Всякое / shpora_po_biokhimii.pdf1147744704

92

Установлено, что в процессе обменных реакций с участием кислорода в клетках организма неизбежно образуются гораздо более активные, более сильные и агрессивные окислители, чем сам кислород, - так называемые активные формы кислорода. В это понятие включаются все активированные метаболиты кислорода радикальной и нерадикальной природы.

Физиологическая роль активных форм кислорода

Активные формы кислорода принимают участие в клеточной системе иммунитета, обеспечивая функцию всех фагоцитов в борьбе с инфекцией Регуляция синтеза простагландинов, тромбоксанов и лейкотриенов.

Окислительное разрушение ксенобиотиков (чужеродных для организма экзогенных веществ), деструкция собственных поврежденных или аномальных клеток.

впроцессе переноса электронов в митохондриальной дыхательной цепи;

вреакциях, которые катализируются оксидазами (образуется перекись водорода), в том числе в свободнорадикальных процессах, совершающихся в фагоцитах;

вреакциях микросомального окисления при обезвреживании веществ с участием цитохрома Р-450;

вреакциях самопроизвольного (неферментативного) окисления веществ (гемоглобина, ферредоксинов, адреналина и др.);

вбиологических системах с наличием ионов металлов с переменной валентностью и, прежде всего, железа (свободных атомов, так называемых внегемовых)ю Значительное число АФК при воспалениях образуется в остром периоде нейтрофильными

гранулоцитами крови и макрофагами во время "кислородно-метаболического взрыва лейкоцитов". Поступление в кровь АФК и продуктов ПОЛ способствует выработке и высвобождению провоспалительных цитокинов, медиаторов воспаления, а также медленно реагирующей субстанции анафилаксии и обуславливает резкую активацию системы комплемента по альтернативному пути с высвобождение анафилаксина.

В этот период происходит резкая активация калликреин-кининовой системы, а также нарушается нормальное функционирование систем фибринолиза и гемостаза. Интенсивный выброс цитокинов и медиаторов воспаления макрофагами и иммунокомпетентными клетками, активация эндотелиоцитов и рост их тромбогенного потенциала, а также замедление периферического кровотока на фоне избыточной адренэргической стимуляции вызывают во многих органах выраженное в той или иной степени воспаление, не имеющее биологической цели, т.е. защитно-приспособительного значения, что обуславливает вторичное повреждение тканей и разрушение структурно-функциональных единиц органов.

93

51. Механизм повреждающего действия активных форм кислорода на клетки (ПОЛ, окисление белков и нуклеиновых кислот). Примеры реакций.

Наиболее серьезными следствием токсического действия активных форма кислорода являются:

1.Выраженная активация свободнорадикального перекисного окисления липидов;

2.Повреждение ДНК и РНК

3.Повреждение белков, в том числе и белковферментов. По существу эти три события и составляют молекулярную основу окислительного стресса.

Избыточная активация перекисного окисления липидов, происходящая главным образом, в клеточных и субклеточных мембранах, приводит к глубокому нарушению их структуры и функции.

Для защиты организма от повреждающего действия активных форм кислорода, особенно, от кислородных радикалов, существует т.н. антиоксидантная система.

Именно антиоксидантная система поддерживает такой баланс продукции и дезактивации свободных радикалов и других активированных метаболитов кислорода, при котором их концентрация находится на достаточно низком, но всегда отличном от нуля и постоянном уровне, оптимальном для организма.

Можно условно разделить всю антиоксидантную систему на две части – анатомо-физиологическую и биохимическую

Целый ряд причин вызывает активацию ПОЛ в тканях:

снижение поступления в организм алиментарных антиоксидантов (АО), таких как: токоферол, аскорбат, биофлавоноиды и др.; стресс различного генеза, в частности эмоциональный (под влиянием катехоламинов и

кортикостероидов в кровь поступает избыток жирных кислот и кислород); внешние химические прооксиданты (пестициды, лекарственные окислители, алкоголь, продукты смога и т.д.);

физические факторы (повышенный радиоактивный фон, ультрафиолетовое облучение, электромагнитное поле, ультразвук с интенсивностью выше 2 Вт/см ); избыточное и несбалансированное потребление жиров и углеводов на фоне недостаточного их расходования;

гипокинезия с низким уровнем биологического окисления ферментов, т.е. сниженный уровень восстановления пиридиннуклеотидов; врожденные энзимопатии антиоксидантных ферментов (каталазы, глутатионредуктазы,

глутатионпероксидазы, глюкозо-6-фосфат-дегидрогеназы); падение с возрастом активности антиоксидантных ферментов.

