МИНИСТЕРСТВО ЗДРАВООХРАНЕНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

УО «ВИТЕБСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ОРДЕН ДРУЖБЫ НАРОДОВ

МЕДИЦИНСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

КАФЕДРА ОБЩЕЙ И КЛИНИЧЕСКОЙ БИОХИМИИ

РЕФЕРАТ

по «Биологической химии»

на тему:

«Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Нарушение энергетического обмена»

Витебск, 2015 г.

Содержание

Окислительное фосфорилирование: общие сведения. 3

Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТФ.. 4

Разобщение дыхания и фосфорилирования. 5

Нарушения энергетического обмена. 6

Список литературы: 7

Окислительное фосфорилирование: общие сведения

Митохондриям принадлежит ведущая роль в образовании энергии. В результате окисления углеводов, жиров и белков образуются восстановительные эквиваленты (электроны и атомы водорода), которые переносятся по дыхательной цепи. Высвобождающаяся при этом энергия переходит в энергию электрохимического градиента для протонов на внутренней мембране митохондрий, а та, в свою очередь, используется для синтеза АТФ. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием.

Образовавшиеся в результате гликолиза триозы, и в первую очередь пировиноградная кислота, вовлекаются в дальнейшее окисление, происходящеее в митохондриях.

При этом используется энергия расщепления всех химических связей, что приводит к выделению CO2, потреблению кислорода и синтезу большого количества АТФ. Эти процессы связаны с окислительным циклом трикарбоновых кислот и дыхательной цепью переноса электронов, где происходят фосфорилирование АДФ и синтез клеточного "топлива" - молекул АТФ. В цикле трикарбоновых кислот электроны, освободившиеся при окислении, переносятся на акцепторные молекулы коферментов (НАД - никотинамид адениндинуклеотид), которые вовлекают их далее в цепь переноса электронов (ЭТЦ - электронтранспортную цепь). Эти события внутри митохондрий происходят в их матриксе. Остальные реакции, связанные с дальнейшим переносом электронов и синтезом АТФ, связаны с внутренней митохондриальной мембраной, с кристами митохондрий. Освободившиеся в процессе окисления в цикле трикарбоновых кислот электроны, акцептированные на коферментах, переносятся затем в дыхательную цепь (цепь переноса электронов), где они соединяются с молекулярным кислородом, образуя молекулы воды. Дыхательная цепь представляет собой ряд белковых комплексов, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, и является главной системой превращения энергии в митохондриях. Здесь происходят последовательное окисление и восстановление элементов дыхательной цепи, в результате чего высвобождается небольшими порциями энергия. За счет этой энергии в трех точках цепи из АДФ и фосфата образуется АТФ. Поэтому говорят, что окисление (перенос электронов) сопряжено с фосфорилированием (АДФ + Фн = АТФ), то есть происходит процесс окислительного фосфорилирования. [1]

В сутки человек потребляет в среднем 27 моль кислорода. Основное его количество (примерно 25 моль) используется в митохондриях в дыхательной цепи. Следовательно, ежесуточно синтезируется 125 моль ATP или 62 кг (при расчете использовали коэффициент Р/О=2,5, то есть среднее значение коэффициента фосфорилирования). Масса всей АТФ, содержащейся в организме, составляет примерно 20-30 г. Следовательно, можно сделать вывод, что каждая молекула АТФ за сутки 2500 раз проходит процесс гидролиза и синтеза, что и характеризует интенсивность обмена АТФ.

 

Сопряжение работы дыхательной цепи с процессом синтеза АТФ

Существует несколько гипотез, объясняющих механизм сопряжения. Одной из них является хемоосмотическая теория. Цепь транспорта электронов функционирует как протонная (Н+)помпа, осуществляя перенос протонов из матрикса через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. Эндоэргический процесс выброса протонов из матрикса возможен за счет экзоэргических окислительно-восстановительных реакций дыхательной цепи. Перенос протонов приводит к возникновению разности концентрации Н+ с двух сторон митохондриальной мембраны: более высокая концентрация будет снаружи и более низкая - внутри. Митохондрия в результате переходит в «энергизованное» состояние, так как возникает градиент концентрации Н+ и одновременно разность электрических потенциалов со знаком плюс на наружной поверхности.

