Биологическое окисление

Хорошо известно, что смесь соединений, образующих сопряженную кислотно-

щелочную пару, в соотношении 50:50 действует как буфер, поддерживающий

определенное «давление протонов» (рН), величина которого определяется

константой диссоциации кислоты. Точно таким же образом смесь компонентов

пары в соотношении 50:50 поддерживает определенное «давление

электронов», или окислительно-восстановительный потенциал (редокс-

потенциал) Е, служащий мерой сродства молекулы-переносчика к электронам.

Помещая электроды в раствор с соответствующими окислительно-

восстановительными парами, можно измерить редокс-потенциал каж-дого

переносчика электронов, участвующего в биологических окислительно-

восстановительных реакциях. Пары соединений с наиболее отрицательными

значениями редокс-потенциала обладают наименьшим сродством к электронам,

т.е. coдepжaт перенocчики с наименьшей тенденцией принимать электроны и

наибольшей тенденцией их отдавать. Например, смесь НАДH и НАД+ (50:50)

имеет редокс-потенциал -320 мВ, что указывает на сильно выраженную

способность НАДH отдавать электроны, тогда как редокс-потенциал смеси

равных количеств Н2О и ЅО2 составляет +820 мВ, что означает сильную

тенденцию 02 к принятию электронов.

Резкий перепад имеет место в пределах каждого из трех главных

дыхательных комлексов. Разность потенциалов между любыми_двумя

переносчиками электронов прямо пропорциональна энергии, высвобождаемой

при переходе электрона от одного переносчика к другому. Каждый комплекс

действует как энергопреобразующее устройство, направляя эту свободную

энергию на перемещение протонов через мембрану, что приводит к созданию

электрохимического протонного градиента по мере прохождения электронов по

цепи.

Для работы энергопреобразующего механизма, лежащего в основе

окислительного фосфорилирования, нужно, чтобы каждый ферментный комплекс

дыхательной цепи был ориентирован во внутренней митохондриальной мембране

определенным образом – так, чтобы все протоны перемещались в одном

направлении, т. е. из матрикса наружу. Такая векторная организация

мембранных белков была продемонстрирована с помощью специальных зондов,

не проходящих сквозь мембрану, которыми метили комплекс только с какой-

нибудь одной стороны мембраны. Специфическая ориентация в бислоe

свойственна всем мембранным белкам и очень важна для их функции.

Механизмы перекачивания протонов компонентами дыхательной цепи.

В процессе окислительного фосфорилирования при окислении одной молекулы

НАДН (т.е. при прохождений двух электронов через все три ферментных

комплекса) образуется не более трех молекул АТФ. Если предположить, что

обратное прохождение трех протонов через АТФ-синтетазу обеспечивает синтез

одной молекулы АТФ, можно будет заключить, что в среднем перенос одного

электрона каждым комплексом сопровождается перемещением полутора протонов

(иными словами, при транспорте одного электрона некоторые комплексы

перекачивают один протон, а другие - два протона). Вероятно, у разных

компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения

транспорта электронов с перемещением протонов. Аллостерические изменения

конформации белковой молекулы, связанные с транспортом электронов, могут в

принципе сопровождаться «перекачиванием» протонов, подобно тому как

перемещаются протоны при обращении действия АТФ-синтетазы. При переносе

каждого электрона хинон захватывает из водной среды протон, который затем

отдает при высвобождении электрона. Поскольку убихинон свободно

передвигается в липидном бислое, он может принимать электроны вблизи

внутренней поверхности мембраны и передавать их на комплекс b-с1 около ее

наружной поверхности, перемещая при этом через бислой по одному протону на

каждый перенесенный электрон. С помощью более сложных моделей можно

объяснить и перемещение комплексом b-c1 двух протонов на каждый

электрон, предположив, что убихинон повторно проходит через комплекс b-c1

в определенном направлении.

В отличие от этого молекулы, передающие электроны цитохромоксидазному

комплексу, по-видимому, не переносят протонов, и в этом случае транспорт

электронов, вероятно, связан с определенным аллостерическим изменением

конформации белковых молекул, в результате которого какая-то часть

белкового комплекса сама переносит протоны.

Действие разобщителей.

С 40-х годов известен ряд липофильных слабых кислот, способных

действовать как разобщающие агенты, т.е. нарушать сопряжение транспорта

электронов с синтезом АТФ. При добавлении к клеткам этих низкомолекулярных

органических соединений митохондрии прекращают синтез АТФ, продолжая при

этом поглощать кислород. В присутствии разобщающего агента, скорость

транспорта электронов остается высокой, но протонный градиент не создается.

Это простое объяснение этого эффекта: разобщающие агенты (например,

динитрофенол, тироксин) действуют как переносчики Н+ (Н+-ионофоры) и

открывают дополнительный путь - уже не через АТФ-синтетазу – для потока Н+

через внутреннюю митохондриальную мембрану.(13, 2000(

Дыхательный контроль.

Когда к клеткам добавляют разобщающий агент, например динитрофенол,

поглощение кислорода митохондриями значительно возрастает, так как скорость

переноса электронов увеличивается. Такое ускорение связано с

существованием дыхательного контроля. Полагают, что этот контроль основан

на прямом инги6ирующем влиянии электрохимического протонного градиента на

транспорт электронов. Когда в присутствии разобщителя

электрохимический градиент исчезает, не контролируемый более транспорт

электронов достигает максимальной скорости. Возрастание градиента

притормаживает дыхательную цепь, и транспорт электронов замедляется. Более

того, если в эксперименте искусственно создать на внутренней

мембране необычно высокий электрохимический градиент, то нормальный

транспорт электронов прекратится совсем, а на некоторых участках

дыхательной цепи можно будет обнаружить обратный поток электронов. Это

позволяет предполагать, что дыхательный контроль отражает простой баланс

между изменением свободной энергии при перемещении протонов, сопряженного с

транспортом электронов, и изменением свободной энергии при самом транспорте

электронов.Величина электрохимического градиента влияет как на скорость,

так и на направление переноса электронов, так же как и на направление

действия АТФ-синтетазы.