52. Катаболизм основных пищевых веществ в клетке – углеводов, жиров, АК. Понятие о специфических и общих путях катаболизма. Окислительное декарбоксилирование пировиноградной кислоты, характеристика процесса. Пируват дегидрогеназный комплекс. Регуляция.

Катаболизм основных пищевых веществ

94

Расщепление в пищеварительном тракте. Это гидролитические реакции, превращающие сложные пищевые вещества в относительно небольшое число простых метаболитов: глюкоза, аминокислоты, глицерин, жирные кислоты.

Специфические пути катаболизма. Простые метаболиты подвергаются специфическим реакциям расщепления, в результате которых образуется либо пировиноградная кислота, либо ацетил - СоА. Причем ацетил - СоА может образоваться из пирувата в результате окислительного декарбоксилирования. Могут также образоваться другие соединения, непосредственно включающиеся в цитратный цикл.

Цитратный цикл и дыхательная цепь завершают расщепление пищевых веществ до конечных продуктов - СО2 и Н2О.

Следовательно, начиная со стадии образования пирувата происходит унификация путей катаболизма. Из большого числа исходных соединений образуется всего два - пируват и ацетил - СоА. Процесс, начинающийся от пирувата, называется общим путем катаболизма и в свою очередь включает:

окислительное декарбоксилирование пирувата цитратный цикл.

Именно в общем пути катаболизма образуется основная масса субстратов для реакций дегидрирования. Совместно с дыхательной цепью и окислительным фосфорилированием общий путь катаболизма является основным источником энергии в форме АТР.

Окислительное декарбоксилирование пирувата происходит в матриксе митохондрий. Транспорт пирувата в митохондриальный матрикс через внутреннюю мембрану митохондрий осуществляется при участии специального белка-переносчика по механизму симпорта с Н+.

Превращение пирувата в ацетил-КоА описывают следующим суммарным уравнением:

СН3-СО-СООН + NAD+ + HSKoA → CH3-CO SKoA + NADH + H+ + CO2

Входе этой реакции происходит окислительное декарбоксилирование пирувата, в результате которого

карбоксильная группа удаляется в виде СО2, а ацетильная группа включается в состав ацетилКоА. Один атом водорода оказывается в составе NADH, а другой в виде Н+ поступает в среду. Реакция необратима, поскольку ΔG0' = -33,5 кДж/моль.

1. Строение пируватдегидрогеназного комплекса

Процесс окислительного декарбоксилирования пирувата катализирует сложнооргани-зованный пируватдегидрогеназный комплекс. В пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) входят 3 фермента:

пируватдекарбоксилаза (Е1), дигидролипоилтрансацетилаза (Е2) и дигидролипоилдегидрогеназа (Е3), а также 5 коферментов: тиаминдифосфат (ТДФ), липоевая кислота,. FAD, NAD+ и КоА. Кроме того, в состав комплекса входят регуляторные субъединицы: протеинкиназа и фосфопротеинфосфатаза.

Все эти ферменты и коферменты объединены в мультиферментную систему, содержащую разные количества каждого из ферментов и имеющую молекулярную массу более 6×106.

Вцентре комплекса располагается дигидролипоилтрансацетилаза (Е2), образуя его ядро. К дигидролипоилтрансацетилазе присоединены молекулы: пируватдекарбоксилазы (Е1) и дигидролипоилдегидрогеназы (Е3).

95

Пируватдекарбоксилаза содержит прочно связанный с белковой частью ТДФ, а дигидролипоилдегидрогеназа - FAD.

Липоиллизиновые группы центрального фермента (Е2) функционируют как поворотные "кронштейны", переносящие атомы водорода и ацетильные группы от одной ферментной молекулы комплекса к другой.

Пируват + Е1-ТДФ → Гидроксиэтил-ТДФ + CO2.

В результате этой реакции образуется производное ТДФ с гидроксиэтильной группой при тиазоловом кольце.

Стадия П. Дигидролипоилтрансацетилаза (Е2) катализирует перенос атома водорода и ацетильной группы от ТДФ на окисленную форму липоиллизиновых групп с образованием ацетилтиоэфира липоевой кислоты (рис. 6-21).

