Клінічне значення визначення пірувату

Найбільш різке підвищення концентрації пірувату відзначається при м'язовій роботі й вітамінній недостатності. При великих фізичних навантаженнях концентрація ПВК може підвищуватися до 5 мг/100 мол. Крім того, підвищення змісту ПВК у крові відзначається при паренхіматозних захворюваннях печінки, цукровому діабеті, серцевій декомпенсації, токсикозах. У спинномозковій рідині концентрація пірувату значно підвищується після травми черепа, при запальних процесах – менінгіті, абсцесі мозку. Підвищений зміст ПВК токсичний для організму.

Роль кисню в метаболізмі

Організм людини і тварини функціонує в аеробних умовах: 90% енергії він одержує при участі кисню. Кисень виконує дві найважливіші функції в метаболізмі в процесі життєдіяльності:

1) є кінцевим акцептором електронів і протонів при біологічному окислюванні (оксидазний шлях використання кисню);

2) виконує пластичну функцію: кисень вбудовується в процесі мікросомального окислювання в гідрофобні з'єднання, переводячи них у гідрофільні (оксигеназний шлях використання кисню).

Відомо близько 200 ферментів, що використовують молекулярний кисень у якості одного із субстратів. Усі вони поділяються на два класи в залежності від того, чи включається кисень в інший субстрат у ході такої реакції:

1) оксидази: кисень не включається в субстрат, а використовується як акцептор електронів. Існує два типи оксидаз: одні утворюють у якості одного з продуктів воду, а інші – пероксид водню:

2) оксигенази – кисень включається в субстрат. Існує також два типи оксигеназ:

а) монооксигенази (або гідроксилази) – включається тільки один атом кисню:

б) диоксигеназа – включається два кисні в субстрат:

Токсичність кисню

Для організму людини токсичність кисню обумовлена токсичністю його активних форм, що можуть утворюватися при перенесенні електронів від субстратів, що окислюються, на кисень. До активних форм кисню відносяться: супероксид-іон, гідроксильний радикал, пероксид-іон, синглетний кисень. Дані частки являють собою небезпеку для життя кліток внаслідок ушкоджень, що вони здатні заподіювати всім класам біомолекул, особливо білкам і ліпідам, викликаючи перекисне окислювання.

У живій клітині відбувається детоксикація пероксиду водню і супероксид-іона при участі природних антиоксидантів (аскорбінової кислоти, вітаміну Е, глутатіона) і ферментів (супероксиддисмутази, каталази, глутатіонпероксидази).

Макроергічні молекули

До макроергічних відносяться сполуки, при гідролізі яких виділяється енергія не менш 7 ккал/моль. Це число – умовна одиниця, що означає всього лише якийсь рівень відліку, відповідно до якого АТФ і кілька інших сполуки відрізняються від інших природних з'єднань. Відповідно назва «макроергічний» уживається для об'єднання сполук у групу речовин макроергічних і для вказівки їхньої особливої важливості в перенесенні енергії в живій клітині.

Нуклеозидтрифосфати

Найбільш розповсюдженими високоенергетичними загальними проміжними продуктами є нуклеозидтрифосфати (НТФ), що можуть передавати свою кінцеву високоенергетичну фосфатну групу кожної з численних органічних молекул-акцепторів (найчастіше енергія утвориться у виді АТФ). Особливість високоенергетичних нуклеотидів полягає в тому, що вони виступають як універсальне джерело енергії для великого числа енергозалежних реакцій.

Молекула АТФ складається з аденілатної групи і трьох залишків фосфорної групи. Значна частина вільної енергії цієї молекули обумовлена взаємним електростатичним відштовхуванням цих фосфатних залишків аналогічно взаємному відштовхуванню однойменно заряджених зарядів. Розрив зв'язків між залишками фосфорної кислоти супроводжується звільненням енергії. З'єднанням, що грає найбільш важливу роль у клітинній енергетиці, є АТФ, тому що:

1. Хімічна енергія запасається шляхом утворення АТФ, сполученого з катаболічними реакціями розщеплення,

2. Потім хімічно енергія утилізується шляхом розщеплення АТФ, сполученого з ендергонічними реакціями синтезу в ході анаболізму й інших процесів, що вимагають витрат енергії, наприклад активного транспорту і скорочення м'язів.

Гідроліз АТФ – термодинамічна рушійна сила процесів, що самі по собі є термодинамічно невигідними.

АТФ і інші нуклеозидтрифосфати відповідальні за перенос енергії в багатьох сполучених реакціях. АТФ – постійне джерело енергії для клітини. Він мобільний і може доставляти хімічну енергію в будь-яку частину клітини. Коли клітина має потребу в енергії, єдине, що буде потрібно для її одержання, – це гідроліз АТФ. АДФ може бути рефосфорильована в АТФ у результаті дихальної активності або за рахунок іншого високоенергетичного з'єднання, наприклад, креатинфосфату, що присутній у м'язових клітинах. Якщо весь АДФ м'язової тканини перетворюється в АТФ, то фосфат від АТФ переноситься на креатин з утворенням креатинфосфату. При цьому знову з'являється деяка кількість АДФ, що може, приєднавши фосфат, утворити АТФ. При зниженні рівня АТФ відбувається зворотний процес: фосфат переноситься від креатину-фосфату на АДФ, і запаси АТФ відновлюються.

Таким чином, АТФ грає важливу метаболічну роль завдяки своєму центральному положенню в клітинній активності. Він діє як сполучна клітинна ланка між подихом і процесами, що вимагають витрати енергії. При цьому його високоенергетичні фосфатні групи безупинно відщеплюються і заміщаються новими.

