Свободно-радикальные замещения.

Свободное окисление протекает при участии свободнорадикальных форм кислорода, которые образуются в процессе одноэлектронного восстановления кислорода и прежде всего супероксиданиона кислорода. Обычно эти реакции своднорадикального окисления протекают в активном центре соответствующих ферментов, а промежуточные продукты не

появляются во внешней среде. При изменении условий функционирования

дыхательной цепи (например, при гипоксии) в ней также возможно одноэлектронное восстановление кислорода, объясняющееся тем, что его сродство к убихинону выше, чем к цитохромоксидазе. Эти процессы приводят

к образованию супероксианиона кислорода. Этот радикал может образовываться и под влиянием ультрафиолетовых лучей, а также путем взаимодействия кислорода с ионами металлов переменной валентности (чаще

всего с железом) или в ходе спонтанного окисления некоторых соединений, например дофамина. Наконец, он может продуцироваться в клетках и такими ферментами, как ксантиноксидаза или НАДФН-оксидаза. Образование супероксид-аниона кислорода имеет важное биологическое значение. Он является высокореакционным соединением, которое вследствие высокой гидрофильности не может покидать клетку и накапливается

в цитоплазме. Его превращения приводят Живые клетки имеют системы защиты от повышенной продукции свободных радикалов. Фермент супероксиддисмутазапревращает супероксид-анион кислорода в менее реакционноспособный и более гидрофобный пероксид водорода Н2О2. Пероксид водорода является субстратом каталазы и глутатионзависимых пероксидаз, которые катализируют его превробразованию ряда активных окислителей. высоким окислительным потенциалом и способностью к быстрым

превращениям, могут индуцировать цепные реакции. В настоящее время признается важная роль свободнорадикальных процессов в развитии возрастных и патологических состояний в тканях [Свободнорадикальные превращения вовлекаются в механизмы, повышающие выживаемость клеток в неблагоприятных условиях, а снижение генерации свободных радикалов в организме способствует ослаблению клеточного иммунитета. Однако усиленная генерация свободных радикалов сопровождает патологические состояния (болезнь Паркинсона, Альцгеймера) и сам процесс биологического старения.

Антиоксидантная система

Живые клетки имеют системы защиты от повышенной продукции свободных радикалов. Фермент супероксиддисмутазапревращает супероксид-анион кислорода в менее реакционноспособный и более гидрофобный пероксид водорода Н2О2. Пероксид водорода является субстратом каталазы и глутатионзависимых пероксидаз, которые катализируют его превращение в молекулу воды. Однако пероксид водорода может генерировать гидроксил-радикал в присутствии двухвалентного железа или превращаться в гипохлорит-анион ОСl– ферментом миелопероксидазой. Как гипохлорит-анион, так и гидроксил-радикал являются сильными окислителями. Они способны модифицировать белки, нуклеиновые кислоты, индуцировать перекисное окисление липидов (от которого наиболее сильно ≪страдают≫ полиненасыщенные мембранные липиды) и в результате цепных реакций приводить к множественным нарушениям мембран и к гибели клеток. Важным дополнением этих реакций является способность NO-радикала при взаимодействии с супероксид-анионом образовывать пероксинитрит, который может индуцировать так называемый апоптоз

(запрограммированная гибель клеток), а в ходе своего спонтанного распада превращаться в гидроксил-радикал. Последний может образовываться

также из гипохлорит-аниона в присутствии ионов железа. Процессы, протекающие до момента образования гипохлорит-аниона

или гидроксил-радикала, локализованы в цитоплазме и контролируются цитоплазматическими ферментами или природными водорастворимыми антиоксидантами. Например, тауринспособен связывать гипохлоританион

в форме хлораминового комплекса, дипептид карнозини его производные

нейтрализуют гидроксил-радикал, а такие соединения, как белок ферритин, связывают железо. Перекисное окисление липидов, инициируемое в гидрофобном пространстве клеточных мембран, способен прерывать широко известный гидрофобный антиоксидант α-токоферол(витамин Е). Его высокая концентрация в биологических мембранах препятствует их повреждению свободными радикалами. Существуют прямая связь между витамином Е