Стадия III. На стадии III КоА взаимодействует с ацетильным производным Е2, в результате чего образуются ацетил-КоА и полностью восстановленный липоильный остаток, простетическая группа Е2 (рис. 6-23).

Стадия IV. На стадии IV дигидролипоилде-гидрогеназа (Е3) катализирует перенос атомов водорода от восстановленных липоильных групп на FAD - простетическую группу фермента Е3.

Стадия V . На стадии V восстановленный FADH2 передаёт водород на NAD+ с образованием NADH. Пируватдегидрогеназный комплекс характеризуется большим отрицательным окислительновосстановительным потенциалом, который обеспечивает наряду с восстановлением кофермента (NADH) образование высокоэнергетической тиоэфирной связи в ацетил-КоА.

Структурное объединение 3 видов ферментов создаёт возможности для координации отдельных этапов сложной ферментативной реакции. Все промежуточные продукты реакции окислительного декарбоксилирования пирувата прочно связаны с комплексом, что увеличивает суммарную скорость процесса и сводит к минимуму побочные реакции.

Пируватдегидрогеназный комплекс, как и все белки, участвующие в реакциях ЦТК, кодируется ядерной ДНК. Транспорт субъединиц ПДК в митохондрии происходит сложным путём за счёт энергии АТФ или трансмембранного электрохимического потенциала при участии белков теплового шока, или шаперонов (см. раздел 1), предотвращающих их преждевременный фолдинг до поступления в митохон-дриальный матрикс или внутреннюю мембрану митохондрий.

3. Связь окислительного декарбоксилирования пирувата с ЦПЭ

Окислительное декарбоксилирование пирувата сопровождается образованием NADH, поставляющим электроны в дыхательную цепь и обеспечивающим синтез 3 молей АТФ на 1 моль пирувата путём окислительного фосфорилирования.

Так как отношения ДДФ/АТФ и NADH/NAD+ в клетке относительно постоянны, ускорение утилизации АТФ приводит к повышению концентрации АДФ и ускорению окисления NADH в дыхательной цепи. Повышение концентрации NAD+, в свою очередь, стимулирует окислительное

96

декарбоксилирование пирувата. Напротив, повышение концентрации АТФ и NADH снижает скорость этого процесса. Таким образом, изменения отношений АДФ/АТФ и NADH/ NAD+ - важнейшие сигналы, отражающие энергетические потребности клетки и регулирующие скорость окислительного декарбоксилирования пирувата. Каталитическая активность пируват-дегидрогеназного комплекса снижается, когда в клетках имеется достаточно "топлива" в виде жирных кислот и ацетил-КоА.

Регуляция общего пути катаболизма

Скорость синтеза АТФ строго соответствует энергетическим потребностям клетки. Это достигается согласованной регуляцией всех этапов заключительного пути катаболизма, включающего превращение пирувата в ацетил-КоА, цитратный цикл и ЦПЭ. В большинстве тканей, где главная функция общего пути катаболизма - обеспечение клетки энергией, важную роль в регуляции играет дыхательный контроль.

Увеличение скорости утилизации АТФ для совершения различных видов работы увеличивает концентрацию АДФ, что ускоряет окисление NADH в ЦПЭ и, следовательно, повышает скорость реакций, катализируемых NAD-зависимыми дегидрогеназами. Окисление пирувата и ацетил-КоА может происходить только в том случае, если электроны и протоны от NADH и FADH2 поступают в ЦПЭ. Таким образом, отношения АДФ/АТФ и NADH/NAD+ - главные модуляторы скорости реакций общего пути катаболизма (ОПК).

Как известно, скорость метаболических путей, которые должны обеспечивать постоянный уровень конечных продуктов, таких, как АТФ, регулируется на уровне реакций, катализируемых регуляторными ферментами. На заключительном этапе катаболизма наиболее важные регуляторные ферменты - пируватдегадрогеназный комплекс, цитратсинтаза, изоцигратдегидрогеназа и α- кетоглутаратдегидрогеназный комплекс.

Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса.

Регуляция на уровне ПДК имеет важное значение для обеспечения цитратного цикла "топливными" молекулами ацетил-КоА.

Образование ацетил-КоА из пирувата - необратимый ключевой этап метаболизма. Животные не способны к превращению ацетил-КоА в глюкозу. Активность пируватдегидрогеназного комплекса регулируется различными способами: доступностью субстратов, ингибированием продуктами реакции, аллостерически и путём ковалентной модификации.

