2 курс / Нормальная физиология / Физиология_дыхания_Частоедова_И_А_,_Еликов_А_В_

51

1.Протекает при температуре человеческого тела;

2.Протекает в водной среде;

3.Отсутствует пламя.

Другой вопрос, который долгое время занимал ученых, был о происхождении энергии активации необходимой для взаимодействия водорода и кислорода. Дело в том, что в молекулярной форме кислород относительно малоактивен, поэтому «гремучую смесь» (смесь кислорода с водородом)

необходимо нагреть, а водород выходящий из трубки генератора - поджечь. В

условиях организма это невозможно, поэтому дискуссия о происхождении энергии активации в процессах биологического окисления получила дальнейшее развитие. В 1897 году была обоснована первая гипотеза тканевого дыхания, названная гипотезой перекисного (пероксидного) окисления. Ее разрабатывали независимо А.Н. Бах в России и Энглер в Германии. Суть данной гипотезы состоит в том, что при дыхании, как считали авторы,

происходит активирование молекул О2 за счет энергии самоокисляющихся веществ, образование пероксидов и разложение их с участием другого вещества:

1. О = О – О – О – (активный кислород)

О

Оксигеназа

О

О

Пероксидаза

3. А + В (второй субстрат) АО + ВО

О

Для указанных целей необходимо последовательное действие двух ферментов - оксигеназы и пероксидазы. Впоследствии оказалось, что это не главный, а частный случай окисления веществ при дыхании. В настоящее время известно, что это тип медленного окисления органических веществ имеет место в микросомах печени, а не в митохондриях.

52

Идея активирования кислорода как основного механизма тканевого дыхания разрабатывалась известным немецким ученым Варбургом, создавшим первые аппараты для изучения тканевого дыхания. Он считал, что активирование кислорода есть ключевой процесс в тканевом дыхании, в результате чего кислород соединяется с водородом и образуется вода.

В 1912 г. Варбург открыл гемосодержащий протеид, названный в последствии цитохромоксидазой, которая активирует кислород. Однако, после открытия в том же году Бателли и Штерном дегидрогеназ ученых захватила идея активирования не кислорода, а водорода субстрата как основного звена тканевого дыхания. В.И. Палладин (1912) предложил схему дыхания, по

которой дегидрирование является важнейшим звеном дыхания:

Дегидрогеназы

А · Н2 (субстрат) ½ О2 Н2О Вскоре Виланд и Тунберг доказали, что возможно активирование водорода

субстрата с помощью дегидрогеназы. Гипотеза Палладина получила подтверждение. Примерить дегидрогеназную концепцию Палладина и оксидазную Варбурга в тканевом дыхании удалось после открытия в 1933 г.

Кейлином цитохромов, являющихся промежуточными переносчиками электронов от водорода к кислороду. На самом деле Кейлин переоткрыл цитохромы, которые были впервые описаны Мак-Мунном в 1886 г. и названные им гистогематинами.

По современным представлениям, в реально работающей дыхательной цепи присутствуют как элементы активации водорода, так и активации кислорода.

Активация водорода достигается взаимодействием его с коферментами дегидрогеназ. Так редокс-потенциал (о природе и величине редокс-потенциала будет сказано ниже) газообразного водорода равен 0 (нулю), а когда водород в составе кофермента НАДН·Н+ редокс-потенциал снижается до величины -0,32

В, что говорит об резком увеличении восстанавливающих свойств водорода.

Активация кислорода достигается путем взаимодействия на уровне цитохромоксидазы двух электронов, идущих по дыхательной цепи с молекулой

53

О2. В результате неполного восстановления молекулы О2 (для полного восстановления молекулы О2 необходимо 4 электрона) образуется активная форма кислорода - пероксидный свободный радикал. Таким образом, теория активации кислорода также нашла свое подтверждение.

Контрольные вопросы

1.Что такое тканевое дыхание ?

