51
Основу флавиновой группировки составляет витамин В2
4.4.2.1. Витамин В2
Витамин В2 (рибофлавин, витамин роста) включает флавин (изоаллоксазин)
ирибитол. Рибофлавин распространён в злаках, в дрожжах. Суточная потребность в нём составляет 1-2 мг. Биологическая роль – входя в состав ФМН
иФАД, участвует в биологическом окислении.
Авитаминоз проявляется в виде дерматита, катаракты, анемии, поражении сердечной мышцы
4.4.3. Убихинон (КоQ)
Убихинон - небелковое липидоподобное вещество, локализующееся во внутренней мембране митохондрий и участвующее в окислении флавопротеидов.
Общий вид реакции с участием убихинона:
Механизм восстановления убихинона:
4.4.4. Цитохромы Цитохромы - гемсодержащие белки. Различные виды цитохромов
обозначают латинскими буквами А, А3, С, С1, В, В5, Р450. Цитохромы отличаются строением белковой части, структурой гема, оптическими свойствами, величиной окислительно-восстановительного потенциала. Их роль заключается в переносе электронов за счёт окисления и восстановления содержащегося в их составе атома железа: Fe2+ (Fe3+
Большинство цитохромов переносят электроны по цепочке в зависимости от величины их окислительно-восстановительного потенциала. И только один комплекс - цитохромоксидаза способен переносить электроны непосредственно на кислород. В связи с этим цитохромоксидаза – конечный (терминальный)
52
участок в цепи переноса электронов. Цитохромоксидаза включает в себя два гема двух цитохромов цА и цА3, ионы меди, 6 полипептидных цепей, имеет молекулярную массу 450 тысяч д. Цитохромоксидаза может переносить 4 электрона непосредственно на молекулу О2 с образованием воды.
4.4. 5. Оксигеназы Оксигеназы - это ферменты, катализирующие окисление веществ путём
присоединения одного или двух атомов кислорода. Различают монооксигеназы и диоксигеназы. Они участвуют во внемитохондриальном окислении (смотри внемитохондриальное окисление).
4.4.6. Пероксидазы Пероксидазы - это ферменты, катализирующие окислительные реакции с
участием пероксидных соединений во внемитохондриальном окислении (смотри дальше).
4.5. Внутримитохондриальное окисление Митохондрии поглощают до 80-90% всего потребляемого клеткой
кислорода. Все компоненты внутримитохондриального окисления за исключением анаэробных дегидрогеназ встроены во внутреннюю мембрану митохондрий в определённой последовательности и образуют дыхательные цепи или цепи переноса электронов (ЦПЭ). Дыхательными цепями они называются в связи с тем, что очень часто внутримитохондриальное окисление называют тканевым дыханием. Последовательность компонентов цепи переноса электронов во внутренней мембране митохондрий определяется величиной их окислительно-восстановительного потенциала.
В начале ЦПЭ находятся вещества с наиболее отрицательным окислительно-восстановительным потенциалом. Эти вещества легче отдают электроны. У каждого последующего компонента величина окислительно – восстановительного потенциала становится более положительной Вещества с более высоким положительным потенциалом легче принимают электроны. Таким образом, в результате перепада потенциалов в дыхательной цепи происходит спонтанное, самопроизвольное перемещение электронов от начала цепи до её конца. В митохондриях принято различать короткую и длинную дыхательные цепи.
4.5.1. Длинная дыхательная цепь Длинная дыхательная цепь включает в себя окисление, начинающееся в
матриксе митохондрий при участии НАД (НАДФ)- дегидрогеназ. В длинной цепи окисляются, например, изолимонная кислота, яблочная кислота, жирные кислоты, молочная кислота.
В матриксе происходит дегидрирование субстратов, образующихся в процессе метаболизма с переносом электронов и протонов на кофермент НАД (НАДФ).
53
НАД - зависимая дегидрогеназа выполняет роль акцептора электронов и протонов от окисляемых веществ. Образующаяся восстановленная форма НАД затем окисляется при участии флавопротеидов, встроенных в мембрану митохондрий по схеме:.
