Разобщение окисления и фосфорилирования.

Присутствие во внутренней митохондриальной мембране агентов (ионофоров), увеличивающих их проницаемость для Н⁺, разобщает окислительное фосфорилирование от процесса транспорта электронов, поскольку при этом нарушается генерирование электро-химического потенциала и, следовательно, синтез АТФ. ДНФ является липофильной слабой кислотой, поэтому легко проходит через мембрану (снаружи внутрь митохондрии), ослабляя естественный ток протонов, идущий в противоположном направлении.

Путь транспорта электронов, не связанный с синтезом АТФ, называется свободным, нефосфорилирующим, окислением. При свободном окислении энергия не аккумулируется, а высвобождается в виде тепла. Это имеет физиологическое значение при охлаждении организма.

Частичное разобщение окисления и фосфорилирования наблюдается при многих заболеваниях, так как митохондрии являются наиболее чувствительными клеточными органеллами к действию различных повреждающих факторов. Нарушение их структуры, приводящее к частичному или полному распаду внутренней митохондриальной мембраны, неизбежно будет способствовать обратному току протонов и нарушать энергопродукцию. Поэтому особое значение приобретает стабилизация митохондриальных мембран биоантиоксидантами (витаминами Е, А и аскорбатом) при любой патологии.

В ряде случаев некоторые пункты фосфорилирования могут «выключатся» - такое состояние называется разобщением окислительного фосфорилирования - и в этом случае P/O снижается: для НАД-зависимых субстратов - ниже 3; для ФАД-зависимых субстратов - ниже 2-ух.

И исходя из 1-го закона термодинамики в разобщенных митохондриях увеличивается теплообразование. (Это происходит за счет того, что та энергия электронов, которая должна была быть использована для синтеза АТФ в «выключенном» пункте фосфорилирования, рассеивается в виде тепла).

Процесс разобщения окислительного фосфорилирования лежит в основе лихорадки, вызванной бактериями, вирусами и другими агентами.

Разобщение резко усиливается при охлаждении организма.

Работа митохондрий при «выключенных» всех пунктах фосфорилирования называется сопряженной, в противном, выше описанном случае, разобщенной и дыхание при этом называется свободным.

В качестве разобщителей окислительного фосфорилирования выступают слабые гидрофобные кислоты (ЖК), тиреоидные гормоны, лекарства(дикумарин, динитрофенол).

ДЦ имеет механизмы шунтирования: сброс электронов и протонов по протяжению с НАД на цитохромы, или с НАД на межмембранные дегидрогеназы, на наружную мембрану и гладкую ЭПС (микросомальную цепь).

Такой перенос характерен для печени. При воздействии какого-либо блокатора, возникает блок в 1-ом комплексе ДЦ, происходит накопление НАД.Н2 и становится реальной угроза гипоксии, печень может погибнуть. Чтобы этого не произошло происходит сброс НАД.Н2 с митохондрий ДЦ на микросомальную ДЦ через цитохром b_5.

Гипертиреоз (тиреотоксикоз) — это клинический синдром, вызванный повышением гормональной активности щитовидной железы и характеризующийся избыточной продукцией тиреоидных гормонов — Т3 (тироксина) и Т4 (трийодтиронина). Избыток тиреоидных гормонов при гипертиреозе приводит к повышенному потреблению кислорода тканями организма. В результате этого происходят изменения теплового и энергетического обменов, нарушается гормональный баланс, развивается недостаточность надпочечников, отвечающих за адаптацию организма к стрессу и регулирующих обмен веществ. Причины: Болезнь Грейвса (диффузный токсический зоб). Болезнь Пламмера (узловой токсический зоб). Подострый тиреоидит. Искусственный гипертиреоз: возникает при избыточном, бесконтрольном приеме тиреоидного гормона. Опухоли гипофиза. Выделяют несколько форм первичного гипертиреоза: субклиническую (уровень Т4 в норме, ТТГ понижен, течение бессимптомное); манифестную, или явную (уровень Т4 повышен, ТТГ значительно снижен, наблюдается характерная симптоматика); осложненную (мерцательной аритмией, сердечной или надпочечниковой недостаточностью, дистрофией паренхиматозных органов, психозами, выраженным дефицитом массы и т.д.). Симптомы гипертиреоза Слезотечение, повышенная чувствительность к свету, двоение в глазах, экзофтальм (выпученные глаза); Снижение массы тела, несмотря на достаточный прием пищи и повышенный аппетит; Чрезмерная возбудимость, плаксивость, быстрая утомляемость; Тахикардия, ощущение перебоев в работе сердца; Повышение артериального давления (систолического); Мелкоразмашистый тремор, мышечная слабость; Диарея; Потливость, непереносимость тепла. Строение и состав мембран Биологические мембраны представляют со­бой «ансамбли» липидных и белковых молекул, удерживаемых вместе с помощью нековалент-ных взаимодействий. 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.