и тканевым дыханием и обратная связь между этим витамином и степенью

окисления липидов. Известно, что токоферолы выполняют в организме две главные метаболические функции. Во-первых, они являются наиболее активными и, возможно, главными природными жирорастворимыми антиоксидантами:

разрушают наиболее реактивные формы кислорода и соответственно предохраняют от окисления полиненасыщенные жирные кислоты. Во-вторых, токоферолы играют специфическую, пока еще не полностью

раскрытую роль в обмене селена. Селен, как известно, является интегральной частью глутатионпероксидазы – фермента, обеспечивающего защиту мембран от разрушающего действия пероксидных радикалов. Биологическая роль витамина Е сводится, таким образом, к предотвращению

аутоокисления липидов биомембран и возможному снижению потребности

в глутатионпероксидазе, необходимой для разрушения образующихся в клетке перекисей. Участие токоферолов в механизме транспорта электронов и протонов, как и в регуляции процесса транскрипции генов, и их роль в метаболизме убихинонов пока недостаточны выяснены.

Энергитический обмен

Энергетические превращения в живой клетке подразделяют на две группы: локализованные в мембранах и протекающие в цитоплазме. В каждом случае для ≪оплаты≫ энергетических затрат используется своя ≪валюта≫: в мембране это ΔμН+ или ΔμNa+, а в цито-плазме – АТФ, креатинфосфат и другие макроэргические соединения. Непосредственным источником АТФ являются процессы субстратного и окис-

лительного фосфорилирования. Процессы субстратного фосфорилирования наблюдаются при гликолизе и на одной из стадий цикла трикарбоновых кислот (реакция сукцинил-КоА —> сукцинат;). Генерация ΔμН+ и Δ μ N a , используемых для окислительного фосфорилирования, осуществляется в процессе транспорта электронов в дыхательной цепи энергосопря-гающих мембран.

Энергия разности потенциалов на сопрягающих мембранах может обратимо превращаться в энергию АТФ. Эти процессы катализируются Н+-АТФ-синтазой в мембранах, генерирующих протонный потенциал, или Na+-АТФ-синтазой (Na+-АТФазой) в ≪натриевых мембранах≫ алкалофильных бактерий, поддерживающих ΔμNa+ [Скулачев В.П., 1989]. На рис. 9.6

представлена схема энергетики живых клеток, использующих ΔμН+ в качестве мембранной формы конвертируемой энергии. На схеме видно, что свет или энергия субстратов дыхания утилизируется ферментами фотосинтетической или дыхательной редокс-цепи (у галобактерий – бактериородопсином). Генерируемый потенциал используется для совершения полезной работы, в частности для образования АТФ. Будучи макроэргическим

соединением, АТФ выполнняет функцию аккумулирования биологической энергии и ее последующего использования для выполнения клеточных функций. ≪Макроэргичность≫ АТФ объясняется рядом особенностей его молекулы. Это прежде всего высокая плотность зарядов, сконцентрированная в ≪хвосте≫ молекулы, обеспечивающая легкость диссоциации терминального фосфата при водном гидролизе. Продукты этого гидролиза

представляют собой АДФ и неорганический фосфат и далее – АМФ и неорганический фосфат. Это обеспечивает высокую величину свободной энергии гидролиза терминального фосфата АТФ в водной среде.

50. Тканевое дыхание и биологическое окислениеРаспад органических соединений в живых тканях, сопровождающийся потреблением молекулярного кислорода и приводящий к выделению углекислого газа и воды и образованию биологических видов энергии, называется тканевым дыханием. Итоговая реакция тканевого дыхания будет выглядеть следующим образом: С6Н12О6 + 6O2 = 6СO2 + 6Н2O + 2780 кДж/моль.

