190

Топик к лекции
ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ
Основное количество молекул АТФ вырабатывается по способу
окислительного фосфорилирования на последней стадии клеточного
дыхания: в электронтранспортной цепи. Здесь происходит окисление НАД·Н
и ФАДН2, восстановленных в процессах гликолиза, β-окисления, цикла
Кребса и т. д.. Энергия, выделяющаяся в ходе этих реакций, благодаря цепи
переносчиков электронов, локализованной во внутренней мембране
митохондрий (у прокариот — в цитоплазматической мембране),
трансформируется в трансмембранный протонный потенциал. Фермент
АТФ-синтаза использует этот градиент для синтеза АТФ, преобразуя его
энергию в энергию химических связей. Подсчитано, что молекула НАД·Н
может дать в ходе этого процесса три молекулы АТФ, ФАДН2 — две.
Гипоэнергетические состояния
Все живые клетки постоянно нуждаются в АТФ для осуществления
различных видов жизнедеятельности.
Клетки мозга потребляют большое количество АТФ для синтеза
нейромедиаторов, регенерации нервных клеток, поддержания необходимого
градиента Na+ и К+, для проведения нервного импульса; почки используют
АТФ в процессе реабсорбции различных веществ при образовании мочи; в
печени происходит синтез гликогена, жиров, белков и многих других
соединений; в миокарде постоянно совершается механическая работа,
необходимая для циркуляции крови; скелетные мышцы в покое потребляют
незначительные количества АТФ, но при физической нагрузке эти
потребности возрастают в десятки раз (табл. 6-6).
Вместе с тем запасов АТФ в клетках практически не существует. Так, в
условиях прекращения синтеза АТФ в миокарде его запасы истощаются за
несколько секунд.
Как мы уже знаем, для постоянного синтеза АТФ клеткам необходим
приток метаболитов как субстратов дыхания и кислорода как конечного
акцептора электронов в реакциях окисления, сопряжённых с синтезом АТФ.
Нарушения какого-либо этапа метаболизма, приводящие к прекращению
синтеза АТФ, гибельны для клетки.
293
Таблица 6-6. Скорость потребления О. и АТФ в некоторых тканях
Потребление О2,
мкмоль/г ткани/мин
Потребление АТФ,
мкмоль/г ткани/мин
Мозг
1,7
10,2
Сердце
4,5
27,0
Почки
7,1
42,6
Печень
1,6
9,6
Мышцы (в покое)
0,08
0,5
Ткань
Состояния, при которых синтез АТФ снижен, объединяют термином
"гипоэнергетические". Причинами гипоэнергетических состояний могут быть
голодание, гиповитаминозы В1, РР, В2; гипоксия.
Гипоксия может возникнуть: при недостатке кислорода во вдыхаемом
воздухе; при заболеваниях лёгких и нарушении лёгочной вентиляции; при
нарушениях кровообращения, вызванных заболеваниями сердца, спазмом и
тромбозом сосудов, кровопотерей. Причинами гипоксии могут быть также
наследственные или приобретенные нарушения структуры гемоглобина (см.
разделы 1,4). Частой причиной гипоэнергетических состояний могут быть
нарушения процессов использования кислорода в клетках.
Причинами этих нарушений могут быть:
•
•
•
•
действие ингибиторов и разобщителей в ЦПЭ;
железодефицитные анемии;
снижение уровня гемоглобина и других железосодержащих белков
(цитохромов, FeS-белков), в результате чего нарушаются перенос
электронов и синтез АТФ;
наследственные дефекты ферментов ЦПЭ и цитратного цикла.
Примерно 13 из 100 белков, участвующих в окислительном
фосфорилировании, кодируются митохондриальной ДНК: 7 субъединиц
комплекса I, субъединица комплекса III, 3 субъединицы комплекса IV и 2
субъединицы комплекса V, а также необходимые компоненты их трансляции.
Остальные митохондриальные белки синтезируются в ядре.
Ядерная ДНК кодирует более 70 субъединиц белков, участвующих в
окислительном
фосфорилировании.
Нарушения
окислительного
фосфорилирования в основном связаны с мутациями в митохондриальной
ДНК, которые случаются примерно в 10 раз чаще, чем в ядерной. Ткани с
высокой потребностью в АТФ (ЦНС, скелетные мышцы, миокард, почки и
печень) наиболее чувствительны к нарушениям окислительного
фосфорилирования.
Дефекты митохондриальной ДНК наследуются по материнской линии,
так как митохондрии из клеток сперматозоидов не проникают в
оплодотворённую яйцеклетку. Мутации митохондриальной ДНК - частая
причина, так как митохондрии не имеют такой же эффективной системы
репарации ДНК, как ядро.
Таким образом, с точки зрения патогенеза можно выделить три основные
группы митохондриальных болезней, которые обусловлены нарушением:
1) окисления жирных кислот, включая карнитиновый цикл;
2) метаболизма пирувата и цикла трикарбоновых кислот;
3) процессов окислительного фосфорилирования.
На основании суммирования этиологических и патогенетических факторов
создана современная классификация митохондриальных заболеваний. В
соответствие с этой классификацией выделяют три основные группы
митохондриальных болезней, которые в свою очередь, включают несколько
подгрупп.
1. Болезни, обусловленные дефектами мтДНК.
а) точковыми мутациями
б) делениями
в) изолированными дупликациями или в сочетании с делениями
2. Болезни, обусловленные дефектами ядерной ДНК:
а) мутациями, нарушающими работу электронтранспортной цепи
митохондрий;
б) мутациями, нарушающими окислительное фосфорилирование;
в) мутациями, вызывающими дефекты ферментов цикла Кребса;
г) мутациями, нарушающими утилизацию субстратов;
д) мутациями, нарушающими транспорт субстратов.
