТФ;

3. ионофоры (разобщители), разрушающие протонный градиент, тормозят синтез АТФ;

4. ингибиторы, блокирующие транспорт протонов по протонным каналам АТФ-синтазы, ингибируют синтез АТФ.

Строение АТФ-синтазы

АТФ-синтаза – интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи и обозначается как V комплекс. АТФ-синтаза состоит из 2 субъединиц, обозначаемых как F 0 и F 1 . Гидрофобный комплекс F 0 погружен во внутреннюю мембрану митохондрий и состоит из нескольких протомеров, образующих канал по которому протоны переносятся в матрикс. Субъединица F 1 выступает в митохондриальный матрикс и состоит из 9 протомеров. Причем три из них связывают субъединицы F 0 и F 1 , образуя своеобразную ножку и являются чувствительными к олигомицину.

Суть хемиоосмотической теории: за счет энергии переноса электронов по ЦТД происходит движение протонов через внутреннюю митохондриальную мембрану в межмембранное пространство, где создается электрохимический потенциал (ΔμН +), который приводит к конформационной престройке активного центра АТФ-синтазы, в результате чего становится возможным обратный транспорт протонов через протонные каналы АТФ-синтазы. При возвращении протонов назад электрохимический потенциал трансформируется в энергию макроэргической связи АТФ. Образовавшаяся АТФ с помощью белка-переносчика транслоказы перемещается в цитозоль клетки, а взамен в матрикс поступают АДФ и Ф н.

Коэффициент фосфорилирования (Р/О) – число атомов неорганического фосфата, включенных в молекулы АТФ, в пересчете на один атом использованного поглощенного кислорода.

Пункты фосфорилирования – участки в дыхательной цепи, где энергия транспорта электоронов используется на генерацию протонного градиента, а затем в ходе фосфорилирования запасается в форме АТФ:

1. 1 пункт – между пиридинзависимой и флавинзависимой дегидрогеназами; 2 пункт – между цитохромами b и с 1 ; 3 пункт – между цитохромами а и а 3 .

2. Следовательно, при окислении НАД-зависимых субстратов коэффициент Р/О равен 3, так как электроны от НАДН транспортируются с участием всех комплексов ЦТД. Окисление ФАД-зависимых субстратов идет в обход I комплекса дыхательной цепи и Р/О равен 2.

Нарушения энергетического обмена

Все живые клетки постоянно нуждаются в АТФ для осуществления различных видов деятельности. Нарушение какого-либо этапа метаболизма, приводящие к прекращению синтеза АТФ, гибельны для клетки. Ткани с высокими энергетическими потребностями (ЦНС, миокард, почки, скелетные мышцы и печень) являются наиболее уязвимыми. Состояния, при которых синтез АТФ снижен объединяют термином «гипоэнергетические». Причины данных состояний можно разбить на две группы:

Алиментарные – голодание и гиповитаминозы В2 и РР – возникает нарушение поставки окисляемых субстратов в ЦТД или синтез коферментов.

Гипоксические – возникают при нарушении доставки или утилизации кислорода в клетке.

Регуляция ЦТД.

Осуществляется с помощью дыхательного контроля.

Дыхательный контроль – это регуляция скорости переноса электронов по дыхательной цепи отношением АТФ/АДФ. Чем меньше это отношение, тем интенсивнее идет дыхание и активнее синтезируется АТФ. Если АТФ не используется, и его концентрация в клетке возрастает, то прекращается поток электронов к кислороду. Накопление АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода. Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью и имеет важное значение, так как в результате его действия скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии. Запасов АТФ в клетке не существует. Относительные концентрации АТФ/АДФ в тканях изменяются в узких пределах, в то время как потребление энергии клеткой может изменяться в десятки раз.

Американский биохимик Д. Чанс предложил рассматривать 5 состояний митохондрий, при которых скорость их дыхания ограничивается определенными факторами:

1. Недостаток SH 2 и АДФ – скорость дыхания очень низкая.

2. Недостаток SH 2 при наличии АДФ – скорость ограничена.

3. Есть SH 2 и АДФ – дыхание очень активно (лимитируется только скоростью транспорта ионов через мембрану).

4. Недостаток АДФ при наличии SH 2 – дыхание тормозится (состояние дыхательного контроля).

5. Недостаток кислорода, при наличии SH 2 и АДФ – состояние анаэробиоза.