Потребление кислорода тканями зависит от интенсивности реакций тканевого дыхания. Наибольшей скоростью тканевого дыхания характеризуются почки, мозг, печень, наименьшей – кожа, мышечная ткань (в покое). Уравнение (2) описывает суммарный результат многоступенчатого процесса, приводящего к образованию молочной кислоты и протекающего без участия кислорода: С6Н12Об = 2С3Н6О3 + 65 кДж/моль. Современные анаэробные микроорганизмы (осуществляющие молочнокислое, спиртовое и уксуснокислое брожение) получают для жизнедеятельности

энергию, производимую в процессе гликолиза или его модификаций.

Использование клетками кислорода открывает возможности для более полного окисления субстратов. В аэробных условиях продукты бескислородного окисления становятся субстратами цикла трикарбоновых кислот.

Организация и функционирование дыхательной цепи. В клетках эукариот

дыхательная цепь расположена во внутренней мембране митохондрий Молярные соотношения компонентов дыхательной цепи являются постоянными,

ее компоненты встроены в митохондриальную мембрану в виде 4 белково-липидных комплексов: НАДН КоQН2-редуктаза (комплекс I), сукцинат-КоQ-редуктаза (комплекс II), КоQН2-цитохром c-редуктаза (комплекс III) и цитохром а цитохромоксидаза (комплекс IV) (рис. 9.7).

Если субстратом окисления служат αкетокислоты, в переносе электронов на

НАД+ участвуют липоатсодержащие дегидрогеназы. В случае окисления пролина,

глутамата, изоцитрата и других субстратов перенос электронов происходит непосредственно на НАД+. Восстановленный НАД в дыхательной цепи окисляется

НАДН-дегидрогеназой, содержащей железосерный белок (FeS) и ФМН и прочно

связанной с дыхательной цепью. KoQ (убихинон), необходимый компонент дыхательной цепи способен находиться и в восстановленном, и окисленном состоянии. Это свойство определяет его роль в дыхательной цепи - служить коллектором восстановительных эквивалентов, поставляемых в дыхательную цепь через флавиновые дегидрогеназы.Цитохромыв дыхательной цепи выстроены в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала. Они представляют собой гемопротеины. В процессах тканевого дыхания наиболее важную роль играют цитохромы b, с1, с, а и а3. Цитохром а3 представляет собой терминальный участок дыхательной цепи – цитохромоксидазу, которая осуществляет окисление цитохрома с и образование воды. Элементарный акт представляет собой

двухэлектронное восстановление одного атома кислорода, т.е. каждая молекула кислорода одновременно взаимодействует с двумя электрон-транспортными цепями.

Хемиоосматическая теория.

Функция дыхательной цепи – утилизация восстановленных дыхательных переносчиков, образующихся в реакциях метаболического окисления субстратов. Каждая окислительная реакция в соответствии с величиной высвобождаемой энергии ≪обслуживается≫ соответствующим дыхательным переносчиком: НАДФ, НАД или ФАД. Соответственно своим окислительно-восстановительным потенциалам эти соединения в восстановленной форме подключаются к дыхательной цепи. Разность электрических потенциалов на митохондриальной мембране, создаваемая дыхательной цепью, которая выступает в качестве молекулярного проводника

электронов, является движущей силой для образования АТФ и других видов полезной биологической энергии. Механизмы этих превращений описывает хемиосмотическая концепция превращения энергии в живых клетках. Она была выдвинута П. Митчеллом в 1960 г. для объяснения молекулярного механизма сопряжения транспорта электронов и образования АТФ в дыхательной цепи. Согласно хемиосмотической концепции, движение электронов по дыхательной цепи является источником энергии для транслокации протонов через митохондриальную мембрану. Возникающая при этом разность

электрохимических потенциалов (ΔμH+) приводит в действие АТФ-синтазу,

катализирующую реакцию.