Дыхательный контроль - это лишь часть сложной системы взаимосвязанных

регуляторных механизмов с обратными связями, координирующей скорости

гликолиза, расщепления жирных кислот, реакций цикла лимонной кислоты и

транспорта электронов. Скорости всех этих процессов зависят от отношения

АТФ:AДФ - они возрастают, когда это отношением уменьшается в результате

усиленного использования АТФ. Например, АТФ-синтетаза внутренней

митохондриальной мембраны работает быстрее, когда концентрации ее

субстратов, т. е. .AДФ и Фн, увеличиваются. Чем выше скорость этой реакции,

тем больше протонов перетекает в матрикс, быстрее рассеивая тем самым

электрохимический градиент; а уменьшение градиента в свою очередь приводит

к ускорению транспорта электронов.[1,1994]

Митохондрии бурой жировой ткани – генераторы тепла.

Всем позвоночным в молодом возрасте для образования тепла, в дополнение к

механизму мышечного тремора, необходимо термогенное устройство. Такого рода

устройство особенно важно для животных, впадающих в зимнюю спячку. Мышцы в

состоянии тремора сокращаются и при отсутствии нагрузки, используя

сократительные белки для гидролиза АТФ обычным для мышечных клеток образом

и освобождая в виде тепла всю энергию, потенциально доступную при гидролизе

АТФ. Необходимость особого термогенного устройства определяется прочно

сопряженным окислительным фосфорилированием нормальных митохондрий. Если бы

этот процесс мог быть разобщен, как это бывает в присутствии динитрофенола,

он мог бы служить в качестве адекватного приспособления, производящего

тепло; именно так это происходит в митохондриях бурого жира. Хотя эти

митохондрий обладают обычной обратимой АТФазой, в них имеется также

трансмембранная протонная транслоказа, посредством которой протоны могут

возвращаться в матрикс и электрически шунтировать работу АТФазы. Если этот

процесс достаточен для того, чтобы поддерживать окислительно-

восстановительный потенциал водорода значительно ниже 200 мВ, синтез АТФ

становится невозможным и окислительный процесс протекает свободно, в

результате чего вся энергия освобождается в виде тепла.[2, 1994]

Цикл лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот, цикл Кребса).

Цикл лимонной кислоты представляет собой серию реакций, протекающих в

митохондриях, в ходе которых осуществляется катаболизм ацетильных групп и

высвобождение водородных эквивалентов; при окислении последних

поставляется свободная энергия топливных ресурсов тканей. Ацетильные группы

находятся в составе ацетил-КоА (активного ацетата), тиоэфира кофермента А.

Главная функция цикла лимонной кислоты состоит в том, что он является

общим конечным путем окисления углеводов, белков и жиров, поскольку в ходе

метаболизма глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты превращаются либо в

ацетил-СоА, либо в промежуточные соединения цикла. Цикл лимонной кислоты

играет также главную роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования,

дезаминирования и липогенеза, Хотя ряд этих процессов протекает во многих

тканях, печень - единственный орган, в котором идут все перечисленные

процессы. Поэтому серьезные последствия вызывает повреждение большого числа

клеток печени или замещение их соединительной тканью. О жизненно важной

роли цикла лимонной кислоты свидетельствует и тот факт, что у человека

почти не известны генетические изменения ферментов, катализирующих реакции

цикла, так как наличие таких нарушений несовместимо с нормальным

развитием.[10,1993]

Открытие ЦТК.

Впервые предположение о существовании такого цикла для окисления

пирувата в животных тканях было высказано в 1937 году Гансом Кребсом. Эта

идея родилась у него, когда он исследовал влияние анионов различных

органических кислот на скорость поглощения кислорода суспензиями

измельченных грудных мышц голубя, в которых происходило окисление пирувата.

Грудные мышцы отличаются чрезвычайно высокой интенсивностью

дыхания, что делает их особенно удобным объектом для изучения окислительной

активности. Кребс также подтвердил, что обнаруженные ранее в животных

тканях другие органические кислоты (янтарная, яблочная, фумаровая и

щавелевоуксусная) стимулируют окисление пирувата. Кроме того, он нашел, что

окисление пирувата мышечной тканью стимулируется шестиуглеродными

трикарбоновыми кислотами - лимонной, цис-аконитовой и изолимонной, а также

пятиуглеродной (-кетоглутаровой кислотой. Испытаны были и некоторые другие

встречающиеся в природе органические кислоты, но ни одна из них не

обнаружила подобной активности. Обращал на себя внимание сам характер

стимулирующего действия активных кислот: даже малого количества любой из

них было достаточно для того, чтобы вызвать окисление во много раз большего

количества пирувата.[9, 1991]

Простые эксперименты, а также логические рассуждения позволили Кребсу

высказать предположение, что цикл, который он назвал циклом лимонной

кислоты, является главным путем окисления углеводов в мышце. После, цикл

лимонной кислоты был обнаружен практически во всех тканях высших животных и

растений и у многих аэробных микроорганизмов. За это важное открытие Кребс

был удостоен в 1953 году Нобелевской премии. Юджин Кеннеди и Альберт

Ленинджер показали позднее, что все реакции цикла лимонной кислоты

протекают в митохондриях животных клеток. В изолированных митохондриях

печени крысы были обнаружены не только все ферменты и коферменты цикла

лимонной кислоты; здесь же, как выяснилось, локализованы все ферменты и

белки, которые требуются для последней стадии дыхания, т.е. для переноса

электронов и окислительного фосфорилирования. Поэтому митохондрии с полным

правом называют «силовыми станциями» клетки.

Катаболическая роль цикла лимонной кислоты

Цикл начинается со взаимодействия молекулы ацетил-СоА с

щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом), в результате которого

образуется шестиуглеродная трикарбоновая кислота, называемая лимонной.

Далее следует серия реакций, в ходе которых происходит высвобождение двух

молекул С02 и регенерация оксалоацетата. Поскольку количество

оксалоацетата, необходимое для превращения большого числа ацетильных единиц

в С02, весьма невелико, можно считать, что оксалоацетат выполняет

каталитическую роль.

Цикл лимонной кислоты является механизмом, обеспечивающим улавливание

большей части свободной энергии, освобождаемой в процессе окисления

углеводов, липидов и белков. В процессе окисления ацетил-СоА благодаря

активности ряда специфических дегидрогеназ происходит образование

восстановительных эквивалентов в форме водорода или электронов. Последние

поступают в дыхательную цепь; при функционировании этой цепи

происходит окислительное фосфорилирование, то есть синтезируется АТФ.

