Тема: биологическое окисление. Тестовый контроль (стр. 5 )

НАДН свободно перемещается в матриксе митохондрии, передает электроны

комплексу переносчиков 1, который прочно связан с мембраной и включает в себя ФМН, железосульфидный белок и коэнзим Q. Коэнзим Q принимает электроны не только от НАД - зависимых дегидрогеназ, но и от ФАД- содержащих ДГ, в частности, сукцинат ДГ

Комплекс 111, включающий в себя цит. а/а3, передает электроны кислороду, происходит восстановление кислорода.

Перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается синтезом АТФ из

АДФ и Ф. Этот путь синтеза АТФ называется окислительным фосфорилированием.

Если перенос электронов сопровождается синтезом АТФ, то имеет место сопряжение дыхания и фосфорилирования.

Выделяют три участка дыхательной цепи (три точки фосфорилирования), на которых происходит процесс окислительного фосфорилирования. Разность потенциалов на участке должна быть не менее 0.17 в.

1 точка – между ФМН и коэнзимом Q

2 точка – между Цит. в и Цит. с

3 точка - при переносе электронов от Цит а/а3 на кислород.

Перенос электронов от НАДН сопровождается синтезом 3 АТФ.

Коэффициент сопряжения Р : О = 3 : 1

Перенос электронов от ФАДН2 сопровождается синтезом 2 АТФ.

Коэффициент Р : О = 2 : 1.

Если перенос электронов по дыхательной цепи и восстановление кислорода не сопровождается синтезом АТФ, то возникает разобщение дыхания и фосфорилирования.

Механизмы сопряжения и разобщения можно объяснить на основании

хемиосмотической теории П. Митчелла (1961 г.) :

перенос электронов по дыхательной цепи сопровождается «выкачиванием»

протонов из матрикса в межмембранное пространство на 3 участках – комплексы 1, 2, 4

внутренняя мембрана непроницаема для протонов, протоны не могут вернуться в

матрикс, создается разность величин рН и разность зарядов.

эта разность создает электрохимический потенциал – источник энергии для синтеза АТФ. энергия электрохимического потенциала используется для синтеза АТФ только

в том случае, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ - - азы (АТФ-синтетазы).

Электрохимический потенциал активирует АТФ-азу, происходят конформаци-

онные изменения составляющих ее субъединиц, осуществляется реакция синтеза

АДФ + Ф = АТФ

Если исчезает электрохимический потенциал, то синтез АТФ прекращается, возникает разобщение. Особые вещества – разобщители - участвуют в этом процессе.

Разобщители действуют по нескольким направлениям:

- связывают протоны, препятствуя их возвращению в матрикс

- переносят протоны в матрикс помимо протонных каналов АТФ-азы

Процесс разобщения дыхания и фосфорилирования сопровождается выделением энергии в виде теплоты. Митохондрии бурого жира всегда находятся в режиме разобщения благодаря присутствию особого белка термогенина.

Термогенез необходим для поддержания температуры тканей тела. В животном мире играет решающую роль в пробуждении от зимней спячки.

Физиологическими разобщителями являются жирные кислоты, гормон тироксин, билирубин, разобщающий эффект присущ лекарственным препаратам с пирогенным эффектом действия.

На отдельных этапах дыхательной цепи возможно блокирование переноса электронов

На участке ФМН – FeS ингибитором являются амитал, препарат группы барбитуратов,

ротенон – высокотоксичное вещество, выделенное из некоторых водорослей.

На участке цит. в – цит. с1 действует ингибитор антимицинА, токсичный антибиотик.

Терминальный участок цитохромоксидазу ингибируют ион цианида, угарный газ СО,

сероводород, образуя устойчивые соединения с ионами железа и меди, и тем самым прекращают перенос электронов на кислород. Этим объясняется их высокая токсичность.

При гипоксии начинает действовать укороченный путь переноса электронов, основным субстратом становится сукцинат, который в настоящее время широко используется как лечебное и профилактическое средство в кардиологии, геронтологии, при анемиях у детей. В случае блокирования цитохромоксидазы, временный эффект оказывают искусственные акцепторы электронов: метиленовый синий (+0.011 в),

аскорбат (+ 0,058 в).