Эффективность окислительного фосфорилирования в митохондриях определяется как отношение величины образовавшегося АТФ к поглощенному кислороду: АТФ/О или Р/О (коэффициент фосфорилирования). Экспериментально определяемые значения Р/О, как правило, оказываются меньше 3. Это свидетельствует о том, что процесс дыхания не полностью сопряжен с фосфорилированием. Действительно, окислительное фосфорилирование в отличие от субстратного не является процессом,

в котором окисление жестко сопряжено с образованием макроэргов. Степень

сопряжения зависит главным образом от целостности митохондриальной мембра-

ны, сберегающей разность потенциалов, создаваемую транспортом электронов. По

этой причине соединения, обеспечивающие протонную проводимость (как 2,4-ди-

нитрофенол), являются разобщителями. В норме скорость митохондриального транспорта электронов регулируется

содержанием АДФ. Выполнение клеткой функций с затратой АТФ приводит

к накоплению АДФ, который в свою очередь активирует тканевое дыхание. Таким

образом, клеткам свойственно реагировать на интенсивность клеточного метаболизма и поддерживать запасы АТФ на необходимом уровне. Это свойство называется дыхательным контролем.

Окислительное декарб. ПВК

Окисление пирувата до ацетил-КоА происходит при участии ряда ферментов и коферментов, объединенных структурно в мультиферментную систему, получившую название ≪пируватдегидрогеназный комплекс≫. На I стадии этого процесса пируват теряет свою карбоксильную группу в результате взаимодействия тиаминпирофосфатом (ТПФ)

в составе активного центра фермента пируватдегидрогеназы (E1). На II стадии оксиэтильная группа комплекса E1–ТПФ–СНОН–СН3 окисляется с образованием ацетильной группы, которая одновременно переносится на амид липоевой кислоты (кофермент), связанной с ферментом дигидролипоилацетилтрансферазой (Е2). Этот фермент катализирует III стадию – перенос ацетильной группы на коэнзим КоА (HS-KoA) с образованием конечного продукта ацетил-КоА, который является высокоэнергетическим (макроэргическим) соединением. На IV стадии регенерируется окисленная форма липоамида из восстановленного комплекса дигидролипоамид–Е2. При участии фермента дигидролипоилдегидрогеназы (Е3) осуществляется перенос атомов водорода от восстановленных сульфгидрильных групп дигидролипоамида на ФАД, который выполняет роль простетической группы данного фермента и прочно с ним связан. На V стадии восстановленный ФАДН2 дигидро-

липоилдегидрогеназы передает водород на кофермент НАД с образованием НАДН + Н+.

Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата происходит

в матриксе митохондрий. В нем принимают участие (в составе сложного мультиферментного комплекса) 3 фермента (пируватдегидрогеназа, дигидролипоилацетилтрансфераза, дигидролипоилдегидрогеназа) и 5 коферментов (ТПФ, амид липоевой кислоты, коэнзим А, ФАД и НАД)

Суммарную реакцию: Пируват + НАД+ + HS-KoA –> Ацетил-КоА + НАДН + Н+ + СO2.

Цикл трикарбоновых кислот

Образовавшийся в результате окислительного декарбоксилирования

пирувата в митохондриях ацетил-КоА вступает в цикл Кребса. Данный цикл происходит в матриксе митохондрий и состоит из восьми последовательных реакций. Начинается цикл с присоединения ацетил-КоА к оксалоацетату и образования лимонной кислоты (цитрата). Затем лимонная кислота (шестиуглеродное соединение) путем ряда дегидрирований (отнятие водорода) и двух декарбоксилирований (отщепление СО2) теряет два углеродных атома и снова в цикле Кребса превращается в оксалоацетат (четырехуглеродное соединение), т.е. в результате полного оборота цикла одна молекула ацетил-КоА сгорает до СО2 и Н2О, а молекула оксалоацетата регенерируется.

