БХ

3. освобождение конечного продукта.

F1 является собственно ферментом и катализирует образование АТФ по схеме: АДФ + Фн → АТФ + Н2О

Коэффициент Р/О- – это число молей неорганического фосфата, пошедшего на образование АТФ в расчете на каждый атом поглощенного кислорода. Если водород поступает в ЦПЭ от кофермента НАД+, то Р/О имеет максимальное значение, равное 3. Если водород поступает от ФАД-зависимых дегидрогеназ, то Р/О равен 2.

Разобщители – вещества, снижающие электрохимический потенциал внутренней мембраны митохондрий путем утечки протонов в матрикс, минуя протонный канал АТФ-синтазы.

Протонофоры - представляют собой молекулы, переносящие ионы водорода из межмембранного пространства в матрикс митохондрии. В результате снижается электрохимический градиент мембраны.

Ионофоры - органические вещества способные встраиваться в мембрану, образуя канал, и осуществляющие перенос катионов щелочных и щелочноземельных металлов или NH4 + через биологические мембраны (валиномицин, нигерицин, грамицидин). В результате снижается электрический градиент мембраны.

Механизм окислительного фосфорилирования

На основании строения и функций компонентов дыхательной цепи предложен механизм окисли-

тельного фосфорилирования:

1. Ферменты дыхательной цепи расположены в строго определенной последовательности: каждый последующий белок обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий (он более электроположителен, т.е. обладает более положительным окислительно-восстановительным потенциалом). Это обеспечивает однонаправленное движение электронов.

71

2.Все атомы водорода, отщепленные дегидрогеназами от субстратов в аэробных условиях, достигают внутренней мембраны митохондрий в составе НАДН или ФАДН2.

3.Здесь атомы водорода (от НАДН и ФАДН2) передают свои электроны в дыхательную ферментативную цепь, по которой электроны движутся (50-200 шт/сек) к своему конечному акцептору – кислороду. В результате образуется вода.

4.Поступающие в дыхательную цепь электроны богаты свободной энергией. По мере их продвижения по цепи они теряют энергию.

Часть энергии электронов используется I, III, IV комплексами дыхательных ферментов для перемещения ионов водорода через мембрану в межмембранное пространство. Другая часть рассеивается

ввиде тепла.

5.Перенос ионов водорода через мембрану (выкачивание) происходит не случайно, а в строго определенных участках мембраны. Эти участки называются участки сопряжения (или, не совсем точно, пункты фосфорилирования). Они представлены I, III, IV комплексами дыхательных ферментов.

6.Как завершение всех предыдущих событий и необходимый их результат происходит наработка АТФ: ионы H+ теряют свою энергию, проходя через АТФ-синтазу (Н+-транспортирующая АТФ-аза, КФ 3.6.3.14.). Часть этой энергии тратится на синтез АТФ. Другая часть рассеивается в виде тепла

Механизм вращательного катализа при синтезе АТФ

Взаимодействие F1 и Fo

Синтез АТФ происходит за счет энергии, высвобождающейся при прохождении протонов через каналы комплекса Fo.

•Упрощенно считают, что для синтеза 1 молекулы АТФ необходимо прохождение через АТФ-синтазу приблизительно 3-х ионов Н+, и еще один ион H+ используется для транспорта неорганического фосфата в матрикс митохондрии и для антипорта АДФ (в митохондрию) ↔ АТФ (в цитозоль). Таким образом, для получения одной молекулы АТФ из АДФ требуется 4 иона Н+.

•Поскольку при прохождении одной пары электронов по всей дыхательной цепи выкачива-

ется 10 ионов Н+, то окисление одного моля НАДН+Н+ приведет к образованию 2,5 молей АТФ.