Ферменты цикла лимонной кислоты локализованы в митохондриальном

матриксе, где они находятся либо в свободном состоянии, либо на внутренней

поверхности внутренней митохондриальной мембраны; в последнем случае

облегчается перенос восстановительных эквивалентов на ферменты

дыхательной цепи, локализованные во внутренней митохондриальной

мембране.[11, 1989]

Реакции ЦТК.

Начальная реакция - конденсация ацетил-СоА и оксалоацетата,

катализируется конденсирующим ферментом, цитратсинтетазой, при этом

происходит образование связи углерод-углерод между метальным углеродом

ацетил-СоА и карбонильным углеродом оксалоацетата. За реакцией конденсации,

приводящей к образованию цитрил-СоА, следует гидролиз тиоэфирной связи,

сопровождающийся потерей большого количества свободной энергии в форме

теплоты; это определяет протекание реакции слева на право до ее завершения:

Ацетил-СоА + Оксалоацетат + Н2О > Цитрат + CoA-SH

Превращение цитрата в изоцитрат катализируется аконитазой, содержащей

железо в двухвалентном состоянии. Эта реакция осуществляется в две стадии:

сначала происходит дегидратация с образованием цис-аконитата (часть его

остается в комплексе с ферментом), а затем - гидратация и образование

изоцитрата:

Цитрат ? цис -Аконитат ? Изоцитрат – Н2О

Реакция ингибируется фторацетатом, который сначала превращается во

фторацетил-СоА; последний конденсируется с оксалоацетатом, образуя

фторцитрат. Непосредственным ингибитором аконитазы является

фторцитрат, при ингибировании накапливается цитрат.

Эксперименты с использованием промежуточных соединений показывают,

что аконитаза взаимодействует с цитратом ассиметрично: она всегда действует

на ту часть молекулы цитрата, которая образовалась из оксалоацетата.

Возможно, что цис-аконитат не является обязательным интермедиатом между

цитратом и изоцитратом и образуется на боковой ветви основного пути.

Далее изоцитратдегидрогеназа катализирует дегидрогенирование с

образованием оксалосукцината. Описаны три различных формы

изоцитратдегидрогеназы. Одна из них, НАД-зависимая, найдена только в

митохондриях. Две другие формы являются НАДФ-зависимыми, причем одна из них

также находится в митохондриях, а другая в цитозоле. Окисление изоцитрата,

связанное с работой дыхательной цепи, осуществляется почти исключительно

НАД-зависимым ферментом:

Изоцитрат + НАД+ ? Оксалосукцинат (в комплексе с ферментом) ?

альфакетоглутарат + СО2+ НАДН2

Рисунок 5. Реакции цикла Кребса.[10,1993]

Далее следует декарбоксилирование с образованием

альфакетоглутарата, которое также катализируется

изоцитратдегидрогеназой. Важным компонентом реакции

декарбоксилирования являются ионы Mg2+ (или Мn2+). Судя по имеющимся

данным, оксалосукцинат, образующийся на промежуточной стадии реакции,

остается в комплексе с ферментом.

Альфакетоглутарат, в свою очередь, подвергается окислительному

декарбоксилированию, сходному с окислительным декарбоксилированием

пирувата: в обоих случаях субстратом является альфакетокислота. Реакция

катализируется альфакетоглутаратдегидрогеназным комплексом и требует

участия того же набора кофакторов - тиаминдифосфата, липоата, НАД+, ФАД и

СоА; в результате образуется сукцинил-СоА - тиоэфир, содержащий

высокоэнергетическую связь.

?-кетоглуторат + НАД+ + CoA-SH > Сукцинил-СоА + СО2 + НАДН+Н+

Равновесие реакции настолько сильно сдвинуто в сторону образования

сукцинил-СоА, что ее можно считать физиологически однонаправленной. Как и

при окислении пирувата, реакция ингибируется арсенатом, что приводит к

накоплению субстрата (альфакетоглутарат).

Продолжением цикла является превращение сукцинил-СоА в сукцинат,

катализируемое сукцинаттиокиназой (сукцинил-СоА-синтетазой):

Сукцинил-СоА + ФН + ГДФ? Сукцинат + ГТФ + CoA-SH

Одним из субстратов реакций является ГДФ (или ИДФ), из которого в

присутствии неорганического фосфата образуется ГТФ (ИТФ). Это -

единственная стадия цикла лимонной кислоты, в ходе которой генерируется

высокоэнергетическая фосфатная связь на субстратном уровне; при

окислительном декарбоксилировании ?-кетоглутарата потенциальное количество

свободной энергии достаточно для образования НАДН и высокоэнергетической

фосфатной связи. В реакции, катализируемой фосфокиназой, АТФ может

образовываться как из ГТФ, так и из ИТФ. Например:

ГТФ+АДФ (ГДФ+АТФ.

В альтернативной реакции, протекающей во внепеченочных тканях и

катализируемой сукцинил-СоА-ацетоацетат-СоА-трансферазой, сукцинил-СоА

превращается в сукцинат сопряженно с превращением ацетоацетата в

ацетоацетил-СоА. Впечени имеется диацилазная активность,

обеспечивающая гидролиз части сукцинил-СоА с образованием сукцината и СоА.

Далее сукцинат дегидрогенируется, затем присоединяется молекула воды, и

следует еще одна стадия дегидрогенирования, приводящая к регенерации

оксалоацетата:

Сукцинат + ФАД ( Фумарат + ФАДН2

Первое дегидрогенирование катализируется сукцинатдегидрогеназой,

связанной с внутренней поверхностью внутренней митохондриальной мембраны.

Это единственная дегидрогеназная реакция ЦТК, в ходе которой осуществляется

прямой перенос с субстрата на флавопротеин без участия НАД+. Фермент

содержит ФАД и железо-серный белок. В результате дегидрогенирования

образуется фумарат. Как показали эксперименты с использованием изотопов,

фермент стереоспецифичен к транс-атомам водорода метиленовых групп

сукцината. Добавление малоната или оксалоацетата ингибирует

сукцинатдегидрогеназу, что приводит к накоплению сукцината.

Фумараза (фумаратгидротаза) катализирует присоединение воды к фумарату

с образованием малата:

Фумарат +Н2О ( L-малат

Фумараза специфична к L-изомеру малата, она катализирует присоединение

компонентов молекулы воды по двойной связи фумарата в транс-конфигурации.