Скорость окисления НАДН в дыхательной цепочке регулирует скорость реакций цикла Кребса, а соотношение АДФ/АТФ - скорость тканевого дыхание. Изменение скорости тканевого дыхания в зависимости от концентрации АДФ носит название дыхательный контроль. Понятно, что повышение содержания АДФ увеличивает скорость тканевого дыхания, а понижение – соответственно снижает.

В медицинской практике используется кислород в в лечебных целях.. Примером может служить гипербарическая оксигенация, которую применяют при нарушении кровообращения.. Но ни в коем случае не значит, что поступление кислорода в ткани увеличивает интенсивность синтеза АТФ. Кислород обеспечивает только беспрепятственную возможность образования АТФ путем окислительного фосфорилирования..

Синтез АТФ происходит внутри МХ, а все энергозависимые и энергопотребляющие процессы происходят в иных структурах клетки.

Между митохондрией и цитозолем происходит обмен АДФ и АТФ. В мембране митохондрии есть особый белок АТФ/АДФ-антипортер, который осуществляет перенос этих нуклеотидов через мембрану МХ.

Молекула АДФ поступает в матрикс МХ только при условии выхода АТФ из матрикса.

Матрикс цитозоль

АТФ-----------------------------АТФ

АДФ ----------------------------АДФ

На транспорт расходуется примерно 25% энергии переноса электронов. Транспорт фосфата, необходимого для синтеза АТФ в матриксе МХ, и кальция, также связаны с системой переноса электронов в дыхательной цепочке.

Образование активных форм кислорода

Активные формы кислорода: суперокид-анион, пероксид водорода, гидроксид – радикал.

Основное место образования

- микросомальная цепь переноса электронов ( цит. р-450),

- частично могут возникать в митохондриальной цепи переноса электронов

- в результате ферментативных реакций с участием ксантиноксидазы, алкогольоксидазы

- неферментативных процессов - аутоокисление адреналина, гемоглобина, глутатиона.

Активные формы кислорода обнаружены во всех биологических жидкостях организма: крови, слюне, слезе.

Одноэлектронный перенос сопровождается образованием супероксида - анион-радикала (содержит одиночный неспаренный электрон и заряд минус)

О2 + е = О2-

На второй стадии восстановления образуется анион пероксида и пероксид водорода

О2- + е = О2 2- О2 2- + 2Н+ = Н2О2

Возможно участие воды, среда в процессе реакции становится щелочной.

О2 2- + 2Н 2О = Н2О2 + 2 ОН -

На третьей стадии возникают радикал и анион гидроксида (среда вновь щелочная)

Н2О2 + е = НО. + НО-

На последней стадии восстановление сопровождается образованием иона оксида О 2-

Свободный ион О 2- реагирует с водой, и вновь образуется ион гидроксида..

О 2- + Н 2О = 2 ОН -

Образование воды возможно только в случае восстановления кислорода в системе переносчиков электронов ( мембраны митохондрий и микросом)

О 2- + 2Н+ = Н 2О

Супероксидный анион является высокотоксичным и относительно стабильным радикалом.

Он взаимодействует с молекулами белка, липопротеинами, вызывает разрыв спирали ДНК, окисление тиольных групп, вызывает перекисное окисление липидов, создает структурные нарушения биологических мембран. В физиологических условиях концентрация супероксида чрезвычайно низкая 8. 10 -12. М. Примерно 80% супероксидного аниона превращается в пероксид водорода с участием фермента супероксиддисмутазы (СОД).

2 О2- + 2 Н + = Н 2 О 2 + О2 или

2 О2- + 2 Н 2О = Н 2 О 2 + О2 + 2 ОН-

Активно этот процесс протекает в макрофагах момент фагоцитоза.

Фермент СОД принято называть представителем ферментативной антиоксидантной защиты( АОЗ) в клетке.

Без участия СОД происходит спонтанная дисмутация супероксидного аниона, в результате которой образуется весьма активный и реакционноспособный синглетный кислород

2 О2- + 2 Н + = Н2О 2 + “O2

СОД встречается у всех аэробных организмов. Относится к металлоферментам. Содержит в активном центре ионы меди, марганца, железа, цинка. У человека, независимо от места локализации, в активном центре медь и цинк. Ионы цинка стабилизируют конформационную структуру, а ионы меди находятся в каталитическлм центре.