Гипоэнергетические состояния

72

Причиной гипоэнергетических состояний может быть следующее:

•гиповитаминозы экзогенные и/или эндогенные – снижается скорость и эффективность окис-

лительных реакций. Возникает обычно при нехватке витаминов – В1, В2, никотиновой кислоты, В6, пантотеновой кислоты и аскорбиновой кислоты,

•дефицит белка в пище – снижается синтез всех ферментов и ферментов катаболизма, в частности,

•снижение потребления углеводов и липидов как основных источников энергии,

•дефицит кислорода – отсутствие акцептора для электронов вызывает "переполнение"

•дыхательных ферментов, накопление НАДН и ФАДН2 в клетке и прекращение катаболизма,

•дефицит железа – компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина, и меди – компонента цитохромоксидазы.

41. Микросомальное окисление. Структурные компоненты и функции оксидаз, монооксигеназ и диоксигеназ. Значение микросомального окисления для организма: обезвреживание природных и искусственных экотоксикантов.

Микросомальное (свободное) окисление – процесс биологического окисления, протекающий на мембранах ЭПС, сопровождающийся внедрением кислорода в субстрат.

Значение микросомального окисления

1.Обезвреживание эндогенных (гем, стероидные гормоны, холестерин) и экзогенных БАВ (токсины, лекарственные вещества и их метаболиты).

2. Синтез БАВ (холестерин, стероидные гормоны, фенилаланин, ненасыщенные жирные кислоты).

Оксигеназы

•Монооксигеназы – внедряют один атом кислорода в субстрат

SH + O2 + 2H+ → SOH + H2O

•Диоксигеназы – внедряют два атома кислорода в субстрат

S + O2 → SO2

Главным ферментом микросомального окисления является цитохром Р450

1.Гемсодержащий фермент;

2.Обладает относительной субстратной специфичностью (способен метаболизировать практически все известные химические соединения);

3.Катализирует реакции: гидроксилирования – выступает в качестве мсонооксигеназы (наиболее часто), деалкилирование, дезаминирование и др.

4.Известно много изоформ Р450 локализованных в разных тканях: (наибольшее количество находится в печени);

5.Обладает индуцибельным действием (активируется в ответ на поступление субстрата);

6.Участвует в метаболизме лекар-

ственных веществ и других ксенобиотиков, а также в синтезе глюкокортикоидных гормонов, желчных кислот, простаноидов, холестерина и т.д.

73

42. Свободно-радикальное окисление. Токсичность кислорода: образование активных форм кислорода, их действие на липиды и другие вещества клетки. Механизм защиты: антиоксидантные системы (ферментативные и неферментативные). Антиоксидантные ферменты: СОД, каталаза, глутатионпероксидаза. Неферментативные антиоксиданты: α-токоферол, витамин А, эстрогены и др.

Свободно-радикальное окисление - процесс окис-

ления органических соединений под действием активных форм кислорода (АФК).

Способы образования АФК в клетке

Спонтанно:

•В дыхательной цепи митохондрий.

•В микросомальном окислении.

•Окисление гемоглобина.

•При спонтанной дисмутации двух супероксид анион-радикалов.

•Радиолиз воды.

•При действии различных неорганических АФК на ненасыщенные жирные кислоты липидов.

•Из липопероксидов в присутствии ионов металлов переменной валентности

Специально (в результате работы ферментов)

1. Образование АФК как главного продукта реакции. В результате работы ферментов: НАДФН-оксидазы, миелопероксидазы, NO-синтазы, липоксигеназы, циклооксигеназы.

2. Образование АФК как побочного продукта реакции. В результате работы ферментов: моноаминооксидазы, оксидазы D- и Lаминокислот, полиаминоксидазы, ксантиндегидрогеназы, лизилоксидазы.

75

Значение АФК и ПОЛ* для макроорганизмов

1.Защитная роль

2.Обновление мембранных липидов

3.Участие в синтезе БАВ (тиреоидных гормонов, эйказаноидов)

4.Регуляции тонуса сосудов,

5.Клеточная пролиферация,

6.Регуляция метаболических процессов в качестве внутриклеточных мессенджеров,

7.Индукция иммунных реакций.

Факторы, способствующие генерации АФК и возникновению ПОЛ

1.Фармакологические агенты

2.Яды

3.Токсины

4.Аллергены

5.Ионизирующее, УФизлучение и др.