В последующем электроны с восстановленной формы флавопротеидов переносятся при участии железосеросодержащих белков (Fe-S комплексов) на следующий компонент: КоQ по схеме:
КоQН2 окисляется системой цитохромов, на которые с КоQ перебрасываются только электроны, а протоны выталкиваются в межмембранное пространство:
Под действием цитохромоксидазы на молекулу кислорода перебрасываются 4 электрона с образованием восстановленной формы кислорода 2О2-, который в последующем взаимодействует с 4Н+ с образованием Н2О.
4.5.2.Короткая дыхательная цепь
Вкороткой дыхательной цепи окисляются субстраты, для которых первичным акцептором электронов является флавопротеид (отсутствует этап окисления субстрата при участии НАД-ДГ). Веществами, окисляющимися в короткой цепи, являются, напимер, янтарная кислота, активные формы жирных кислот, глицерофосфат.
Первая стадия окисления:
Впоследующем ФАДН2 при участии комплекса флавопротеидов(FeS), окисляется КоQ:
Восстановленный КоQ далее окисляется также, как и в длиной дыхательной цепи, системой цитохромов.
4.5.3. Окислительные комплексы и их ингибиторы Длинная и короткая дыхательные цепи включают в свой состав
54
структурно-функциональные фрагменты, которые называются окислительными (дыхательными) комплексами. В длинной цепи выделяют три основных комплекса (I, III, IV), а в короткой два (III, IV).
I комплекс - НАДН - дегидрогеназный комплекс располагается между НАДН2 и КоQ и включает в себя ФП и FeS – белки.
III комплекс - КоQН2-дегидрогеназный или (цитохром С - редуктазный комплекс) располагается между КоQ и цС и включает в себя цВ, FeSбелки, цС1.
IV комплекс - цитохромоксидазный комплекс – окисляет цС и включает в себя цА,А3
II дополнительный сукцинатдегидрогеназный комплекс включает ФП* и
FeS*,
Каждый дыхательный комплекс может быть выключен из работы дыхательной цепи определёнными веществами – ингибиторами, блокирующими передачу электронов и протонов.
Ингибиторы первого комплекса – амитал, барбитураты, ротенон. Ингибитор второго комплекса – малонат.
Ингибитор третьего комплекса – антимицин А. Ингибиторы четвертого комплекса – Н2S, цианиды, СО.
4.6. Энергетический обмен Внутримитохондриальное окисление тесно связано с энергетическим
обменом. Энергетический обмен – сбалансированное протекание реакций образования и реакций использования энергии.
Реакции, идущие с высвобождением энергии, называется экзэргоническими реакциями, а идущие с поглощением энергии - эндэргоническими. Основным экзэргоническим процессом в организме является транспорт электронов по дыхательной цепи. Окислительно-восстановительный потенциал начальных компонентов НАД окисленный /НАД восстановленный составляет -0,32 в. Окислительно-восстановительный потенциал конечных компонентов дыхательной цепи равен +0,82 в.
В результате разницы потенциалов в ЦПЭ происходит перемещение электронов с высвобождением энергии. Та энергия, которая может быть использована на выполнение какой-либо работы, – свободная энергия. Энергия,
55
освобождающаяся в дыхательной цепи, рассчитывается по формуле: ∆F = -23*n*∆е,
где n- количество переносимых электронов на один атом кислорода (2е), ∆е – перепад окислительно-восстановительного потенциала между
началом и концом цепи переноса электронов. ∆е = 0,82 –(-0,32) = 1,14 в
∆F = -23*2*1,14 = -52 ккал/моль
Высвободившаяся энергия может быть использована организмом как для обогрева так и на выполнение различных видов работы:
∙механической работы – сокращение мышц, вращение жгутиков;
∙химической работы - на синтез новых веществ;
∙создание и поддержание трансмембранных градиентов ионов;
∙электрической работы – возникновение потенциалов в нервной системе.
Все организмы в зависимости от вида энергии, которую они используют для выполнения работы, делятся на два вида: фототрофы – могут использовать энергию солнечного света, хемотрофы – могут использовать энергию только химических связей особых макроэргических веществ.