Первая реакция катализируется ферментом цитрат-синтазой, при этом ацетильная группа ацетил-КоАконденсируется с оксалоацетатом, в результате чего образуется лимонная кислота. В результате второй реакции образовавшаяся лимонная кислота подвергается дегидратированию с образованием цис-аконитовой кислоты,

которая, присоединяя молекулу воды, переходит в изолимонную кислоту

(изоцитрат). Катализирует эти обратимые реакции гидратации–дегидратации фермент аконитатгидратаза (аконитаза). Третья реакция-Изолимонная кислотадегидрируется в присутствии НАД-зависимой изо- Цитратдегидрогеназы. Во время четвертой реакции происходит окислительное декарбоксилирование α-кетоглутаровой кислоты с образованием высокоэнергетического соединения сукцинил-КоА. в реакции принимают участие 5 коферментов: ТПФ, амид липоевой кислоты, HS-KoA, ФАД и НАД+.Пятая реакция катализируется ферментом сукцинил-КоА-синтетазой. В ходе этой реакции сукцинил-КоА при участии ГТФ и неорганического фосфата превращается в янтарную кислоту (сукцинат). Одновременно

происходит образование высокоэргической фосфатной связи ГТФ. В результате шестой реакции сукцинат дегидрируется в фумаровую кислоту. Окисление сукцината катализируется сукцинатдегидрогеназой,

в молекуле которой с белком прочно (ковалентно) связан кофермент ФАД. Седьмая реакция осуществляется под влиянием фермента фумаратгидратазы (фумаразы). Образовавшаяся при этом фумаровая кислота гидратируется, продуктом реакции является яблочная кислота (малат). восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат: восьмой реакции цикла трикарбоновых кислот под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы происходит окисление L-малата в оксалоацетат.

Основные углеводы.

У человека и животных углеводы выполняют важные функции: энергетическую (глав-

ный вид клеточного топлива), структурную (обязательный компонент большинства внутриклеточных структур) и защитную (участие углеводных компонентов иммуноглобулинов в поддержании иммунитета). Углеводы (рибоза, дезоксирибоза) используются для синтеза нуклеиновых кислот, они являются составными компонентами нуклеотидных ко-

ферментов, играющих исключительно важную роль в метаболизме живых

существ. В последнее время все большее внимание к себе привлекают смешанные биополимеры, содержащие углеводы: гликопептиды и гликопротеины, гликолипиды и липополисахариды, гликолипопротеины и т.д. Эти вещества выполняют в организме сложные и важные функции.

Дисахариды – сложные сахара, каждая молекула которых при гидролизе распадается на две молекулы моносахаридов. Дисахариды наряду

с полисахаридами являются одними из основных источников углеводов в пище человека и животных. По строению дисахариды – это гликозиды, в которых 2 молекулы моносахаридов соединены гликозидной связью. Среди дисахаридов наиболее широко известны мальтоза, лактоза и сахароза. Мальтоза, являющаяся α-глюкопиранозил-(1–>4)-αглюкопиранозой

Мальтоза

Молекула сахарозы состоит из одного остатка D-глюкозы и одного остатка D-фруктозы. Следовательно, это α-глюко-

пиранозил-(1–>2)-β-фруктофуранозид:

Сахароза

Дисахарид лактоза содержится только в молоке и состоит из D-галактозы и D-глюкозы. Это – β-галактопиранозил-(1–>4)-глюкопираноза:

Лактоза

Полисахариды -Крахмал представляет собой смесь 2 гомополисахаридов: линейного –амилозы и разветвленного – амилопектина, Как правило, содержание амилозы в крахмале составляет 10–30%, амилопектина – 70–90%. Полисахариды крахмала построены из остатков D-глюкозы, соединенных в амилозе и линейных цепях амилопектина α-1–>4-связями, а в точках ветвления амилопектина – межцепочечными α-1–>6-связями: Участок молекулы амилозы

Участок молекулы амилопектина

составляет 75–80%, в картофеле – 25%.

Гликоген – главный резервный полисахарид высших животных и человека, построенный из остатков D-глюкозы. молекула построена из ветвящихся полиглюкозидных цепей,

в которых остатки глюкозы соединены α-1–>4-гликозидными связями.ПЕРЕВАРИВАНИЕ И ВСАСЫВАНИЕ УГЛЕВОДОВРасщепление крахмала (и гликогена) начинается в полости рта под действием амилазы слюны.Известны три вида амилаз, которые различаются главным образом поконечным продуктам их ферментативного действия: α-амилаза, пища, смешанная со слюной, попадает в желудок. Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих сложные

углеводы. В желудке действие α-амилазы слюны прекращается, так как желудочное содержимое имеет резко кислую реакцию (рН 1,5–2,5). расщепление полисахаридов с образованием декстринов и мальтозы.

