Биологическое окисление. Механизмы оксигеназного и свободно - радикального окисления веществ. Аоз клетки.

ОКСИГЕНАЗНЫЙ ПУТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КИСЛОРОДА

Оксигеназы это ферменты, которые катализируют включение кислорода в молекулу субстрата, они участвуют в синтезе и деградации многих типов ме­таболитов. Оксигеназы работают в составе мультиферментных комплексов, встроенных в мембрану. По способу включения кислорода их делят на: монооксигеназы и диоксигеназы.

Монооксигеназные реакции

Монооксигеназы это ферменты, которые включают в субстрат только один атом молекулы кислорода. Другой атом кислорода восстанавливается до воды с участием электронов и протонов НАДФН₂, НАДН₂, реже витамин С: А-Н + О₂ + ZH₂ → А-ОН + Н₂О + Z

Монооксигеназные реакции протекают на цитоплазматической поверхности гладкого ЭПР, их называют микросомальным окислением, и на внутренней поверхности внутренней мембраны митохондрии.

1. Микросомальные монооксигеназные системы

потенциалов составляют электрохимический потенциал, который в типичной клетке составляет около 220 мВ, и складывается из 160 мВ ∆V и 60 мВ ∆рН (при ∆рН=1).

Механизм переноса протонов через мембрану до конца не изучен. Вероятно, у разных компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения транспорта е^- с перемещением Н⁺. Однако установлено что важную роль в этом процессе играет КоQ.

Цепь окисления

1. 2е^- от НАДН₂, проходят через I комплекс (ФМН→SFe белок) на КоQ, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н⁺ (механизм переноса Н⁺ неизвестен).

2. КоQ с 2е^- забирает 2Н⁺ из матрикса и превращается в КоQН₂ (восстановление КоQ проходит также с участием комплекса II).

3. КоQН₂ переносит 2е^- на комплекс III, а 2Н⁺ в межмембранное пространство.

4. Цитохром С переносит е^- c III комплекса на IV комплекс.

5. IV комплекс сбрасывает е^- на О₂, высвобождаемая при этом энергия обеспечивает перекачку Н⁺ (механизм переноса Н⁺ неизвестен).

Созданный в цепи окисления электрохимический потенциал используется на: 40-45% для фосфорилирования; на 25% для транспорта веществ через мембрану и на 30-35% для теплопродукции.

I, III и IV комплексы ЦПЭ называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования, так как они создают электрохимический потенциал, необходимый для фосфорилирования.

1). Механизм фосфорилирования

АТФ-синтетаза обеспечивает обратимое взаимопревращение энергии электрохимического потенциала и энергии химических связей. Электрохимический потенциал заставляет Н⁺ двигаться по каналу АТФ-синтазы в матрикс. При каждом переносе протонов через канал F_o энергия электрохимического потенциала расходуется на поворот стержня, в результате которого циклически изменяется конформация а- и β-субъединиц и все 3 активных центра, образованных парам α- и β-субъединиц, катализируют очередную фазу цикла 1) связывание АДФ и Н₃РО₄; 2) образование фосфоангидридной связи АТФ; 3) освобождение конечного продукта АТФ.

Таким образом, электрохимический потенциал, генерируемый в каждом из 3 пунктов сопряжения дыхания и фосфорилирования, используется для синтеза одной молекулы АТФ.

Коэффициентом окислитель­ного фосфорилирования (Р/О) называют от­ношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания. Окисление молекулы НАДН₂ в ЦПЭ сопровож­дается образованием 3 молекул АТФ, сле­довательно, для НАДН₂ Р/О = 3. Электроны от ФАД-зависимых дегидрогеназ поступают в ЦПЭ на KoQ, минуя первый пункт сопряжения. По­этому образуются только 2 молекулы АТФ, сле­довательно, для сукцината Р/О = 2. Эти величины отражают теоретический максимум синтеза АТФ, фактически эта величи­на меньше из-за затрат на транспорт.

Дыхательный контроль

В норме субстраты окислительного фосфорилирования и О₂ находятся в достаточном количестве, поэтому лимитирует ЦПЭ только количество АДФ, так как оно зависит от интенсивности потребления АТФ. При нагрузке концентрация АДФ увели­чивается и ускоряет дыхание и фосфорилирование. В состоянии покоя количество АДФ снижается и тормозит дыхание и фосфорилирование. Зависимость ин­тенсивности дыхания митохондрий от концент­рации АДФ называют

НАДН₂ + ½О₂ → НАД⁺ + Н₂О + 220 кДж/моль

АДФ + Н₃РО₄ + 30,5 кДж/моль = АТФ + Н₂О

Компоненты цепи окислительного фосфорилирования

1). Цепь окисления (дыхательная цепь) состоит из 4 белковых комплексов, которые определенным образом встроены во внутреннюю мембрану митохондрий и небольших подвижных молекул убихинона и цитохрома С, которые циркулируют в липидном слое мембраны между белковыми комплексами.

СХЕМА!!!

Комплекс I – НАДН₂ дегидрогеназный комплекс – самый большой из дыхательных ферментных комплексов – имеет молекулярную массу свыше 800КДа, состоит из более 22 полипептидных цепей, в качестве коферментов содержит ФМН и 5 железо-серных (Fe₂S₂ и Fe₄S₄) белков.

