Добавил:
Richie
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Opornye-konsp-lektsij.pdf
Лекция 9. Витамины: история открытия и изучения. Функции витаминов, их участие в
метаболических процессах. Алиментарные и вторичные авитаминозы. Гипо- и
гипервитаминозы. Понятие об антивитаминах и механизм их действия. Биохимическая
характеристика патогенеза рахита.
Начало изучения витаминов было положено русским врачом Н. И. Луниным,
который еще в 1888 г. установил, что для нормального роста и развития животного
организма, кроме белков, жиров, углеводов, воды и минеральных веществ, необходимы
еще какие-то, пока неизвестные науке вещества, отсутствие которых приводит организм к
гибели.
В 1912 г. польский врач и биохимик К. Функ выделил из рисовых отрубей вещество,
излечивающее паралич голубей, питавшихся только полированным рисом (бери-бери –
так называли это заболевание у людей стран Юго-Восточной Азии, где население питается
преимущественно одним рисом). Химический анализ выделенного К. Функом вещества
понимал, что в его состав входит азот. Открытое им вещество Функназвал витамином (от
слов “вита” – жизнь и “амин” – содержащий азот). Правда, потом оказалось, что не все
витамины содержат азот, но старое название этих веществ осталось.
В наши дни принято обозначать витамины их химическими названиями: ретинол, тиамин,
аскорбиновая кислота, никотинамид, – соответственно А, В, С, РР.
Привычные нам буквенные обозначения – это дань традиции.
Витамины делятся па водорастворимые, жирорастворимые и витаминоподобные
соединения. По химическому строению и физико-химическим свойствам (в частности, по
растворимости) их делят на 2 группы.
А. Водорастворимые
Витамин В1 (тиамин)
Витамин В2 (рибофлавин)
Витамин РР (никотиновая кислота, никотинамид, витамин В3)
Пантотеновая кислота (витамин В5)
Витамин В6 (пиридоксин)
Биотин (витамин Н)
Фолиевая кислота (витамин Вс, В9)
Витамин В12 (кобаламин)
Витамин С (аскорбиновая кислота)
Витамин Р (биофлавоноиды)
Б. Жирорастворимые
Витамин А (ретинол)
Витамин D (холекальциферол)
Витамин Е (токоферол)
Витамин К (филлохинон)
Витамин F (Полиненасыщенные жирные кислоты)
Понятия:
Авитаминозы
Гиповитаминозы
Гипервитаминозы
Раздел IV. БИОЭНЕРГЕТИКА
Лекция 10. Дегидрирование субстратов и окисление водорода как источник энергии для синтеза
АТФ. Структурная организация цепи переноса протонов и электронов. Химическая природа
НАД, ФАД, убихинона, цитохромов
В живых организмах есть группа веществ, при гидролизе которых выделяется большое
количество энергии, более 5 ккал/моль. Такие соединения называют макроэргическими.
Макроэргическую связь в соединениях обозначают символом ~. К ним относятся: фосфоенолпирувт,
креатинфосфат, АТФ, АДФ и др.
АТФ – аденозинтрифосфат, молекула, богатая энергией, т.к. содержит две макроэргические
связи.
(формула АТФ)
АТФ образуется из АДФ за счет переноса фосфатного остатка от других макроэргов. Выделяют
два пути внутриклеточного получения АТФ (фосфорилирования):
Субстртное фосфорилирование – непосредственный синтез АТФ в ходе химического
превращения, обеспечиваемый благодаря контакту с другим макроэргом. Пример: образование
АТФ в пируваткиназной реакции гликолиза (здесь роль макроэрга выполняет фосфоенолпируват).
Окислительное фосфорилирование – сложнейший процесс синтеза АТФ в результате тканевого
дыхания в митохондриях.
Цикл АТФ-АДФ
Выделение энергии:
Использование энергии:
окисление
углеводов,
жиров,
белков
→
←
АТФ
АДФ+Р
i
→
←
биосинтез молекул,
сокращение мышц,
активный транспорт,
продукция тепла
Для возникновения окислительно-восстановительного процесса необходимо наличие двух
веществ - донора и акцептора электронов. Большинство реакций биологического окисления
протекает путем дегидрирования. Вещества, окисляющиеся в тканях, дегидрируются (отщепляют
водород) при участии специальных ферментов - дегидрогеназ. Отщепившийся водород
присоединяется к тому или иному акцептору, который при этом восстанавливается. Таким образом,
одновременно протекают два процесса: субстрат окисляется, а другое вещество восстанавливается.
