Патология биологического окисления и биоэнергетических процессов. Влияние разобщающих агентов, ингибиторов и активаторов.
Гипоэнергетические состояния подразделяются на:
1. Алиментарные (голодание, авитаминоз).
2. Гипоксические.Связаны:
- с нарушением поступления кислорода в кровь. Экзогенная гипоксия -недостаток кислорода во вдыхаемом воздухе, легочная (дыхательная) –нарушение легочной вентиляции;
- с нарушением транспорта кислорода в крови. Гемодинамическая гипоксия связана с нарушениями кровообращения (генерализованные – пороки сердца, кровопотеря; локальные – спазм сосудов, тромбоз); причины гемоглобиновой гипоксии – гипогемоглобинемия, гемоглобинопатии, блокирование гемоглобина ядами.
3. Митохондриальные. Затруднено использование кислорода в клетках в результате нарушения функций митохондрий ингибиторами ферментов дыхательной цепи, разобщителями окисления и фосфорилирования, мембранотропными веществами.
Дефицит окисляемого субстрата:
а) общее или частичное голодание, приводящее к возникновению гипогликемии, недостатку высших жирных кислот. Возможно развитие подобной ситуации вследствие гормонального дисбаланса;
б) подавление активности ферментов окислительного декарбоксилирования пирувата (см. главу II);
в) угнетение интенсивности основного метаболического котла - цикла трикарбоновых кислот (см. главу II);
г) падение скорости β-окисления высших жирных кислот.
Все выше перечисленные процессы служат поставщиками субстратов для биологического окисления.
Наследственные и приобретенные дефекты в работе промежуточных переносчиков ЭТЦ:
а) эндогенные или экзогенные гиповитаминозы [никотинамида (витамина РР); рибофлавина (витамина В2), токоферолов (витамина Е), нафтохинонов (витамина К), бензохинонов (убихинонов)];
б) некоторые вещества (барбитураты) препятствуют окислению субстратов, угнетая дегидрогеназы комплекса I;
в) блоки системы цитохромов, которые могут носить врожденный (фатальная детская митохондриальная миопатия – наследственное заболевание, связанное с угнетением деятельности оксидоредуктаз, в первую очередь, цитохромоксидазыили приобретенный характер. Хроническое введение алкоголя угнетает активность цитохрома аа3 комплекса IV. Подобным образом действуют классические яды – оксид углерода (II), цианиды, сероводород.
Действие ингибиторов
Ряд веществ может ингибировать ферменты дыхательной цепи и блокировать движение электронов от НАДН и ФАДН2 на кислород. В результате прекращается движение электронов, выкачивание ионов Н+ и работа АТФ-синтазы. Синтез АТФ отсутствует и клетка погибает.
Ингибиторы I комплекса NADH-дегидрогеназы: ротенон, амитал - лекарственный препарат из группы барбитуратов.
Ингибитор II комплекса сукцинат-дегидрогеназы: карбоксин и TTFA (теноилтрифторацегон) специфически ингибируют переход восстановительных эквивалентов от сукцинатдегидрогеназы на кофермент Q, а малонат является конкурентным ингибитором сукцинатдегидрогеназы.
Ингибиторы III комплекса QН2 дегидрогеназы - антимицин А, токсичный антибиотик, а также димеркапрол, ингибируют дыхательную цепь на участке между цитохромом b и цитохромом с.
Ингибиторы IV комплекса цитохром с оксидазы - цианид, СО, H2S. Цианид наиболее токсичен для человека; он присоединяется к Fe3+ цитохромоксидазы и блокирует перенос электронов к кислороду.
Действие разобщителей
Разобщители - липофильные вещества, которые способны принимать протоны и переносить их через внутреннюю мембрану митохондрий, минуя ее протонный канал.
Разобщители бывают:
- естественные – продукты перекисного окисления липидов, жирных кислот с длинной цепью, большие дозы тиреоидных гормонов;
- искусственные - динитрофенол, эфир, производные витамина K, анестетики, антибиотики (грамицидин, валиномицин).