*Перекисное окисление липидов (ПОЛ) - окислительная деградация липидов, происходящая, под действием активных форм кислорода (АФК).

Антиоксиданты – вещества, защищающие клетку от ПОЛ.

76

43. Основные углеводы пищи. Переваривание углеводов в ротовой полости и же- лудочно-кишечном тракте, амилолитические ферменты слюны, поджелудочной железы, гидролиз дисахаридов. Всасывание моносахаридов (механизм всасывания). Наследственные нарушения обмена дисахаридов: непереносимость некоторых дисахаридов.

Знания о структуре и свойствах углеводов необходимы для понимания их функций в организме человека. Прежде всего углеводы являются основными поставщиками энергии. На их долю приходится более 50% от суточного количества необходимых организму человека калорий. Углеводы составляют почти 75% массы суточного пищевого рациона. В промежутках между едой в качестве легкомобилизуемого резерва организм использует гликоген. В виде гликогена клетки запасают около 500 г этого полисахарида, что соответствует примерно 2000 ккал.

Следует отметить и структурную роль углеводов. В виде гликозаминогликанов углеводы входят в состав межклеточного матрикса. Большое число белков (ферменты, белкитранспортеры, белки-рецеп- торы, гормоны, иммуноглобулины и т.д.) является гликопротеинами. Углеводы используются для синтеза нуклеиновых кислот и входят в состав коферментов. Глюкурониды участвуют в процессах детоксикации эндогенных ядов и ксенобиотиков. Таким образом, кроме основной энергетической функции («клеточные дрова») углеводы участвуют во многих метаболических процессах.

Классификация углеводов

•Моносахариды подразделяются на альдозы и кетозы в зависимости от наличия альдегидной или кетогруппы. Альдозы и кетозы, в свою очередь, разделяются в соответствии с числом атомов углерода

вмолекуле: триозы, тетрозы, пентозы, гексозы и т.д.

•Олигосахариды делятся по числу моносахаридов в молекуле: дисахариды, трисахариды и т.д.

•Полисахариды подразделяют на гомополисахариды, т.е. состоящие из одинаковых моносахаров, и гетерополисахариды, состоящие из различных моносахаров.

Выделяют гомополисахариды, состоящие из одинаковых остатков моносахаров (крахмал, гликоген, целлюлоза) и гетерополисахариды (гиалуроновая кислота, хондроитинсульфаты), включающие разные моносахара.

Гомополисахариды

Крахмал – гомополимер α-D-глюкозы. Двумя основными компонентами крахмала являются амилоза (неразветвленная, исключительно α-1,4) (15-20%) и амилопектин (α-1,4-и α-1,6, разветвленная (20-30 остатков, через 15 остатков)) (80-85%).

Гликоген – схож с амилопектином (10-18 остатков, через 10) Целлюлоза - β-глюкоза, связь - β-1,4.

77

Целлюлоза (клетчатка) — основной структурный полисахарид растений. Это самое распространенное органическое соединение на Земле. Доля целлюлозы в клеточных стенках растений составляет

40–50%.

Целлюлоза — линейный полисахарид гомогликан, построенный из остатков глюкозы, соединенных между собой β-1,4-гликозидными связями. Пищеварительная система человека не имеет ферментов, гидролизующих β-связи в полисахаридах, поэтому целлюлоза является неиспользуемым углеводом, но этот пищевой компонент, как будет описано далее, необходим для нормального протекания процесса переваривания.

Гликоген — полисахарид животных и человека. Так же, как крахмал в растениях, гликоген в клетках животных выполняет резервную функцию, хотя в пище содержится лишь в небольших количествах.

Гликоген представляет собой структурный аналог крахмала, но имеет большую степень ветвления: примерно на каждые 10 остатков глюкозы приходится одна α-1,6-гликозидная связь.

Переваривание углеводов

Вэпителиальные клетки кишечника способны всасываться только моносахариды. Поэтому процесс переваривания заключается в ферментативном гидролизе гликозидных связей в углеводах, имеющих диолигоили полисахаридное строение.

