Биоэнергетика

Ингибиторы окисления прерывают поток электронов на участках дыхательной цепи, блокируя одно из трех звеньев образования протонного потенциала, Первая группа препаратов блокирует поток электронов на участке между НАД и KoQ. К этим препаратам относятся барбитураты - амитал или

 

7

барбамил (малые транквилизаторы), ротенон (инсектицид), пиерицидин (антибиотик).

Вторая группа ингибиторов окисления, к которым относится антимицин А (антибиотик) блокирует поток электронов на участке цит. b₅₆₆-FeS-белок, т.е. на уровне второго звена сопряжения.

Третья группа ингибиторов окисления, к которым относятся цианиды, азиды, оксид углерода, сероводород блокируют цитохромоксидазу.

Ингибиторы фосфорилирования действуют на АТФ-синтазу, препятствуя использованию протонного потенциала для синтеза АТФ. К этим веществам относятся олигомицин и дициклокарбодиимид.

Ферментные комплексы	Ингибиторы
Комплекс I (НАДН-дегидрогеназа)	Ротенон (инсектицид) Барбитураты (амобарбитал, секобарбитал) Пиерицидин А (антибиотик)
Комплекс III (убихинолдегидрогеназа)	антимицин А (антибиотик)
Комплекс IV (цитохромоксидаза)	СО, CN ˉ,H2S, N3ˉ
Комплекс V (АТФ-синтаза)	олигомицин (антибиотик) дициклогексилкарбодиимид
АТ Ф/АДФ-транслоказа	атрактилозид

 

На всех этапах превращения энергии пищевых веществ в энергию АТФ, а также в процессе использования АТФ для совершения работы часть энергии рассеивается в форме теплоты (см. рис.).

Свободная энергия окисления НАДН в дыхательной цепи (НАДН·Н⁺ + ˡ/2О2→ НАД⁺ + Н₂0) равна 220 кДж/моль. На образование трех макроэргических связей (Р/О = 3) используется 150 кДж/моль. Т.о. на этом этапе используется несколько больше половины (68%) всей энергии; остальная часть рассеивается в форме теплоты.

При использовании АТФ для совершения работы значительная часть энергии также превращается в теплоту. Именно поэтому при напряженной физической работе, когда синтезируется и расходуется много АТФ, человеку становится жарко: теплоты образуется столько, что включаются специальные механизмы для удаления ее избытка из организма. Наоборот, при снижении температуры тела включается механизм дрожания для увеличения продукции теплоты.

В состоянии покоя, в лежачем или сидячем положении расходование энергии на внешнюю работу минимально и теплопродукция становится главным путем расхода энергии организмом. Такое состояние энергетического обмена называют

Энергетический  обмен и теплопродукция

 

8

основным обменом. Интенсивность основного обмена можно оценить количественно  по величине теплопродукции или косвенно по количеству потребленного кислорода. Для взрослого человека она составляет ~ 350 кДж/ч. В других состояниях энергетические траты складываются из энергии основного  обмена и энергии, затрачиваемой  на внешнюю работу.

Нарушения энергетического  обмена

У клеток, находящихся в состоянии покоя, скорость дыхания определяется доступностью АДФ. При повышении скорости дыхания, вызванном, например, физической работой, факторами, лимитирующими скорость дыхания, становятся доступность кислорода  или возможности самой дыхательной  цепи при насыщающих количествах  всех субстратов и компонентов. При  голодании фактором, лимитирующим скорость дыхания, становится доступность субстратов - доноров водорода.

Наиболее  частой причиной гипоэнергетических состояний  в клинике является гипоксия. Причинами  гипоксии могут быть нарушение кровообращения вследствие нарушения проходимости дыхательных путей, сердечной недостаточности, кровопотерь, при спазме или тромбозе сосудов, блокировании гемоглобина. Гипоксия мозга является наиболее частой непосредственной (последней) причиной смерти. Поэтому  среди реанимационных мероприятий  важное место занимают меры, направленные на восстановление снабжения органов  кислородом.

