Роль мембран в трансформации энергии

21 Июля в 1:33 3476 0


Из огромного массива знаний в области биоэнергетики коснемся лишь малой части, относящейся к деятельности мембран и роли митохондрий (Скулачев, 1989). Нарушение энергетических процессов в этих структурных компонентах клеток приводит к разнообразным патологическим состояниям. Поскольку живые организмы являются изотермическими системами, процессы жизнедеятельности в них происходят за счет химической энергии в соответствии с законами термодинамики.

Гетеротрофные организмы получают энергию при сопряжении эндерго-нических реакций метаболизма с процессами распада в экзергонических («экзоэргических») реакциях сложных органических соединений, поступающих извне. Энергия в организмах запасается в виде «богатой энергией фосфатной связи», главным образом в виде аденозинтрифосфата (АТФ), как правило, в комплексе с Mg2+ (рис. 1).

Комплекс АТФ с Mg2+

Рис. 1. Комплекс АТФ с Мg2+

При гидролизе органических фосфатов высвобождается свободная энергия -ΔG°, величина которой определяется разностью между свободной энергией исходных веществ и свободной энергией продуктов гидролиза фосфорилированного соединения до неорганического фосфата.

При этом свободная энергия сложноэфирной связи у фосфорилированных соединений примерно в 3 раза меньше, чем свободная энергия фосфоангидридных связей в молекулах АТФ, АДФ и пирофосфата. Расщепление фосфоэфирной связи между 5'атомом рибозы и фосфатом высвобождает -9 кДж/моль, тогда как гидролиз фосфоангидридных связей в АТФ, АДФ и РР высвобождает от -30 до -35 кДж/моль. Предполагается, что в физиологических условиях энергия гидролиза АТФ до АДФ и неорганического фосфата равна примерно -50 кДж/моль (-7,3 ккал) (табл. 1).

Таблица 1. Стандартная свободная энергия гидролиза некоторых фосфорилированных соединений

Соединение

ΔG°, ккал

Фосфоенолпируват

1,3-дифосфоглицерат

Креатинфосфат

Ацетилфосфат

Аргининфосфат

АТФ

Глюкозо-1-фосфат

Фруктозо-6-фосфат

Глюкозо-6-фосфат

Глицерол-1-фосфат

-14,8

-11,8

-10,3

-10,1

-7,7

-7,3

-5,0

-3,8

-3,3

-2,2

АТФ является уникальным веществом, так как занимает в термодинамической шкале промежуточное положение между условно высокоэнергетическими и низкоэнергетическими фосфорилированными соединениями. Основная функция системы АТФ-АДФ состоит в переносе фосфатных групп от высокоэнергетических соединений к акцепторным молекулам, расположенным в этой шкале ниже АТФ (Ленинджер, 1974).

Кроме указанных, высокоэнергетическими («макроэргическими») соединениями являются также некоторые тиоловые соединения, например, ацетил-КоА и сукципил-КоА (рис. 2).

Тиоловые высокоэнергетические соединения

Рис. 2. Тиоловые высокоэнергетические соединения

Пируват из ЦТК окисляется до ацетата в форме ацетильного производного КоА (CH3CO-S-CoA) пируватдегидрогеназной системой, а затем взаимодействует с оксалоацетатом, образуя цитрат. Тиоэфирная связь между карбоксилом уксусной кислоты и тиоловой группой β-меркаптоэтиламина, входящего в состав КоА, при гидролизе освобождает большую свободную энергию (-ΔG°’ = -7,52 ккал).

Сукцинил-S-KoA образуется в результате окисления α-кетоглутарата, подобно окислению пирувата, с помощью глутаратдегидрогеназного комплекса. Структурно он отличается от ацетил-КоА остатком янтарной кислоты вместо уксусной. На втором этапе он утрачивает свою КоА-группу, но не после гидролиза, а в результате реакции с участием ГДФ и Рн с помощью сукцинилтиокиназы («сукцинил-КоА-синтетазы»). Высвобождающаяся энергия запасается в ГТФ (-ΔG°’ = -0,7 ккал) с последующим преобразованием в АТФ нуклеозиддифосфаткиназой.

