Современные представления о тканевом дыхании

Содержание:

 

1. Современные представления о тканевом дыхании………………………..
2. Спиртовое и молочнокислое брожение…………………………………….
3. Бета-окисление высших жирных  кислот…………………………………..
4. Протеолитические ферменты……………………………………………….

Современные представления о тканевом дыхании

 
 

      Первые представления о тканевом дыхании связаны с именем А.Л. Лавуазье (XVIII в.), который первым указал на то, что жизнь воз- можна только в присутствии кислорода, и отметил сходство между процессами горения угля и тка- невым дыханием. Но уже тогда было очевидно, что биологическое окисление во многом отличается от процессов горения, а именно: оно протекает в необычных, очень «мягких» условиях: при сравни- тельно низкой температуре (37⁰С), без образования пламени и в присутствии воды как главного ком- понента человеческого организма. Поэтому важной задачей, стоявшей перед учеными, являлось ус- тановление причин такого своеобразного течения окислительных процессов в живых организмах.

      В разработку теоретических представлений о биологическом окислении большой вклад вне- сли русские ученые А.Н. Бах (1897 г.), В.И. Палладин (1907 г.), а также немецкий ученый К.О. Энг- лер (1897 г.). В результате обработки данных многочисленных исследований они предположили, что в процессе тканевого дыхания происходит активация молекул кислорода за счет энергии самоокис- ляющихся веществ с образованием пероксидов, которые затем разлагаются с участием других суб- стратов. Схему данного процесса можно записать в виде:

S⁽¹⁾ + О₂ → S⁽¹⁾О₂

S⁽¹⁾О₂ + S⁽²⁾ → S⁽¹⁾О + S⁽²⁾О

   _S⁽¹⁾_{О + S}⁽²⁾ _{→ S}⁽²⁾_{О + S}⁽¹⁾

S⁽¹⁾ + О₂ + 2S⁽²⁾ → S⁽¹⁾О₂ + 2S⁽²⁾О,

где S⁽¹⁾ и S⁽²⁾ – субстраты 1 и 2 соответственно.

     А.Н. Бах впервые сформулировал идею о сопряжении окислительно-восстановительных про- цессов при тканевом дыхании. По А.Н. Баху в процессе тканевого дыхания окисление с участием пероксидных соединений происходит под действием ферментов пероксидаз. В целом его идеи полу- чили название пероксидной теории дыхания Баха.

      В.И. Палладин развил теорию о дыхании как о системе ферментативных реакций, в которой особое значение уделяется окислению дыхательных субстратов путем дегидрирования.

      В последующих работах была исследована взаимосвязь тканевого дыхания с другими процес- сами обмена веществ, ферментная обеспеченность дыхательных процессов, механизмы аккумуляции и превращения энергии и т.д. Большой вклад в изучение этих вопросов внесли В.А. Энгельгардт, В.А. Белицер, С.Е. Северин, В.П. Скулачев, Г. Кребс, А. Ленинджер, П. Митчелл и ряд других из- вестных ученых. 
 

      На современном этапе развития биохимии тканевое дыхание представляется в виде полифер- ментной цепи (дыхательная цепь) переноса электронов и ионов водорода от биологического суб- страта к кислороду. Дыхательная цепь образована окислительно-восстановительными ферментами, расположенными в липидном слое внутренней мембраны митохондрий клеток (рис. 10.2).

     Митохондрии обычно имеют форму цилиндра с закругленными концами, длиной 1–4 мкм и диаметром 0,3–0,7 мкм. Они состоят из внешней и внутренней мембран, которые различаются по со- ставу, свойствам и функциям. Внешняя мембрана легко проницаема для молекул с молекулярной массой до 5 000, в то время как проницаемость внутренней мембраны строго ограничена и избира- тельна, что определяется наличием специфических транспортных систем. На долю ферментов дыха- тельной цепи приходится 30–40% всех белков внутренней мембраны. Дыхательную цепь нередко называют редокс-цепью (окислительно-восстановительная цепь), поскольку в ней многократно про- текают процессы окисления – восстановления, а также цепью переноса электронов, электро- нотранспортной или электронопереносящей цепью. Это более широкие понятия, чем «дыхатель- ная цепь», поскольку подобные системы функционируют в мембранах хлоропластов, ядер, микросом клеток.

SH₂ + ½O₂ → S + H₂O. 

Этот  процесс включает большое число стадий, в которых участвуют входящие в дыхательную цепь промежуточные переносчики электронов и ионов водорода. Основными компонентами дыха- тельной цепи являются: никотинзависимые дегидрогеназы, флавинзависимые дегидрогеназы, цито- хромы, убихинон и некоторые металлопротеины (железосерные белки). Все перечисленные перенос- чики электронов и ионов водорода рассматриваются в главах 3 и 5.