Ковалентная модификация ПДК осуществляется фосфорилированием и дефосфорилированием. В состав ПДК входят 2 регуляторных субъединицы. Одна из них, киназа ПДК, фосфорилирует ПДК в определённых участках по остаткам серина. При фосфорилировании ПДК инактивируется. Другая регуляторная субъединица, фосфатаза, дефосфорилирует фермент, превращая его в активную форму

(рис. 6-26).

При повышении концентрации АДФ ПДК находится в нефосфорилированной активной форме. Этот эффект усиливается в некоторых клетках при повышении концентрации внутриклеточного Са2+, который активирует фосфатазу ПДК. Такой механизм активации ПДК особенно важен в мышцах и жировой ткани.

Продукты пируватдегидрогеназной реакции (ацетил-КоА и NADH) аллостерически активируют киназу ПДК. Активированная киназа фос-форилирует и инактивирует ПДК. Таким образом, при накоплении NADH и ацетил-КоА тормозится превращение пирувата в ацетил-КоА. Такая ситуация создаётся, например, в печени при голодании: из жировых депо в печень поступают жирные кислоты, из которых образуется ацетил-КоА. В присутствии высокомолекулярных жирных кислот ингибирование ПДК усиливается. Пируват при этом не окисляется и может быть использован для синтеза глюкозы (см. раздел 7).

Пируват аллостерически активирует нефосфорилированную форму ПДК, действуя согласованно с другими субстратами - NAD+ и КоА. Активация ПДК происходит также под влиянием инсулина. Один из эффектов инсулина - повышение концентрации внутримитохондриального Са2+. При повышении концентрации Са2+ ПДК активируется (см. рис. 6-26). Этот механизм особенно важен в жировой ткани, где ацетил-КоА необходим для синтеза жирных кислот (см. раздел 8). В клетках миокарда ПДК активируется адреналином, однако это влияние адреналина не связано с изменением концентрации цАМФ.

97

53. Цикл лимонной кислоты: последовательность реакций и характеристика ферментов. Роль цикла в метаболизме.

Цикл лимонной кислоты (цитратный цикл, цикл Кребса, цикл трикарбоновых кислот, ЦТК) - заключительный этап катаболизма, в котором углерод ацетильного остатка ацетил-КоА окисляется до 2 молекул СО2. Атомы водорода, освобождающиеся в окислительно-восстановительных реакциях, доставляются в ЦПЭ при участии NAD- и FAD-зависимых дегидрогеназ, в результате чего происходят синтез воды и окислительное фосфорилирование АДФ. Связь между атомами углерода в ацетил-КоА устойчива к окислению. В условиях организма окисление ацетильного остатка происходит в несколько этапов, образующих циклический процесс из 8 реакций.

Последовательность реакций цитратного цикла

Регуляция цитратного цикла. В большинстве случаев скорость реакций в метаболических циклах определяется их начальными реакциями. В ЦТК важнейшая регуляторная реакция - образование цитрата из оксалоацетата и ацетил-КоА, катализируемая цитратсинтазой. Эта реакция ускоряется при повышении концентрации оксалоацетата - субстрата реакции и тормозится продуктом реакции - цитратом. Когда отношение NADH/NAD+ снижается, скорость окисления маната в оксалоацетат возрастает. Повышение концентрации оксалоацетата ускоряет цитратсинтазную реакцию. Скорость реакции снижается при повышении концентрации АТФ, сукцинил-КоА и длинноцепочечных жирных кислот. Однако точный механизм влияния этих метаболитов на цитратсинтазу недостаточно ясен (рис.

6-27).

Изоцитратдегидрогеназа, олигомерный фермент, состоит из 8 субъединиц. Присоединение изоцитрата к первой субъединице вызывает кооперативное изменение конформации других, увеличивая скорость присоединения субстрата. Фермент аллостерически активируется АДФ и Са2+, которые присоединяются к ферменту в разных аллостерических центрах. В присутствии АДФ конформация всех субъединиц меняется таким образом, что связывание изоцитрата происходит значительно быстрее. Таким образом, при концентрации изоцитрата, которая существует в митохондриальном матриксе, небольшие изменения концентрации АДФ могут вызвать значительное изменение скорости реакции. Увеличение активности изоцитратдегидрогеназы снижает концентрацию цитрата, что, в свою очередь, уменьшает ингибирование цитратсинтазы продуктом реакции. При повышении концентрации NADH активность фермента снижается.