Таблица. Гипоэнергетические состояния

Форма гипоэнергетических состояний	Причина возникновения
I. Алиментарные	Голодание, гиповитаминозы
II. Гипоксические  А.Связанные с нарушением транспорта кислорода в кровь: экзогенная гипоксия легочная (дыхательная) гипоксия Б. Б.Связанные с нарушением транспорта кислорода в ткани: гемодинамическая гипоксия гемоглобиновая гипоксия	Недостаток О2 во вдыхаемом воздухе Нарушение легочной вентиляции или перехода О2 из альвеол в кровь   Нарушения кровообращения (генерализованные - пороки сердца, кровопотеря, шок и др.; локальные - спазм сосудов, тромбоз, артериально-венозный шунт)   Гипогемоглобинемия, блокирование гемоглобина ядами, патологические варианты гемоглобина
III. Митохондриальные (т.е. связанные с использованием кислорода в клетках)	Нарушение функций митохондрий ингибиторами ферментов дыхательной цепи, разобщителями окисления и

 

9

	фосфорилирования, мембранотропными
	веществами

Фазы освобождения энергии из питательных веществ

В ходе извлечения энергии из различных субстратов можно условно выделить три фазы катаболизма питательных веществ.

Первая фаза - подготовительная. Она необходима для превращения полимеров, поступающих с пищей или находящихся внутри клетки, в удобную для извлечения энергии форму - мономеры. Протекает под действием гидролаз ЖКТ и цитоплазмы клетки. На этом этапе освобождается около 1% всей энергии, запасенной в питательных веществах. Эта энергия рассеивается в форме теплоты.

Вторая фаза - специфические пути каталолизма, которые включают частичный распад мономеров до ключевых промежуточных продуктов: пирувата, ацетил-КоА и некоторых метаболитов цикла Кребса (2-оксоглутарата, сукцинил-КоА, фумарата, оксалоацетата). На этом этапе освобождается около 20% энергии, заключенной в субстрате, часть из которой запасается в форме АТФ.

Третья фаза - окончательный распад всех веществ до С0₂и Н₂0. Этот этап включает 1) реакции общего пути катаболизма (окислительноедекарбоксилированиепирувата, цикл Кребса) и 2) цепь переноса электронов. Все реакции этой фазы локализуются в митохондриях. В эту фазу освобождается

 

примерно 80% всей энергии, заключенной в субстратах, часть из которой запасается в форме АТФ.

Общие пути катаболизма

Начальные этапы катаболизма питательных веществ, получившие название специфических путей катаболизма, происходят при участии ферментов, специфичных для каждого класса веществ, и завершаются образованием пировиноградной кислоты (пирувата) и уксусной кислоты в форме ацетил-КоА.

После образования пирувата дальнейший путь распада веществ до конечных продуктов С0₂ и Н2О происходит одинаково в общем пути катаболизма (ОПК). Общий путь катаболизма включает: 1) окислительноедекарбоксилированиепирувата; 2) цикл лимонной кислоты (цикл Кребса или цикл трикарбоновых кислот). Реакции ОПК происходят в матриксе митохондрий и образующиеся в ОПК восстановленные коферменты передают водород непосредственно на компоненты ЦПЭ, расположенные во внутренней мембране митохондрий.

Окислительное декарбоксилированиепирувата

Пируват, образовавшийся в результате гликолиза, окисляется до ацетил -КоА в ходе процесса, называемого окислительным декарбоксилированиемпирувата.

В этом процессе участвуют ферменты, работающие в определенной последовательности и объединенные в мультиферментныйпируватдегидрогеназный комплекс (ПДГК).

В состав этого комплекса входит 3 фермента и 5 коферментов.

Ферменты:

Пируватдегидрогеназа(E₁)

Дигидролипоилацетилтрансфераза (Е₂)

Дигидро л ипоилдегидрогеназа (Ез).

Коферменты:

Тиаминдифосфат (ТДФ) - производное витамина В₁

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД⁺) - производное витамина РР (никотиновой кислоты)

Флавинадениндинуклеотид (ФАД) - производное витамина В₂ Кофермент A (KoA-SH)

Липоевая кислота ковалентно связана с боковой цепью лизина фермента Е₂ (липоамид)

 

11

Реакции окислительногодекарбоксилированияпирувата

Регуляция окислительногодекарбоксилирования

Образование ацетил-КоА из пирувата - ключевой необратимый этап метаболизма, поэтому ПДК имеет сложную систему регуляции и реализуется через киназу и фосфатазу (субъединицы ПДК). В результате фосфорилирования под действием киназы ПДК переходит в неактивную форму, при дефосфорилировании фосфатазой - в активную форму. Активность киназы и фосфатазы регулируется многими аллостерическими эффекторами. Киназа ПДК аллостерически активируется АТФ, следовательно, при накоплении АТФпрекращается дальнейшее превращение пирувата в ацетил-КоА. Киназа ПДКаллостерически ингибируется пируватом, АДФ, Са²⁺ .

Цикл лимонной кислоты

Две последние  реакции необходимы для регенерации  активных форм коферментов, участвующих  в окислительномдекарбоксилированиипирувата. Образовавшийся в пятой реакции  НАДННГ поступает в дыхательную  цепь.

