bkh1

при дефіциті вітаміну С (цинга або скорбут). Неповноцінність структури колагену кровоносних судин обумовлює ламкість капілярів, що проявляється багаточисленними цятковими підшкірними крововиливами, а також кровоточивістю ясен — найбільш раннім проявом С- вітамінної недостатності. Дефіцит вітаміну С знижує

імунний захист організму та стійкість організму до впливу несприятливих факторів.

ВІТАМІН Р ( БІОФЛАВОНОЇД, ВІТАМІН ПРОНИКНОСТІ)

Добова потреба: 20-50 мг.

Біологічна роль. Молекулярний механізм участі вітаміну Р в обміні речовин обумовлений його антиоксидантними властивостями та здатністю стабілізувати основну речовину сполучної тканини внаслідок гальмування активності гіалуронідази. Цей фермент каталізує реакцію деполімеризації гіалуронової кислоти - одного із компонентів сполучної тканини. Вітамін Р має також антиатерогенний ефект.

Клінічні прояви недостатності.

Унаслідок підвищення проникності капілярів виникають крововиливи і кровотеча. Спостерігається також заггльна слабкість та біль у кінцівках.

Препарати вітаміну Р (кверцетин, рутин) часто застосовують у поєднанні їх і аскорбіновою кислотою (галаскорй'н).

27. Реакції внутрішньоклітинного метаболізму включають у себе такі біохімічні перетворення:

а) розщеплення біоорганічних молекул (глюкози, жирних кислот, амінокислот, гліцерину) до кінцевих продуктів проміжного обміну (діоксиду вуглецю, води, аміаку) з вивільненням хімічної енергії та акумуляцією її у формі аденозинтрифосфорної кислоти (аденозинтрифосфату, АТФ), інших макроергічних фосфатів або протонного потенціалу, що забезпечує енергетичні потреби основних процесів життєдіяльності. Сукупність процесів розщеплення біомолекул з вивільненням енергії отримала назву катаболізму;

б) синтез специфічних, генетично притаманних даному організмові біомолекул (білків, нуклеїнових кислот, полісахаридів, ліпідів, біорегуляторів тощо), що необхідні для утворення власних клітинних та позаклітинних біоструктур. Ці процеси отримали назву анаболізму та потребують використання енергії у формі АТФ.

в) використання енергії (у формі АТФ або протонного потенціалу) для забезпечення таких процесів клітинної фізіології, як функціонування скоротливих структур (м’язове скорочення, діяльність елементів цитоскелета, війок і джгутиків тощо), екзота ендоцитоз, генерація мембранного потенціалу, активний транспорт метаболітів та неорганічних іонів.

Метаболічні шляхи поділяються на:

– катаболічні шляхи, які становлять в сукупності катаболізм — реакції розщеплення (гідролізу, окислення тощо) біоорганічних речовин, що надходять із зовнішнього середовища у складі продуктів харчування (вуглеводів, ліпідів, білків тощо) та біомолекул, які складають структуру клітин та тканин організму;

-анаболічні шляхи, які становлять анаболізм — реакції синтезу складних біоорганічних сполук, що складають різні структурні утворення організму (зокрема, біополімерів — білків, нуклеїнових кислот,полісахаридів) та забезпечують його функціонування (ліпідів, моносахаридів, амінокислот, нуклеотидів, вітамінів, коферментів, гормонів тощо).

28. Стадія 1. На першій стадії катаболізму складні молекули (макромолекули вуглеводів, білків, нуклеїнових кислот та молекули ліпідів) розщеплюються до простих компонентів:

–полісахариди — до моносахаридів (переважно — глюкози, фруктози, галактози);

–ліпіди (триацилгліцероли) — до жирних кислот та гліцеролу;

–білки — до амінокислот;

–нуклеїнові кислоти — до нуклеотидів.

Реакції першої стадії катаболізму є гідролітичними за своїм механізмом і каталізуються гідролазами травного тракту (шлунка, кишечника). Ці реакції не супроводжуються суттєвим вивільненням хімічної енергії.

Стадія 2. На другій стадії катаболізму декілька десятків метаболітів, що утворились на першій стадії, підлягають ферментативним реакціям розщеплення з вивільненням певної кількості хімічної енергії, яка акумулюється у високоенергетичних (макроергічних) зв’язках АТФ.