Если конечным акцептором является кислород и образуется вода, то говорят о тканевом дыхании.
Митохондрии – это органеллы аэробных клеток, представляющие палочковидные
образования 2-3 мкм в длину и около 1 мкм в ширину. Митохондрии имеют две мембраны.
Наружная мембрана – гладкая, отграничивающая органеллу от цитозоля, выполняет
разделительную функцию. Внутренняя мембрана образует многочисленные выпячивания – кристы,
увеличивающие площадь ее поверхности, что немаловажно для процессов тканевого дыхания. На
внутренней мембране фиксированы ферменты дыхательной цепи, АТФ-синтетаза и др. Между
мембранами находится межмембранное пространство, играющее ключевую роль в процессе
хемиосмотического синтеза АТФ. Пространство, отграниченное внутренней мембраной заполнено
матриксом – коллоидным веществом, содержащим большое количество белка (до 50%). В матриксе
протекают важнейшие процессы окисления: цитратный цикл, β-окисление, окисление пирувата и
содержатся ферменты названных процессов.
Мембраны митохондрий обладают избирательной проницаемостью для некоторых субстратов,
важнейшими из которых, безусловно, является пара АТФ–АДФ. Каждое из веществ этой пары может
проникать сквозь мембраны митохондрий только в одном направлении: АДФ внутрь митохондрий, а
АТФ – наружу.
Цепь переноса электронов (ЦПЭ, дыхательная цепь) включает 15 компонентов.
Последовательность основных компонентов этой цепи приведены ниже:
S → НАД
+
→ НАДН (Н
+
) → ФАД
+
(ФМН
+
) →ФАДН
2
(ФМНН
2
) →КоQ
+
→КоQН
2
→b →
→с → с
1
→
aa
3
→1/2О
2
→О
-
→Н
2
О
В трех точках ЦПЭ возможно выделение энергии, достаточное для синтеза молекул АТФ: между
НАД и флавопротеидом, между цитохромами b и с
1
и между цитохромоксидазой и молекулярным
кислородом.
Энергия освобождается в процессе ферментативного окисления субстратов специфическими
дегидрогеназами. В реакциях дегидрирования (отщепления водорода от субстрата) электроны и
протоны переходят от органических веществ на коферменты НАД- и ФАД-зависимых дегидрогеназ.
Электроны, обладающие высоким энергетическим потенциалом, передаются от восстановленных
коферментов НАДН и ФАДН
2
к кислороду через цепь переносчиков. Электроны, поступающие в ЦПЭ,
по мере их продвижения от одного переносчика к другому теряют свободную энергию.
Значительная часть этой энергии запасается в форме АТФ, а часть рассеивается в виде тепла.
Первичные акцепторы водорода окислительно-восстановительных реакций относятся к двум
типам дегидрогеназ: никотинамидзависимых и флавинзависимых.
Никотинамидзависимые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов НАДН
+
-
производное витамина РР. Субстраты НАД-зависимых дегидрогеназ находятся в матриксе
митохондрий и цитозоле. Рабочей частью никотинамидных коферментов служит никотинамид.
НАД
+
, присоединяя протоны и электроны от различных субстратов, служит главным
распределителем энергии и электронов для ЦПЭ.
Флавиновые дегидрогеназы содержат в качестве коферменов ФАД или ФМН. Они образуются в
организме из витамина В
2
. Большинство ФАД-зависимых дегидрогеназ локализованы в
Кофермент НАД (никотинамидаденозиндинуклеотид) является динуклеотидом, в котором
мононуклеотиды связаны между собой через остатки фосфорной кислоты. В состав одного входит
витамин РР, в другой – АМФ. Способность НАД переносить водород связана с наличием в структуре
амида никотиновой кислоты.