Митохондрии в покоящейся клетке находятся в состоянии 4, при котором скорость дыхания определяется количеством АДФ. Во время усиленной работы могут пребывать в состоянии 3 (исчерпываются возможности дыхательной цепи) или 5 (недостаток кислорода) – гипоксии.

Ингибиторы ЦТД – это лекарственные препараты, которые блокируют перенос электронов по ЦТД. К ним относят: барбитураты (амитал), которые блокируют транспорт электронов через I комплекс дыхательной цепи, антибиотик антимицин блокирует окисление цитохрома b; монооксид углерода и цианиды ингибируют цитохромооксидазу и блокируют транспорт электронов на кислород.

Ингибиторы окислительного фосфорилирования (олигомицин) – это вещества, которые блокируют транспорт Н + по протонному каналу АТФ-синтазы.

Разобщители окислительного фосфорилирования (ионофоры) – это вещества, которые подавляют окислительное фосфорилирование, не влияя при этом на процесс переноса электронов по ЦТД. Механизм действия разобщителей сводится к тому, что они являются жирорастворимыми (липофильными) веществами и обладают способностью связывать протоны и переносить их через внутреннюю мембрану митохондрий в матрикс, минуя протонный канал АТФ-синтазы. Выделяющаяся при этом энергия рассеивается в виде тепла.

Искусственные разобщители – динитрофенол, производные витамина К (дикумарол), некоторые антибиотики (валиномицин).

Естественные разобщители – продукты перекисного окисления липидов, жирные кислоты с длинной цепью, большие дозы йодсодержащих гормонов щитовидной железы, белки термогенины.

На разобщении дыхания и фосфорилирования базируется терморегуляторная функция тканевого дыхания. Митохондрии бурой жировой ткани продуцируют больше тепла, так как присутствующий в них белок термогенин разобщает окисление и фосфорилировние. Это имеет важное значение в поддержании температуры тела новорожденных.

Метаболизм и его функции Метаболизм включает два неразрывных процесса: анаболизм и катаболизм. Он выполняет три специализированные функции: Энергетическая – снабжение клетки химической энергией, Пластическая – синтез макромолекул как строительных блоков, Специфическая – синтез и распад биомолекул, необходимых для выполнения специфических клеточных функций.

Анаболизм Анаболизм – это биосинтез белков, полисахаридов, липидов, нуклеиновых кислот и других макромолекул из малых молекул - предшественников. Поскольку анаболизм сопровождается усложнением структуры, то требует затрат энергии. Источником такой энергии является энергия АТФ.

Жизнь Энергия Вещество Поддержание сложности Рост и размножение Метаболизм – все химические реакции в организме Энергетический обмен Катаболизм – реакции расщепления макромолекул на простые Обмен веществ = Анаболизм – реакции синтеза макромолекул из простых Пластический обмен АТФ

НАДФ - НАДФН - цикл НАДФ - НАДФН - цикл Для биосинтеза некоторых веществ (жирные кислоты, холестерол) требуются богатые энергией атомы водорода – их источником является НАДФН. Молекулы НАДФН образуются в реакциях окисления глюкозо-6- фосфата в пентозном пути и оксалоацетата малик-ферментом. В реакциях анаболизма НАДФН передает свои атомы водорода на синтетические реакции и окисляется до НАДФ. Так формируется НАДФ- НАДФН-цикл.

Катаболизм Катаболизм – расщепление и окисление сложных органических молекул до более простых конечных продуктов. Оно сопровождается высвобождением энергии, заключенной в сложной структуре веществ. Большая часть высвобожденной энергии рассеивается в виде тепла. Меньшая часть этой энергии "перехватывается" коферментами окислительных реакций НАД и ФАД, некоторая часть сразу используется для синтеза АТФ.

Использование атомов водорода Атомы водорода, высвобождаемые в реакциях окисления веществ, могут использоваться клеткой только по двум направлениям: на анаболические реакции в составе НАДФН. на образование АТФ в митохондриях при окислении НАДН и ФАДН 2.

Этапы катаболизма. Первый этап. Весь катаболизм условно подразделяется на три этапа: I этап Происходит в кишечнике (переваривание пищи) или в лизосомах при расщеплении молекул. При этом освобождается около 1 % энергии, заключенной в молекуле. Она рассеивается в виде тепла.