Реакції другої стадії катаболізму відбуваються внутрішньоклітинно (в цито-

плазмі та частково в мітохондріях). Основними з цих реакцій є:

для моносахаридів — гліколіз, кінцевим метаболітом якого є піровиноградна

кислота (піруват), що в подальшому окислюється до активної форми оцтової

кислоти — ацетил-коензиму А (ацетил-КоА);

для жирних кислот — βββββ-окислення, кінцевим продуктом якого є ацетил-КоА;

для гліцеролу — розщеплення до пірувату, який перетворюється в ацетил-КоА;

для амінокислот та нуклеотидів — дезамінування з виділенням аміаку та розщепленням безазотистих молекулярних скелетів до дво- і тривуглецевих карбонових кислот та їх похідних; більшість із цих метаболітів у кінцевому підсумку також утворюють ацетильний радикал у формі ацетил-КоА.

Таким чином, ацетил-КоА — це загальний кінцевий продукт другої стадії внутрішньоклітинного катаболізму вуглеводів, ліпідів та амінокислот.

Стадія 3. На третій стадії катаболізму відбувається окислення ацетил-КоА

до кінцевих метаболітів — двоокису вуглецю та води. Ця стадія має місце в мітохондріях і складається з двох процесів:

– циклу трикарбонових кислот (ЦТК, циклу Кребса), в результаті функ-

ціонування якого утворюється СО2, а атоми водню використовуються для віднов-

лення коферментів нікотинамідаденіндинуклеотиду (НАД+) та флавінаденінди-

нуклеотиду (ФАД);

– системи електронного транспорту в мембранах мітохондрій, в якій

атоми водню (протони та електрони) переносяться на кисень з утворенням Н2О;

29. Цикл трикарбонових кислот (цикл лимонної кислоти, цикл Кребса) —циклічна послідовність ферментативних реакцій, у результаті яких ацетил-КоА (CH3–CO~S–KoA) — продукт катаболізму

основних видів метаболічного палива (вуглеводів, жирів, амінокислот), окислюється до двоокису вуглецю з утворенням атомів водню, які використовуються для відновлення первинних акцепторів дихального ланцюга мітохондрій — нікотинамідних або флавінових коферментів.

Цикл трикарбонових кислот (ЦТК) — це загальний кінцевий шлях окислювального катаболізму клітини в аеробних умовах. Реакції і ферменти ЦТК локалізовані

в матриксі та внутрішній мембрані мітохондрій. Вони функціонально та біохімічно спряжені з мітохондріальними електронотранспортними ланцюгами, що використовують для відновлення атомів кисню відновлювальні еквіваленти від НАДН (НАДН + Н+) та ФАДН2 або ФМНН2 і утворюють АТФ у ході окисного фосфорилювання.

ФЕРМЕНТАТИВНІ РЕАКЦІЇ ЦИКЛУ ТРИКАРБОНОВИХ КИСЛОТ

1.Утворення лимонної кислоти (цитрату) за рахунок конденсації ацетил-КоА з щавлевооцтовою кислотою (оксалоацетатом) Реакція каталізується ферментом цитратсинтазою

2.Перетворення (ізомеризація) цитрату на ізоцитрат. Реакція каталізується

ферментом аконітазою і складається з двох етапів:

2.1. Дегідратація лимонної кислоти з утворенням цис-аконітової кислоти (цис-

аконітату)

2.2. Приєднання до цис-аконітату молекули води. При приєднанні до подвійного зв’язку в складі цис-аконітату Н+ та ОН– у транс-положенні результатом реакції є утворення ізолимонної кислоти (ізоцитрату

3. Дегідрування та декарбоксилювання ізоцитрату. Реакція каталізується НАД-

залежною ізоцитратдегідрогеназою і призводить до утворення ααααα-кетоглута-

рової кислоти (ααααα-кетоглутарату).

4. Окислення ααααα-кетоглутарату до сукцинату. Цей процес відбувається у дві стадії: 4.1. Окислювальне декарбоксилювання ααααα-кетоглутарату з утворенням сукциніл-КоА — стадія, що каталізується мультиензимним ααααα-кетоглутарат-

дегідрогеназним комплексом.

4.2. Деацилювання сукциніл-КоА (перетворення на янтарну кислоту (сукцинат). Реакція каталізується ферментом сукцинілтіокіназою.