2.В чем сходство и отличие между процессами горения и биологического окисления в организме ?

3.В чем суть гипотез А.Н. Баха и В.И. Палладина ?

5.2. Современные представления о структуре элементов

дыхательной цепи

В переносе электронов от субстрата к молекулярному кислороду принимают участие:

1. Коферменты на основе витамина В5 (РР) - пиридинзависимые дегидрогеназы,

для которых коферментами служат либо НАД, либо НАДФ; 2. Коферменты на основе витамина В2 - флавиновые дегидрогеназы

(флавиновые ферменты), у которых роль простетической группы играют ФАД или ФМН;

3.Убихинон (коэнзим Q);

4.Цитохромы, содержащие в качестве простетической группы железопорфириновую кольцевую систему. Среди компонентов дыхательной цепи обнаружены также и железосерные белки (FeS), содержащие негеминовое железо.

54

5.2.1. Характеристика коферментов на основе витамина В5 (РР)

Витамин B5 является компонентом коферментов. Функции витамина в организме человека выполняют никотиновая кислота и ее амид. Ниацин в организме используется для образования никотинамидных коферментов. Их представителями являются никотинамид-аденин-динуклеотид (НАД+, NAD+) и

никотинамид-аденин-динуклеотид-фосфат (НАДФ+, NADP+). Эти коферменты образуют специфические, каталитически активные комплексы с многочисленными (более 200) дегидрогеназами. Холоферменты участвуют в осуществлении окислительно-восстановительных реакций метаболизма.

Вчастности, эти комплексы:

1.Облегчают реакции окисления одного субстрата за счет восстановления другого. Эти реакции особенно важны для осуществления окислительных процессов в отсутствии кислорода. Примером подобных реакций может служить обратимое окисление молочной кислоты до пировиноградной,

которую катализирует фермент лактатдегидрогеназа (ЛДГ):

Схема 1. Участие кофермента НАД+ в обратимом окислении молочной кислоты в

составе фермента лактатдегидрогеназы

2. Обеспечивают функцию компонентов дыхательной цепи, транспортируя

электроны (водород) от субстрата на кислород.

Помимо окислительно-восстановительных реакций, лежащих в основе энергетического обмена, ниацин участвует в ряде других, не окислительно-

восстановительных реакций. В частности доказано, что эти реакции сопровождают передачу информации от клетки к клетке, транскрипцию ДНК,

синтез хроматина, дифференциацию клеток и многие другие жизненные процессы. Поступает с пищей, синтезируется в организме из триптофана.

Участвует в процессах тканевого дыхания, углеводном, белковом и липидном обмене, оказывает нормализующее влияние на уровень холестерина. Обладает

выраженным свойством расширять периферические сосуды

Схема 4. Химическая структура кофермента НАД+ В рамке показана восстановленная форма активного центра кофермента (НАДН·Н+).

Стрелкой показано расположение фосфатной группы в молекуле НАДФ.

Суточная потребность в витамине В5 (РР) – 15-25 мг. Повышается при физической нагрузке, лактации, низкой температуре, в высокогорье, а также при инфекционных заболеваниях, поражениях желудочно-кишечного тракта и нарушении всасывания. В организме возможен синтез никотиновой кислоты из аминокислоты триптофана. При этом из одной из 50 молекул триптофана образуется одна молекула никотиновой кислоты. Недостаток триптофана в

56

пище резко усугубляет симптомы гиповитаминоза никотиновой кислоты при его наличии.

Контрольные вопросы

1.В какие реакциях в организме принимает участие ниацин ?

2.Сколько составляет суточная потребность в витамине В5?

5.2.2. Характеристика коферментов на основе витамина В2

Относится к группе животных пигментов – флавонов. Рибофлавин хорошо растворим в воде, устойчив в кислых растворах, но легко разрушается в нейтральных и щелочных растворах. Весьма чувствителен к УФ-излучению и сравнительно легко подвергается обратимому восстановлению, присоединяя водород по месту двойных связей и превращается в бесцветную лейкоформу.