(формула НАД)
Пиридинзависимые дегидрогеназы являются первичными акцепторами дыхательной цепи, они
отщепляют от субстрата 2Н, переходя в восстановленную форму (НАД
.
Н) и передают их на
флавиновые дегидрогеназы по ЦПЭ. В процессе восстановления НАД принимает 2 электрона и один
протон. Свободный ион Н
+
остается в среде.
Важнейшими субстратами пиридинзависимых дегидрогеназ являются: изоцитрат, α-
кетоглутарат, малат, гидроксиацил-КоА, глицеролфосфат и др.
Флавинзависимые дегидрогеназы являются следующими, после НАД-зависимых дегидрогеназ,
в ЦПЭ соединениями. Флавиновые дегидрогеназы содержат в качестве коферментов ФАД
(флавинадениндинуклеотид) или ФМН (флавинмононуклеотид). Они образуются в организме из
витамина В
2
(рибофлавина). Большинство ФАД-зависимых дегидрогеназ локализованы в матриксе
митохондрий. ФАД и ФМН очень прочно, в отличие от НАД, присоединены к ферменту.
(формула ФАД)
Активная часть молекулы ФАД или ФМН может присоединять два атома водорода, т.е. два
электрона и два протона.
Восстановленная форма передает с помощью железосерного белка передает два электрона и
два протона на КоQ.
Важнейшими субстратами флавинзависимых дегидрогеназ являются: сукцинат, глицерол-3-
фосфат, КоА-производное жирной кислоты.
Убихинон или КоQ – витаминоподобное соединение, играет роль промежуточного
переносчика протонов и электронов. В ЦПЭ он располагается между флавиновыми дегидрогеназами
и системой цитохромов. Убихинон может существовать как в окисленной, так и в восстановленной
формах.
(формула убихинона)
Перенос электронов от КоQН
2
на кислород осуществляет система цитохромов. Она состоит из
ряда гемсодержащих белков: b, с, с
1
,
aa
3
. В ходе переноса электронов железо в цитохромах меняет
валентность (Fe
2+
↔Fe
3+
). Цитохромы b, с и с
1
– промежуточные переносчики электронов, aa
3
(цитохромоксидаза) – конечный дыхательный фермент, предающий электроны на кислород.
“Активный” кислород присоединяет два протона из окружающей среды и образуется молекула
воды.
(формула цитохромов)
Лекция 11. Окислительное фосфорилирование, коэффициент Р/О. Этапы продукции
макроэргов в цепи дыхательных ферментов. Регуляция переноса электронов по цепи
дыхательных ферментов. Разобщение тканевого дыхания и окислительного
фосфорилирования. Нарушения энергетического обмена и гипоксические состояния.
Окислительное фосфорилирование - синтез АТФ из аденозиндифосфата и
неорганического фосфата, осуществляющийся в живых клетках, благодаря энергии,
выделяющейся при окислении орг. веществ в процессе клеточного дыхания.
Это сложнейший процесс синтеза АТФ в результате тканевого дыхания в
митохондриях. Согласно хемиосмотической теории Митчелла, дыхание и
фосфорилирование связаны между собой через электрохимический потенциал ионов
водорода на мембране митохондрий. 2 электрона, двигаясь через переносчики
дыхательной цепи, захватывают и переносят из матрикса в межмембранное пространство 6
протонов водорода. При этом наружная поверхность мембраны заряжается положительно,
а внутренняя – отрицательно. Т.е. одновременно создается разность потенциалов и
разница концентрации протонов водорода.
Затем протоны водорода возвращаются в матрикс через специальный канал. Это
сопровождается выделением свободной энергии и синтезом АТФ.
В ЦПЭ выделяют 3 участка, в которых перенос электронов сопровождается большим
снижением свободной энергии. На каждом из этих этапов образуется по 1-ой молекуле
АТФ. Всего в дыхательной цепи может образовываться 3 или 2 молекулы АТФ. Первая
молекула образуется на этапе между НАДН и ФАД
+
, вторая – между цитохромами b и с
1
,
третья – между цитохромоксидазой аа
3
и кислородом.
Отношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование
АДФ, к атому кислорода (О), поглощенного в процессе дыхания, называют коэффициентом
окислительного фосфорилирования и обозначают Р/О. Если дыхательная цепочка состоит
из всех переносчиков, то Р/О=3, если она укорочена и начинается с ФAД - Р/О =2.