Синтез и гидролиз АТФ сопряжен с переносом ионов. Без мембран сопряжение между подобной химической реакцией и переносом веществ не может иметь места из-за базового принципа Кюридиссимметрия творит явление»). Он гласит, что результат некоторого процесса не может быть менее симметричным, чем вызвавшие его причины. Это означает, что скалярный процесс (реакция синтеза или гидролиза АТФ) не может сопрягаться с векторным (переносом ионов или других веществ). Другими словами, в гомогенной водной среде, в которой идет реакция, процесс переноса веществ не может происходить без анизотропной среды в виде биомембран. Несимметричная структура ионных насосов, как и любая другая анизотропия, пространственно организует и направляет реакцию.

Митохондрии

Митохондрии (от греч. mitos — нить и chondrion — зернышко, крупинка) — органеллы животных и растительных клеток. Митохондрии запасают энергию в результате экзергонических реакций в виде макроэргического аденозинтрифосфата (АТФ). Поэтому их называют «энергетическими станциями клетки». Они содержатся практически во всех клетках эукариот, кроме эритроцитов и кератиноцитов. По объему митохондрии занимают примерно пятую часть клетки.

В митохондриях локализовано несколько метаболических процессов: 1. превращение пирувата в ацетил-КоА с помощью пируватдегидрогеназного комплекса; 2. цитратный цикл и дыхательная цепь, сопряженные с синтезом АТФ; 3. β-окисление жирных кислот и частично цикл мочевины; 4. резервный креатипкиназный путь синтеза АТФ; 5. вместе с ЭР митохондрии являются депо Са2+, которое с помощью ионных насосов поддерживает низкий (менее 1 мкмоль/л) уровень иона в цитоплазме.

Митохондрии свободно перемещаются в цитоплазме клеток по хемотаксическому механизму в сторону увеличения концентрации АДФ. Это свойственно клеткам, потребляющим большое количество энергии в эндергонических реакциях, например, мышечного сокращения, нервного возбуждения, активного переноса метаболитов, синтеза. При сближении с такими клетками синтезированные в митохондриях молекулы АТФ обмениваются на менее энергетические молекулы АДФ. Например, в клетках сердечной мышцы и скелетной мускулатуры, в подвижных клетках типа сперматозоидов, в экзокринных клетках желез отмечен высокий уровень синтеза секреторных белков.

Особенностью митохондрий является то, что у них имеется собственная ДНК, которая, однако, осуществляет небольшой объем кодирования. Большинство митохондриальных ферментов кодируются ядерной ДНК. Из цитоплазмы внутрь органеллы переносятся уже готовые полипептиды, синтезированные соответствующими мРНК.

Митохондрии имеют двойную мембрану, что отличает их от секреторных органелл. Наружная мембрана — гладкая. Она содержит много белка — порина, способного формировать водные каналы. В ней содержатся моноаминооксидаза, ацил-КоА-синтаза и фосфолипаза А2. Наружная мембрана отличается хорошей проницаемостью для всех молекул с М меньше 5000 Да, включая ионы и метаболиты.

Внутренняя мембрана митохондрий богата фосфолипидом кардиолипином (более 10%) (рис. 3). Он представляет собой дифосфатидилглицерин и обеспечивает непроницаемость внутренней мембраны для ионов. Вероятно, он участвует в переносе электронов и окислительном фосфорилировании в органеллах. Важным компонентом мембран митохондрий является также фосфатидилииозит (до 10%). В нем присутствует остаток многоатомного спирта миоинозита. При ферментативном расщеплении фосфолипазой фосфатидилипозит-4,5-дифосфат образует два вторичных мессепджера — инозит-1,4,5-трифосфат (InsP3, ИФЗ) и диацилглицерин (DAG). Далее гидрофильный ИФЗ поступает в эндоплазматический ретикулум (ЭР) и индуцирует высвобождение Са2+ из запасающих его везикул, а липофильный ДАГ остается в мембране и активирует протеинкиназу С, которая в присутствии Са2+ фосфорилирует различные белковые субстраты.

