Разобщение дыхания и фосфорилирования.
Раздел 13.2
Коэффициент фосфорилирования.
13.2.1. Степень сопряжённости окисления и фосфорилированияв митохондриях характеризует коэффициент фосфорилирования (Р/О). Он равен отношению количества молекул неорганического фосфата (Н 3 Р О 4 ), перешедшего в АТФ, к количеству атомов потреблённого кислорода ( О 2 ).
Например, если донором водорода для дыхательной цепи является молекула НАДН, то электроны от донора (НАДН) к акцептору (кислород) проходят 3 участка сопряжения окисления и фосфорилирования (I, III и IV ферментные комплексы дыхательной цепи). Таким образом, максимально может образоваться 3 молекулы АТФ (3 АДФ + 3 Н 3 РО 4 → 3 АТФ). Затрачивается 1 атом кислорода (2 Н + О → Н 2 О). Значение коэффициента Р/О = 3/1 = 3.
Если донором водорода будет молекула ФАДН 2 , то электроны в дыхательной цепи проходят 2 участка сопряжения окисления и фосфорилирования (III и IV ферментные комплексы дыхательной цепи). Таким образом, максимально может образоваться 2 молекулы АТФ (2 АДФ + 2 Н 3 РО 4 → 2 АТФ). Затрачивается, как и в предыдущем случае, 1 атом кислорода (2 Н + О → Н 2 О). Значение коэффициента Р/О = 2/1 = 2.
13.2.2.Более сложный пример расчёта коэффициента фосфорилирования – при окислении пирувата до конечных продуктов- показан на рисунке 13.5. В этом метаболическом пути происходит дегидрирование 4 субстратов (пирувата, изоцитрата, α-кетоглутарата и малата) с образованием НАДН и одного субстрата (сукцината) с образованием ФАДН 2 . Восстановленные коферменты окисляются в дыхательной цепи, и в сопряжённых реакциях фосфорилирования образуется (4×3 АТФ + 1×2 АТФ)=14 молекул АТФ. Ещё 1 молекула АТФ (ГТФ) образуется в реакции субстратного фосфорилирования на уровне сукцинил-КоА. Таким образом, при полном окислении 1 молекулы пирувата образуется 15 молекул АТФ (из них 14 - путём окислительного фосфорилирования).
Чтобы рассчитать количество потреблённого кислорода, нужно знать число реакций дегидрирования на данном участке метаболического пути. Для окисления каждой восстановленной формы кофермента необходим 1 атом кислорода (см. выше). Следовательно, в нашем примере потребляется 5 атомов кислорода. Значение коэффициента Р/О будет равно 14/5 = 2,8.
Рисунок 13.5.Расчёт энергетического баланса реакций окислительного декарбоксилирования пирувата и цикла Кребса.
Раздел 13.3
Разобщение дыхания и фосфорилирования.
13.3.1.Перенос электронов в дыхательной цепи не во всех случаях протекает сопряжённо с фосфорилированием АДФ. Состояние, при котором окисление субстратов в дыхательной цепи происходит, но АТФ при этом не образуется, называется свободным (нефосфорилирующим) окислением. Энергия, выделяемая при окислении, рассеивается в виде теплоты.
В физиологических условиях свободное окисление может служить одним из механизмов терморегуляции. В организме человека и некоторых животных имеется особая ткань – бурый жир , содержащий митохондрии, приспособленные для выработки теплоты. Много бурого жира у новорождённых, в последующие периоды жизни его количество уменьшается. В митохондриях бурого жира содержание дыхательных ферментов значительно выше, чем ферментов, осуществляющих фосфорилирование АДФ, поэтому в них преобладают процессы свободного окисления.
Разобщение процессов окисления и фосфорилирования в митохондриях может иметь место при некоторых патологических состояниях. Основными симптомами таких состояний могут быть быстрая утомляемость, повышенная температура тела, снижение массы тела, несмотря на повышенный аппетит, учащение дыхания и сердцебиения.
13.3.2.Разобщение процессов окисления и фосфорилирования может быть вызвано действием ряда веществ, как природных, так и синтетических. Механизм действия этих веществ заключается в том, что они являются переносчиками протонов через мембрану. Вещества, разобщающие окисление и фосфорилирование, можно разделить на протонофоры и ионофоры.