Сопряжение окисления и фосфорилирования в митохондриях отличается прочностью:
если невозможен синтез АТФ, то прекращается и перенос электронов в ЦПЭ.
Зависимость дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным
контролем. Этот механизм регуляции имеет очень важное значение. В результате его
действия скорость синтеза АТФ определяется потребностью клетки в энергии: при
увеличении расходования АТФ в клеточных процессах (реакции синтеза, транспорт ионов и
др.) увеличивается концентрация АДФ. Это автоматически ведет к ускорению дыхания и
фосфорилирования. Можно сказать, что темп работы митохондриям задается
фактическими затратами АТФ.
Существует ряд лекарственных средств и токсических веществ, которые ингибируют
этапы дыхательной цепи: ротенон и аминал 1-ый этап; антимицин А – 2-ой этап; цианиды,
окись углерода и сероводород – 3-ий этап.
Для эффективной реализации выделяемой при окислении энергии в АТФ, процессы
тканевого дыхания и фосфорилирования должны быть связаны. При ряде нормальных и
патологических состояний наблюдается разобщение этих процессов. При разобщении
тканевого дыхания и фосфорилирования не вся энергия, выделяющаяся при окислении,
используется на синтез АТФ. Значительная ее доля теряется в виде тепла. При разобщении
осуществляется синтез не 3 молекул АТФ, а менее. Т.е. коэффициент Р/О при разобщении
окисления и фосфорилирования снижается.
Разобщение тканевого дыхания и фосфорилирования наблюдается при воздействии
веществ - разобщителей (протонофоров). К таким веществам можно отнести:
динитробензол, гормоны: тироксин, трийодтиронин, высшие жирные кислоты и др. Эти
соединения обладают способностью проникать через внутреннюю мембрану митохондрий
и, присоединяя протон водорода из межмембранного пространства, проносят его обратно
в матрикс, минуя специальный канал. Это приводит к уменьшению концентрации протонов
водорода в межмембранном пространстве и снижению синтеза молекул АТФ.
Разобщение в норме является важным терморегуляторным фактором: при холодовом
стрессе это способствует согреванию организма за счет выделения тепа при окислении.
Гипоэнергетические состояния – патологические состояния, сопровождающиеся
снижением процессов митохондриального окисления и, следовательно, уменьшением
темпов образования макроэргических соединений (в т.ч. и АТФ). Гипоэнергетические
состояния неизбежно приводят к дефициту энергии организма, что негативно сказывается
на метаболизме и в тяжелых случаях может закончиться летально.
Причинами таких состояний может быть нарушение процессов биологического
окисления на любом уровне: голодание, гиповитаминозы, разобщение, ингибирование
ферментов ЦПЭ, гипоксии. Гипоксии – нарушение процессов аэробного окисления. В
зависимости от уровня нарушения этих процессов выделяют следующие виды гипоксий:
экзогенная – возникает при недостатке кислорода в воздухе; респираторная - при
разнообразной патологии верхних и нижних дыхательных путей, альвеолярной ткани
(обтурация инородным телом, лярингоспазм, бронхоспазм, легочная недостаточность и
др.); сердечно-сосудистая – при патологии сердечно-сосудистой системы (пороки сердца,
недостаточность кровообращения и др.); гемическая - при неадекватном
функционировании компонентов крови (анемии, гемоглобинопатии, повреждение
гемоглобина дыхательными токсинами); тканевая - при нарушении митохондриального
окислительного фосфорилирования (поражение ферментов ЦПЭ, отравление цианидами,
сероводородом, азидами и др.).
Возможности применения препаратов с метаболической направленностью (триметазидин)
при лечении хронической сердечной недостаточности.
В 90–х годах ХХ столетия возник интерес к препаратам, способным поддерживать
энергетику миокарда на уровне обеспечивающего насосную деятельность сердца.
Подобные препараты с антигипоксантной и антиоксидантной фармакологической
направленностью относят к корректорам метаболизма или цитопротекторам.