13 Структура и свойства липадов мембран

Мембранные липиды — амфифильные (амфипатические) молекулы, т.е. в молекуле есть как гидрофильные группы (полярные «головки»), так и алифатические радикалы (гидрофобные «хвосты»), самопроизвольно формирующие бислой. В большинстве эукариотических клеток они составляют около 30-70% массы мембраны. В мембранах присутствуют липиды трёх главных типов — фосфолипиды, гликолипиды и холестерол.

Липидный состав мембран различен, содер­жание того или другого липида, по-видимому, определяется разнообразием функций, выпол­няемых этими липидами в мембранах.

Фосфолипиды. Все фосфолипиды можно раз­делить на 2 группы — глицерофосфолипиды и сфингофосфолнпиды. Глицерофосфолипиды относят к производным фосфатидной кисло­ты. Наиболее распространённые глицерофос­фолипиды мембран — фосфатидилхолины и фосфатидилэтаноламины. В мемб­ранах эукариотических клеток обнаружено ог­ромное количество разных фосфолипидов, причём они распределены неравномерно по разным клеточным мембранам. Эта неравно­мерность относится к распределению как по­лярных «головок», так и ацильных остатковю.

Каждый глицерофосфолипид, например фосфатидилхолин, представлен несколькими десятками фосфатидилхолинов, отличающих­ся друг от друга строением жирно-кислотных остатков.

На долю глицерофосфолипидов (полярная группа — инозитол) приходится лишь 2-8% всех фосфолипидов, содержащихся в клеточной мем­бране эукариотов.

Специфические фосфолипиды внутренней мембраны митохондрий — кардиолипины (ди-фосфатидилглицеролы), построенные на ос­нове глицерола и двух остатков фосфатид-ной кислоты. Они синтезируются фермента­ми внутренней мембраны митохондрий и со­ставляют около 22% от всех фосфолипидов мембраны.

В плазматических мембранах клеток в зна­чительных количествах содержатся сфингомие-лины. Сфингомиелины построены на основе церамида — ацилированного аминоспирта сфингозина. Полярная группа состоит из остатка фосфорной кислоты и холина, этаноламина или серина. Сфингомиелины — глав­ные липиды миелиновой оболочки нервных волокон.

Гликолипиды. В гликолипидах гидрофобная часть представлена церамидом. Гидрофильная группа — углеводный остаток, присоединённый гликозидной связью к гидроксильной группе упервого углеродного атома церамида. В зависимости от длины и строения углевод­ной части различают цереброзиды, содержащие моно- или олигосахаридный остаток, и ганглиозиды, к ОН-фуппе которых присоединён слож­ный, разветвлённый олигосахарид, содержащий N-ацетилнейраминовую кислоту (NANA).

Полярные «головки» гликосфинголипидов на­ходятся на наружной поверхности плазматичес­ких мембран. В значительных количествах гли-колипиды содержатся в мембранах клеток мозга, эритроцитов, эпителиальных клеток. Ганглиози-ды эритроцитов разных индивидуумов различа­ются строением олигосахаридных цепей, прояв­ляющих антигенные свойства.

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

Для животной клетки 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, и поэтому может влиять на функ­ции мембранных белков.

В составе мембран растений холестерола нет, а присутствуют растительные стероиды — ситостерол и стигмастерол.

.

14 Перекисное окисление мембранных липидов

Перекисное окисление липидов как фундаментальный механизм мембранной патологии. Общая схема реакций цепного окисления органических соединений. Работы А.Н.Баха, Н.Н.Семенова, Н.М. Эммунуэля.

Методы изучения перекисного окисления липидов: анализ потребления кислорода и накопления различных продуктов перекисного окисления, измерение хемилюминесценции.

Инициирование цепного окисления; роль активированного кислорода и ионов железа в этом процессе. Реакция продолжения цепей, ее зависимость от вязкости мембран и концентрации кислорода. Реакции разветвления цепей, роль ионов железа. Перекисное окисление липидов под действием УФ облучения. Реакции обрыва цепей; роль ионов железа и липидных антиоксидантов в этом процессе. Математическое моделирование кинетики перекисного окисления; триггерная роль ионов Fe(II). Определение констант скоростей реакций перекисного окисления липидов.