3. Болезни, обусловленные дефектами мтДНК, которые вызваны нарушением
ядерной ДНК.
а) тканеспецифическими делециями или дупликациями мтДНК;
б) истощением (деплецией) мтДНК.
Нарушения функции митохондрий
Повреждения механизмов окислительного фосфорилирования в
митохондриальной мембране ведут к уменьшению АТФ, и затем гибели
клеток. Истощение резервов АТФ является причиной клеточной гибели при
аноксии/гипоксии, окислительном стрессе и действии токсических
ксенобиотиков. Стимуляция АТФ-потребляющих метаболических путей
также ведет к истощению резерва АТФ. Резкое повышение проницаемости
внутренней мембраны митохондрий для электролитов и низкомолекулярных
молекул обычно сочетается с клеточным некрозом независимо от внутренней
концентрации АТФ. Неспецифическое повреждение внутренней
митохондриальной мембраны чаще всего вызывается активацией
перекисного окисления липидов или действием фосфолипазы
Для ишемизированного миокарда характерны сниженное окислительное
фосфорилирование и повышенный анаэробный обмен
Содержание АТФ и креатинфосфата в клетке резко снижается в результате
нарушения окислительного фосфорилирования в митохондриях. Одно из
первых проявлений этого состояния – нарушение мембранной
проницаемости. Нарушение целостности мембран способствует выходу из
клетки ионов, в том числе ионов К+, а также ферментов. Дефицит
энергетических ресурсов и нарушение ионного состава, существенные
изменения различных мембранных «резервуаров», обеспечивающих
контроль за уровнем внутриклеточного кальция, обусловливают торможение
функциональной активности мышечных клеток и их постепенную гибель. В
этот же период выявляются изменения состава белков миокарда (резкое
снижение содержания миофибриллярных белков и накопление белков
стромы). Нарушение обмена углеводов, белков и липидов (свободные
жирные кислоты не окисляются, а преимущественно включаются в
триглицериды) при инфаркте миокарда находит отражение в жировой
инфильтрации сердечной мышцы.
Нарушения функции митохондрий
Повреждения механизмов окислительного фосфорилирования в
митохондриальной мембране ведут к уменьшению АТФ, и затем гибели
клеток. Истощение резервов АТФ является причиной клеточной гибели при
аноксии/гипоксии, окислительном стрессе и действии токсических
ксенобиотиков. Стимуляция АТФ-потребляющих метаболических путей
также ведет к истощению резерва АТФ. Резкое повышение проницаемости
внутренней мембраны митохондрий для электролитов и низкомолекулярных
молекул обычно сочетается с клеточным некрозом независимо от внутренней
концентрации АТФ. Неспецифическое повреждение внутренней
митохондриальной мембраны чаще всего вызывается активацией
перекисного окисления липидов или действием фосфолипазы
Для ишемизированного миокарда характерны сниженное окислительное
фосфорилирование и повышенный анаэробный обмен
Содержание АТФ и креатинфосфата в клетке резко снижается в результате
нарушения окислительного фосфорилирования в митохондриях. Одно из
первых проявлений этого состояния – нарушение мембранной
проницаемости. Нарушение целостности мембран способствует выходу из
клетки ионов, в том числе ионов К+, а также ферментов. Дефицит
энергетических ресурсов и нарушение ионного состава, существенные
изменения различных мембранных «резервуаров», обеспечивающих
контроль за уровнем внутриклеточного кальция, обусловливают торможение
функциональной активности мышечных клеток и их постепенную гибель. В
этот же период выявляются изменения состава белков миокарда (резкое
снижение содержания миофибриллярных белков и накопление белков
стромы). Нарушение обмена углеводов, белков и липидов (свободные
жирные кислоты не окисляются, а преимущественно включаются в
триглицериды) при инфаркте миокарда находит отражение в жировой
инфильтрации сердечной мышцы.
В организме окислительное фосфорилирование подавляется мн. токсичными
в-вами, к-рые по месту их действия можно разделить на три группы: 1)
ингибиторы дыхат. цепи, или т. наз. дыхат. яды. 2) Ингибиторы АТФсинтетазы. Наиб. распространенные ингибиторы этого класса,
употребляемые в лаб. исследованиях, - антибиотик олигомицин и
модификатор карбоксильных групп белка дициклогексилкарбодиимид. 3) Т.
наз. разобщители окислительного фосфорилирования. Они не подавляют ни
перенос электронов, ни собственно фосфорилирование АДФ, но обладают
на мембране, благодаря чему
способностью уменьшать величину
нарушается энергетич. сопряжение между дыханием и синтезом АТФ.
Разобщающее действие проявляет большое число соед. самой разнообразной
хим. структуры. Классич. разобщители - в-ва, обладающие слабыми
кислотными св-вами, способные проникать через мембрану как в
ионизованной (депротонированной), так и в нейтральной (протонированной)
формах. К таким в-вам относят, напр., 1-(2-дицианометилен)гидразино-4трифтор-метоксибензол, или карбонилцианид-n-трифторметоксифенилгидразон, и 2,4-динитрофенол (соотв. ф-лы I и II; показаны протонир. и
депротонир. формы).
Энергия АТФ необходима для функционирования всех систем организма
(сердечно-сосудистой, нервной, мышечной, терморегуляции и др.). Процессы
гликолиза, глюконеогенеза, первичная клеточная защита, выработка антител,
транспорт веществ через клеточные мембраны, поддержание гемоглобина в
функционально активном состоянии невозможны без использования АТФ.