Дыхательный контроль. Разобщение дыхания (окисления) и фосфорилирования (свободное окисление).

Окисление субстратов и фосфорилирование АДФ в митохондриях прочно сопряжены. Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов в ЦПЭ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетках возрастает, то прекращается и поток электронов к кислороду. С другой стороны, расход АТФ и превращение его в АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода.

Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем.

Некоторые химические вещества (протонофоры) могут переносить протоны и другие ионы (ионофоры) из мембранного пространста через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФ-синтазы. В результате этого исчезает электрохимический потенциал и прекращается синтез АТФ. Это называют разобщением дыхания и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, а АДФ увеличивается, что приводит к возрастанию скорости окисления НАДН и ФАДН₂, возрастает и количество поглощенного кислорода, но энергия выделяется в виде тепла, и коэффициент Р/О резко снижается (свободное окисление).

Разобщители – липофильные вещества, легко проходящие через липидный слой мембраны:

- 2,4-динитрофенол,

- дикумарол (антивитамин вит. К);

- билирубин (продукт распада гема);

- тироксин (гормон щитовидной железы).

Все эти вещества проявляют разобщающее действие только при их высокой концентрации.

Образование токсичных форм кислорода в ЦПЭ и обезвреживание перекиси водорода ферментом пероксидазой.

В большинстве реакций с участием молекулярного кислорода его восстановление происходит поэтапно с переносом одного электрона на каждом этапе. При одноэлектронном переносе происходит образование промежуточных высокореактивных форм кислорода.

В невозбужденном состоянии кислород нетоксичен. Образование токсических форм кислорода связано с особенностями его молекулярной структуры. О2 содержит 2 неспаренных электрона с параллельными спинами, которые не могут образовывать термодинамическую стабильную пару и располагаются на разных орбиталях. Каждая из этих орбиталей может принять ещё один электрон.

Полное восстановление О₂ происходит в результате 4 одноэлектронных переходов:

ē

О₂ О₂ˉ - супероксид

+ē , Н⁺

О₂^- Н₂О₂ - пероксид

+ē , Н⁺ +ē , Н⁺

Н₂О₂ Н₂О + ОН^- 2Н₂О

гидроксильный радикал

Супероксид, пероксид и гидроксильный радикал- активные окислители, представляют серьезную опасность для многих структурных компонентов клетки.

Активные формы кислорода могут отщеплять электроны от многих соединений, превращая их в новые свободные радикалы, инициируя цепные окислительные реакции. Активные формы О₂ вызывают окисление липидов, белков мембраны клеток, ДНК, РНК. Все это приводит к разрушению клеток.

Большая часть активных форм О₂ образуется при переносе электронов в ЦПЭ, прежде всего, при функционировании QН₂– дегидрогеназного комплекса. Это происходит в результате неферментативного переноса («утечки») электронов с QН₂ на кислород.

Супероксид может образовываться:

1. При спонтанном окислении гемоглобина. В норме гемоглобин обратимо связывает кислород в оксигемоглобин, однако оксигемоглобин превращается в метгемоглобин (Fе³⁺) и супероксид О₂ˉ.

2. Вирус гриппа взаимодействует с нейтрофилами легочной ткани и образует О₂ˉ, который поддерживает воспаление, деструктивные процессы.

3. Нейтрофилы, в избытке накапливающиеся в воспаленных суставах, также образуют О₂ˉ, которые участвуют в развитии артритов.

В организме существуют защитные механизмы:

- гемсодержащие ферменты: пероксидаза, которая расщепляет Н₂О₂:

пероксидаза

Н₂О₂ Н₂О + О