Аргінінфосфат і креатинфосфат виконують роль своєрідних акумуляторів хімічної енергії, що використовуються для швидкого фосфорилювання АТФ під час енергійного м'язового скорочення. Їх називають фосфагенами.

Ацилфосфати – макроергічні з'єднання з ангідридним зв'язком, у яких карбонільний атом вуглецю ацильної групи особливо легко бере участь у реакції з нуклеофілами. Значення ΔG = -12,8 ккал/моль.

Наприклад, гліцеро-1,3-дифосфат + НОН гліцеро-3-фосфат + H₃PO₄.

Тіоефіри відіграють дуже важливу роль у метаболізмі в якості метаболічно активної форми ацильної групи. У природі основними тіолвмістними з'єднаннями є: коферменти, ліпоєва кислота, білки з -SH групою:

ацетил-КоА + НОН -> ацетат + HSKo;

ΔG = -7,37 ккал/моль.

Відновлені форми НАДН + H⁺ і НАДФН + Н⁺, будучи синтезованими в клітині, потім знову окисляються, при цьому відбувається перенесення електронів на кисень. Цей спосіб використовується як основний спосіб, за допомогою якого клітина перетворює хімічну енергію живильних речовин, що надійшли ззовні, в утилізовану метаболічну енергію.

Структура макроергічних з'єднань

1. НТФ, наприклад ГТФ:

2. 1,3-Дифосфогліцерат:

3. Фосфоенолпіруват:

4. Ацилтіоефири:

5. Відновлені еквіваленти, наприклад ФМН-Н₂:

6. Креатинфосфат:

Окисне фосфорилювання в організмі тварини

Єдиним джерелом енергії для біологічних систем на планеті Земля є енергія Сонця. Цю енергію (у виді фотона) утилізують рослини: завдяки хлорофілові відбувається процес фотосинтезу, у ході якого електрохімічна енергія фотона переходить в енергію хімічних зв'язків органічних сполук. Людина і тварини не в змозі безпосередньо використовувати енергію фотона, а одержують її у вигляді енергії хімічних зв'язків органічних сполук, що надходять ззовні у вигляді їжі. У мітохондріях кліток тканин організму тварини енергія хімічних зв'язків органічних сполук трансформується в електрохімічну енергію (біопотенціал внутрішньої мембрани мітохондрій), що потім перетворюється в енергію хімічних зв'язків макроергічних нуклеозидтрифосфатів – в основному АТФ.

Усі процеси життєдіяльності: активний транспорт живильних речовин, процеси біосинтезу специфічних білків, білків-ферментів, гормонів, ліпідів, полісахаридів, нуклеїнових кислот, виведення кінцевих продуктів розпаду з організму, виникнення і проведення нервового імпульсу, секреторна робота, осмотична робота, м'язові скорочення і багато інших процесів – зв'язані з витратою АТФ.

Міжмембранний простір

Внутрішня мембрана мітохондрій

Матрикс мітохондрій

Утворення АТФ в організмі тварини протікає в процесі окисного фосфорилювання в мітохондріях клітини, у яких розрізняють: зовнішню і внутрішню мембрани, міжмембранний простір, матрикс і кристи. У мітохондріях процес окислювання субстратів супроводжується сполученим процесом фосфорилювання, тобто синтезу з АДФ і фосфорної кислоти молекули АТФ.

Для біосинтезу АТФ необхідні 2 умови:

1. Потенціал понад 0,2 вольти,

2. Наявність активного ферменту – протонзалежної АТФ-синтази.

У внутрішній мембрані мітохондрій вбудований ферментний ансамбль дихального ланцюга (ланцюг переносу електронів – ЛПЕ), що складає з трьох жорстко закріплених (крім цитохрому З) ферментативних комплексів.

У водному розчині окислена форма 2,6-дихлорфенолин-дофенола пофарбована в синій колір. Відновлена форма цього з'єднання безбарвна. Активність сукцинатдегідрогенази м'язів визначають, додаючи до м'язової кашки розчини янтарної кислоти і натрієвої солі окисленої форми 2,6-дихлорфеноліндофенолу. Якщо сукцинатдегідрогеназа активна, інтенсивність синього забарвлення послабляється завдяки утворенню безбарвної відновленої форми 2,6-дихлорфеноліндофенолу.

Якісне визначення активності сукцинатдегідрогенази м'язів

Методика визначення

1. У дві пробірки відміряти по 3 мл фосфатного буфера з рн=7,4.

2. В одну (дослідну) пробірку додати 5 крапель 5%-го розчину янтарної кислоти і (для нейтралізації) 5 крапель 0,1 н. розчину їдкого натру, в іншу (контрольну) додати 10 крапель дистильованої води.

3. В обидві пробірки додати по 1 мл 0,001 н. розчину 2,6-дихлорфенолиндофенолу і по 50 мг добре роздрібненої тканини поперечносмугастих м'язів тільки що убитої тварини.

4. Обидві пробірки помістити на 20 хв. у термостат при 37°С.

5. Порівняти інтенсивність забарвлення у контрольній і дослідній пробірках.

В умовах досліду як акцептор водню при окислюванні сукцинату використовується 2,6-дихлорфеноліндофенол, його натрієва сіль.

У водному розчині окислена форма 2,6-дихлорфеноліндофенола забарвлена в синій колір. Відновлена форма цього з'єднання безбарвна. Активність сукцинатдегідрогенази м'язів визначають, додаючи до м'язової кашки розчини янтарної кислоти і натрієвої солі окисленої форми 2,6-дихлорфеноліндофенолу. Якщо сукцинатдегідрогеназа активна, інтенсивність синього забарвлення послаблюється завдяки утворенню безбарвної відновленої форми 2,6-дихлорфеноліндофенолу.