Цинк также обнаружен в активных центрах карбоангидразы и алкогольдегидрогеназы и необходим для стабилизации структуры белка - гормона инсулина.

Ген Сu-Zn-СОД у человека находится на 21 хромосоме. Высокий уровень активности отмечен в печени, почках, головном мозге, надпочечниках, щитовидной железе. В форменных элементах активность снижается в последовательности:

тромбоциты - эритроциты - лимфоциты - гранулоциты.

Низкая активность СОД характерна для сердца, костного мозга и селезенки.

Перевод супероксидного аниона в пероксид водорода не устраняет полностью токсичного действия.

Пероксид водорода образуется и в других биохимических реакциях:

- окисление аминов ФАД - зависимой моноаминооксидазой

- при метаболизме пуриновых соединений ( гипоксантин - ксантин - мочевая кислота) в тканях и, особенно, в процессе трансформации моноцитов в макрофаги. Физиологическая концентрация пероксида водорода 10-9 - 10-7 М.

Пероксид водорода обладает двойственной реакционной способностью окислителя и восстановителя, но в биологических системах, где много восстановителей, пероксид водорода ведет себя как достаточно сильный окислитель. Окисляет тиольные группы белков, ион железа( Fe 2+ ) в гемоглобине, превращая его в метгемоглобин( Fe 3+ ), усиливает пероксидацию липидов и нарушает проницаемость биомембран,

Пероксид водорода разрушается каталазой, которая относится к гемсодержащим ферментам.

Каталаза, глутатионпероксидаза и глутатионредуктаза относятся к ферментам антиперекисной защиты( АПЗ).

Каталаза является наиболее распространенным ферментом. Содержится в печени, почках, мышцах, головном мозге, костном мозге, селезенке, легких, сердечной мышце, присутствует в жидких средах организма – крови, слюне, моче, ликворе.

Место локализации каталазы – митохондрии и пероксисомы.

Каталаза может не только разлагать пероксид водорода( каталазная функция), но и окислять эндогенные и экзогенные субстраты с участием пероксида водорода ( пероксидазная активность). Пероксидазное действие наблюдается при высокой концентрации субстратов, например, этанола, который окисляется в ацетальдегид..

Каталаза

С 2 Н 5 ОН + Н 2 О 2 --------------------- СН 3 СНО + 2 Н2 О

Глутатионпероксидаза наряду с каталазой проявляет антиперекисное действие.

В активном центре одной их форм глутатионпероксидазы содержится селен, роль переносчика электронов выполняет трипептид глутатион: γ - глутамат - цистеин -

глицин ( G-SH - восстановленная форма, G-S -S-G- окисленная)

глутатионпероксидаза

Н 2 О 2 + 2 G-SH ---------------------------- G-S -S-G + 2 Н2О

Одновременно( сопряженно) протекает реакция восстановления окисленного глутатиона с помощью НДФН - зависимого фермента глутатионредуктазы. Необходимый для этой реакции НАДФН образуется преимущественно в реакциях пентозофосфатного цикла при действии фермента глюкозо-6-фосфатдегидрогеназы.

глутатионредуктаза

НАДФН + Н+ + G-S -S-G ---------------------------НАДФ + 2 G-SH

Помимо ферментативной АО и АП защиты существуют неферментативные биохимические механизмы, обеспечивающие поддержание гомеостаза при действии активных форм кислорода.

Неферментативная антиоксидантная защита.

К представителям неферментативной антиоксидантной защиты следует отнести эндогенные антиоксиданты, представителями которых являются:

- жирорастворимые витамины Е ( α –токоферол) , А ( ß- каротиноиды )

- водорастворимый витамин С ( аскорбиновая кислота)

- низкомолекулярные метаболиты и природные вещества : аминокислоты ( цистеин,

метионин, аргинин), глутатион, холестерин, мочевая кислота, билирубин и ряд других

веществ

- белки плазмы крови( церулоплазмин)

Подготовлено доц.

Утверждено на заседании кафедры

«_______» 2010