Тема 5.4. Сопряжение тканевого дыхания и синтеза атф

1. Перенос электронов по ЦПЭ при участии комплексов I, III и IV сопровождается выделением наибольшего количества энергии (рис. 5.7). Часть этой энергии используется для переноса Н+ из матрикса в межмембранное пространство, в результате чего возрастает протонный электрохимический потенциал ΔμΗ+, основной составляющей которого является протонный градиент (рис. 5.8).

2. При достижении определенного протонного градиента происходит активация АТФ-синтазы (комплекс V), в ней открывается канал, через который протоны возвращаются в матрикс из межмембранного пространства, а энергия ΔμΗ+ используется для синтеза АТФ.

3. Каждый из трех комплексов ЦПЭ (I, III, IV) обеспечивает необходимый протонный градиент для активации АТФ-синтазы и синтеза одной молекулы АТФ. Количество молекул АТФ, образованных при восстановлении одного атома кислорода до Н₂О при прохождении двух электронов по ЦПЭ, эквивалентно количеству использованного фосфата Н₃РО₄ (Р) и выражается коэффициентом окислительного фосфорилирования (Р/О). Если водород поступает в ЦПЭ от кофермента NADH, то Р/О имеет максимальное значение, равное 3. Если водород поступает от FAD-зависимых дегидрогеназ, то Р/О равен 2 (реальные значения Р/О несколько ниже, так как часть энергии электрохимического потенциала рассеивается в форме теплоты).

Рис. 5.8. Сопряжение дыхания и синтеза АТФ в митохондриях.

I - NADH - дегидрогеназа; III - QН₂-дегидрогеназа; IV - цитохромоксидаза, V-АТФ-синтаза. Энергия протонного электрохимического потенциала используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы

При участии АТФ-АДФ транслоказы, расположенной во внутренней мембране митохондрий, АТФ транспортируется в цитоплазму в обмен на АДФ. В цитоплазме АТФ используется как источник энергии в различных процессах.

4. Таким образом, трансформация энергии в организме проходит следующие этапы.

На всех этапах этого процесса часть энергии рассеивается в виде теплоты.

АДАЧА 37. Ацетилхолинэстераза (AChE) — фермент, который содержится в синапсах и катализирует гидролиз нейромедиатора ацетилхолина до холина и остатка уксусной кислоты. Реакция, катализируемая ацетилхолинэстеразой, необходима для дезактивации ацетилхолина в синаптической щели и перехода клетки-мишени в состояние покоя (например, для расслабления мышечной клетки). Поэтому ингибиторы ацетилхолинэстеразы (фосфорорганические инсектициды, зарин, зоман и V-газы, фасцикулин и некоторые другие пептиды змеиных ядов) — мощные токсины, воздействие которых на организм человека обычно приводит к смерти от судорог дыхательной мускулатуры.  Ген, кодирующий фермент ацетилхолинэстеразу у человека, находится на длинном плече седьмой хромосомы.  У человека за счет альтернативного сплайсинга образуется четыре изоформы AChE — T, H, R и 4.

Точный механизм неизвестен. Однако считается, что ривастигмин подавляет ацетилхолинэстеразу (фермент, препятствующий распаду ацетилхолина-содержащегося в головном мозге вещества, играющего важную роль в механизмах памяти). Считается, что именно недостаток ацетилхолина связан с болезнью Альцгеймера.

Задача 39. При обследовании новорожденного в его крови была обнаружена высокая концентрация цитруллина. Объясните, каковы причины повторяющейся рвоты и судорожных припадков, наблюдавшихся у этого ребенка. Для этого: а) приведите схему процесса, в котором участвует цитруллин; б) напишите реакцию, которая блокирована при данной патологии; в) объясните механизмы развития перечисленных симптомов; укажите, как изменится суточное выделение мочевины при этой патологии; г) объясните причину улучшения состояния больного при низкобелковой диете.

Причина– цитрулинемия, дефект фермента аргининосукцинатсинтетазы.

