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.