Разобщители окислительного фосфорилирования. Лекарственные препараты – разобщители

Оглавление

Введение 3
1 Окислительное фосфорилирование 5
1.1 Коэффициент окислительного фосфорилирования 7
2 Разобщители окислительного фосфорилирования 8
2.1 Механизм действия разобщителей 9
Заключение 12
Список использованных источников 13

Введение

Все живые организмы состоят из клеток, которые ежесекундно взаимодействуют между собой. В большинстве эукариотических клеток присутствуют специализированные органеллы – митохондрии. Митохондрии часто называют "энергетическими станциями клетки", так как их основная функция заключается в синтезе аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ), универсальной молекулы-энергоносителя, с помощью которой осуществляются практически все клеточные функции. Биосинтез АТФ происходит с помощью окислительного фосфорилирования. Суть этого процесса заключается в переносе электронов с молекулы НАДН по электрон-транспортной цепи митохондрий на кислород, в результате чего образуется молекула воды и создается электрохимический градиент протонов, за счет которого с помощью фермента АТФ-синтазы синтезируется АТФ. Разобщение окислительного фосфорилирования с синтезом АТФ происходит за счет свободных жирных кислот, находящихся в цитоплазме клетки. В норме 20-25% всего метаболизма теплокровных животных направлено на поддержание постоянной температуры тела, и механизм образования тепла связан с разобщением дыхания и синтеза АТФ за счет увеличения протонной проводимости. Увеличение протонной проводимости или «мягкое разобщение» может служить как для термогенеза, так и для контроля массы тела, за счет стимуляции углеводного и липидного обмена.
Естественные механизмы разобщения не всегда справляются со своими функциями. Описано множество патологических состояний, при которых возникает гиперполяризация митохондрий, сопровождающаяся повышенным уровнем активных форм кислорода (АФК) в митохондриях, что приводит к ухудшению функционирования клетки в целом. Такая ситуация встречается при ожирении, нарушении углеводного обмена, а также при патологиях, связанных с развитием окислительного стресса: ишемическое повреждение тканей, болезни Паркинсона и Альцгеймера, аутоиммунные заболевания.
Использование разобщителей, способных регулируемо увеличивать протонную проводимость митохондрий, способно элиминировать негативные эффекты, вызванные указанными патологическими состояниями, в частности, за счет контроля уровня генерации АФК митохондриями.
Целью исследования является подробное рассмотрение окислительного фосфорилирования и изучение разобщителей.
В задачи исследования входит:
1. Изучение понятия окислительного фосфорилирования.
2. Изучить разобщители окислительного фосфорилирования.
3. Разобрать механизм действий рассмотреть примеры разобщителей.
1 Окислительное фосфорилированиеОкислительное фосфорилирование – это синтез из аденозиндифосфата и неорганического фосфата, осуществляющийся в живых клетках, благодаря энергии, выделяющейся при окислении орг. В-в в процессе клеточного дыхания. В общем виде окислительное фосфорилирование и его место в обмене веществ представлено в схеме на рисунке 1.
Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 1 – Роль окислительного фосфорилирования в метаболизме
АН2 – органические вещества, окисляемые в дыхательной цепи.
АДФ – аденозиндифосфат.
Р – неорганический фосфат.
Поскольку АТФ необходим для осуществления многих процессов, требующих затраты энергии (биосинтез, совершение мех. работы, транспорт в-в и др.). Окислительное фосфорилирование играет важнейшую роль в жизнедеятельности аэробных организмов. Образование АТФ в клетке происходит также благодаря иным процессам, например в ходе гликолиза и различных типов брожения, протекающих без участия кислорода. Их вклад в синтез АТФ в условиях аэробного дыхания составляет незначительную часть от вклада окислительного фосфорилирования (около 5%).
У животных, растений и грибов окислительное фосфорилирование протекает в специализированных субклеточных структурах – митохондриях; у бактерий ферментные системы, осуществляющие этот процесс, находятся в клеточной мембране.
Митохондрии окружены белково-фосфолипидной мембраной. Внутри митохондрий (в т. наз. матриксе) идет ряд метаболических процессов распада пищевых веществ, поставляющих субстраты окисления АН2 для окислительного фосфорилирования. Наиболее важные из этих процессов: цикл трикарбоновых кислот и окисление жирных кислот (окислит. расщепление жирной к-ты с образованием ацетил-кофермента А и к-ты, содержащей на 2 атома С меньше, чем исходная; вновь образующаяся жирная к-та также может подвергаться окислению). Интермедиаты этих процессов подвергаются дегидрированию (окислению) при участии ферментов дегидрогеназ; затем электроны передаются в дыхательную цепь митохондрий – ансамбль окислит.-восстановит. ферментов, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану. Дыхательная цепь осуществляет многоступенчатый экзэргонический перенос электронов (сопровождается уменьшением свободной энергии) от субстратов к кислороду, а высвобождающаяся энергия используется расположенным в той же мембране ферментом АТФ-синтетазой, для фосфорилирования АДФ до АТФ. В интактной (неповрежденной) митохондриальной мембране перенос электронов в дыхательной цепи и фосфорилирование тесно сопряжены между собой. Так, например, выключение фосфорилирования по исчерпании АДФ либо неорганического фосфата сопровождается торможением дыхания. Большое число повреждающих митохондриальную мембрану воздействий нарушает сопряжение между окислением и фосфорилированием, разрешая идти переносу электронов и в отсутствие синтеза АТФ. Механизм окислительного фосфорилирования представлен схемой в рисунке 2. разрешая идти переносу электронов и в отсутствие синтеза АТФ
Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 2 – Схема окислительного фосфорилирования