Макроэргические вещества – вещества, при гидролизе связей которых высвобождается энергия более 5 ккал/моль. К ним относят фосфоенолпируват, креатинфосфат, 1,3-дифосфоглицерат, активные формы жирных кислот, нуклеотиды АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ. Среди всех макроэргов центральное место занимает АТФ. АТФ является аккумулятором и источником химической энергии. В молекуле АТФ заключена энергия от 7,3 ккал/моль (в стандартных условиях) до 12 ккал/моль (в физиологических условиях). В состав АТФ входят аденин, рибоза, три остатка Н3РО4. АТФ синтезируется из АДФ и фосфорной кислоты с затратой энергии. Присоединение Н3РО4 называется – фосфорилированием. Распад АТФ, наоборот, является экзэргоническим процессом. Основным источником энергии для синтеза АТФ является перенос электронов по дыхательной цепи.
5.6.1. Окислительное фосфолирирование Процесс синтеза АТФ из АДФ и Н3РО4, за счёт энергии транспорта
электронов по ЦПЭ называется окислительным фосфорилированием. Процессы окисления в дыхательной цепи и синтез АТФ тесно взаимосвязаны (сопряжены). При этом ведущим процессом является транспорт электронов, а сопутствующим является фосфорилирование. Участки дыхательной цепи, на которых происходит синтез АТФ, называются участками сопряжения. Их в длинной цепи три (I, III, IV окислительные комплексы), в короткой дыхательной цепи их два (III IV комплексы). Если вещество окисляется в длинной дыхательной цепи, то максимально синтезируется три молекулы АТФ. Эффективность сопряжения окислительного фосфолирирования выражается коэффициентом фосфолирирования (Р/О). Он показывает, сколько молекул Н3РО4 расходуется на синтез АТФ при поглощении дыхательными цепями одного атома кислорода. Для длинной цепи коэффициент Р/О равен 3, для короткой - 2.
Впервые в тридцатые годы факт синтеза АТФ в процессе окисления был выявлен отечественным биохимиком В.А. Энгельгардтом. Основной теорией
56
механизма окислительного фосфорилирования принята хемоосмотическая теория П. Митчела. Согласно ей, при транспорте электронов по дыхательной цепи возникает протонный потенциал, который и аккумулирует энергию, освободившуюся при переносе электронов. Впоследствии протонный потенциал используется для синтеза АТФ. Возникновение протонного потенциала обусловлено непроницаемостью для протонов внутренней мембраны митохондрий. В процессе транспорта электронов по дыхательной цепи одновременно происходит выталкивание Н+ из матрикса в межмембранное пространство. Считается, что в матрикс поступает 6 – 10 Н+. В результате этого происходит закисление среды в межмембранном пространстве, возникает перепад рН (∆рН) и одновременно заряжается внутренняя мембрана митохондрий, возникает мембранный потенциал. Совокупность мембранного потенциала и ∆рН и образуют протонный потенциал –∆μН+.
Механизм окислительного фосфорилирования.
В трансформировании протонного потенциала в энергию АТФ участвует фермент АТФ-синтетаза, встроенный во внутреннюю мембрану митохондрий. Это олигомерный фермент, включает два функциональных участка. Один из них формирует во внутренней мембране гидрофильный протонный канал, по которому Н+ из межмембранного пространства по градиенту концентрации с огромной скоростью и энергией возвращаются в матрикс. Второй участок фермента – фосфорилирующий направлен в сторону матрикса. Поток Н+ вызывает конформационные перестройки фосфорилирующей части фермента, что сопровождается синтезом АТФ из АДФ и Н3РО4.
4.6.1. 1. Регуляция окислительного фосфолирирования Саморегуляция процессов окисления и фосфорилирования осуществляется
путём дыхательного контроля – изменение скорости окисления в дыхательной цепи при изменении соотношения концентраций АТФ и АДФ. При увеличении концентрации АТФ, скорость переноса электронов по дыхательной цепи замедляется, и, наоборот, при увеличении концентрации АДФ скорость переноса электронов увеличивается.
Дыхательный контроль приводит в соответствие процессы образования и использования энергии в организме. В физиологических условиях процессы окисления и процессы синтеза АТФ тесно сопряжены. Степень сопряжения увеличивает гормон инсулин, витамины Е,К.
В то же время в физиологических и в патологических условиях возможно явление разобщения окисления и фосфорилирования.
57
Разобщение – частичное или полное прекращение синтеза АТФ при сохранении транспорта электронов по дыхательной цепи. Частичному разобщению способствуют высокие концентрации гормонов щитовидной железы, билирубина, свободных жирных кислот, динитрофенола.