а) Орнитиновый цикл

Место ферментативного блока:

б)Снижении активности фермента аргининосукцинатсинтетазы приводит к накоплению в крови цитрулина и его предшественников. Повышается концентрация аммиака, карбомоилфосфата.

в)При малобелковой диете в организм поступает меньше аминокислот, а следовательно уменьшается количество аммиака

Задача;40

Девочка родилась на 38 неделе беременности; у матери первые роды, беременность первая. Роды спонтанные, через естественные родовые пути. После рождения ребенок выглядел нормально, но не сразу взял грудь, после кормления часто возникала рвота. На третий день после рождения у девочки была замечена желтуха. При осмотре обнаружены увеличение печени и двусторонние катаракты. Из лабораторных данных: в крови и моче повышена концентрация галактозы, в эритроцитах - низкая активность галактозо-1- фосфатуридилтрансферазы.

Для ответа;

а) Назовите заболевание.

б) перечислите биохимические нарушения, лежащие в основе этого заболевания.

в) Назовите единственный эффективный метод лечения.

Ответ:

(А)Это галактоземия (Б)вызванная недостаточностью галактозо-1-фосфатуридилтрансферазы (ГАЛТ). Заболевание проявляется очень рано, вскоре после рождения, как только ребенок начинает получать молоко. В крови, моче и тканях повышается концентрация галактозы и галактозо-1-фосфата. В тканях глаза (в хрусталике) галактоза восстанавливается альдоредуктазой с образованием галактитола (дульцита). Галактитол накапливается в стекловидном теле и связывает большое количество воды. Вследствие этого нарушается баланс электролитов, а чрезмерная гидратация хрусталика приводит к развитию катаракты в печени накапливается галактозо-1-фосфат в результате развивается гепатомегалия, жировая дистрофия. В почках также повышена концентрация галактитола и галактозо-1-фосфата, что влияет на их осуществляется ДНК-полимеразой- р, последняя межнуклеотидная связь образуется ДНК- лигазой. Отмечают нарушения в клетках полушарий головного мозга и мозжечка, в тяжелых случаях - отек мозга, задержка умственного развития, возможен летальный исход. Лечение заключается в удалении галактозы из рациона.

Задача;41 Дикумарол и варфарин — структурные аналоги витамина К; применяются как антикоагулянты для профилактики тромбозов. Почему эти лекарства не влияют на свертывание крови in vitro? Для ответа:

а) укажите кофермент, который образуется из этого витамина, и напишите реакцию с его участием;

б) перечислите факторы свертывающей системы крови, которые являются субстратами этой реакции;

в) поясните роль этих факторов в формировании ферментных мембранных комплексов прокоагулянтного этапа свертывания крови.

Ответ:

Поступивший в организм витамин К (нафтохинон) восстанавливается в печени НАДФН-зависимой витамин К-редуктазой с образованием дигидрохинона витамина К, служащего коферментом глутамат-карбоксилазы, катализирующей карбоксилирование остатков глутаминовой кислоты в проферментах прокоагулянтного пути (фф.II, VII, IX,X) в γ-карбоксиглутаминовую. Остатки γ-карбоксиглутаминовой кислоты в факторах IIa,VIIa, IXa,Xa обеспечивают их взаимодействие посредством Са2+ с отрицательно заряженными фосфолипидами клеточных мембран и другими белками. Факторы VIIa иIXa участвуют в превращении фX →фXa (I фаза), фХа – в превращении фII→фIIa, а последний – в III фазе (образовании фибрина). Таким образом, витамин К необходим для созревания некоторых плазменных факторов свертывания крови в печени и непосредственного участия в процессах гемокоагуляции не принимает и, следовательно, его структурные аналоги дикумарол и варфарин не могут тормозить свертывание крови в пробирке

Задача;42

При диспансерном обследовании пациент пожаловался врачу на появившееся у него в последнее время чувство жажды и частое мочеиспускание. Дополнительное обследование показало: суточный объем мочи — 4,5 л, относительная плотность — 1,004 (норма — 1,020). Глюкоза в моче не обнаружена, кетоновые тела отсутствуют. При проведении компьютерной томографии обнаружено новообразование в области переднего отдела гипоталамуса. Какому заболеванию могут соответствовать симптомы заболевания и результаты анализов?