Комплекс II – СДГ. В качестве коферментов содержит ФАД и железо-серный белок.

Комплекс III – Комплекс b-c₁ (фермент QH₂ ДГ), имеет молекулярную массу 500КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, и вероятно существует в виде димера. Каждый мономер содержит 3 гема, связанных с цитохромами b₅₆₂, b₅₆₆, с₁, и железо-серный белок.

Комплекс IV – Цитохромоксидазный комплекс имеет молекулярную массу 300КДа, состоит из 8 полипептидных цепей, существует в виде димера. Каждый мономер содержит 2 цитохрома (а и а₃) и 2 атома меди.

Коэнзим Q (убихинон). Липид, радикал которого у млекопитающих образован 10 изопреноидными единицами (Q₁₀). Убихинон переносит по 2Н⁺ и 2е^-.

ФОРМУЛА!

2. В синтезе гликозаминогликанов (сульфирование ОН групп производных глюкозы, галактозы сульфотрансферазой).

ФЕНИЛАЛАНИН

Фенилаланин — незаменимая АК, которая содержится в достаточных количествах в пищевых продуктах. Фенилаланин идет в основном на синтез белков и тирозина.

Превращение фенилаланина в тирозин необратимо катализирует фенилаланингидроксилаза (монооксигеназа), коферментом которой служит тетрагидробиоптерин (Н4БП), кофактором - Fe2+. Н4БП в результате реакции окисляется в дигидробиоптерин (Н2БП). Регенерация последнего происходит при участии дигидроптеридинредуктазы с использованием НАДФH2. Реакция необходима для удаления избытка фенилаланина, так как высокие концентрации его токсичны для клеток. Образование тирозина не имеет большого значения, так как недостатка этой аминокислоты в клетках практически не бывает.

Фенилкетонурия

В печени здоровых людей небольшая часть фенилаланина (10%) превращается в фениллактат и фенилацетилглутамин. При дефекте фенилаланингидроксилазы этот путь катаболизма фенилаланина становится главным, что способствует развитию фенилкетонурии (ФКУ).

Классическая ФКУ — наследственное заболевание, связанное с мутациями в гене фенилаланингидроксилазы (частота 1:10000 новорождённых), которые приводят к снижению активности фермента или полной его инактивации.

При ФКУ концентрация фен повышается в крови в 20—30 раз, в моче — в 100—300 раз по сравнению с нормой. В крови и моче повышается содержание метаболитов альтернативного пути: фенилпирувата, фенилацетата, фениллактата и фенилацетилглутамина.

Проявления ФКУ:

1. нарушение умственного и физического развития;

2. судорожный синдром;

3. нарушение пигментации.

Проявления ФКУ связаны с токсическим действием на клетки мозга высоких концентраций фенилаланина, фенилпирувата, фениллактата. Большие концентрации фенилаланина ограничивают транспорт тирозина и триптофана через гематоэнцефалический барьер и тормозят синтез нейромедиаторов (дофамина, норадреналина, серотонина).

Прогрессирующее нарушение умственного и физического развития у детей, больных ФКУ, можно предотвратить диетой с очень низким содержанием или полным исключением фенилаланина. Если такое лечение начато сразу после рождения ребёнка, то повреждение мозга предотвращается. Считается, что ограничения в питании могут быть ослаблены после 10-летнего возраста (окончание процессов миелинизации мозга), однако в настоящее время многие педиатры склоняются в сторону «пожизненной диеты». При отсутствии лечения больные не доживают до 30 лет.

Для диагностики ФКУ используют качественные и количественные методы обнаружения патологических метаболитов в моче, определение концентрации фенилаланина в крови и моче.

Дефектный ген, ответственный за фенилкетонурию, можно обнаружить у фенотипически нормальных гетерозиготных носителей с помощью теста толерантности к фенилаланину.

ФОРМУЛА!

Тирозингидроксилаза (тирозинмонооксигеназа) Fe²⁺ -зависимый фермент, в качестве кофермента использующий Н₄БП. Ее ингибирует норадреналин.

Дофамин и норадреналин служат медиаторами в синаптической передаче нервных импульсов, а адреналин — гормон широкого спектра действия, регулирующий энергетический обмен. Одна из функций катехоламинов — регуляция деятельности ССС.

Нарушение синтеза катехоламинов может вызывать различные нервно-психические заболевания, причём патологические отклонения наблюдаются как при снижении, так и при увеличении их количества. Снижение в нервных клетках содержания дофамина и норадреналина часто приводит к депрессивным состояниям. При шизофрении в височной доле мозга наблюдается гиперсекреция дофамина.

Болезнь Паркинсона

Болезнь Паркинсона развивается при снижении активности тирозинмонооксигеназы и ДОФА-декарбоксилазы, что приводит к недостаточности дофамина в чёрной субстанции мозга. Это одно из самых распространённых неврологических заболеваний (частота 1:200 среди людей старше 60 лет). Заболевание сопровождается акинезией (скованность движений), ригидностью (напряжение мышц) и тремором (непроизвольное дрожание).

Дофамин не проникает через гематоэнцефалический барьер и как лекарственный препарат не используется. Для лечения паркинсонизма используют заместительную терапию препаратами-предшественниками дофамина (производными ДОФА) — леводопа, мадопар, наком и др. Также подавляют инактивацию дофамина ингибиторами МАО (депренил, ниаламид, пиразидол и др.).