5.Окислення янтарної кислоти до фумарової кислоти (фумарату). Реакція каталізується ФАДзалежним ферментом сукцинатдегідрогеназою

6.Перетворення фумарової кислоти на яблучну кислоту (малат) внаслідок приєднання до фумарату молекули води. Реакція каталізується ферментом фумарат-гідратазою (фумаразою)

7. Окислення малату до оксалоацетату (щавлевооцтової кислоти).

Реакція каталізується НАД-залежним ферментом — малатдегідрогеназою мітохондрій

30. Біохімічний підсумок циклу трикарбонових кислот полягає в утворенні двох молекул СО2 (в ізоцитратдегідрогеназній та ααααα-кетоглутаратдегідрогеназній реакціях) та чотирьох пар атомів водню, три з яких акцептуються НАД+ та одна —ФАД. Відновлені коферменти окислюються в дихальному ланцюзі мітохондрій,утворюючи за рахунок окисного фосфорилювання по 3 молекули АТФ на кожну молекулу НАДН і по 2 молекули АТФ на кожну молекулу ФАДН2. Крім того, одна молекула АТФ утворюється в субстратному фосфорилюванні при перетворенні сукциніл-КоА в сукцинат

Таким чином, при повному окисленні однієї молекули ацетил-КоА до СО2 та Н2О

в циклі трикарбонових кислот генерується 12 молекул АТФ.

31. Тканинне дихання

Реакції біологічного окислення складають молекулярну основу тканинного дихання — поглинання О2 живими тканинами, яке є інтегральним фізіологічним показником інтенсивності перебігу в них окислювально-відновлювальних процесів. Джерелом кисню для цього процесу є О2, який надходить в тканини за умов нормальної діяльності системи зовнішнього дихання та кисеньтранспортувальної функції гемоглобіну крові, і через плазматичні мембрани дифундує всередину клітин. У результаті тканинного дихання, яке відбувається в мітохондріях, атоми кисню включаються в молекулу води, а вуглець біоорганічних сполук, що окислюються, виділяється у формі двоокису вуглецю. Саме

мітохондріальне дихання є біохімічною основою утворення та акумуляції вільної хімічної енергіі, яка використовується у ендергонічних процесах.

Типи реакцій біологічного окислення

Усі окислювально-відновлювальні реакції, що відбуваються в живих клітинах,

каталізуються ферментами з класу оксидоредуктаз.

У процесах біологічного окислення, що мають місце в живих системах, ви-

діляють такі класи реакцій:

1. Реакції, пов’язані з передаванням субстратом, що окислюється (SН2),

певному акцептору (A), водню (тобто протонів і електронів)

SH2 + A = S + AH2

Реакції такого типу називаються реакціями дегідрування, а ферменти, що їх

каталізують — дегідрогеназами.

Коферментами дегідрогеназ, що виконують функції безпосередніх акцепторів

відновлювальних еквівалентів, є такі сполуки:

–нікотинамідні (піридинові) коферменти

–флавінові коферменти

Залежно від хімічної природи акцептора, з яким взаємодіють дегідрогенази,

реакції дегідрування поділяють на такі класи:

1.1. Реакції дегідрування, в яких акцептором є хімічна сполука (R), відмінна

від кисню:

SH2 + R = S + RH2

Ферменти, що каталізують такі реакції, — анаеробні дегідрогенази.

1.2. Реакції дегідрування, в яких як акцептор використовується кисень:

SH2 + O2 = S + H2O2

3. Реакції, що полягають у безпосередньому приєднанні до субстрату, який

окислюється, одного або двох атомів кисню.

Такі реакції дістали назву оксигеназних, а відповідні ферменти, що їх ката-

лізують, — оксигеназ. Залежно від кількості атомів кисню, що взаємодіють із

субстратом, оксигеназні реакції поділяють на:

– монооксигеназні:

SH + 1/2 O2 = S–OH

- діоксигеназні:

32. 1. Дегідрогенази, залежні від нікотинамідних коферментів (НАД(Ф)-

залежні дегідрогенази).