Кардиолипин и инозит

Рис. 3. Кардиолипин и инозит

Внутренняя мембрана митохондрий образует многочисленные складки — кристы, которые значительно увеличивают площадь ее поверхности. Межмембранное пространство содержит креатинкиназу и аденилаткиназы. Внутренняя мембрана окружает матриксное пространство, представляющее собой полость, в которой находятся ферменты цикла лимонной кислоты («цитратный = цикл трикарбоновых кислот ЦТК = цикл Кребса») (рис. 4) и β-окисления жирных кислот (ЖК) (рис. 5).

Схема цикла Кребса

Рис. 4. Схема цикла Кребса

β-окисление ЖК

Рис. 5. β-окисление ЖК

В результате пируват и ЖК превращаются в ацетил-КоА, который далее окисляется в ЦТК до СO2 и NADH. Последний служит донором электронов, которые переносятся белками дыхательной цепи внутренней мембраны (NADH-дегидрогеназы комплексов I и II) на молекулу-переносчик убихинон. Кроме них, в этой мембране имеются АТФ-синтазный комплекс ферментов и транспортные белки, которые регулируют перенос метаболитов в матрикс и обратно. На ее внутренней поверхности имеются сферические компоненты — участки окислительного фосфорилирования, где образуется АТФ (рис. 6).

Схема структуры митохондрии

Рис. 6. Схема структуры митохондрии

При описании структуры митохондрий и перечислении их функций обращает внимание факт легкой проницаемости ферментов, которые синтезируются в цитоплазме, через наружную мембрану, межмембранное пространство и внутреннюю мембрану в матрикс. Это объясняется тем, что матриксные белки имеют специфический направляющий (топогенный) сигнал, который определяет место их назначения в матриксе. Кроме того, на наружной поверхности внутренней мембраны находятся рецепторные белки, узнающие этот сигнал.

Роль митохондрий в жизненном цикле организма человека чрезвычайно велика. В частности, они очень важны для антиоксидантной активности в клетках. По мнению В.П. Скулачева, именно эта активность определяет продолжительность жизни организма. Когда ферменты, нейтрализующие образуемые в процессе окислительного фосфорилирования перекиси, не справляются с ними, запускается программа самоуничтожения митохондрий — митоптоз. Начавшийся митоптоз запускает программу апоптоза — ускоренного процесса старения, приводящего организм к смерти. Напомним, что активность ферментов окислительного фосфорилирования (цитохромов, каталазы, пероксидазы, глутатионпероксидазы, тиоредоксинредуктазы и др.) зависит, во-первых, от присутствия ионов Mg, Си, Fe, Se, Zn, и, во-вторых, от наличия элементов, обеспечивающих нормальный метаболизм перечисленных металлов по принципу обратных связей.

Образование активных форм кислорода (АФК) является нормальным физиологическим процессом и происходит при обмене веществ сходным образом в митохондриальных и микросомных системах переноса электронов. Можно полагать, что их нейтрализация также базируется на одинаковых принципах и осуществляется сходными антиокислительными системами. По-видимому, в процессах нейтрализации АФК существенное значение имеют специфические микротельца — пероксисомы. Они богаты аэробными дегидрогеназами и каталазой. Функция этих ферментов — образование и разложение Н2O2. Составляя всего 1% объема клетки, пероксисомы организуют процесс разложения Н2O2 и тем самым обеспечивают антиперекисную защиту организма.

Антиокислительная система

Образование активных форм кислорода (АФК) в виде свободных радикалов (O2) и перекисей (H2O2) происходит в нескольких процессах метаболизма:

1) При переносе электронов в митохондриальной дыхательной цепи (ДЦ), в частности, при взаимодействии с O2 флавиновых коферментов ФМН и ФАД;

3) В реакциях микросомального окисления при обезвреживании веществ с участием цитохрома Р450;

4) В реакциях самопроизвольного (неферментативного) окисления гемоглобина, ферредоксинов, адреналина и др.;

5) В биологических системах с ионами переходных металлов и, прежде всего, внегемового железа (Halliwell, Gutteridge, 1984, Казимирко и др., 2004).