Второй этап II этап Вещества, образованные при внутриклеточном гидролизе или проникающие в клетку из крови, на втором этапе обычно превращаются в пировиноградную кислоту, ацетильную группу (в составе ацетил -S- КоА) и в некоторые другие мелкие органические молекулы. Локализация второго этапа – цитозоль и митохондрии. Часть энергии рассеивается в виде тепла и примерно 13 % энергии вещества усваивается, т. е. запасается в виде макроэргических связей АТФ.

Третий этап III этап Все реакции этого этапа идут в митохондриях. Ацетил -S КоА включается в реакции цикла трикарбоновых кислот и окисляется до углекислого газа. Выделенные атомы водорода соединяются с НАД и ФАД и восстанавливают их. После этого НАДН и ФАДН 2 переносят водород в цепь дыхательных ферментов, расположенную на внутренней мембране митохондрий. Здесь в результате процесса под названием " окислительное фосфорилирование " образуется вода и главный продукт биологического окисления – АТФ. Часть выделенной на этом этапе энергии молекулы рассеивается в виде тепла и около 46 % энергии исходного вещества усваивается, т. е. запасается в связях АТФ и ГТФ.

Роль АТФ Энергия, высвобождаемая в реакциях катаболизма, запасается в виде связей, называемых макроэргическими. Основной и универсальной молекулой, которая запасает энергию и при необходимости отдает ее, является АТФ. Все молекулы АТФ в клетке непрерывно участвуют в каких - либо реакциях, постоянно расщепляются до АДФ и вновь регенерируют. Существует три основных способа использования АТФ биосинтез веществ, транспорт веществ через мембраны, изменение формы клетки и ее движение. Эти процессы совместно с процессом образования АТФ получили название АТФ - цикл:

Способы получения энергии в клетке В клетке существуют четыре основных процесса, обеспечивающих высвобождение энергии из химических связей при окислении веществ и ее запасание: 1. Гликолиз (2 этап биологического окисления) – окисление молекулы глюкозы до двух молекул пировиноградной кислоты, при этом образуется 2 молекулы АТФ и НАДН. Далее пировиноградная кислота в аэробных условиях превращается в ацетил -S КоА, в анаэробных условиях – в молочную кислоту. 2. β - Окисление жирных кислот (2 этап биологического окисления) – окисление жирных кислот до ацетил -S КоА, здесь образуются молекулы НАДН и ФАДН 2. Молекулы АТФ " в чистом виде " не появляются.

Способы получения энергии в клетке 3. Цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, 3 этап биологического окисления) – окисление ацетильной группы (в составе ацетил -S КоА) или иных кетокислот до углекислого газа. Реакции полного цикла сопровождаются образованием 1 молекулы ГТФ (что эквивалентно одной АТФ), 3 молекул НАДН и 1 молекулы ФАДН Окислительное фосфорилирование (3 этап биологического окисления) – окисляются НАДН и ФАДН 2, полученные в реакциях катаболизма глюкозы, аминокислот и жирных кислот. При этом ферменты внутренней мембраны митохондрий обеспечивают образование основного количества клеточного АТФ.

Два способа синтеза АТФ Основным способом получения АТФ в клетке является окислительное фосфорилирование. Однако также есть другой способ фосфорилирования АДФ до АТФ – субстратное фосфорилирование. Этот способ связан с передачей макроэргического фосфата или энергии макроэргической связи какого - либо вещества (субстрата) на АДФ. К таким веществам относятся метаболиты гликолиза (1,3- дифосфоглицериновая кислота, фосфоенолпируват), цикла трикарбоновых кислот (сукцинил -S КоА) и креатинфосфат. Энергия гидролиза их макроэргической связи выше, чем 7,3 ккал / моль в АТФ, и роль указанных веществ сводится к использованию этой энергии для фосфорилирования молекулы АДФ до АТФ.

ПВК Пировиноградная кислота (ПВК, пируват) является продуктом окисления глюкозы и некоторых аминокислот. Ее судьба различна в зависимости от доступности кислорода в клетке. В анаэробных условиях она восстанавливается до молочной кислоты. В аэробных условиях пируват симпортом с ионами Н +, движущимися по протонному градиенту, проникает в митохондрии. Здесь происходит его превращение до уксусной кислоты, переносчиком которой служит коэнзим А.