Лекция 12. Внемитохондриальное окисление как минорный путь биоокисления. Краткая
характеристика ферментативных и неферментативных звеньев антиоксидантной системы
Типы окислительных реакций в организме
- Митохондриальное окисление
- Внемитохондриальное окисление
- Микросомальное окисление
- Свободно-радикальное окисление
ВНЕМИТОХОНДРИАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ
На его долю приходится 5-10% кислорода, поступающего в организм. АТФ во
внемитохондриальном окислении никогда не образуется.
Существуют 2 типа внемитохондриального окисления:
I. ОКИСЛЕНИЕ ОКСИДАЗНОГО ТИПА
Ферменты - ОКСИДАЗЫ. По строению являются металлофлавопротеинами. Содержат
металлы с переменной валентностью - железо(Fe), медь(Cu), молибден(Mo). Находятся
оксидазы в пероксисомах - особых образованиях эндоплазматического ретикулюма, а
также в наружной мембране митохондрий. Отнимают водород от субстрата и передают
его на кислород с образованием Н
2
О
2
- перекиси
водорода. Общая схема:
Оксидаз в клетке немного, и субстратов для них тоже
мало. Эти ферменты обычно обладают широкой субстратной специфичностью и
невысокой активностью.
1. МОНОАМИНОКСИДАЗЫ (МАО) - окисляют гормон адреналин и некоторые биогенные
амины.
2. ДИАМИНОКСИДАЗЫ (ДАО) - окисляют гистамин и другие диамины и полиамины.
3. ОКСИДАЗА L-аминокислот
4. ОКСИДАЗА D-аминокислот
5. КСАНТИНОКСИДАЗА - окисляет пуриновые азотистые основания (аденин и гуанин) с
участием воды.
Биологическое значение окисления по оксидазному типу.
1. Окисляются трудноокисляемые циклические вещества.
2. Быстрая инактивация БАВ - биологически активных веществ.
3. Образующаяся Н
2
О
2
оказывает бактерицидное действие - разрушает клеточные
мембраны фагоцитированных бактериальных клеток.
II. ОКИСЛЕНИЕ ОКСИГЕНАЗНОГО ТИПА
Происходит на мембранах эндоплазматического ретикулума и во внутренней мембране
митохондрий.
Ферменты - оксигеназы. Они активируют молекулу кислорода, а затем внедряют один
или два атома кислорода в молекулу окисляемого вещества.
Оксигеназы, включающие один атом кислорода в окисляемое вещество, называются
монооксигеназами (гидроксилазами).
Оксигеназы, включающие два атома кислорода в окисляемое вещество, называются
диоксигеназами.
Оксигеназы работают в составе мультиферментного комплекса, встроенного (built-in) в
мембрану.
Мультиферментный комплекс состоит из 3-х компонентов:
1. Флавиновые дегидрогеназы. Содержат ФАД. Наиболее обычный субстрат для них -
НАДФН
2
.
2. Железо-серный белок. Содержит негеминовое железо с переменной валентностью.
3. Цитохром Р
450
. Его строение отличается от строения цитохромов цепи
митоходриального окисления.
Мультиферментный комплекс формирует цепь переноса электронов и протонов, в конце
ее происходит активация кислорода. Активированный кислород присоединяется к
активному центру цитохрома Р
450
, и на него переносятся электроны, а затем этот кислород
включается в молекулу субстрата.
ЦПЭ как источник активных форм кислорода
Утечка электронов из ЦПЭ и непосредственное их взаимодействие с кислородом -
основной путь образования активных форм кислорода в большинстве клеток.
Кофермент Q в ЦПЭ принимает от доноров последовательно по одному электрону,
превращаясь в форму семихинона - KoQH•
Этот радикал может непосредственно взаимодействовать с кислородом, образуя
супероксидный анион , который, в свою очередь, может превращаться в другие активные
формы кислорода.
Перекисное окисление липидов (ПОЛ), роль в патогенезе повреждений клетки
Кислород, необходимый организму для функционирования ЦПЭ и многих других
реакций, является одновременно и токсическим веществом, если из него образуются так
называемые активные формы.
К активным формам кислорода относят:
ОН• - гидроксильный радикал;
- супероксидный анион;
Н2О2 - пероксид водорода.