Коферментами цих дегідрогеназ є нуклеотиди НАД+ або НАДФ+, у структурі

молекул яких міститься похідне піридину — нікотинамід (глава 6). Зв’язок між НАД+ (або НАДФ+ ) та білковою частиною ферменту (апоферментом) у складі піридинзалежних дегідрогеназ нестійкий: він утворюється та руйнується в процесі каталітичного циклу, що дозволяє вважати

нікотинамідні нуклеотиди скоріше субстратами, ніж простетичними групами. Реакції, що каталізуються НАД(Ф)-залежними дегідрогеназами, можуть бути зображені в загальному вигляді такими рівняннями. Активною структурою в молекулі НАД+ або НАДФ+, що акцептує відновлювальні еквіваленти від субстрату, є піридинове кільце нікотинаміду.

НАД-залежні дегідрогенази — ці ферменти каталізують окислювально-відновлювальні реакції, що містяться на окислювальних шляхах метаболізму —гліколізу, циклу лимонної кислоти, βββββокислення жирних кислот, окисного дезамінування амінокислот, дихального ланцюга мітохондрій.

НАДФ-залежні дегідрогенази — ці ферменти беруть участь у процесах відновлювального синтезу, що відбуваються в цитозолі, зокрема постачають атоми водню при синтезі жирних кислот та стероїдів.

2. Флавінзалежні дегідрогенази.

Дегідрогенази цього типу за хімічною природою є флавопротеїнами, простетичними групами, в яких є флавінаденіндинуклеотид (ФАД) та флавінмононуклеотид (ФАД). На відміну від піридинзалежних дегідрогеназ, у більшості флавін залежних ферментів коферменти (ФАД та ФМН) міцно зв’язані з білковою частиною і не відщеплюються від неї на жодній стадії каталітичного циклу. Виключенням є ФАД-залежна оксидаза D-амінокислот, у складі якої білок має низьку спорідненість із коферментом.

Активною частиною молекули ФАД або ФМН, що бере участь в окислювально-відновлювальній реакції, є ізоалоксазинове кільце рибофлавіну.

3. Цитохроми.

Цитохроми — залізовмісні білки мітохондрій, що належать до класу гемопротеїнів. У цитохромах іон заліза входить до складу металопорфіринового комплексу (гемінове залізо), близького за хімічною структурою до простетичних груп гемоглобіну та міоглобіну.

За рахунок оберненої зміни валентності гемінового заліза цитохроми виконують функцію транспорту електронів у ланцюгах біологічного окислення в аеробних клітинах: Цитохром (Fe3+) + e– = Цитохром (Fe2+)

Залежно від характерних особливостей спектрів поглинання, розрізняють три класи цитохромів (a, b, c). У мітохондріях еукаріотів наявні п’ять різновидів цитохромів — b, c, c1, a, a3; в ендоплазматичному ретикулумі гепатоцитів містяться цитохроми Р-450 та b5, що беруть участь у реакціях окислювального гідроксилювання.

33. Дихальний ланцюг мітохондрій — сукупність молекулярних компонентів(ферментів та коферментів), які вбудовані в ліпідний матрикс внутрішніх мітохондріальних мембран і здійснюють окислення біологічних субстратів та послідовне, ступеневе транспортування відновлювальних еквівалентів на кисень зутворенням молекули води.

Компоненти дихального ланцюга мітохондрій:

НАДН-дегідрогеназа — компонент дихального ланцюга, що окислює відновлений НАД+ (НАДН); входить до складу молекулярного комплексу внутрішніх мітохондріальних мембран НАДНкоензим Q-редуктази.

Сукцинатдегідрогеназа — компонент дихального ланцюга, що окислює янтарну кислоту; входить до складу молекулярного комплексу сукцинат-коензим Q-редуктази.

Коензим Q (убіхінон) — ліпідорозчинний хінон з ізопреноїдним бічним ланцюгом, що містить у тканинах ссавців десять п’ятивуглецевих ізопреноїдних залишків (Q10). Убіхінон виконує функцію колектора відновлювальних еквівалентів, акцептуючи протони та електрони не тільки від ФМНзалежної НАДН-дегідрогенази, а й від ФАД-залежних дегідрогеназ мітохондрій.

Цитохроми мітохондрій:

Комплекси дихального ланцюга внутрішніх мембран мітохондрій НАДН-коензим Q-редуктаза — ферментний комплекс (являє собою флавопротеїн, що містить ФМН), який окислює НАДН і передає відновлювальні еквіваленти на коензим Q (убіхінон); у складі НАДН-коензим Q-редуктази НАДН-дегідрогеназа асоційована з FeS-білками (так званий комплекс I).