Глюкоза 2 ПВК Гликолиз к л е т к а 9 реакций (пируват) гликолиз 2 АТФ 2 НАД·Н © М.А. Волошина biologii.net

Окисление пировиноградной кислоты Превращение состоит из пяти последовательных реакций, осуществляется мультиферментным комплексом, прикрепленным к внутренней митохондриальной мембране со стороны матрикса. В составе комплекса насчитывают 3 фермента и 5 коферментов: Пируватдегидрогеназа (Е 1, ПВК - дегидрогеназа), ее коферментом является тиаминдифосфат (ТДФ), катализирует 1- ю реакцию. Дигидролипоат - ацетилтрансфераза (Е 2), ее коферментом является липоевая кислота, катализирует 2- ю и 3- ю реакции. Дигидролипоат - дегидрогеназа (Е 3), кофермент – ФАД, катализирует 4- ю и 5- ю реакции. Помимо указанных коферментов, которые прочно связаны с соответствующими ферментами, в работе комплекса принимают участие коэнзим А и НАД.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса Регулируемым ферментом ПВК - дегидрогеназного комплекса является первый фермент – пируватдегидрогеназа (Е 1). Два вспомогательных фермента – киназа и фосфатаза обеспечивают регуляцию активности пируватдегидрогеназы путем ее фосфорилирования и дефосфорилирования. Сама киназа активируется при избытке конечного продукта биологического окисления АТФ и продуктов ферментного комплекса – НАДН и ацетил -S- КоА. Активная киназа фосфорилирует пируватдегидрогеназу, инактивируя ее, в результате первая реакция процесса останавливается. Фермент фосфатаза, активируясь ионами кальция или инсулином, отщепляет фосфат и активирует пируватдегидрогеназу.

Ганс Адольф Кребс В 1937 г, изучая промежуточные стадии обмена углеводов, Кребс сделал важнейшее открытие в биохимии. Он описал цикл лимонной кислоты, или цикл трикарбоновых кислот, который в настоящее время называется циклом Кребса. Нобелевская премия по физиологии и медицине – 1953 г.

Цикл трикарбоновых кислот Образующийся в ПВК - дегидрогеназной реакции ацетил - S КоА далее вступает в цикл трикарбоновых кислот (ЦТК, цикл лимонной кислоты, цикл Кребса). Кроме пирувата, в цикл вовлекаются кетокислоты, поступающие из катаболизма аминокислот или каких - либо иных веществ. Цикл протекает в матриксе митохондрий и представляет собой восемь последовательных реакций: связывание ацетил - КоА и оксалоацетата (щавелевоуксусной кислоты) с образованием лимонной кислоты, изомеризация лимонной кислоты и последующие реакции окисления с сопутствующим выделением СО 2. После восьми реакций цикла вновь образуется оксалоацетат.

Основная роль ЦТК Основная роль ЦТК заключается в 1) генерации атомов водорода для работы дыхательной цепи, а именно трех молекул НАДН и одной молекулы ФАДН 2. 2) Кроме этого, в ЦТК образуется одна молекула АТФ, сукцинил -S КоА, участвующий в синтезе гема, кетокислоты, являющиеся аналогами аминокислот – α - кетоглутарат для глутаминовой кислоты, оксалоацетат для аспарагиновой.

Регуляторные ферменты ЦТК Некоторые ферменты ЦТК являются чувствительными к аллостерической регуляции метаболитами: Ферменты ЦТКИнгибиторыАктиваторы ЦитратсинтазаАТФ, цитрат, НАДН, ацил -S- КоА Изоцитрат - дегидрогеназа АТФ, НАДНАМФ, АДФ α - Кетоглутарат - дегидрогеназа Сукцинил -S- КоА, НАДН цАМФ

Окислительное фосфорилирование Молекулы НАДН и ФАДН 2, образуемые в реакциях окисления углеводов, жирных кислот, спиртов и аминокислот, далее поступают в митохондрии, где идет процесс окислительного фосфорилирования. Окислительное фосфорилирование – это многоэтапный процесс, происходящий во внутренней мембране митохондрий и заключающийся в окислении восстановленных эквивалентов (НАДН и ФАДН 2) ферментами дыхательной цепи и сопровождающийся синтезом АТФ.