Это свойство рибофлавина легко окисляться и восстанавливаться лежит в основе его биологического действия в клеточном метаболизме. Участвует в окислительно-восстановительных реакциях, влияя на обмен веществ всего организма.

Витамин B2 интенсифицирует процессы обмена веществ в организме,

участвуя в метаболизме белков, жиров и углеводов. Рибофлавин необходим для образования красных кровяных телец и антител, для дыхания клеток и роста.

Он облегчает поглощение кислорода клетками кожи, ногтей и волос. Он улучшает состояние органа зрения, принимая, наряду с витамином A, участие в процессах темновой адаптации, снижает усталость глаз и играет большую роль в предотвращении катаракты. Витамин B2 оказывает положительное воздействие на слизистые оболочки пищеварительного тракта. Рибофлавин входит в состав флавиновых коферментов, в частности ФМН

(флавиномононуклеотид) и ФАД (флавиноадениндинуклеотид).

58

В качестве примера можно привести следующую схему окисления с участием ФАД:

(суб. восс.ф.) (суб. окис.ф.)

R-CH2-CH2-COOH 2H 2e R-CH=CH-COOH

ФАД ФАДН2

Схема 7. Участие кофермента ФАД в окислении карбоновых кислот

2. Характеризуется переносом электронов и протонов в системе биологического окисления.

ФМН и ФАД прочно связываются с белковым компонентом молекулы фермента, иногда ковалентно, как в молекуле сукцинатдегидрогеназы. В

составе дыхательной цепи ФМН в качестве кофермента входит в состав НАД·Н-дегидрогеназы, которая акцептирует водород, отщепляемый от НАДН·Н+. Молекулярная масса НАД·Н-дегидрогеназы около 106. Этот флавиновый фермент тесно связан с железосерным белком, участвующим передаче электронов на коэнзим Q. НАД·Н-дегидрогеназа пересекает поперек внутреннюю мембрану митохондрий, находясь в окружении липидов.

Активный центр ее обращен к внутренней поверхности этой мембраны, т.е. к

матриксу.

Суточная потребность в витамине В2 – 2-3 мг. Возрастает при физической нагрузке, лактации, высокой калорийности пищи с большим содержанием белка, при употреблении больших количеств никотиновой кислоты.

Контрольные вопросы

1.Какие функции в организме выполняет рибофлавин ?

2.В состав каких коферментов входит рибофлавин ?

3.Какие реакции в организме протекают с участием этих коферментов?

4.Сколько составляет суточная потребность в витамине В2?

59

5.2.3.Строение и характеристика убихинона (кофермент Q)

Кофермент Q (КоQ) был впервые описан Мортоном, который показал, что данное соединение имеет повсеместное распространение в клетках и назвал его убихиноном. Позже было установлено, что убихинон, подобно НАД и ФАД,

может играть роль промежуточного переносчика водородных атомов, т.е.

электронов и протонов.

Схема 8. Строение и участие убихинона (кофермента Q) в окислительно-

восстановительных реакциях

КоQ является производным бензохинона с длинной боковой цепью,

включающей у различных организмов от 6 до 10 изопреновых звеньев.

Человеческий убихинон содержит 10 изопреновых единиц (КоQ10). Наличие изопренового «хвоста» придает молекуле КоQ хорошую растворимость в липидах, поэтому относительно небольшая молекула убихинона легко перемещается от наружного к внутреннему краю внутренней мембраны митохондрий и наоборот.

Считают, что восстановленная форма флавиновых ферментов в цепи дыхательных катализаторов передает атомы водорода (протоны и электроны)

КоQ. Как всякий хинон, КоQ может существовать в окисленной и восстановленной форме, что и обеспечивает его функционирование в дыхательной цепи.

Убихинон синтезируется в тканях человека. Источником его образования служат мевалоновая кислота и продукты обмена фенилаланина и тирозина.