Стадии перекисного окисления липидов (ПОЛ)
Инициация: образование свободного радикала (L•)
Инициирует реакцию чаще всего гидроксильный радикал, отнимающий водород от
СН2-групп полиеновой кислоты, что приводит к образованию липидного радикала.
2) Развитие цепи:
L • + О2 → LOO•
LOO• + LH → LOOM + LR•
Развитие цепи происходит при присоединении О2, в результате чего образуется
липопероксирадикал LOO• или пероксид липида LOOH.
ПОЛ представляет собой свободнорадикальные цепные реакции, т.е. каждый
образовавшийся радикал инициирует образование нескольких других.
3) Разрушение структуры липидов
Конечные продукты перекисного окисления полиеновых кислот - малоновый
диальдегид и гидропероксид кислоты.
Антиоксидантная система
1. ФЕРМЕНТАТИВНАЯ
a) КАТАЛАЗА - геминовый фермент, содержащий Fe3+, катализирует реакцию
разрушения перекиси водорода. При этом образуется вода и молекулярный
кислород.
2Н2О2 ------> H2O + O2
Каталазы много в эритроцитах - там она защищает гем гемоглобина от окисления.
б) СУПЕРОКСИДДИСМУТАЗА (СОД) катализирует реакцию обезвреживания двух
молекул супероксиданиона, превращая одну из них в молекулярный кислород, а
другую - в перекись водорода (менее сильный окислитель, чем супероксиданион).
О2 + О2+ 2Н+ ------> H2O2 + O2
СОД работает в паре с каталазой и содержится во всех тканях.
в) ПЕРОКСИДАЗА - геминовый фермент, восстанавливает перекись водорода до
воды, но при этом обязательно идет окисление другого вещества, которое является
восстановителем. В организме человека таким веществом является ГЛУТАТИОН -
трипептид: гамма-глутамил-цистеил-глицин. Поэтому пероксидазу человеческого
организма называют глутатионпероксидазой.
2. НЕФЕРМЕНТАТИВНЫЕ КОМПОНЕНТЫ АНТИОКСИДАНТНОЙ СИСТЕМЫ
1. Витамины Е (токоферол) и А (ретинол), которые находятся в составе клеточных мембран.
2. Церулоплазмин - белок плазмы крови, который принимает участие в транспорте меди.
3. Мочевая кислота.
Механизм действия этих компонентов: они принимают неспаренные электроны от активных форм
кислорода, при этом образуется радикал антиоксиданта, который малоактивен. Таким образом
неферментативные компоненты антиоксидантной системы - это перехватчики неспаренных
электронов.
Свободное окисление (СвОк)
Если процесс тканевого дыхания отключен от процесса фосфорилирирования, то
энергия субстратов окисляются, превращается в теплоту, которая не используется для
выполнения клеточных функций. Такой путь окисления клеточных субстратов А.
Ленинджер назвал нефосфорилированным или свободным окислением.
(СвОк) необходимо в тех случаях, когда потребность в тепле для организма больше, чем в АТФ.
Например, для поддержания температуры тела при охлаждении теплокровных организмов
В этих организмах есть особая ткань - бурый жир. Его физиологическое назначение -
продуцирование тепла в процессе окисления триацилглицеринов для поддержания необходимой
температуры тела.
Особенность внутренней митохондриальной мембраны клеток бурой жировой ткани - отсутствие
способности синтезировать АТФ.
Внутр. мембрана имеет особые поры, проницаемые для ионов водорода (Н+). Ионы водорода,
которые выделяются во время работы дыхательной цепи, попадают снова в матрикс митохондрий
не через протонный канал АТФазного комплекса, а через все особые поры. Энергия окисления
превращается в тепло.
Бурого жира больше всего у новорожденных, с возрастом у человека его количество
уменьшается
Особенно много бурого жира у спящих зимой животных, которые чутко реагируют на температуру
окружающей среды.
Необычная для бурого жира коричневая окраска объясняется большим содержанием в нем
митохондрий. Эти митохондрии отличаются тем, что в них примерно в 10 раз больше ферментов
дыхания, чем фосфорилирования, т.е. они в меньшей степени предназначены для производства
АТФ.