Электрохимический потенциал способен совершать «полезную» работу, он заставляет протоны двигаться в обратном направлении, но мембрана непроницаема для них кроме отдельных участков, называемых протонными каналами. Обратный перенос протонов в матрикс является экзоэргическим процессом, высвобождающаяся при этом энергия используется на фосфорилирование ADP. Эту реакцию катализирует фермент Н+-АТР-синтетаза, располагающаяся в области протонных каналов на внутренней поверхности внутренней мембраны. [2]

 

 

 

 

 

 

Разобщение дыхания и фосфорилирования

Сопряжение между дыханием и синтезом АТФ может быть нарушено разобщителями. Разобщители нарушают дыхательный контроль (т.е. стимулируют дыхание в отсутствие синтеза АТФ) и стимулируют гидролиз АТФ в митохондриях.Некоторые химические вещества (протонофоры) могут переносить протоны или другие ионы (ионофоры) из межмембранного пространства через мембрану в матрикс, минуя протонные каналы АТФ-синтазы. 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. [3]

Разобщающее действие вызывает специфический фермент — аденозинтрифосфатаза, а также другие фосфатазы. Существуют и специфические ингибиторы (яды) окислительного фосфорилирования — так называемые разобщающие агенты или факторы.
Типичным представителем последних является динитрофенол, механизм действия которого заключается, в конечном итоге, в стимулировании фосфатазной активности клетки.
Динитрофенол и аналогичные ему агенты (например, дикумарол, арсениты) не затрагивают природы самих компонентов, участвующих в процессе фосфорилирования. Их действие заключается только в гидролизе макроэргических связей в молекуле АТФ или не содержащих фосфора предшественников последней.
Наряду с этим имеется группа ингибиторов фосфорилирования, действие которых основано на связывании компонентов, участвующих в транспорте электронов по цепи. Таковы цианиды, амитал, антимицин и др.
Известны, наконец, агенты, ингибирующее действие которых распространяется на соединения, участвующие в сопряжении окисления с фосфорилирование. Некоторые из ингибиторов оказывают комплексное воздействие.  [4]

Примерами разобщителей могут быть также некоторые лекарства, например дикумарол - антикоагулянт или метаболиты, которые образуются в организме, билирубин - продукт катаболизма, тироксин - гормон щитовидной железы Все эти вещества проявляют разобщающее действие только при их высокой концентрации.

Тироксин, также обладающий разобщающим действием, вызывает набухание митохондрий, увеличивает проницаемость митохондриальной мембраны. Часть субстратов цикла Кребса выходит в гиалоплазму. Окисление их ферментами гиалоплазмы при участии экстрамитохондриального НАД приводит к увеличению образования тепла в результате свободного окисления. Выработка АТФ в клетке уменьшается.

При разобщении окисления и фосфорилирования наблюдается несоответствие между данными прямой и непрямой калориметрий. При отравлении 2,4-а-динитрофенолом теплопродукция по калориметру может на 50-80% превышать рассчитанную по газообмену. При тиреотоксикозе теплопродукция по калориметру может превышать рассчитанную по газообмену на 20-40%.

Нарушения энергетического обмена

Нарушения энергетического обмена лежат в основе большинства функциональных и органических нарушений органов и тканей. Все энергетические нарушения реализуются на молекулярном уровне.

Нарушения на клеточном уровне зависят от повреждения цитоплазматических включений - мембран митохондрий, лизосом, эндоплазматического ретикулума. Чаще всего эти повреждения вызываются нарушением биосинтеза нуклеиновых кислот, активацией окисления, действием токсинов, а также нарушением нервной и гуморальной регуляции. На органном и тканевом уровне последствием энергетических нарушений является изменение специфической функции соответствующих органов и тканей.

На уровне целостного организма нарушения энергетического обмена обычно связаны с нарушением регуляторной функции нервной и эндокринной систем.

Нормальное течение обменных процессов на молекулярном уровне обусловлено динамическим взаимодействием процессов катаболизма и анаболизма. [5]

Изменение энергетического обмена может происходить в результате усиления окислительно-восстановительных процессов при лихорадке, гипотермии и перегревании или же снижения их при гипоксии, кастрации, отравлении цианидами.

Расстройства энергетического обмена имеют серьезные последствия для организма из-за дефицита макроэргов, нарушений вследствие этого синтеза веществ и возникновения дистрофических процессов.

Важным источником получения энергетического материала являются гликогенолиз, липолиз и глюконеогенез. Эти процессы в условиях расстройства энергетического обмена резко активируются за счет усиления образования контринсулярных гормонов (катехоламинов, глюкокортикоидов, тироксина, соматотропина, глюкагона). Энергетической ценности углеводных запасов человека несом 70 кг (800 ккал) достаточно для обеспечения энергией только на 24 часа. Энергетические ресурсы триглицеридов жировой ткани оставляют 141000 ккал. [6]

Список литературы:

1)  http://humbio.ru/humbio/mitochondriome/00005cc7.htm

2)  http://www.biochemistry.ru/pub/book6.htm

3)  http://biochemistry.ru/biohimija_severina/B5873Part40-276.html

4)  http://chem21.info/info/1854330/

5)  http://www.medkurs.ru/lecture3k/ph/pp37/5739.html

6)  http://bono-esse.ru/blizzard/A/Patfiz/narushenija_obmena_energii.html