Сукцинат-коензим Q-редуктаза — ферментний комплекс (ФАД-залежний флавопротеїн), який окислює сукцинат, відновлюючи коензим Q; до складу комплексу входить флавопротеїн сукцинатдегідрогеназа, асоційована з FeS-білком(комплекс II).

Коензим Q-цитохром с-редуктаза (убіхінолдегідрогеназа) — ферментний комплекс, що складається з цитохрому b, FeS-білка та цитохрому c1; ферментний комплекс транспортує електрони з відновленого коензиму Q (QH2) на цитохром c (комплекс III).

Цитохром с-оксидаза — ферментний комплекс, що складається з цитохромів a та a3 (комплекс IV); комплекс здійснює кінцеву стадію біологічного окислення —відновлення електронами молекулярного кисню; він містить іони міді, як і інші оксидази.

34. Окисне фосфорилювання — процес, шляхом якого хімічна енергія, що вивільняється під час транспортування електронів упродовж дихального (електронотранспортного) ланцюга мітохондрій, уловлюється та використовується для синтезу аденозинтрифосфату (АТФ) з аденозиндифосфату(АДФ) та неорганічного фосфату (ФН).

Коефіцієнт окисного фосфорилювання — відношення кількості зв’язаного (етерифікованого) неорганічного фосфату (моль) до кількості поглинутого мітохондріями кисню (моль) (позначається як ФН (Pi)/О) — кількісно дорівнює числу молекул АТФ, що утворюються при перенесенні двох відновлювальних еквівалентів на один атом кисню, тобто АТФ/О

Пункти спряження транспорту електронів та окисного фосфорилювання Утворення АТФ з АДФ та ФН може відбуватися тільки в певних ділянках електронотранспортного ланцюга мітохондрій, в яких величина хімічної енергії,що виділяється при транспортуванні пари електронів між двома редокс-системами (компонентами дихального ланцюга), достатня для синтезу 1 молекули АТФ(тобто > 7,3 ккал, або 30,5 кДж)

Комплекс III (цитохром b = цитохром c1)

Комплекс IV (цитохром a3 = О2)

35.Хеміоосмотична теорія окисного фосфорилювання

Молекулярні механізми генерації АТФ в ході біологічного окислення в мітоходріях пояснюються хеміоосмо-

тичною теорією

Головний постулат хеміоосмотичної теорії — спряження електронного транспорту в мітохондріях із біохімічною системою синтезу АТФ здійснюється за рахунок електрохімічного потенціалу протонів ( Н+), що утворюється під час функціонування електронотранспортного ланцюга.

Хеміоосмотична теорія передба-

чає, що:

1.Функціонування дихального (електронотранспортного) ланцюга у внутрішніх

(спрягаючих) мембранах мітохондрій супроводжується генерацією на цих мембранах електрохімічного градієнта протонів (Н+).

2.Окремі компоненти електронотранспортного лан-

цюга діють як протонні помпи, що спричиняють векторний (перпендикулярний площині мембрани) транспорт протонів, спрямований у напрямку ―матрикс зовнішня поверхня мембрани‖.

3. Електрохімічний потенціал протонів на спрягаючих мембранах, який створюється завдяки дії протонних помп дихального ланцюга, є рушійною силою синтезу АТФ з АДФ та Фн.

4.Існує ферментна система, що використовує енергію електрохімічного протонного потенціалу для синтезу АТФ за рахунок транслокації протонів через мітохондріальну мембрану в напрямку ―зовнішня поверхня матрикс‖.

Ця ферментна система, яка замикає протонний цикл на спрягаючих мембранах мітохондрій — про-

тонна АТФаза (Н+–АТФаза), або АТФ-синтетаза.

АТФ-синтетаза є білком з четвертинною структурою, що складається з декількох білкових субодиниць, які утворюють компоненти F0 та F1 (F0F1– АТФаза).