Механизм окислительного фосфорилирования По современным представлениям внутренняя митохондриальная мембрана содержит ряд мультиферментных комплексов, включающих множество ферментов. Эти ферменты называют дыхательными ферментами, а последовательность их расположения в мембране – дыхательной цепью (англ. electron transport chain).

Принцип работы дыхательной цепи В целом работа дыхательной цепи заключается в следующем: 1) Образующиеся в реакциях катаболизма НАДН и ФАДН 2 передают атомы водорода (т. е. протоны водорода и электроны) на ферменты дыхательной цепи. 2) Электроны движутся по ферментам дыхательной цепи и теряют энергию. 3) Эта энергия используется на выкачивание протонов Н + из матрикса в межмембранное пространство. 4) В конце дыхательной цепи электроны попадают на кислород и восстанавливают его до воды. 5) Протоны Н + стремятся обратно в матрикс и проходят через АТФ - синтазу. 6) При этом они теряют энергию, которая используется для синтеза АТФ. Таким образом, восстановленные формы НАД и ФАД окисляются ферментами дыхательной цепи, благодаря этому происходит присоединение фосфата к АДФ, т. е. фосфорилирование. Поэтому весь процесс целиком получил название окислительное фосфорилирование.

Дыхательная цепь включает множество белков - переносчиков Всего цепь переноса электронов включает в себя около 40 разнообразных белков, которые организованы в 4 больших мембраносвязанных мульферментных комплекса. Также существует еще один комплекс, участвующий не в переносе электронов, а синтезирующий АТФ.

Первый комплекс. Первый комплекс. 1 комплекс - НАДН - Ко Q- оксидоредуктаза Этот комплекс также имеет рабочее название НАДН - дегидрогеназа, содержит ФМН, 22 белковых молекулы, из них 5 железосерных белков с общей молекулярной массой до 900 кДа. Функция Принимает электроны от НАДН и передает их на коэнзим Q (убихинон). Переносит 4 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Второй комплекс 2 комплекс - ФАД - зависимые дегидрогеназы Данный комплекс как таковой не существует, его выделение условно. Он включает в себя ФАД - зависимые ферменты, расположенные на внутренней мембране – например, ацил -S КоА - дегидрогеназа (окисление жирных кислот), сукцинатдегидрогеназа (цикл трикарбоновых кислот), митохондриальная глицерол -3- фосфат - дегидрогеназа (челночный механизм переноса НАДН в митохондрию). Функция Восстановление ФАД в окислительно - восстановительных реакциях. Обеспечение передачи электронов от ФАДН 2 на железосерные белки внутренней мембраны митохондрий. Далее эти электроны попадают на коэнзим Q.

Третий комплекс 3 комплекс - Ко Q- цитохром с - оксидоредуктаза Данный комплекс включает цитохромы b и c 1. Кроме цитохромов в нем имеются 2 железо - серных белка. Всего насчитывается 11 полипептидных цепей общей молекулярной массой около 250 к D а. Функция Принимает электроны от коэнзима Q и передает их на цитохром с. Переносит 2 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Четвёртый комплекс 4 комплекс. - Цитохром с - кислород - оксидоредуктаза В этом комплексе находятся цитохромы а и а 3, он называется также цитохромоксидаза, всего содержит 6 полипептидных цепей. В комплексе также имеется 2 иона меди. Функция Принимает электроны от цитохрома с и передает их на кислород с образованием воды. Переносит 4 иона Н + на наружную поверхность внутренней митохондриальной мембраны.

Пятый комплекс 5 комплекс – это фермент АТФ - синтаза, состоящий из множества белковых цепей, подразделенных на две большие группы: одна группа формирует субъединицу F о (олигомицин - чувствительная) – ее функция каналообразующая, по ней выкачанные наружу протоны водорода устремляются в матрикс. другая группа образует субъединицу F 1 – ее функция каталитическая, именно она, используя энергию протонов, синтезирует АТФ. Упрощенно считают, что для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо прохождение приблизительно 3- х протонов Н +. Механизм окислительного фосфорилирования На основании строения и функций компонентов дыхательной цепи предложен механизм окислительного фосфорилирования: 1) Ферменты дыхательной цепи расположены в строго определенной последовательности: каждый последующий белок обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий (он более электроположителен, т. е. обладает более положительным окислительно - восстановительным потенциалом). Это обеспечивает однонаправленное движение электронов. 2) Все атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от субстратов в аэробных условиях, достигают внутренней мембраны митохондрий в составе НАДН или ФАДН 2.