      Водород от первичных доноров вводится в дыхательную цепь с участием НАД-зависимых и ФАД-зависимых дегидрогеназ. НАД-зависимые дегидрогеназы переносят водород с субстрата (SH₂) на НАД⁺, при этом образуется их восстановленная форма (НАДН + Н⁺):

SH₂ +  НАД⁺ →  S  + НАДН  +  H⁺.

      Далее два электрона и два протона переносятся от восстановленного (НАДН + Н⁺) к ФМН, входящему в состав флавопротеина (ФлПр), встроенного в митохондриальную мембрану и пронизы- вающего ее от внешней до внутренней поверхности (рис. 10.3):

^{НАДН  +  Н+ +  ФМН → ФМНН}₂ ^{+ НАД+.}

^{Благодаря этому восстановленный ФМНН}₂ ^{переносит протоны от внутренней поверхности}

мембраны к внешней. На этом участке дыхательной цепи пути электронов и протонов расходятся:

протоны выделяются в межмембранное пространство, а два электрона переносятся от ФМНН₂ к свя-

^{занному с ним железосерному белку FeSПр}₁^{, а затем через цитохром b}₅₆₂ ^{– на убихинон (КоQ):}

_2e 2e 2e 

^ФМНН₂ 
 

_{- 2Н}⁺ 

^FeSПр₁ ^b562 ^КоQ 

      Убихинон присоединяет два протона из внешнего пространства митохондрий с образованием восстановленного КоQH₂:

^{КоQ +  2H+   +  2ē → КоQН}₂^.

Таким образом, замыкается первая петля (1-й участок) митохондриальной цепи. Необходимо

отметить, что благодаря хорошей растворимости убихинона в липидном слое мембран он может мигрировать от одной стороны мембраны к другой, перенося на себе водород. Далее разделение во- дорода на протоны и электроны повторяется (2-й участок), при этом два электрона через цитохром b₅₆₆   и железосерный белок FeSПр₂ возвращаются на внешнюю сторону мембраны и акцептируются окисленным КоQ совместно с двумя протонами из окружающей среды. Новый восстановленный КоQH₂ опять участвует в переносе водорода через мембрану. При этом возврат пары электронов на внешнюю сторону мембраны осуществляется через систему последовательно сопряженных цито- хромов (3-й участок). Напомним, что ион железа в геме цитохромов может попеременно менять свою степень окисления, присоединяя или отдавая электрон.

^{Комплекс цитохромов a и a}₃ ^{действует как цитохромоксидаза, содержащая, помимо гема, ио-}

ны меди, которые тоже участвуют в переносе электронов, меняя при этом степень окисления:

Cu²⁺ +  ē Cu⁺.

      Комплекс цитохромов переносит электроны на молекулу кислорода. Кислород, поступающий в митохондрии из крови, связывается с ионом железа в геме цитохрома а₃  в молекулярной форме О₂ (подобно тому, как он связывается с гемоглобином в процессе своего транспорта). Затем каждый из атомов молекулы О₂ последовательно присоединяет по два электрона и два протона, восстанавлива- ясь при этом до молекулы воды:

^О₂   ^{+ 4ē + 4Н+ →  2Н}₂^О.

Таким путем через дыхательную цепь электроны от субстрата достигают конечного акцепто-

ра –  атмосферного кислорода. Образующаяся в результате такого процесса вода называется метабо- лической. Некоторые насекомые, например жуки-чернотелки, получают воду только в результате тканевого дыхания, поскольку их пищевой рацион практически не содержит воды.

     Таким образом, разделение водорода на протоны и электроны в мембране митохондрий на- поминает работу переправы с помощью двух типов транспортных средств, т.е. цепь переноса элек- тронов работает как протонный насос, перекачивающий ионы водорода из межклеточного простран- ства на наружную сторону мембраны.

Направление переноса электронов и ионов водорода в дыхательной цепи определяется окис-

лительно-восстановительными потенциалами основных ее компонентов (табл. 10.5).

_{Следует пояснить, что при физиологических условиях (рН 7,4) стандартный окислительно-}

^{восстановительный потенциал системы Н}₂^{/2Н+ + 2ē равен –0,42 В. Поэтому в дыхательной цепи пе-}

 

ренос электронов и протонов от биосубстрата к кислороду (E⁰ = +0,82 В) начинает НАДН (E⁰ = –0,32

В).