Сопряжение окисления и фосфорилирования позволяет объяснить, почему окислительное фосфорилирование, в отличие от гликолитического ("субстратного") фосфорилирования, протекающего в растворе, возможно лишь в замкнутых мембранных структурах, а также почему все воздействия, снижающие электрическое сопротивление и увеличивающие протонную проводимость мембраны, подавляют ("разобщают") окислительное фосфорилирование. Энергия, помимо синтеза АТФ, может непосредственно использоваться клеткой для транспорта метаболитов, движения (у бактерий), восстановления никотинамидных коферментов и др.
1.1 Коэффициент окислительного фосфорилированияВ процессе тканевого дыхания от окисляемых субстратов отщепляются протоны и электроны. Они поступают на кофакторы НАД+ иФАД, которые передают их в дыхательные цепи. Передвигаясь от одного переносчика электронов к другому, электроны опускаются на все более низкие энергетические уровни, отдавая порциями свою энергию. В последнем звене цепи они восстанавливают молекулярный кислород. Освобожденная при переносе электронов по дыхательной цепи энергия запасается в фосфатных связях АТФ. Синтез АТФ из АДФ и фосфорной кислоты, который происходит с использованием энергии, освобождающейся при окислении веществ и сопряжен с переносом электронов по дыхательной цепи, называется окислительным фосфорилированием.
Окислительное фосфорилирование было открыто в начале 30-хгодов XX в. В.А. Энгельгардтом. Коэффициент окислительного фосфорилирования (К) – это отношение количества неорганического фосфата, потребляемого в процессе дыхания, к количеству кислорода: Р/0, т.е. К показывает число молей АТФ, образующихся из АДФ и Рн на 1 грамм-атом поглощенного О2. Предложен в 1939г. В.А. Белицером. Экспериментально установлено, что для субстратов, окисляющихся в полной дыхательной цепи (яблочная, пировиноградная, изолимонная кислоты) этот коэффициент равен 3, т.е. синтезируется 3 АТФ на каждый атом О2, а для субстратов неполной дыхательной цепи (сукцинат) – 2 (соответственно образуется 2 молекулы АТФ).
2 Разобщители окислительного фосфорилированияВ организме окислительное фосфорилирование подавляется многими токсичными веществами, которые по месту их действия можно разделить на три группы:
1. Ингибиторы дыхательной цепи.
2. Ингибиторы АТФ-синтетазы. Наиболее распространенные ингибиторы этого класса – антибиотик олигомицин и модификатор карбоксильных групп белка дициклогексилкарбодиимид.
3. Разобщители окислительного фосфорилирования. Они не подавляют ни перенос электронов, ни собственно фосфорилирование АДФ, но обладают способностью уменьшать величину на мембране, благодаря чему нарушается энергетическое сопряжение между дыханием и синтезом АТФ. Разобщающее действие проявляет большое число соединений. Классические разобщители - вещества, обладающие слабыми кислотными свойствами, способные проникать через мембрану как в ионизованной (депротонированной), так и в нейтральной (протонированной) формах. К таким в-вам относят, 1-(2-дицианометилен) гидразино-4-трифтор-метоксибензол (рисунок 3 – I), или карбонилцианид-n-трифторметокси-фенилгидразон, и 2,4-динитрофенол (рисунок 3 – II). Формулы разобщающих веществ представлены на рисунке 3.
Рисунок SEQ Рисунок \* ARABIC 3 – формулы разобщающих веществ
Разобщающим действием обладают также ионофоры (грамицидин) , повышающие электропроводность мембраны в результате образования ионных каналов или вещества, разрушающие мембрану (детергенты).
2.1 Механизм действия разобщителейРазобщители окислительного фосфорилирования, являясь амфипатическими, повышают проницаемость мембраны для протонов, тем самым снижая электрохимический потенциал и выключая АТФ-синтазу по типу короткого замыкания.
Антибиотик Олигомицин полностью блокирует окисление и фосфорилирование в интактных митохондриях. Однако, если вместе с олигомицином добавить разобщитель динитрофенол, то окисление пойдет, но без фофорилирования. Это означает, что олигомицин не действует непосредственно на дыхательную цепь, а подавляет стадию фосфорилирования. Разобщители переносят протоны через внутреннюю митохондриальную мембрану. Перенос от НАДФ к О2 в присутствии таких разобщителей протекает нормально, но образования АТФ митохондриальной АТФ-азой не происходит, поскольку исчезает протонодвижущая сила, обуславливающая перенос протонов через внутреннюю мембрану митохондрий. Потеря дыхательного контроля приводит к тому, что поглощение О2 и окисление НАДФ повышается. В то же время ДНФ не оказывает влияния на субстратное фосфорилирование. В силу своего специфического действия на дыхательную цепь ДНФ и другие разобщители служат ценным инструментом при исследованиях обмена веществ.
Разобщение окислительного фосфорилирования может быть биологически полезным. Оно представляет собою способ генерирования тепла для поддержания температуры тела у зимнеспящих животных, у некоторых новорожденных животных и у млекопитающих, адаптированных к холоду. Для этого процесса термогенеза специализированная бурая жировая ткань, очень богатая митохондриями. В качестве разобщителей в ней выступают жирные кислоты, высвобождение которых в свою очередь регулируется норадреналином. Степень разобщения окислительного фосфорилирования в бурой жировой ткани находится под гормональным контролем. Митохондрии в этой ткани могут выполнять функцию генераторов АТФ или миниатюрных обогревателей.
Существует интересное сообщение о 38-летней женщине, которая была не в состоянии выполнять продолжительную физическую работу. Основной обмен у нее более чем вдвое превышал нормальный уровень, но функции щитовидной железы не была нарушена. Биопсия мышцы показала, что митохондрии в ней очень многообразны и атипичны по структуре. При биохимических исследованиях выяснилось, что эти митохондрии не подвержены дыхательному контролю. НАДФ в них окисляется независимо от присутствия АДФ, т.е. в них отсутствовало тесное сопряжение окисления и фосфорилирования. Отношение Р/О было ниже нормы. У этой больной значительная часть энергии топливных молекул превращалась не в АТФ, а в тепло. Природа молекулярного дефекта в таких митохондриях пока не расшифрована.
Заключение