3) На внутренней мембране митохондрий атомы водорода (от НАДН и ФАДН 2) передают свои электроны в дыхательную ферментативную цепь, по которой электроны движутся (шт / сек) к своему конечному акцептору – кислороду. В результате образуется вода. 4) Поступающие в дыхательную цепь электроны богаты свободной энергией. По мере их продвижения по цепи они теряют энергию. Часть энергии электронов используется I, III, IV комплексами дыхательных ферментов для перемещения ионов водорода через мембрану в межмембранное пространство. Другая часть рассеивается в виде тепла. Механизм окислительного фосфорилирования (продолжение) Участки сопряжения 5) Перенос ионов водорода через мембрану (выкачивание) происходит не случайно, а в строго определенных участках мембраны. Эти участки называются участками сопряжения (или пунктами фосфорилирования). Название " участки сопряжения " возникло из - за того, что появление протонного градиента в результате окислительных процессов обеспечивает в дальнейшем фосфорилирование АДФ до АТФ. Участки сопряжения представлены I, III, IV комплексами дыхательных ферментов. В результате работы этих комплексов формируется градиент ионов водорода между внутренней и наружной поверхностями внутренней митохондриальной мембраны. Такой градиент обладает потенциальной энергией. Градиент (Δμ, " дельта мю ") получил название электрохимический градиент или протонный градиент. Он имеет две составляющие – электрическую (ΔΨ, " дельта пси ") и концентрационную (ΔрН): Δμ = ΔΨ + ΔрН

Наработка АТФ 6. Как завершение всех предыдущих событий и необходимый их результат происходит наработка АТФ: ионы H + теряют свою энергию, проходя через АТФ - синтазу (Н + - транспортирующая АТФ - аза). Часть этой энергии тратится на синтез АТФ. Другая часть рассеивается в виде тепла:

На клеточное дыхание можно влиять В клетке часто может создаваться ситуация, когда реакции окислительного фосфорилирования идут с определенными вариациями. Эти вариации могут являться следствием нарушений в организме или физиологической реакцией на воздействие.

Гипоэнергетические состояния Причиной гипоэнергетических состояний может быть следующее: гиповитаминозы экзогенные и / или эндогенные – снижается скорость и эффективность окислительных реакций. Возникает обычно при нехватке витаминов – В 1, В 2, никотиновой кислоты, В 6, пантотеновой кислоты и аскорбиновой кислоты, дефицит белка в пище – снижается синтез всех ферментов и ферментов катаболизма в частности, снижение потребления углеводов и липидов как основных источников энергии, дефицит кислорода – отсутствие акцептора для электронов вызывает " переполнение " дыхательных ферментов, повышение электрохимического градиента, накопление НАДН и ФАДН 2 в клетке и прекращение катаболизма, дефицит железа – компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина, и меди – компонента цитохромоксидазы.

Разобщители окисления и фосфорилирования К разобщителям в первую очередь относят " протонофоры " – вещества переносящие ионы водорода. При этом одновременно уменьшаются оба компонента электрохимического градиента – электрический и химический, и энергия градиента рассеивается в виде тепла. Следствием эффекта протонофоров является возрастание катаболизма жиров и углеводов в клетке и во всем организме. Классическим протонофором является динитрофенол, жирорастворимое соединение, присоединяющие ионы водорода на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны и отдающие их на внутренней поверхности. Белок термогенин является физиологическим протонофором. Кроме динитрофенола и термогенина протонофорами, к примеру, являются салицилаты, жирные кислоты и трийодтиронин.

Ингибиторы ферментов дыхательной цепи Ряд веществ может ингибировать ферменты дыхательной цепи и блокировать движение электронов от НАДН и ФАДН 2 на кислород. Они называются ингибиторы. В результате прекращается движение электронов, выкачивание ионов Н + и работа АТФ - синтазы. Синтез АТФ отсутствует и клетка погибает. Выделяют три основных группы ингибиторов: действующие на I комплекс, например, амитал (производное барбитуровой кислоты), ротенон, прогестерон, действующие на III комплекс, например, экспериментальный антибиотик антимицин А, действующие на IV комплекс, например, сероводород (H 2 S), угарный газ (СО), цианиды (-CN).