Переваривание углеводов в ротовой полости:

Вротовой полости пища измельчается при пережевывании, смачиваясь при этом слюной. Слюна на 99% состоит из воды и обычно имеет рН 6,8. В слюне присутствует гидролитический фермент α- амилаза (α-1,4-гликозидаза), которая расщепляет в крахмале α-1,4-гликозидные связи. Полное расщепление крахмала в ротовой полости не происходит, так как действие фермента кратковременно. Кроме того, амилаза слюны не расщепляет

α-1,6-гликозидные связи, поэтому крахмал переваривается лишь частично с образованием крупных фрагментов — декстринов и небольшого количества мальтозы. Следует отметить, что амилаза слюны не гидролизует гликозидные связи в дисахаридах.

Действие амилазы слюны прекращается в кислой среде содержимого желудка (рН 1,5–2,5). Однако внутри пищевого комка, активность амилазы может некоторое время сохраняться. Желудочный сок не содержит ферментов, расщепляющих углеводы. В желудочном содержимом возможен лишь незначительный кислотный гидролиз гликозидных связей.

Переваривание углеводов в кишечнике:

Последующие этапы переваривания нерасщепленного или частично расщепленного крахмала, а также других углеводов пищи происходят в тонком кишечнике в разных его отделах под действием гидролитических ферментов — гликозидаз.

Вдвенадцатиперстной кишке рН среды желудочного содержимого нейтрализуется, так как секрет поджелудочной железы имеет рН 7,5–8,0 и содержит бикарбонаты (НСО3-). С секретом поджелудочной железы в кишечник поступает панкреатическая α-амилаза. Этот фермент гидролизует α-1,4-глико- зидные связи в крахмале и декстринах.

Продуктами переваривания крахмала на этом этапе является дисахарид - мальтоза, содержащая два остатка глюкозы, связанные α-1,4-связью. Из тех остатков глюкозы, которые в молекуле крахмала находятся в местах разветвления и соединены α-1,6-гликозидной связью, образуется дисахарид изомальтоза.

Кроме того, образуется некоторое количество олигосахаридов, содержащих 3–8остатков глюкозы, связанных α-1,4, и α-1,6 связями. α-амилаза поджелудочной железы, так же как α-амилаза слюны, действует как эндогликозидаза. Панкреатическая α-амилаза не расщепляет α-1,6-гликозидные связи в крахмале. Этот фермент также не гидролизует β-1,4-гликозидные связи, которыми соединены остатки глюкозы в молекуле целлюлозы. Целлюлоза, таким образом, проходит через кишечник неизмененной. Тем не менее непереваренная целлюлоза выполняет важную функцию балластного вещества, придавая пище дополнительный объем и положительно влияя на процесс переваривания. Кроме того, в толстом кишечнике целлюлоза может подвергаться действию бактериальных ферментов и частично расщепляться с образованием спиртов, органических кислот и СО2. Продукты бактериального расщепления целлюлозы важны как стимуляторы перистальтики кишечника.

Дальнейшее переваривание мальтозы, изомальтозы, сахарозы, лактозы и олигосахаридов происходит под действием специфических ферментов в тонком кишечнике. Активность специфических олиго-

79

идисахаридаз в просвете кишечника низкая. Но ферменты активно действуют на поверхности эпителиальных клеток кишечника, образуя ферментативные комплексы.

Сахаразо-изомальтазный комплекс гидролизует сахарозу и изомальтозу, расщепляя α-1,2- и α-1,6- гликозидные связи. К тому же, этот комплекс имеет мальтазную и мальтотриазную активность, гидролизуя α-1,4-гликозидные связи в мальтозе и мальтотриозе (трисахарид, образующийся из крахмала). На долю сахаразо-изомальтазного комплекса приходится 80% от всей мальтазной активности кишечника.

Втощей кишке содержание сахаразо-изомальтазного ферментативного комплекса достаточно высокое, но оно снижается в проксимальной и дистальной частях кишечника.