Протонофорыпредставляют собой слабые гидрофобные органические кислоты, которые в форме аниона (R-COO - ) связывают протоны в межмембранном пространстве, диффундируют через мембрану и диссоциируют в матриксе с образованием протонов. К этой группе относятся, например, свободные жирные кислоты, гормоны щитовидной железы, салицилаты, дикумарол, 2,4-динитрофенол (см. рисунок 13.6).
Рисунок 13.6.Механизм действия 2,4-динитрофенола.
Ионофоры(валиномицин, нигерицин, грамицидин) способны встраиваться в мембрану, образуя канал, по которому могут перемещаться протоны и другие одновалентные катионы - Na + или K + (рисунок 13.7). В результате снимается протонный потенциал и нарушается синтез АТФ.
Рисунок 13.7.Валиномицин облегчает проникновение в клетку ионов Н + .
Раздел 13.4
Микросомальное окисление.
13.4.1. Микросомальное окислениеявляется одним из этапов биотрансформации– обезвреживания неполярных (нерастворимых в воде) соединений как эндогенного происхождения, так и чужеродных для организма ( ксенобиотиков). Эндогенныесубстраты - холестерол, стероидные гормоны, ненасыщенные жирные кислоты, витамин D 3 . Экзогенныесубстраты - лекарственные вещества. В результате окисления субстратов повышается их растворимость в воде, скорость выведения из организма. Биотрансформация лекарственных веществ, как правило, снижает их токсичность.
13.4.2.Ферментная система микросомального окисления встроена в мембраны эндоплазматического ретикулума клетки (ЭПР, рисунок 13.1).
Рисунок 13.1.Структура эндоплазматического ретикулума (источник: Альбертс Б. и соавт., Молекулярная биология клетки, 1994).
Она представляет собой короткую цепь переноса водорода и включает несколько последовательно расположенных в мембране белков-ферментов (рисунок 13.2).
Рисунок 13.2.Схема монооксигеназной цепи окисления ЭПР.
Источником электронов и протонов в этой цепи является восстановленный кофермент НАДФН, который образуется в реакциях пентозофосфатного пути окисления глюкозы. Промежуточным акцептором Н + и е — служит флавопротеин(ФлПр), содержащий кофермент ФАД. Конечное звено в цепи микросомального окисления - цитохром Р 450 .Это - сложный белок, хромопротеин, в качестве простетической группы содержит гем. Цитохром Р 450 является монооксигеназой, то есть ферментом, включающим один из атомов молекулярного кислорода в окисляемое вещество. Поэтому цепь реакций микросомального окисления называют также монооксигеназной цепью.
Цитохром Р 450 выполняет две функции. Он связывает окисляемый субстрат и активирует молекулярный кислород, облегчая их взаимодействие друг с другом. Реакция, катализируемая цитохромом Р 450 , называется реакцией гидроксилирования,так как образующийся продукт содержит ОН-группу (рисунок 13.3).
Рисунок 13.3.Механизм реакции гидроксилирования субстрата при участии цитохрома Р 450 .
В отличие от митохондриальной дыхательной цепи, при переносе электронов в монооксигеназной цепи не происходит аккумулирования энергии в виде АТФ. Поэтому микросомальное окисление является свободным окислением.
13.4.3.Основные факторы, влияющие на активность монооксигеназной системы печени, которые следует учитывать при выборе дозировки лекарственных веществ:
а) возраст– в детском возрасте и у пожилых людей активность ферментов микросомального окисления ниже, чем у людей среднего возраста;
б) пол– мужские половые гормоны повышают скорость реакций гидроксилирования субстратов в печени, женские половые гормоны, наоборот, понижают;
в) характер питания– при недостаточном поступлении белков с пищей в печени снижается синтез ферментов, участвующих в микросомальном окислении;
г) влияние лекарственных веществ и ядов– некоторые лекарственные препараты (например, фенобарбитал и другие барбитураты, некоторые антибиотики) являются индукторами микросомального окисления и ускоряют процессы гидроксилирования субстратов; другие вещества (угарный газ СО, амизил, дезипрамил) снижают скорость микросомального окисления.
С.М.Ершиков, 2007-2011.