Малатдегидрогеназа катализирует превращение малата в оксалоацетат, реакция

идет с участием НАД+:

L-малат + НАД+ ( 0ксалоацетат + НАДН2

Хотя равновесие этой реакции сильно сдвинуто в направлении малата,

реально она протекает в направлении оксалоацетата, поскольку он вместе с

НАДН постоянно потребляется в других реакциях.

Ферменты цикла лимонной кислоты, за исключением

альфакетоглутарат- и сукцинатдегидрогеназы, обнаруживаются и вне

митохондрий. Однако некоторые из этих ферментов (например,

малатдегидрогеназа) отличаются от соответствующих митохондриальных

ферментов.

Энергетика цикла лимонной кислоты.

В результате окисления, катализируемого дегидрогеназами ЦТК, на каждую

катаболизируемую за период одного цикла молекулу ацетил-СоА образуются три

молекулы НАДН и одна молекула ФАДН2. Эти восстановительные эквиваленты

передаются в дыхательную цепь, локализованную в митохондриальной мембране.

При прохождении по цепи восстановительные эквиваленты НАДН

генерируют три высокоэнергетические фосфатные связи посредством

образования АТФ из АДФ в процессе окислительного фосфорилирования. За счет

ФАДН2 генерируется только две высокоэнергетические фосфатные связи,

поскольку ФАДН2 переносит восстановительные эквиваленты на кофермент Q и,

следовательно, в обход первого участка цепи окислительного

фосфорилирования в дыхательной цепи. Еще один высокоэнергетический фосфат

генерируется на одном из участков цикла лимонной кислоты, то есть на

субстратном уровне, при превращении сукцинил-СоА в сукцинат. Таким образом,

за период каждого цикла образуется 12 новых

высокоэнергетических фосфатных связей.

Регуляция цикла лимонной кислоты.

Основные процессы, которые поставляют и запасают энергию в клетках,

могут быть в общей форме изображены следующим образом:

глюкоза пируват ( ацетил-СоА жирные кислоты

AДФ

АТФ

С02

Регуляция этой системы inter alia должна гарантировать постоянное

поступление АТФ соразмерно с существующими в данный момент энергетическими

потребностями, обеспечивать превращение избытка углеводов в жирные кислоты

через пируват и ацетил-СоА и наряду с этим контролировать экономное

расходование жирных кислот через ацетил-СоА как ключевой продукт для входа

в цикл лимонной кислоты.

Цикл лимонной кислоты поставляет электроны в электронпереносящую

систему, в которой поток электронов сопряжен с синтезом АТФ и в меньшей

степени снабжает восстановительными эквивалентами системы биосинтеза

промежуточных продуктов. В принципе цикл не может протекать быстрее, чем

это позволяет использование образуемой АТФ. Если бы весь AДФ клетки

превратился в АТФ , не могло бы быть никакого дальнейшего потока электронов

от НАДH, который накапливается, к 02. Ввиду отсутствия НAД+, необходимого

участника процессов дегидрирования цикла, последний перестал бы

функционировать. Существуют более тонкие регуляторные приспособления,

которые модулируют действие ферментов в самом цикле лимонной кислоты.

Сукцинатдегидрогеназа находится во внутренней митохондриальной

мембране. Все остальные ферменты растворены в матриксе, заполняющем

внутреннее пространство митохондрии. Измерения относительных количеств этих

ферментов и концентраций их субстратов в митохондриях указывают, что каждая

реакция протекает с одинаковой скоростью. Как только пируват (или другой

потенциальный источник ацетил-СоА) поступает внутрь матрикса митохондрии,

весь цикл протекает внутри этого отсека.

В некоторых участках стимуляция или ингибирование определяется

относительными концентрациями НAДH/НAД, ATФ/AДФ или АМФ, ацетил-СоА/СоА или

сукцинил-СоА/СоА. Когда эти отношения высоки, клетка достаточно обеспечена

энергией и поток через цикл замедлен; когда же они низки, клетка испытывает

потребность в энергии, и поток через цикл ускоряется.

Как необратимая реакция, соединяющая метаболизм углеводов с циклом

лимонной кислоты, пируватдегидрогеназная реакция должна хорошо

контролироваться. Это достигается двумя способами. Во-первых, фермент,

который активируется несколькими интермедиаторами гликолиза,

конкурентно ингибируется своими собственными продуктами - НAДH и ацетил-

СоА. При прочих равных условиях увеличение соотношения НAДH/НAД+ от 1 до 3

вызывает 90%-е снижение скорости реакции, а увеличение отношения ацетил-

СоА/СоА приводит к количественно подобному эффекту. Эффект проявляется

мгновенно. Медленнее возникают, но дольше действуют эффекты другого

регуляторного устройства. С сердцевиной каждой молекулы

дигидролипоилтрансацетилазы связано около пяти молекул киназы

пируватдегидрогеназы, которая за счет АТФ катализирует фосфорилирование

серинового остатка в (-цепи пируватдегидрогеназного компонента.

Будучи фосфорилирован, фермент не способен декарбоксилировать пируват.

Когда происходит окисление жирных кислот, пируватдегидрогеназа заметно

ингибируется. По-видимому, это явление объясняется сопутствующими

процессу окисления высокими концентрациями АТФ, ацетил-СоА и НAДH.

Большинство тканей содержат избыток пируватдегидрогеназы, так что после

приема корма в печени, а также в мышце и в жировой ткани у животных в

состоянии покоя лишь 40, 15 и 10% пируватдегидрогеназы соответственно

находится в активной, нефосфорилированной форме. Когда возрастает

потребность в АТФ, концентрации НAД+, СоА и AДФ возрастают за счет

использования НAДH, ацетил-СоА и АТФ, а киназа инактивируется. Однако

фосфатаза продолжает функционировать вновь активируя дегидрогеназу.

Повышение Са2+ может активировать митохондриальную фосфатазу.

Синтез цитрата - стадия, лимитирующая скорость цикла лимонной кислоты.

Регуляция этой стадии совершается благодаря небольшому, но достаточно

значимому ингибированию цитрат-синтетазы посредством НAДH и сукцинил-СоА.

Основное же влияние на скорость синтеза цитрата оказывает поступление

субстрата.