Вещества, разобщающие окисление и фосфорилирование, можно разделить на протонофоры и ионофоры. Протонофоры представляют 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. Ионофоры (валиномицин, нигерицин, грамицидин) способны встраиваться в мембрану, образуя канал, по которому могут перемещаться протоны и другие одновалентные катионы - Na+ или K+. В результате снимается протонный потенциал и нарушается синтез АТФ.
В результате этого исчезает электрохимический потенциал и прекращается синтез АТФ. Это явление называют разобщением дыхания и фосфорилирования. В результате разобщения количество АТФ снижается, а АДФ увеличивается. В этом случае скорость окисления NADH и FADH2 возрастает, возрастает и количество поглощённого кислорода, но энергия выделяется в виде теплоты, и коэффициент Р/О резко снижается.
Действие активаторов
Аденозина фосфат
Аденозина фосфат (АМФ) - компонент адениловой системы; ЕГО действие• активация в анаэробных условиях ряда ферментов цикла Кребса, усиление ресинтеза АТФ с одновременным торможением гликолиза;• в качестве пуринового нуклеотида способствует синтезу нуклеиновых кислот и, следовательно, синтезу белков; • входит в состав важнейших дыхательных коферментов-перенос- чиков электронов и протонов в начальных звеньях цепи тканевого дыхания (НАД, НАДФ и ФАД); • энергетическое обеспечение процессов синтеза - предшественник макроэргических соединений (образование АДФ и АТФ происходит при фосфорилировании АМФ)
63. Строение субстратов, последовательность реакций, ферменты и значение реакций общего пути катаболизма - цикла трикарбоновых кислот (цикл Кребса).
Цикл трикарбоновых кислот протекает в матриксе митохондрий. Его стадии:
1. Реакция конденсации ацетил-KoA с оксалоацетатом при участии цитрат-синтазы с образованием лимонной кислоты:
2. Реакция дегидратации лимонной кислоты с образованием цис-аконитовой кислоты, которая присоединяет молекулу воды и переходит в изолимонную кислоту (изоцитрат). Процесс катализирует аконитат-гидратаза:
3. Реакция дегидрирования и декарбоксилирования изолимонной кислоты в присутствии НАД-зависимой изоцитратдегидрогеназы. Это лимитирующая стадия цикла Кребса, в результате которой образуется
a-кетоглутарат. НАД-зависимая изоцитратдегидрогеназа активируется АДФ и ионами Mg2+; АТФ и НАДН являются ингибиторами.
4. Окислительное декарбоксилирование a-кетоглутаровой кислоты с образованием макроэргического соединения сукцинил-KoA при участии
a-кетоглутаратдегидрогеназного комплекса, включающего пять коферментов: тиаминпирофосфат, липоевую кислоту, кофермент А, ФАД и НАД+:
5. Сукцинил-KoA при участии ГДФ и неорганического фосфата превращается в сукцинат (янтарная кислота). Одновременно образуется ГТФ за счет макроэргической тиоэфирной связи сукцинил-KoA. Реакцию катализирует сукцинил-KoA-синтетаза. Ингибиторами являются НАДН, АТФ и сукцинил-КоА.
ГТФ + АДФ ® АТФ + ГДФ.
6. Реакция дегидрирования сукцината с образованием фумаровой кислоты при участии сукцинатдегидрогеназы, коферментом которой является ФАД. Сукцинатдегидрогеназа связана с внутренней мембраной митохондрий:
7.Реакция гидратации фумаровой кислоты в яблочную (L-малат) при участии фумаразы:
8. Под влиянием митохондриальной НАД-зависимой малатдегидрогеназы L-малат окисляется в оксалоацетат и, тем самым, цикл Кребса замыкается:
В цикле Кребса образуется:
3 молекулы НАДН (реакции 3 - изоцитратдегидрогеназная, 4 –
α-кетоглутаратдегидрогеназная, 8 - малатдегидрогеназная) следовательно, в цепи передачи электронов синтезируется 3х3 = 9 молекул АТФ;
1 молекула ФАДН2 (реакция 6 - сукцинатдегидрогеназная), которая дает 2 молекулы АТФ в дыхательной цепи;
1 молекула ГТФ из сукцинил-КоА (реакция 5), а из нее 1АТФ.
ИТОГО: 9АТФ + 2АТФ + 1АТФ = 12АТФ.