Наиболее важная фаза распада крахмала (и гликогена) протекает в двенадцатиперстной кишке под действием α-амилазы поджелудочного сока. Здесь рН возрастает приблизительно до нейтральных значений, при этих условиях α-амилаза панкреатического сока обладает почти максимальной активностью. Этот фермент завершает превращение крахмала и гликогена в мальтозу, начатое амилазой слюны. Щеточная каемка энтероцитов содержит системы переносчиков. Установлено существование переносчика, способного связывать различными

своими участками глюкозу и Na+ и переносить их через плазматическую

мембрану кишечной клетки. Считают, что глюкоза и Na+ высвобождаются затем в цитозоль, позволяя переносчику захватить новую порцию ≪груза≫. Na+ транспортируется по градиенту концентрации, стимулируя переносчик

к транспорту глюкозы против указанного градиента. Свободная энергия, необходимая для этого активного транспорта, образуется благодаря гидролизу АТФ связанному с натриевым насосом, который ≪откачивает≫ из клетки Na+ в обмен на К+. Динамика происходящих при этом процессов

пока остается недостаточно ясной и в настоящее время обстоятельно изучается.

59. Глюконеогенез-синтез глюкозы из неуглеводных продуктов. Такими прдуктами или метаболитами являются в первую очередь молочная и пировиноградная кислоты, так называемые гликогенные аминокислоты, глицерол и ряд других соединений.

Пируват Пируваткарбоксилаза Оксалоацетат

2)

Оксалоацетат Малатдегидрогеназа Малат

3)

L-малат Малатдегидрогеназа Оксалоацетат

4)

Глюкозотолерантный тест (ГТТ) — лабораторный метод исследования, применяемый в эндокринологии для диагностики нарушения толерантности к глюкозе (предиабет) и сахарного диабета. По способу введения глюкозы различают:

оральный (от лат. per os) (оГТТ) и

внутривенный глюкозотолерантный тест. Условия проведения

При проведении глюкозотолерантного теста необходимо соблюдать следующие условия:

обследуемые в течение не менее трех дней до пробы должны соблюдать обычный режим питания (с содержанием углеводов > 125-150 г в сутки) и придерживаться привычных физических нагрузок;

исследование проводят утром натощак после ночного голодания в течение 10-14 часов (в это время нельзя курить и принимать алкоголь);

во время проведения пробы пациент должен спокойно лежать или сидеть, не курить, не переохлаждаться и не заниматься физической работой;

тест не рекомендуется проводить после и во время стрессовых воздействий, истощающих заболеваний, после операций и родов, при воспалительных процессах, алкогольном циррозе печени, гепатитах, во время менструаций, при заболеваниях ЖКТ с нарушением всасывания глюкозы;

перед проведением теста необходимо исключить лечебные процедуры и прием лекарств (адреналина, глюкокортикоидов, контрацептивов, кофеина, мочегонных тиазидного ряда, психотропных средств и антидепрессантов);

ложнопозитивные результаты наблюдаются при гипокалиемии, дисфункции печени, эндокринопатиях.

[править]

Методика проведения

Суть метода заключается в измерении у пациента уровня глюкозы крови натощак, затем в течение 5 минут предлагается выпить стакан теплой воды, в котором растворена глюкоза (75 грамм). Через 30 минут, 1 час и через 2 часа вновь измеряют уровень сахара в крови.

[править]

Оценка результата

Уровень глюкозы в крови менее 7,8 ммоль/л (через 2 часа после нагрузки глюкозой) считается нормой. При уровне более 7,8, но менее 11,0 ммоль/л результат теста расценивается как нарушение толерантности к глюкозе. При уровне глюкозы в крови более 11,0 ммоль/л результат оценивается как наличие сахарного диабета.