Активность изоцитратдегидрогеназы регулируется в зависимости от

концентраций Mg2+, изоцитрата, НAД+, НAДH и АМФ. Кроме

субстратсвязывающих центров для НAД+, изоцитрата и Mg2+ фермент имеет еще и

положительные, и отрицательные эффекторные участки. Изоцитрат -

положительный эффектор; его связывание кооперативно, т. е. связывание на

каком-либо одном участке облегчает связывание на других. Оба участка

связывания для АМР стимулируют активность фермента.

Таким образом, ферментная активность определяется отношениями НAД+/НAДH

и АМФ/АТФ.

АМФ - положительный эффектор комплекса (-кетоглутаратде-

гидрогеназы, который в этом отношении напоминает изоцитратдегидрогеназу. В

области физиологических концентраций и сукцинил-СоА, и НAДH обладают

ингибирующим действием, причем концентрация сукцинил-СоА, по-видимому,

главный фактор, управляющий скоростью процесса.

Сукцинатдегидрогеназа напоминает изоцитратдегидрогеназу в том

отношении, что субстрат (сукцинат) выполняет функцию положительного

аллостерического эффектора. Оксалоацетат - мощный ингибитор, однако

неясно, действует ли этот контроль в нормальных условиях.[5,2000]

В цикле лимонной кислоты выполняют специфические функции четыре

водорастворимых витамина группы В. Рибофлавин входит в состав ФАД, который

является кофактором альфакетоглутаратдегидрогеназного комплекса и

сукцинатдегидрогеназы. Ниацин входит в состав НАД, который является

коферментом трех дегидрогеназ цикла: изоцитратдегидрогеназы,

альфакетоглуторатдегидрогеназы и малатдегидрогеназы. Тиамин

(витамин В1) входит в состав тиаминдифосфата, который является коферментом

альфакетоглутаратдегидрогеназы. Пантотеновая кислота входит в состав

кофермента А, который является кофактором, связывающим активные ацильные

остатки.

Макроэргические соединения и макроэргические связи.

В клетках, освобождающаяся в результате катаболических процессов

распада питательных веществ, свободная энергия может быть использована для

осуществления многих химических реакций, протекающих с затратой энергии.

Запасание энергии происходит в виде богатых энергией химических связей

особого класса соединений, большинство из которых являются ангидридами

фосфорной кислоты (нуклеозидтрифосфаты).

Существуют высокоэнергетические и низкоэнергетические фосфаты. Условной

границей для этих двух групп соединений является величина свободной

энергии гидролиза фосфатной связи. Следовательно,

высокоэнергетические фосфаты имеют богатую энергией высокоэргическую

(макроэргическую) связь.

Энергию связи определяют как разницу свободных энергий соединений,

содержащего эту связь, и соединений, получающихся после ее разрыва.

Макроэргическими (богатыми энергией) принято считать те связи, при

гидролизе которых изменения свободной энергии системы составляют более 21

кДж/моль.

Центральную роль в энергообмене клеток всех типов осуществляет система

адениновых нуклеотидов, которая включает в себя АТФ, АДФ и АМФ, а также

неорганический фосфат и ионы магния. АТФ является термодинамически

неустойчивой молекулой и гидролизуется с образованием АДФ и АМФ. Именно эта

неустойчивость позволяет АТФ выполнять функцию переносчика химической

энергии, необходимой для удовлетворения большей части энергетических

потребностей клеток. К соединениям, обладающим богатой энергией связью,

помимо АТФ, относится также УТФ, ЦТФ, ГТФ, ТТФ, креатинфосфат, пирофосфат,

некоторые тиоэфиры (например, ацетил-КоА), фосфоенолпируват, 1,3-

бифосфоглицерат и ряд других соединений.

При гидролизе АТФ в стандартных условиях изменение свободной энергии

составляет -30,4 кДж/моль. В физиологических условиях реальная свободная

энергия гидролиза концевой фосфатной связи АТФ будет иная и приближается к

-50,0 кДж/моль.

Возможно несколько вариантов освобождения энергии фосфатных связей

АТФ. Основной вариант - это отщепление концевого фосфата АТФ (АТФ+Н2О

(АДФ+Н3РО4). Другой вариант - пирофосфатное расщепление АТФ (АТФ+Н20

(АМФ+Н4Р2О7). Этот тип реакции значительно реже используется в

биохимических процессах.

Накопление энергии в специфических фосфатных связях АТФ лежит в

основе механизма переноса энергии в живой клетке. Есть основания считать,

что в клетке существуют три основных типа перехода энергии АТФ:

в энергию химических связей, в тепловую энергию и энергию, затрачиваемую на

совершение работы (осмотической, электрической, механической и

др.).[15,1997]

Витамин PP.

Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид, ниацин) называют

антипеллагрическим витамином (от итал. Preventive pellagra –

«предотвращающий пеллагру»), поскольку его отсутствие является причиной

заболевания, называемого пеллагрой.

Никотиновая кислота известна давно, однако только в 1937 году она была

выделена К. Эльвегеймом из экстракта печени и было показано, что введение

никотиновой кислоты (или ее амида - никотинамида) или препаратов печени

предохраняет от развития или излечивает от пеллагры.

Никотиновая кислота представляет собой соединение пиридинового ряда,

содержащее карбоксильную группу (никотинамид отличается наличием амидной

группы).

Витамин РР мало растворим в воде (порядка 1%), но хорошо растворим в

водных растворах щелочей. Никотиновая кислота кристаллизуется в виде белых

игл.

Наиболее характерными признаками пеллагры (от итал. pelle agra

-шершавая кожа), являются поражения кожи (дерматиты), желудочно-кишечного

тракта (диарея) и нарушения нервной деятельности (деменция).

Дерматиты чаще всего симметричны и поражают те участки кожи, которые

подвержены влиянию прямых солнечных лучей: тыльную поверхность кистей рук,

шею, лицо; кожа становится красной, затем коричневой и шершавой. Поражения

кишечника выражаются в развитии анарексии, тошноты и болей в области

живота, поноса. Диарея приводит к обезвоживанию организма. Слизистая

оболочка толстого кишечника сначала воспаляется, затем изъязвляется.

Специфичными для пеллагры являются стоматиты, гингивиты, поражения языка со

вздутием и трещинами. Поражения мозга выражаются в головных болях,

головокружениях, повышенной раздражимости, депрессии и других симптомах,

включая психозы, психоневрозы, галлюцинации и другие. Симптомы пеллагры

особенно резко выражены у больных с недостаточным белковым питанием.