Гликоамилазный комплекс катализирует гидролиз α-1,4-связи между глюкозными остатками в олигосахаридах, действуя с восстанавливающего конца. По механизму действия этот фермент относится к экзогликозидазам. Комплекс расщепляет также связи в мальтозе, действуя как мальтаза. Гликоамилазная активность комплекса наибольшая в нижних отделах тонкого кишечника.

β-гликозидазный комплекс (лактаза) расщепляет β-1,4-гликозидные связи между галактозой и глюкозой в лактозе.

Лактаза, как и другие гликозидазные комплексы, связана с щеточной каемкой и распределена неравномерно по всему тонкому кишечнику. Активность лактазы колеблется в зависимости от возраста. Так, у плода она особенно активна в поздние сроки беременности и сохраняется на высоком уровне до 5–7-летнего возраста. Затем активность фермента снижается, составляя у взрослых 10% от уровня, характерного для детей.

Совместное действие всех перечисленных ферментов завершает переваривание пищевых олиго- и полисахаридов с образованием моносахаридов, основным из которых является глюкоза. Кроме глюкозы из углеводов пищи образуется также фруктоза и галактоза, в меньшем количестве манноза, ксилоза, арабиноза.

Всасывание моносахаридов в кишечнике:

Транспорт моносахаридов в клетки слизистой кишечника может осуществляться разными способами: путем облегченной диффузии и активного транспорта. В случае активного транспорта глюкоза

иNа+ проходят через мембраны с люминальной стороны, связываясь с разными участками белка-пе- реносчика. При этом Nа+ поступает в клетку по градиенту концентрации и одновременно глюкоза транспортируется против градиента концентрации (вторично-активный транспорт). Следовательно, чем больше градиент Nа+, тем больше поступление глюкозы в энтероциты. Если концентрация Nа+ во внеклеточной жидкости уменьшается, транспорт глюкозы снижается. Градиент концентрации Nа+ создается работой Nа+, К+-АТРазы. Вторично-активный транспорт характерен также для галактозы.

Благодаря активному транспорту эпителиальные клетки кишечника могут поглощать глюкозу при ее очень низкой концентрации в просвете кишечника. Если же концентрация глюкозы в просвете кишечника велика, то она может транспортироваться в клетку путем облегченной диффузии. Таким же способом может всасываться и фруктоза. После всасывания моносахариды (главным образом глюкоза) покидают клетки слизистой кишечника через мембрану, обращенную к кровеносному капилляру, с помощью облегченной диффузии. Часть глюкозы (более половины) попадает в кровеносную систему и через воротную вену и доставляется в печень, а остальное количество глюкозы поступает в клетки других тканей.

Транспорт глюкозы из крови в клетки:

Потребление глюкозы клетками из кровотока происходит также путем облегченной диффузии. Следовательно, скорость трансмембранного потока глюкозы зависит только от градиента ее концентрации. Исключением являются клетки мышц и жировой ткани, где облегченная диффузия регулируется инсулином (гормон поджелудочной железы). В отсутствие инсулина плазматическая мембрана этих клеток непроницаема для глюкозы, так как она не содержит белки–переносчики (транспортеры) глюкозы. Глюкозные транспортеры (ГЛЮТ) называют также рецепторами глюкозы. Транспортер имеет участок связывания глюкозы на внешней стороне мембраны. После присоединения глюкозы конформация белка изменяется, в результате чего глюкоза оказывается связанной с белком в участке, обращенном внутрь клетки. Затем глюкоза отделяется от транспортера, переходя внутрь клетки.

Описаны пять типов ГЛЮТ. Они имеют сходную первичную структуру и доменную организацию, но отличаются локализацией и степенью сродства к глюкозе.

Все типы ГЛЮТ могут находиться как в плазматической мембране, так и в цитозольных везикулах. ГЛЮТ-4 (и в меньшей мере ГЛЮТ-1) почти полностью находятся вцитоплазме клеток. Влияние

80