Механизм действия разобщителей заключается в том, что, будучи жирорастворимыми веществами, они обеспечивают транспорт Н+ через внутреннюю мембрану митохондрий из межмембранного пространства в матрикс, минуя протонную АТФ-азу. В результате снижается протонный потенциал и, следовательно, синтез АТФ.
В физиологических условиях частичное разобщение выполняет важную терморегуляторную роль. В норме свободная энергия, равная 52 ккал/моль, распределяется следующим образом: 60% - используется на выполнение работы, 40% на согревание организма. При увеличении теплоотдачи организма при низкой внешней температуре происходит частичное разобщение окисления и фосфорилирования и в результате снижается доля свободной энергии использующейся на работу, но одновременно увеличивается энергия, расходуемая на поддержание температуры тела.
Таким образом, у хемотрофных организмов основным аккумулятором и основным источником энергии является АТФ. АТФ синтезируется из АДФ и расщепляется с образованием АДФ, поэтому в тканях постоянно осуществляется цикл АДФ -АТФ. Пути синтеза АТФ:
1.транспорт электронов по дыхательной цепи;
2.субстратное фосфорилирование – окисление некоторых субстратов обязательно сопровождается синтезом АТФ;
3.синтез АТФ из других макроэргов (за счёт креатинфосфата);
4.синтез АТФ из двух молекул АДФ.
АТФ является энергетической «разменной валютой» клетки.
4.6.2. Особенности энергетического обмена у детей Они определяются повышенными энергозатратами в детском возрасте.
Для детей скорость окислительных процессов в течение первого года в три раза выше, чем у взрослых людей, а в более позднем возрасте в два раза. Это проявляется в более высокой потребности в кислороде, калорической ценности рациона, скорости обмена АТФ, активности ферментов энергетического обмена. В то же время, у детей существует несовершенство регуляции энергетического обмена. Может возникать несоответствие между процессами образования энергии и теплоотдачей. В детском возрасте органом термогенеза или теплообразования является бурая жировая ткань, в которой происходит нефосфорилирующее окисление (энергия окисления субстрата используется не на работу, а на образовании тепла).
4.6.3. Нарушение энергетического обмена.
Снижения энергетического обмена - гипоэргические состояния могут возникать при недостатке кислорода, питательных веществ, повреждении митохондрий, разобщении окислительного фосфорилирования под действием токсинов микроорганизмов. Для лечения гипоэргических состояний используют
58
цитохромы, КоQ, витамины. В последнее время расширяются представления об особых гипоэргических состояний, которые называются митохондриальными болезнями. Их связывают с мутациями ДНК как митохондриальных, так и ядерных.
4.7. Внемитохондриальное окисление Внемитохондриальное окисление протекает в ЭПС, пероксисомах, на
внешней мембране митохондрий, в цитозоле. Этот вид окисления в разных тканях расходует разное количество кислорода.
Основные функции внемитохондриального окисления:
∙антитоксическая функция – обезвреживание путём окисления токсических веществ;
∙синтез новых соединений путём окислительных реакций.
Различают несколько видов внемитохондриального окисления в зависимости от их внутриклеточной локализации и вида участвующих в них компонентов. Во внемитохондриальном окислении принимают участие флавопротеиды, цитохром Р450, цитохром В5, ферменты оксигеназы, пероксидазы.
4.7.1. Окисление с участием оксидаз. Активные формы кислорода Окисление с участием оксидаз происходит в основном на внешней
мембране митохондрий. Оксидазы – аэробные флавиновые дегидрогеназы, которые переносят электроны от окисляемых субстратов по короткой цепи на кислород. Примеры: окисление некоторых аминокислот ферментами аминокислотооксидазами, аминов – аминооксидазами, ксантина – ксантинооксидазами. В результате такого окисления в тканях образуется очень активные радикалы кислорода (АФК)
В физиологических условиях образуется очень незначительное количество активных форм О2. Они выполняют функцию регуляции проницаемости клеточных мембран путём окисления липидов в составе мембран, активности мембранных ферментов, участвуют в синтезе биологически активных эйкозаноидов. Особо важную роль в физиологических условиях АФК играют в фагоцитозе т.к. принимают участие в нескольких механизмах фагоцитоза.