При ответе:

а) укажите гормон, синтез и секреция которого нарушены в этом случае;

б) назовите место синтеза, клетки-мишени и биологическое действие гормона;

в) представьте схему действия гормона на клетки-мишени и объясните причины обнаруженных изменений у больного.

А)  Несахарный диабет. Вазопрессин (антидиуретический гормон).

Несахарный диабет. Вазопрессин (антидиуретический гормон). Почки, мышечный слой артериол.

Б) Большая часть гормона синтезируется крупноклеточными нейронами супраоптического ядра гипоталамуса, аксоны которых направляются в заднюю долю гипофиза («нейрогипофиз») и образуют синаптоподобные контакты с кровеносными сосудами. Вазопрессин, синтезированный в телах нейронов, аксонным транспортом переносится к окончаниям аксонов и накапливается в пресинаптических везикулах, секретируется в кровь при возбуждениинейрона.

Вазопресси́н, или антидиурети́ческий гормо́н (АДГ) — гормон гипоталамуса, который накапливается в задней доле гипофиза (в нейрогипофизе) и оттуда секретируется в кровь. Секреция увеличивается при повышении осмолярности плазмы крови и при уменьшении объёма внеклеточной жидкости. Вазопрессин увеличивает реабсорбцию воды почкой, таким образом повышая концентрацию мочи и уменьшая её объём. Имеет также ряд эффектов на кровеносные сосуды и головной мозг.

Задача;43

Увеличение реабсорбции воды в клетках собирательных канальцев почек происходит при взаимодействии гормона вазопрессина с рецепторами V2, расположенными на мембранах этих клеток. Активация протеинкиназы А ускоряет фосфорилирование ряда белков. Это приводит к увеличению числа белков аквапоринов 2, которые осуществляют транспорт воды (реабсорбцию). В результате этого увеличивается проницаемость мембран клеток для воды. Объясните участие трансмембранных систем передачи сигналов в регуляции сорбции воды в почках.

Для этого ответьте на вопросы:

а) какая система осуществляет трансдукцию сигнала вазопрессина? Приведите схему данной системы и опишите ее активацию;

б) как протеинкиназа А, которая активируется антидиуретическим гомоном (АДГ), может увеличивать экспрессию гена аквапорина2? Представьте соответствующую схему ;

в) К какому типу относится рецептор V2?Какие еще типы рецепторов вы знаете?

А)

В) Все вазопрессиновые рецепторы являются классическими мембранными рецепторами, связанными с гетеротримерными G-белками.

V₂-рецепторы связаны с G_s-белками и стимулируют аденилатциклазный механизм передачи гормонального сигнала. Локализованы преимущественно в собирательной трубке почки. Эти рецепторы являются мишенью многих лекарств для борьбы с несахарным диабетом. В центральной нервной системе эти рецепторы могут быть мишенью для борьбы с когнитивными расстройствами, но единственным веществом, действие которого было предметом подробных исследований, является агонист этих рецепторов DDAVP (десмопрессин, 1-деамино-8-D-аргинин-вазопрессин), усиливающий память и когнитивные способности

Задача;44

У длительно голодающих людей возможно развитие ожирения печени. При этом в гепатоцитах появляются вакуоли жира, отсутствующие в норме. Для объяснения этого:

а) напишите схему действия соответствующего гормона на жировую клетку;

б) укажите метаболиты, которые транспортируются из жировой ткани в печень, и способ их транспорта кровью;

в) составьте схему, описывающую возможные механизмы накопления жиров в гепатоцитах при длительном голодании.

А) Самым главным фактором является избыточное действие гормонов коры надпочечников (альдостерон, кортизол, кортикостерон и т. д). Появление жирового гепатоза возможно при недостатке гормона щитовидной железы – тироксина.