Разобщение окислительного фосфорилирования может быть биологически полезным. Оно представляет собою способ генерирования тепла для поддержания температуры тела у зимнеспящих животных, у некоторых новорожденных животных и у млекопитающих, адаптированных к холоду. Для этого процесса термогенеза специализированная бурая жировая ткань, очень богатая митохондриями. В качестве разобщителей в ней выступают жирные кислоты, высвобождение которых в свою очередь регулируется норадреналином. Степень разобщения окислительного фосфорилирования в бурой жировой ткани находится под гормональным контролем. Митохондрии в этой ткани могут выполнять функцию генераторов АТФ или миниатюрных обогревателей.
Существует интересное сообщение о 38-летней женщине, которая была не в состоянии выполнять продолжительную физическую работу. Основной обмен у нее более чем вдвое превышал нормальный уровень, но функции щитовидной железы не была нарушена. Биопсия мышцы показала, что митохондрии в ней очень многообразны и атипичны по структуре. При биохимических исследованиях выяснилось, что эти митохондрии не подвержены дыхательному контролю. НАДФ в них окисляется независимо от присутствия АДФ, т.е. в них отсутствовало тесное сопряжение окисления и фосфорилирования. Отношение Р/О было ниже нормы. У этой больной значительная часть энергии топливных молекул превращалась не в АТФ, а в тепло. Природа молекулярного дефекта в таких митохондриях пока не расшифрована.
Список использованных источников

1. Лекции преподавателей кафедры биохимии СПХФА.
2. Рэкер Э., Биоэнергетические механизмы, пер. с англ., М., 1967;
3. Ленинджер А., Основы биохимии, пер. с англ., т. 2, М., 1985, с. 508-46; 4. Страйер Л., Биохимия, пер. с англ., т. 2, М., 1985, с. 71-94;
5. Николc Д., Биоэнергетика. Введение в хемиосмотическую теорию, пер. с англ., М., 1985; Скулачев В. П., Энергетика биологических мембран, М., 1989.
6. Власова Е. Ингибиторы и разобщители окислительного фосфорилирования / Доклад – 2009г.