6.4. Разобщение окисления и фосфорилирования
Разобщители - липофильные вещества, которые способны принимать протоны и переносить их через внутреннюю мембрану митохондрий, минуя его протонный канал.
Разобщители бывают:
- естественные – продукты перекисного окисления липидов, жирных кислот с длинной цепью; большие дозы тиреоидных гормонов;
- искусственные - динитрофенол, эфир, производные витамина К, анестетики, антибиотики (грамицидин, валиномицин)
Рассмотрим механизм разобщения на примере динитрофенола. Он легко диффундирует через митохондриальную мембрану как в ионизированной, так и в неионизированной форме и может переносить ионы водорода через мембрану. Поэтому 2,4-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.
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 3-х компонентов: флавиновые дегидрогеназы; железосерный белок, цитохром Р 450.
Цитохром Р 450 – 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 Р-450.
Гироксилирование ксенобиотика делает его более растворимым, облегчает последующую деструкцию и выведение из организма.
6.5. Генерация свободных радикалов в клетке
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 они вызывают перекисное окисление липидов - процесс, ведущий к тяжелому повреждению мембран, повреждают белки и ДНК.
Инактивация активных форм кислорода в клетках происходит под действием антиоксидантной системы. В нее входят несколько антиоксидантных ферментов и низкомолекулярные антиоксиданты (витамин С, глутатион, витамин Е и др.).
Супероксиддисмутаза (СОД) превращает супероксид-анион кислорода в пероксид водорода Н2О2:
2 O2-. + 2Н+ H2O2 + O2.
Каталаза - геминовый фермент, содержащий Fe3+, катализирует реакцию разложения пероксида водорода. При этом образуются вода и кислород:
2 H2O2 O2 + 2H2О.
Наибольшая активность каталазы в организме характерна для печени. Каталазы много в эритроцитах. Там она защищает гем гемоглобина от окисления.
Пероксидаза - геминовый фермент, восстанавливает пероксид водорода до воды; при этом идет окисление другого вещества:
2 H2O2 2H2О + RO2.
Пероксидаза способна разлагать и другие перекиси, превращая их в спирты. Пероксидазная активность обнаруживается в печени, почках, нейтрофильных лейкоцитах.
Антиоксиданты - биологически активные вещества, взаимодействующие со свободными радикалами и препятствующие процессам свободнорадикального окисления органических веществ в организме.
Витамины, проявляющие антиоксидантные свойства – С, Е, А, Р. Антиоксидантные свойства проявляют трипептид глутатион, таурин (2-аминоэтансульфоновая кислота), дипептид карнозин.
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.