Б) Регуляция мобилизации жиров. Мобилизация депонированных жиров стимулируется глюкагоном и адреналином и, в меньшей степени, некоторыми другими гормонами (соматотроп-ным, кортизолом). В постабсорбтивный период и при голодании глюкагон, действуя на адипоциты через аденилатциклазную систему, активирует протеинкиназу А, которая фосфо-рилирует и, таким образом, активирует гормончувствительную липазу, что инициирует липо-лиз и выделение жирных кислот и глицерина в кровь. При физической активности увеличивается секреция адреналина, который действует через β-адренергические рецепторы адипоцитов, активирующие аденилатциклазную систему (рис. 8-24). В настоящее время обнаружено 3 типа β-рецепторов: β₁, β₂, β₃, активация которых приводит к липолитическому действию. К наибольшему липолитическому действию приводит активация β₃-рецепторов. Адреналин одновременно действует и на α₂-рецепторы адипоцитов, связанные с ингибирующим G-белком, что инактивирует аденилатциклазную систему. Вероятно, действие адреналина двояко: при низких концентрациях в крови преобладает его антилиполитическое действие через α₂-рецепторы, а при высокой - преобладает липолитическое действие через β-рецепторы.

Для мышц, сердца, почек, печени при голодании или физической работе жирные кислоты становятся важным источником энергии. Печень перерабатывает часть жирных кислот в кетоновые тела, используемые мозгом, нервной тканью и некоторыми другими тканями как источники энергии.

В результате мобилизации жиров концентрация жирных кислот в крови увеличивается приблизительно в 2 раза (рис. 8-25), однако абсолютная концентрация жирных кислот в крови невелика даже в этот период. Т_1/2 жирных кислот в крови тоже очень мал (менее 5 мин), что означает существование быстрого потока жирных кислот из жировой ткани к другим органам. Когда постабсорбтивный период сменяется аборбтивным, инсулин активирует специфическую фосфатазу, которая дефосфорилирует гормончувствительную липазу, и распад жиров останавливается.

В) Теоретически можно предположить по крайней мере 4 механизма накопления жира в печени:

1. Увеличение поступления жира или жирных кислот с пищей. Жир, поступивший с пищей, переносится с кровью в основном в виде хиломикронов. При липолизе в жировой ткани высвобождаются жирные кислоты. В адипоцитах они включаются в триглицериды, но некоторые жирные кислоты могут выделяться в кровоток и захватываться печенью. Остатки хиломикронов также попадают в печень.

2. Усиление синтеза или угнетение окисления жирных кислот в митохондриях. Оба эти процесса усиливают выработку триглицеридов.

3. Нарушение выведения триглицеридов из гепатоцитов. Выведение триглицеридов из гепатоцитов включает связывание с апопротеином, фосфолипидом и холестерином с образованием липопротеинов очень низкой плотности (ЛПОНП). Возможно угнетение этих процессов.

4. Избыточное количество углеводов, поступающее в печень, может подвергаться преобразованию в жирные кислоты.

Задача;45

Пациент с диагнозом «инсулинзависимый сахарный диабет» в течение 2 недель не выполнял назначений врача и не получал инъекций инсулина. Когда состояние ухудшилось, он обратился к врачу, который объяснил ему опасность нарушения назначенного лечения. После тщательного обследования была подтверждена необходимость инсулиновой :терапии. Через 2 мес после начала лечения определение концентрации глюкозы в крови натощак показало 85 мг/дл, доля гликозилированного гемоглобина – НbА1с составила 14% (норма — 4—6%). Каковы возможные причины высокой концентрации НbА1с несмотря на проводимое течение? К каким осложнениям это может привести? Для ответа:

а) назовите причины сахарного диабета I и II типов;

б) объясните, какие изменения углеводного обмена приводят к развитию гипергликемии при сахарном диабете, ответ подтвердите соответствующими схемами метаболических путей;

в) перечислите поздние осложнения сахарного диабета и назовите основную причину их развития;

г) обоснуйте основные механизмы повреждения тканей при диабете, приведите примеры гликозилирования других белков и ответьте на основной вопрос задачи.