∙При контакте с чужеродными веществами в фагоцитах активируется мембранная флавиновая оксидаза. Под действием её образуются ион-радикалы О2, вызывающие окисление чужеродного вещества.
∙В фагоцитах активируется фермент миелопероксидаза. Она путём окисления хлоридов через образование НСLО образует атомарный кислород, который окисляет чужеродные вещества, повышает проницаемость мембран фагоцитов и облегчает эндоцитоз.
∙Образующийся из NО сильный окислитель пероксинитрил ONOO так же
59
участвует в фагоцитозе.
∙Пептиды – дефензины формируют в оболочках поглощаемых микроорганизмов дополнительные ионные каналы и способствуют разрушению микроорганизмов.
При фагоцитозе потребление кислорода увеличивается в 2-5 раз, и это явление получило название «окислительный взрыв»
В патологических условиях высокие концентрации активных форм кислорода оказывают токсический эффект, окисляют липиды, белки, нуклеиновые кислоты. NO обладает угнетающим действием на окислительное фосфорилирование. Поэтому в организме для разрушения избыточных концентраций активных форм кислорода существует защитная антиокислительная система. Она представлена ферментами и веществами неферментативной природы. К антиоксиданстным ферментам относятся:
∙супероксиддисмутаза – разрушает ион-радикал кислорода;
∙каталаза – разрушает пероксид;
∙глютатионпероксидаза – разрушает пероксидазы при участии пептида глютатиона.
Кнеферментативным веществам относят: белки, содержащие SH - группы, глютатион, витамины Е, А, С, некоторые гормоны, белки крови (трансферрин, церулоплазмин), селен.
4.7.2. Окисление с участием оксигеназ.
Окисление с участие оксигеназ наиболее активно протекает в ЭПС. В нём участвуют диоксигеназы и монооксигеназы.
Диоксигеназы – катализируют окисление субстрата путём присоединения двух атомов кислорода по схеме: R + O2 → RO2. Примерами могут служить: окисление гомогентизиновой кислоты диоксигеназой гомогентизиновой кислоты, окисление триптофана трипотофанпирролазой с разрывом пиррольного кольца.
Монооксигеназы катализируют окисление субстратов путём присоединения одного атома кислорода. Данный вид окисления активно происходит в ЭПС печени, где на него тратится до 50% поглощаемого кислорода. В микросомальном окислении участвуют дополнительные вещества – косубстраты НАДН2 или витамин С, выполняющие функцию донора водорода для связывания второго атома кислорода. Микросомальное окисление в основном выполняет антитоксическую функцию (обезвреживаются продукты гниения белков, лекарственные вещества). Путём данного варианта окисления синтезируются некоторые аминокислоты (тир), биогенные амины. Благодаря микросомальному окислению происходит биотрансформация различных
60
ксенобионтов. В них формируется гидроксильная группа, к которой в последующем присоединяются глюкуроновая кислота, Н2SО4, глютатион.
4.7.3. Пероксидазное окисление.
Пероксидазное окисление происходит по схеме:
RН2 + Н2О2 = R + 2 Н2О
Примеры пероксидаз: каталаза, глютатионпероксидаза, йодидпероксидаза (участвует в синтезе тиреоидных гормонов).
5. ОБЩИЕ ПУТИ КАТАБОЛИЗМА
Схема общих путей катаболизма
Катаболизм основных органических веществ протекает в несколько этапов. На первом этапе происходит распад сложных веществ до их составных компонентов: белков – до аминокислот, жиров – до глицерина и жирных кислот, углеводов - до моносахаридов. Эти реакции специфичны и не сопровождается высвобождением энергии.
На втором этапе образующиеся мономеры с помощью специфических реакций превращаются в два общих продукта распада: пировиноградную кислоту и ацетил-КоА. На втором этапе высвобождается четверть энергии, заключённой в исходных органических веществах.
На третьем этапе общие продукты катаболизма: пировиноградная кислота (ПВК) и ацетил - КоА включаются в дальнейшее окисление. На этом этапе высвобождается 2/3 всей энергии.
5.1. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты Если в процессе катаболизма белков, жиров, углеводов образуется ПВК,
для дальнейшего окисления необходим переход её в ацетил КоА. Этот процесс