5.Будь-які фізичні, хімічні та біологічні фактори, що пошкоджують цілісність спрягаючих мембран мітохондрій та розсіюють енергію електрохімічного градієнта, порушують синтез АТФ, тобто виступають як роз’єднувачі транспорту електронів та окисного фос-

форилювання.Таким чином, згідно з хеміоос-

мотичною теорією, спряження між переносом електронів в дихальному ланцюзі та синтезом АТФ здійснюється за рахунок утворення при функціонуванні протонних помп градієнта концентрації Н+ між двома поверхнями мітохондріальної мембрани. АТФ-синтетаза, транспортуючи протони у зворотному напрямку (за електрохімічним градієнтом) призводить до вивіль-

нення хімічної енергії, за рахунок якої утворюються макроергічні зв’язки АТФ.

36

Інгібітори електронного транспорту

Сполуки цього класу порушують функціонування дихального ланцюга мітохондрій за рахунок зв’язування з окремими ферментними білками або коферментами, що беруть безпосередню участь у переносі електронів від субстратів біологічного окислення на О2. При надходженні в організм людини або тварин ці речовини діють як клітинні отрути, спричиняючи феномен тканинної гіпоксії.

Ротенон — інгібітор транспорту електронів через НАДН-коензим Q-редук- тазний комплекс. Ротенон застосовується як інсектицид.

Амобарбітал (амітал) та близький до нього за структурою секобарбітал (секонал). Ці похідні барбітурової кислоти (барбітурати) застосовуються у фармакології як снодійні засоби. Разом з тим, барбітурати, подібно до ротенону, є активними інгібіторами клітинного дихання, блокуючи електронний транспорт на рівні НАДН-коензим Q-редуктази.

Пієрицидин А — антибіотик, що також блокує НАДН-коензим Q-редуктазний комплекс за рахунок конкурентної взаємодії з убіхіноном.

Антиміцин А — антибіотик, що блокує дихальний ланцюг мітохондрій на рівні переносу електронів через комплекс III (цитохром b — цитохром c1).

Ціаніди (іони CN –) — потужні клітинні отрути, що є інгібіторами транспорту електронів на термінальній ділянці дихального ланцюга мітохондрій (у цитохромоксидазному комплексі). Іони CN – утворюють комплекси з ферри (Fe3+) — формою молекул гему цитохромоксидази, блокуючи їх відновлення до ферро

(Fe2+) — форм.

Монооксид вуглецю (CO) — інгібірує цитохромоксидазу шляхом зв’язування з ділянкою гему, що взаємодіє з молекулою кисню.

Інгібітори окисного фосфорилювання

Інгібітори окисного фосфорилювання блокують як окислення субстратів, так і фосфорилювання АДФ у мітохондріях.

Олігоміцин — антибіотик, що протидіє як фосфорилюванню АДФ до АТФ, так і стимуляції поглинання О2, що спостерігається після додавання до мітохондрій

АДФ (феномен ―дихального контролю‖). Механізм дії олігоміцину полягає в інгібіруванні функції АТФ-синтетази.

Роз’єднувачі окисного фосфорилювання

Сполуки цього класу спричиняють ―неконтрольоване‖ дихання мітохондрій, яке не залежить від функціонування системи фосфорилювання АДФ. В присут-

ності роз’єднувачів спостерігається активне поглинання мітохондріями О2, незважаючи на зниження швидкості (або відсутність) генерації АТФ з АДФ та Фн. Згідно з хеміоосмотичною теорією, роз’єднувачі спричиняють втрату мембраною протонного потенціалу — рушійної сили генерації макроергічних зв’язків АТФ. До роз’єднувачів окисного фосфорилювання належать:

–2,4-динітрофенол та сполуки, близькі до нього за хімічною структурою (динітрокрезол, пентахлорфенол);

–СССР (карбонілціанід-м-хлорфенілгідразон) — сполука, що в 100 разів пере-

вищує за специфічною активністю 2,4-динітрофенол.

Здатність роз’єднувати дихання та окисне фосфорилювання в мітохондріях мають також гормони щитовидної залози (тироксин, трийодтиронін).

Порушення синтезу АТФ спостерігається в умовах дії на організм людини і тварин багатьох патогенних факторів хімічного (природні та синтетичні токсини), біологічного та фізичного (іонізуюча радіація) походження, які спричиняють роз’єднання дихання та окисного фосфорилювання за рахунок порушення

спроможності створювати і підтримувати протонний потенціал на спрягаючих мембранах мітохондрій.

38