α-Кетоглутаратдегидрогеназный комплекс, имеющий сходное строение с пируватдегидрогеназным, в отличие от последнего, не имеет в своём составе регуляторных субъединиц. Главный механизм

пирувата с ЦПЭ

Окислительное декарбоксилирование пирувата сопровождается образованием NADH, поставляющим электроны в дыхательную цепь и обеспечивающим синтез 3 молей АТФ на 1 моль пирувата путём окислительного фосфорилирования.

Так как отношения ДДФ/АТФ и NADH/NAD+ в клетке относительно постоянны, ускорение утилизации АТФ приводит к повышению концентрации АДФ и ускорению окисления NADH в дыхательной цепи. Повышение концентрации NAD+, в свою очередь, стимулирует окислительное декарбоксилирование пирувата. Напротив, повышение концентрации АТФ и NADH снижает скорость этого процесса. Таким образом, изменения отношений АДФ/АТФ и NADH/ NAD+ - важнейшие сигналы, отражающие энергетические потребности клетки и регулирующие скорость окислительного декарбоксилирования пирувата. Каталитическая активность пируват-дегидрогеназного комплекса снижается, когда в клетках имеется достаточно "топлива" в виде жирных кислот и ацетил-КоА.

В. Анаболические функции цитратного цикла

Цикл лимонной кислоты - один из амфиболических путей метаболизма. В нём осуществляются не только окислительные превращения энергетических субстратов до конечных продуктов

291

СО2 и Н2О, но и происходит образование субстратов для других метаболических путей (рис. 6-28). Некоторые промежуточные продукты цикла лимонной кислоты: α-кетоглутарат, сукцинат, оксалоацетат могут использоваться для синтеза заменимых аминокислот (см. раздел 9).

Убыль промежуточных продуктов цикла восполняется в реакциях, катализируемых специфическими ферментами. В нормальных условиях реакции, отвлекающие промежуточные продукты из цикла и восполняющие их убыль, находятся в состоянии динамического равновесия, так что концентрация этих продуктов в митохондриях остаётся постоянной.

Реакции, обеспечивающие пополнение фонда промежуточных продуктов ЦТК, называются анаплеротическими (пополняющими). Важнейшая из них - реакция синтеза оксалоацетата из пирувата. Эту реакцию катализирует митохондриальный фермент - пируваткарбоксилаза.

Пируваткарбоксилаза - сложный олигомерный фермент. Молекула фермента содержит 4 простетические группы, представленные биотином (см. раздел 3), который ковалентно связан амидной связью с е-аминогруппами остатков лизина, находящегося в активном центре фермента (рис. 6-29).

Если для цикла лимонной кислоты не хватает оксалоацетата или какого-нибудь другого промежуточного продукта, то карбоксилирование пирувата ускоряется. В этой реакции в качестве источника энергии используется АТФ.

Реакция протекает в 2 стадии. На первой стадии происходит активация СО2 путём присоединения к

одному из атомов азота в молекуле биотина. Эта реакция сопряжена с гидролизом АТФ. АТФ + СО2+ Е-биотин + Н2О → АДФ + Н3РО4 + Е-биотин-СОО- + 2 Н+.

На второй стадии активированная карбоксильная группа переносится на пируват. Е-биотин-СОО" + Пируват -" Е-биотин + Оксалоацетат.

Пируваткарбоксилаза - регуляторный фермент. Если концентрация ацетил-КоА увеличивается, то он действует как аллостерический активатор пируваткарбоксилазы, ускоряя образование оксалоацетата. Таким образом, избыток ацетил-КоА способствует активации цитратного цикла.

Метаболиты цитратного цикла используются не только как субстраты синтеза углеродного скелета ряда соединений, но и являются донорами водорода для образования восстановленных коферментов, участвующих в реакциях синтеза жирных кислот, стероидов и других веществ (см. разделы 8, 10, 11). Два метаболита нитратного цикла могут дегидрироваться при участии NADP-зависимых дегидрогеназ: малата и изоцитрата. Например, малат может поступать из митохондрий в цитозоль клетки. В цитозоле находится NADP-зависимая дегидрогеназа (малик-фермент), катализирующая реакцию: