Разобщение окисления и фосфорилирования

На всех этапах трансформации энергии пищевых веществ в энергию АТФ часть энергии рассеивается в форме теплоты. При использовании АТФ для совершения работы значительная часть энергии также превращается в теплоту. Однако существуют специальные механизмы, участвующие в поддержании температуры тела.

Разобщители - липофильные вещества, которые способны принимать протоны и переносить их через внутреннюю мембрану митохондрий, минуя ее протонный канал.

Разобщители бывают:

- естественные – продукты перекисного окисления липидов, жирных кислот с длинной цепью, большие дозы тиреоидных гормонов;

- искусственные - динитрофенол, эфир, производные витамина K, анестетики, антибиотики (грамицидин, валиномицин).

Рассмотрим механизм разобщения на примере 2,4-динитрофенола
(рис. 35).

Рис. 35. Разобщение дыхания и фосфорилирования

Динитрофенол способен диффундировать через митохондриальную мембрану как в ионизированной, так и в неионизированной форме и может переносить ионы водорода через мембрану. Поэтому динитрофенол уничтожает ΔрН митохондриальной мембраны. Потребление кислорода и окисление субстратов при этом продолжаются, но синтез АТФ невозможен. Поскольку энергия окисления при разобщении рассеивается в форме теплоты, то разобщители повышают температуру тела (пирогенное действие).

Существует особая ткань, специализирующаяся на теплопродукции посредством разобщенного дыхания. Это бурый жир. Своим названием он обязан большому количеству митохондрий (они коричневого цвета). Около 10% всех белков этих митохондрий приходится на так называемый разобщающий белок. Бурый жир участвует в поддержании температуры тела. Островки бурой жировой ткани облегают крупные кровеносные сосуды, идущие к головному мозгу. Особенно много этой ткани у новорожденных. С возрастом ее количество уменьшается.

МИКРОСОМАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Биологическое окисление, не сопряженное с запасанием энергии, называется свободным (несопряженным) окислением. На его долю приходится 5-10% кислорода, поступающего в организм. Оно протекает вне митохондрий, чаще всего в эндоплазматическом ретикулуме, поэтому иногда этот процесс называют микросомальным окислением (микросомы – фрагменты ЭПС).

Одна из функций свободного окисления - превращение природных или неприродных субстратов, называемых ксенобиотиками

Свободное окисление проходит при участии оксигеназ. Оксигеназы - ферменты класса оксидоредуктаз; катализируют окисление субстратов путем включения в их молекулы одного атома кислорода (монооксигеназы) или двух атомов кислорода (диоксигеназы).

Оксигеназы работают в составе мультиферментного комплекса, встроенного в мембрану. Мультиферментный комплекс состоит из трех компонентов: флавиновые дегидрогеназы, железосерный белок, цитохром Р450.

Цитохром Р450 – семейство ферментов, относящихся к гемопротеинам. Система цитохрома P450 участвует в окислении как эндогенных (стероиды, желчные кислоты, ненасыщенные жирные кислоты), так и экзогенных веществ - ксенобиотиков («ксено» - несовместимый, «биос» - жизнь) - лекарств, ядов, наркотиков.

В реакциях свободного окисления участвуют также кислород и восстановленные дыхательные переносчики (чаще всего НАДФН). Акцептором электронов является цитохром Р450:

RH + O₂ + НАДФН + Н⁺ ® ROH + НАДФ⁺ + Н₂О.

Гироксилирование ксенобиотика делает его более растворимым, облегчает последующую деструкцию и выведение из организма.

Регуляция активности микросомальной системы осуществляется на уровне транскрипции или посттранскрипционных изменений. Индукция синтеза позволяет увеличить количество ферментов в ответ на поступление или образование в организме веществ, выведение которых невозможно без участия системы микросомального окисления.

АНТИОКСИДАНТНАЯ СИСТЕМА

Активные формы кислорода (АФК) – соединения, в которых кислород имеет неспаренный электрон.

АФК образуются при изменении условий функционирования дыхательной цепи (например, при гипоксии), под действием УФ-лучей, при взаимодействии кислорода с ионами металлов переменной валентности (железом), в ходе спонтанного окисления некоторых веществ, при участии ферментов ксантиноксидазы или НАДФН-оксидазы. В этих условиях образуется супероксид-анион кислорода О₂⁻, затем пероксид водорода Н₂О₂ и гидроксид-радикал НО^.. Активные формы кислорода вызывают перекисное окисление липидов - процесс, ведущий к серьезному повреждению мембран, белков и ДНК.

Инактивация активных форм кислорода в клетках происходит под действием антиоксидантной системы.

Антиоксиданты - биологически активные вещества, взаимодействующие со свободными радикалами и препятствующие процессам свободнорадикального окисления органических веществ в организме.

В антиоксидантную систему входят несколько ферментов и низкомолекулярные антиоксиданты (витамины, пептиды).

Супероксиддисмутаза (СОД) превращает супероксид-анион кислорода в пероксид водорода Н₂О₂:

2O₂^- + 2Н⁺ ® H₂O₂ + O₂.

Каталаза - геминовый фермент, содержащий Fe³⁺, катализирует реакцию разложения пероксида водорода. При этом образуются вода и кислород:

2H₂O₂ ® O₂ + 2H₂О.

Наибольшая активность каталазы в организме характерна для печени. Каталазы много в эритроцитах, где она защищает гем гемоглобина от окисления.

Пероксидаза - геминовый фермент, восстанавливает пероксид водорода до воды; при этом идет окисление другого вещества:

2H₂O₂ + R ® 2H₂О + RO₂.

Пероксидаза способна разлагать и другие перекиси, превращая их в спирты. Пероксидазная активность обнаруживается в печени, почках, нейтрофильных лейкоцитах.

Витамины, проявляющие антиоксидантные свойства – С, Е, А, Р. Антиоксидантные свойства проявляют трипептид глутатион, таурин
(2-аминоэтансульфоновая кислота), дипептид карнозин. Так, способность глутатиона участвовать в окислительно-восстановительных реакциях связана с наличием групп -SН:

2Г-SН + R-О-ОН ® Г-S-S-Г + R-ОН + Н₂О.

Полное подавление перекисных процессов в тканях, по-видимому, нецелесообразно. Свободные радикалы индуцируют апоптоз, участвуют в формировании клеточного иммунитета, стимулируют работу фосфолипаз, участвуя, тем самым, в синтезе эйкозаноидов.

Однако усиленная генерация свободных радикалов сопровождает патологические состояния (болезнь Паркинсона, Альцгеймера) и сам процесс биологического старения.