Суммарное уравнение  окислительногодекарбоксилированияпирувата:

 

Реакции цикла лимонной кислоты

Реакции ЦЛК протекают в матриксе митохондрий.

Е₁-цитратсинтаза, является регуляторным ферментом. Цитратсинтазная реакция лимитирует скорость всего процесса.

Превращение цитрата в изоцитрат катализирует аконитатгидратаза (Е₂), содержащая ионы Fe²⁺. Эта реакция осуществляется в две стадии: сначала происходит дегидратация с образованием цис-аконитата, а затем гидратация с образованием изоцитрата.

Реакция ингибируется фторацетатом, в результате накапливается цитрат.

 

13

Далее изоцитратдегидрогеназа (Е₃) катализирует дегидрирование с образованием оксалосукцината, а затем следует декарбоксилирование под действием того же фермента.

2-Оксоглутарат подвергается окислительному декарбоксилированию, сходному с окислительным декарбоксилированиемпирувата.

Эта реакция катализируется 2-оксоглутаратным комплексом (ЕД который

состоит из 3-х ферментов: 2-оксоглутаратдегидрогеназы,

дигидролипоилсукцинилтрансферазы и дигидролипоилдегидрогеназы и пяти коферментов: тиаминдифосфата, липамида, НАД⁺, ФАД, KoA-SH. Таким образом, 2-ксоглутаратдегидрогеназный комплекс по строению аналогичен пируватдегидрогеназному комплексу. Однако, первый фермент данного комплекса не имеет такой сложной регуляции как пируватдегидрогеназа. В результате окислительногодекарбоксилирования 2-оксоглутарата образуется сукцинил-КоА, содержащий макроэргическую связь. Реакция ингибируется арсенатом, что приводит к накоплению 2-оксоглутарата.

Под действием фермента сукцинил-КоА-синтетатазы энергия макроэргической связи сукцинил-КоА запасается в форме макроэргической связи в молекуле ГТФ (субстратноефосфорилирование).

2-Оксоглутарат  подвергается окислительному декарбоксилированию,  сходному с окислительным декарбоксилированиемпирувата.

Эта реакция катализируется 2-оксоглутаратным комплексом (Е4) который

 

Далее сукцинат под действием сукцинатдегидрогеназы (Е₆) превращается в фумарат. Это единственная реакция ЦЛК, в ходе которой осуществляется прямой перенос атомов водорода с субстрата на флавопротеин ЦПЭ без участия НАД⁺. Коферментов данного фермента является ФАД.

Затем к фумаратуприсоединяется молекула Н2О под действием фумаратгидратазы(Е7)с образованием малата.

Малатдегидрогеназа(E8)катализирует превращение малата в оксалоацетат, реакция идет с участием НАД⁺. Хотя реакция обратима, реально она протекает в направлении образования оксалоацетата, поскольку он вместе с НАДН-Н⁺ постоянно потребляется в других реакциях.

Регуляция ЦЛК

Осуществляется на уровне цитратсинтазной реакции. Скорость реакции возрастает при повышении концентрации оксалоацетата и снижается при повышении концентраций АТФ, сукцинил-КоА длинноцепочечных жирных кислот.

Значение ЦЛК

1. Амфиболическая функция: а) катаболическая - в ЦЛК происходит утилизация ацетильных групп; б) анаболическая - метаболиты ЦЛК служат предшественниками при синтезе ряда веществ в организме: аминокислот, жирных кислот, глюкозы и других соединений. Например, из сукцинил-КоА образуются порфирины (предшественник гема), из 2-оксоглутарата в результате реакции переаминирования с аминокислотой образуется глутамат.

 

2. Водороддонорная функция: в ЦЛК образуется 3 молекулы НАДН-Н⁺ и 1 молекула ФАДН₂.
3. Энергетическая функция: с восстановленных коферментов водород передается в ЦПЭ, где в результате окислительногофосфорилирования образуется АТФ. При этом на каждую молекулу НАДНН⁺ в митохондриях образуется 3 молекулы АТФ, на каждую молекулу ФАДН₂ - 2 молекулы АТФ. Т.о. при окислении одного ацетильного остатка путем окислительного фосфорилирования образуется 11 мол. (9 + 2) АТФ. Еще одна молекула (ГТФ) образуется путем субстратного фосфорилирования в ходе сукцинил-КоА-синтетазной реакции. После суммирования получаем 11 + 1 = 12 мол. АТФ (в расчете на один ацетильный остаток).