Условие возникновения и активации перекисного окисления в клетке. Генерация свободных радикалов в цепях переноса электрона. Роль ионов железа в генерации свободных радикалов. Супероксидный и гидроксильный радикалы, методы их обнаружения. Синглетный кислород и его действие на клеточные структуры.

Механизмы дезактивации инициаторов перекисного окисления липидов: роль супероксиддисмутазы, каталазы, каратиноидов, фосфолипазы, глутатионпероксидазы.

Критерий, определяющий роль перекисного окисления в развитии данного типа патологического процесса: увеличение уровня продуктов перекисного окисления; изменение уровня тиолов, хемилюминесценции, антиоксидантов; влияние антиоксидантов на развитие патологического процесса.

Основные типы патологических процессов, связанные с перекисным окислением липидов: авитаминозы, недостаток селена в пище, интоксикации, действие ионизирующей радиации, действие УФлучей, воспаление, катаракта и другие глазные болезни, болезни иммунной системы, атеросклероз. Роль свободнорадикальных процессов в канцерогенезе.

Свободнорадикальные процессы и тканевая гипоксия. Проблема перекисного окисления при консервировании органов и тканей. Перекисное окисление и старение.

Физико-химические механизмы действия перекисного окисления липидов на структуру и функции мембран: разрушение функциональных групп белков, в частности, иоловых групп, модификация физических свойств липидного бислоя, увеличение проницаемости для ионов, снижение электрической прочности мембран.

15. Ферментативная антиоксидантная защита

К ферментам, защищающим клетки от действия активных форм кислорода, относят супероксиддисмутазу, каталазу и глутатионпероксидазу. Наиболее активны эти ферменты в печени, надпочечниках и почках, где содержание митохондрий, цитохрома Р₄₅₀и пероксидом особенно велико.

Супероксиддисмутаза(СОД) превращает супероксидные анионы в перекись водорода:

2О^∙₂ + 2H⁺ → H₂O₂+ O₂

Изоферменты СОД находятся и в цитозоле (Cu²⁺ иZn²⁺) и в митохондриях (Mn²⁺) и являются как бы первой линией защиты, потому что супероксидный анион образуется обычно первым из активных форм кислорода. СОД — индуцируемый фермент, т.е. синтез его увеличивается, если в клетках активируется СРО.

Каталаза- геминовый фермент, катализирует реакцию разрушения перекиси водорода. При этом образуется вода и молекулярный кислород:

2Н₂О₂ → H₂O+ O₂

Каталаза находится в основном в пероксисомах, где образуется наибольшее количество перекиси водорода, а также в лейкоцитах, где она защищает клетки от последствий «респираторного взрыва» и в эритроцитах, где она защищает гем гемоглобина от окисления.

Глутатионпероксидаза— обеспечивает разрушение перекиси водорода и гидропероксидов липидов при окислении глутатиона (у-глутамилцистеинилглицин): Н₂О₂+ 2 GSH → 2 Н₂О + G-S-S-G. Глутатионпероксидаза в качестве кофермента содержит селен.

Глутатионредуктазавосстанавливает окисленный глутатион с участием НАДФН₂:

GS-SG + НАДФН₂ → 2 GSH + НАДФ⁺.

Недостаток глутатиона в клетках, например эритроцитах, который может быть обусловлен действием токсических веществ, например ионами тяжелых металлов или наследственным недостатком глутатионредуктазы приводит к активации перекисного окисления; это, в частности, наблюдается при некоторых видах гемолитических анемий.

Фосфолипазав мембране отщепляет от фосфолипидов окисленные жирные кислоты, содержащие гидроперекисную группу (LOOH), тем самым разрушаются гидроперекиси липидов, предотвращается разветвление цепей окисления липидов в мембранах.

16 Оксигеназное окисление протекает с участием ферментов оксигеназ. Основная задача оксигеназного окисления – превращения природных (превращение стероидов, образование холестерина и адреналина, синтез циклических соединений др.) и неприродных (ксенобиотиков) субстратов. Окисление протекает при участии специализированных цитохромов, локализованных чаще всего в эндоплазматическом ретикулуме. В реакциях оксигеназного окисления участвует примерно до 6% кислорода и восстановленные дыхательные переносчики (НАДФН₂). Существуют два механизма этого типа окисления: моно- и диоксигеназное окисление. Монооксигеназы взаимодействуют с одним из атомов кислорода, поскольку только один электрон связывается с субстратом, а второй атом используется на образование воды: субстрат + О₂ →субстрат-ОН +Н₂О.

Диоксигеназы включают в субстрат оба атома кислорода, активируя молекулярный кислород за счет электрона атома железа в активном центре;