Установлено, что это объясняется недостатком триптофана, который является

предшественником никотинамида, частично синтезируемого в тканях человека и

животных, а также недостатком ряда других витаминов.

Витамин РР играет роль кофермента в НАД-зависимых дегидрогеназах

(участниках тканевого дыхания), метаболизме углеводов и аминокислот, НАДФ-

зависимых ферментах (пентозного шунта и синтеза липидов), НМН-зависимых

энзимах (алкогольдегидрогеназа и маликфермент). Не менее важна роль его,

как субстрата поли-АДФ-рибозилирования. Данный процесс участвует в сшивке

хромосомных разрывов и в работе репаразной системы, а также имеет (при

нехватке НАД) ключевое значение в механизме некробиоза и апоптоза клеток,

особенно – высокоаэробных.[6,2000]

Показано, что ряд дегидрогеназ используют только НАД или НАДФ, другие

могут катализировать окислительно-восстановительные реакции в присутствии

любого из них. В процессе биологического окисления НАД и НАДФ выполняют

роль промежуточных переносчиков электронов и протонов между окисляемым

субстратом и флавиновыми ферментами.

Основными источниками никотиновой кислоты и ее амида являются рис,

хлеб, картофель, мясо, печень, почки, морковь и другие продукты.[18,1989]

Микросомальное окисление.

Монооксигеназные реакции.

Живые организмы содержат группу многочисленных и разнообразных

ферментов, получивших название монооксигеназ. В типичном случае один атом

кислородной молекулы обнаруживается в новой гидроксидной группе субстрата,

другой – восстанавливается до воды в процессе реакции. В соответствии с

этим реакция должна протекать при участии фермента, субстрата, кислородаи

какого-либо восстанавливающего агента.

Допамин-(-монооксигеназа, присутствующая в мозге и в хромаффинной

ткани, катализирует гидроксилирование 3,4-диоксифенилэтиламина до

норадреналина.

Фенолмонооксигеназы имеются у бактерий, растений, насекомых, а также в

печени и коже млекопитающих. Полимеризация о-хинона, образовавшегося в

результате цепочки реакции, катализируемых этими ферментами, лежит в основе

образования меланина.[7,2000]

Диоксигеназные реакции.

Ферменты, катализирующие реакции, в которых оба атома молекулярного

кислорода встраиваются в продукты реакции, называются диоксигеназами.

Известные в настоящее время ферменты этой группы могут содержать в качестве

активной группы гем или негемовое железо, а для действия некоторых

необходим (-кетоглутарат.

Железо-(-кетоглутаратдиоксигеназы – железозависимые ферменты,

катализирующие гидроксилирование субстрата в ходе процесса, в котором (-

кетоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию до сукцината:

М + О2 + (-кетоглутарат[pic] М-ОН + сукцинат + СО2 [5,2000]

Цитохромы – ферменты редокс-цепи.

Дальнейший перенос электронов от КоQН2 на О2 осуществляет система

цитохромов. Данная система состоит из ряда гемсодержащих белков

(гемпротеинов), открытых в 1886 году К. Мак-Мунном. Все они имеют

простетическую геминовую группу, близкую к гему гемоглобина. Цитохромы

отличаются друг от друга не только простетической группой, но и белковыми

компонентами. Все цитохромы, особенно в восстановленной форме, имеют

характерные спектры поглощения, величины окислительно-восстановительных

потенциалов также неодинаковы.

В имеющем широкое распространение механизме гидроксилирования путем

введения одного атома кислорода функциональный атом железа находится в

гемовой группе цитохрома – цитохрома Р450. Эти цитохромы обнаруживаются в

мембранах печеночной ЭПС, в митохондриях коры надпочечников, в почечной

щеточной кайме и в плазматических мембранах различных бактерий.

Катализируемая реакция такая же, как у всех других монооксигеназ.

МН + О2 + 2е + 2Н+ (МОН + Н2О

Цитохромы Р450 из печени относятся к числу индуцируемых ферментов; это

означает, что количество присутствующего фермента может увеличиваться в 25

раз при введении одного из многочисленных чужеродных соединений, например

фенобарбитала или метилхолантрена. Цитохромы обезвреживают ксенобиотики, а

также лимитируют время, в течение которого могут сохранять свою активность

некоторые наркотики. Лечение некоторых форм острой интоксикации может быть

облегчено введением индуктора, который в этом случае вообще безвреден.

Цитохромы Р450 коры надпочечников находятся в митохондриальной

мембране, где два отдельных фермента катализируют соответственно

расщепление боковых цепей холестерина до прегненолона и реакции

гидроксилирования различных стероидов.[2,1994]

Цитохром Р450 катализирует образование гидроксильных групп при синтезе

желчных кислот, стероидных гормонов, при катаболизме ряда веществ и обмене

чужеродных соединений.

Первая, обнаруженная в микросомах электронпереносящая система – это

система восстановления цитохрома b5 за счет NADH; цитохром b5

восстанавливается NADH-цитохром b5-редуктазой, содержащей на молекуле один

FAD, который совершает циклические переходы между полностью восстановленной

и окисленной формами. Цитохром b5 прочно связан с ЭПС своей обширной

гидрофобной областью. Хотя наружная поверхность области цитохрома, где

находится гем, гидрофильна, она лежит в глубокой гидрофобной щели, причем

карбоксильные группы пропионовой кислоты ориентированы наружу.

Восстановленный цитохром b5 медленно самоокисляется с образованием

супероксидного аниона. Этот механизм может быть основным генератором

супероксида в клетках печени.[11,1989]

Пероксидазный путь использования кислорода.

Молекулярный кислород является парамагнитным, потому что он содержит

два неспаренных электрона с параллельно ориентированными спинами. Эти

электроны находятся на разных орбиталях , поскольку два электрона не могут

занимать одну и ту же орбиталь, если только их спины не противоположны.

Соответственно восстановление кислорода путем прямого введения пары

электронов в его частично заполненные орбитали невозможно без «обращения»

спина одного из двух электронов. Спиновой запрет восстановления может быть

преодолен последовательным добавлением одиночных электронов. Полное

восстановление О2 до 2Н2О требует 4 электрона; при одноэлектронном

восстановлении в качестве промежуточных продуктов возникают супероксид,

пероксид водорода и гидроксидный радикал. Эти продукты очень

реакционноспособны, и их присутствие может представлять угрозу для

целостности живых систем. На самом деле ОН – наиболее мутагенный продукт

ионизирующей радиации – представляет собой чрезвычайно мощный окислитель,

который может атаковать все органические соединения. Одноэлектронное

восстановление кислорода инициирует цепь реакций, которые ведут к

образованию ОН:

О2 + е ( О2[pic] (1)

О2[pic] + Н[pic] (НО2 (2)

О2[pic]+ НО2 + Н[pic] ( Н2О2+О2 (3) [14,1996]

Супероксид-анион, образуемый в реакции (1), может протонироваться до

гидропероксидного радикала (2). Реакция (3) представляет собой спонтанную

дисмутацию, приводящую к образованию Н2О2+О2. Совокупность этих реакций

дает основание предполагать, что любая система, продуцирующая О2[pic],

будет также вскоре содержать Н2О2.

Ксантиноксидаза, альдегидоксидаза и многочисленные флавопротеиды

образуют О2[pic] и Н2О2, что происходит и при самопроизвольном окислении

гемоглобина, ферредоксинов, восстановленных цитохромом b5 гидрохинонов,

тетрагидроптеридинов и адреналина. Угроза для клеток, возникающая из-за

реакционноспособности О2[pic]и Н2О2, устраняется действием ферментов,

эффективно обезвреживающих эти соединения.[14,1996]

Ферментативная антиоксидантная защита.

Супероксиддисмутазы катализируют реакцию

О2[pic] + О2[pic]+ 2Н[pic]( Н2О2 + О2

Эти ферменты найдены во всех дышащих клетках, а также в различных

факультативно анаэробных бактериях. Супероксиддисмутазы – металлоферменты.

Их каталитический цикл включает восстановление и окисление иона металла,

например Cu, Mn или Fe, на активном центре.

Каталазная активность наблюдается почти во всех животных клетках и

органах. Печень, эритроциты и почки – богатые источники каталаз. Эта

активность также обнаруживается во всех растительных материалах и в

большинстве микроорганизмов, кроме облигатных анаэробов. В каждом случае

каталаза, вероятно, предотвращает аккумуляцию вредного Н2О2, образуемого

при аэробном окислении восстановленных флавопротеидов и из О2[pic]. Одна

молекула каталазы может разложить 44000 молекулы Н2О2 в секунду. Фактически

фермент почти не требует энергии активации, и скорость реакции полностью

определяется диффузией. Каталаза реагирует с Н2О2 с образованием

относительно стабильного фермент-субстратного комплекса.

Хотя пероксидазы встречаются относительно редко в животных тканях, в

печени и почках обнаружена слабая пероксидазная активность. Лейкоциты

содержат вердопероксидазу, которая ответственна за пероксидазную активность

гноя. Клетки фагоцитов содержат миелопероксидазу, которая окисляет ионы

галогенов, например I[pic], до свободного галогена – эффективного

бактерицидного агента.

Каталазную и пероксидазную реакции можно записать следующим образом:

НО ОН О

+ [pic] 2Н2О +

НО ОН О

НО ОН О

+ R[pic] 2Н2О + R

НО ОН О [5,2000]

Неферментативная антиоксидантная защита.

Аскорбиновая кислота (витамин С).

Витамин С легко окисляется до дегидроаскорбиновой кислоты, которая

нестабильна в щелочной среде, в которой происходит гидролиз лактонного

кольца с образованием дикетогулоновой кислоты.

Аскорбиновая кислота необходима для различных биологических

окислительных процессов. Витамин активирует окисление n-оксифенилпирови-

ноградной кислоты гомогенатами печени. В присутствии кислорода растворы,

содержащие ферро-ионы и аскорбат, катализируют гидроксилирование ряда

соединений. Витамин является антиоксидантом, участвует в метаболизме

фенилаланина, тирозина, пептидных гормонов, в синтезе жиров и белков,

необходим для образования коллагена, способствует сохранению целостности

соединительной и остеоидной тканей, обладает антиканцерогенным действием,

предотвращая образование канцерогенных нитрозаминов, участвует в

распределении и накоплении железа.[17,1995]

Витамин Е.

Витамин был выделен из масла зародышей пшеничных зерен в 1936 году и

получил название токоферол. Семь токоферолов, производных исходного

соединения токола, найдены в природных источниках; среди них наибольшее

распространение и наибольшую биологическую активность имеет (-токоферол.

Токоферолы обозначаются греческими буквами: альфа, бета, гамма и

дельта.[18,1989]

Витамин защищает клеточные структуры от разрушения свободными

радикалами, участвует в биосинтезе гема, препятствует тромбообразованию,

участвует в синтезе гормонов, поддерживает иммунитет, обладает

антиканцерогенным эффектом, обеспечивает нормальное функционирование мышц.

Рисунок 6. Механизм действия витамина.[8,2000]

Ткани животных с недостаточностью витамина Е, особенно сердечная и

скелетные мышцы, более быстро потребляют кислород, чем ткани нормальных

животных. (-Токоферол нелегко подвергается обратимому окислению.

Увеличенное потребление кислорода мышцами при недостаточности витамина

связаны, по-видимому, с пероксидным окислением ненасыщенных жирных кислот.

В других тканях, например в печени, это приводит к нарушению структуры

митохондрий и снижению дыхания. Имеются данные о том, что пероксидное

окисление ненасыщенных жирных кислот в эндоплазматическом ретикулуме

мышечных клеток приводит к освобождению лизосомальных гидролаз, в

результате развивается мышечная дистрофия. Все проявления недостаточности

витамина представляет собой вторичные явления, обусловленные отсутствием

торможения пероксидного окисления полиненасыщенных жирных кислот.

Классическим проявлением недостаточности витамина Е у лабораторных

животных является бесплодие. У самцов наиболее ранним наблюдаемым признаком

недостаточности является неподвижность сперматозоидов. Наблюдается также

ряд других изменений: дегенерация эпителия почечных канальцев,

депигментация передних зубов. Другим проявлением недостаточности витамина Е

является гемолиз эритроцитов in vitro в присутствии пероксидов или

производных аллоксана. У крыс с продолжительной недостаточностью витамина

развивается мышечная дистрофия с явлениями прогрессирующего паралича задних

конечностей, понижается содержание креатина в мышцах, возникает

креатинурия и несколько снижается экскреция креатинина. Могут также

развиваться явления недостаточности витамина А вследствие окислительной

деструкции последнего из-за отсутствия в рационе витамина, обладающего

антиоксидантными свойствами. Проявлениями гипервитаминоза являются тошнота,

головокружение и тахикардия.[6,2000]

Витамин Р.

Витамин Р (рутин, цитрин) был выделен в 1936 году А. Сент-Дьёрдьи из

кожуры лимона. Под термином «витамин Р» объединяется группа веществ со

сходной биологической активностью: катехины, халконы, флавины и др. Все они

обладают Р-витаминной активностью и в основе их структуры лежит

дифенилпропановый углеродный «скелет» хромона или флавона (общее название

«биофлавоноиды»).

Биофлавоноиды стабилизируют основное вещество соединительной ткани

путем ингибирования гиалуронидазы, что подтверждается данными о

положительном влиянии Р-витаминных препаратов, как и аскорбиновой кислоты,

на профилактику и лечение цинги, ревматизма, ожогов и др. Эти данные

указывают на тесную функциональную связь витаминов С иР в окислительно-

восстановительных процессов организма.

При недостаточности биофлавоноидов или отсутствии их в пище повышается

проницаемость кровеносных сосудов, сопровождающаяся кровоизлияниями и

кровотечениями, отмечается также общая слабость, быстрая утомляемость и

боли в конечностях.

Основными источниками витамина являются растительные продукты питания

(в частности, овощи и фрукты), в которых содержится много витамина С.

Витаминная промышленность выпускает ряд препаратов с Р-витаминной

активностью: чайные катехины, рутин, гесперидин, нарингин и

другие.[18,1989]

Заключение.

Проблема, освещенная в данной работе, на сегодняшний день является

очень важным разделом в биохимии, где, несмотря на достигнутые успехи,

остается множество вопросов и пробелов.

Знание вопросов биоорганической химии является нужным и важным в

практике каждого врача, так как активное развитие фармакологии и появление

множества новых препаратов позволяет, зная биохимию процессов, протекающих

в организме, воздействовать на них и лечить многие заболевания на клеточном

уровне, стимулируя энергетические процессы на уровне митохондрий.

Любая внезапная смерть связана с гипоксией, которая сопровождается

накоплением в организме большого количества молочной кислоты за счет

подавления функции челночных механизмов, и как следствие - возникает

ацидоз. При гипоксии неограниченно образуются свободные радикалы и

интенсивно протекает перикисное окисление липидов с последующим необратимым

повреждением клеток. Изучение нарушений механизмов биологического окисления

и способов коррекции является важным при лечении патологий сердечно-

сосудистой и дыхательной систем, возрастных патологиях, воспалениях. Особо

важное значение имеют эти знания в реанимации, при наркозах, так как

уровень молочной кислоты значительно возрастает во время операций под

наркозом, например кетамином или этраном, под влиянием наркотических

веществ происходит разобщение процессов окисления и фосфорилирования. Вот

почему так важно иметь в распоряжении наиболее полные знания и

информативные данные, оценка которых может обеспечить максимальные

возможности прогноза течения заболевания.

Список литературы:

1. Альбертс Б., Брей Д., Льюис Дж., Рэфф М., Робертс К., Уотсон Дж.

Молекулярная биология клетки: В 3-х т.,2-е изд., пер.и доп. Т.1.

Пер. с англ. – М.: Мир, 1994 – 517 с., ил.

2. Бышевский А.Ш., Терсенов О.А. Биохимия для врача. Екатеринбург:

Издательско-полиграфическое предприятие «Уральский рабочий». -

1994 – 384 с.

3. Виноградов А.Д. Митохондриальная АТФ-синтезирующая машина:

пятнадцать лет спустя.//Биохимия. – 1999 – Т.64. Вып.11 – с.1443-

1456

4. Галкин М.А., Сыроешкин А.В. Кинетический механизм реакции синтеза

АТФ, катализируемый митохондриальной F0-F1-АТФазой.//Биохимия. –

1999 – Т.64.Вып 10 – с.1393-1403

5. Гринстейн Б., Гринстейн А. Наглядная биохимия. – М.: «Медицина»

2000 – с.68-69, 84-85

6. Зайчик А.Ш., Чурилов Л.П. Основы общей патологии. Часть 2. Основы

патохимии. – СПб. – 2000 – 384 с.

7. Козинец Г.И. Физиологические системы человека. – М.: «Триада-Х»

- 2000 – с.156-164

8. Коровина Н.А., Захарова И.Н., Заплатников А.Л. Профилактика

дефицита витаминов и микроэлементов у детей (справочное пособие

для врачей). – Москва, 2000

9. Ленинджер А. Основы биохимии. – М.: Мир – 1991 – 384 с.

10. Марри Р., Греннер Д., Мейес П., Родуэлл В. Биохимия человека: В2-

х т. Т.1.Пер с англ.: - М.: Мир – 1993 – 384 с.

11. Николаев А.Я. Биологическая химия. Учеб. для мед. спец. Вузов –

М.: Высшая школа. – 1989 – 495с.

12. Рябов Г.А. Гипоксия критических состояний. – М.: Медицина. – 1992

– 288 с.

13. Самарцев В.Н. Жирные кислоты как разобщители окислительного

фосфорилирования.// Биохимия. – 2000 – Т.65.Вып.9 – с.1173-1189

14. Скулачев В.П. Кислород в живой клетке: добро и зло.// Соросовский

образовательный журнал. – 1996 - №3 – с.4-10

15. Скулачев В.П. Эволюция биологических механизмов запасания

энергии.// Соросовский образовательный журнал. – 1997 - №5 – с.11-

19

16. Скулачев В.П. Стратегии эволюции и кислород.// Природа. – 1998 -

№12 – с.11-20

17. Тутельян В.А., Алексеева И.А. Витамины антиоксидантного ряда:

обеспеченность населения и значение в профилактике хронических

заболеваний.// Клиническая фармакология и терапия. – 1995 - №4

(1) – с.90-95

18. Шилов П.И., Яковлев Т.Н. Основы клинической витаминологии. – Л.:

Медицина – 1989 – 343 с.

Страницы: 1, 2