Механизм образования токсичных АФК прост. Молекула O2 является бирадикалом, так как содержит два неспаренных е. При неполном восстановлении молекулы O2 одним электроном образуется очень реакционноспособный супероксидный радикал *O2, который при дальнейшем восстановлении превращается в пероксид-анион *O22. Он легко связывает протоны с образованием H2O2. Присоединение третьего е расщепляет перекись на Н2O и О. Протонирование последнего аниона приводит к образованию высокореакционноспособного гидроксил-радикала *ОН, тогда как О2 в этом случае образует воду. Дальнейшее восстановление четвертым е заканчивается образованием Н2O.

Количественно процесс образования АФК характеризуется следующим: в митохондриях в АФК превращается 1-2% е, задействованных в ДЦ. Каждая клетка организма вырабатывает в сутки 1010 молекул супероксида (0,15 моля), в год это составляет 1,75 кг. В норме образовавшиеся АФК нейтрализуются ан-тиоксидантами и ферментами активной антиокислительной системы (АОС).

Антиоксиданты — это вещества, тормозящие интенсивность окислительных процессов. Механизм действия основан на их способности обрывать цепную реакцию окисления путем взаимодействия с образующимися активными радикалами или промежуточными соединениями, в частности, с гидропероксидами. Свойствами антиоксидантов обладают ароматические амины, фенолы и фенолсульфиды, фосфиты и ряд природных веществ (табл. 2). Они имеют подвижный атом водорода благодаря нестойкой связи с атомами углерода (С-Н) или серы (S-H) и нейтрализуют АФК путем обмена своего Н на кислород свободных радикалов. Образовавшиеся малоактивные радикалы самого антиоксиданта выводятся из организма.

Таблица 2. Антиоксиданты и ферменты антиокислительной системы

Антиоксиданты и ферменты антиокислительной системы

Таблица 2 (продолжение). Антиоксиданты и ферменты антиокислительной системы

Акцептор — Н2О2

Каталаза (хромопротеин)

Пероксидаза (гликопротеин)

Глутатионпероксидаза

Липидгидропероксид- глутатионпероксидаза

Активность отмечается почти во всех клетках. В пероксисомах составляет до 40% массы.

Активный центр содержит 4 гемовые группы

Содержится во всех клетках. Активный центр содержит протогем. Донорами е выступают аскорбат, хиноны, цитохром с и др.

Содержится в эритроцитах, клетках печени, хрусталике глаза. В пептидной цепи содержит Se-цистеин, входящий в активный центр фермента

Содержится в мембранах клеток крови, костного мозга, печени и др. В активном центре содержит Se

Скорость реакции ограничивается только скоростью диффузии гидроперекиси

Катализирует окисление полифенолов, различных аминов, ЖК и др. в присутствии Н2О2. Активность фермента определяют при диагностике лимфоцитоза, ретикулеза, саркомы, миеломы

Разрушает органические гидроперекиси. При дефиците селена и снижении активности фермента ускоряется гемолиз эритроцитов от липоперекисей

Разлагает гидроперекиси свободных ЖК, фосфолипидов и эстерифицированных ЖК, защищая гемоглобин и липиды мембран от окисления

Однако основную роль в защите организма от АФК играют металлсодержащие ферменты АОС, которые координированы ионами металлов переменной валентности, прежде всего Fe и Си. Можно добавить, что внеклеточные металлопротеины крови обладают заметными антиокислительными свойствами. Высокую супероксиддисмутазную активность имеет Сu-содержащий церулоплазмин. Гасят свободнорадикальные процессы также Fe-содержащие трансферрин, лактоферрин и ферритин.

Старение организма, стресс, различные заболевания (острые и хронические), ожоги, травмы, отравления, пьянство, курение и неблагоприятные факторы среды (УФ-облучение, радиация) ослабляют эту систему, что интенсифицирует свободнорадикальные процессы и запускает процесс апоптоза.

Добавим, что: а) активность свободнорадикального окисления регулируют также эстрогены. Они регулируют микросомальное окисление, поддерживая активность монооксигеназной системы. При патологических состояниях, которые сопровождаются усилением процессов свободнорадикального окисления, эстрогены противодействуют повреждению биомембран.

б) церулоплазмин (транспортное депо Си) — универсальный внеклеточный «гаситель» свободных радикалов. Он обладает супероксиддисмутазной активностью: восстанавливает в крови супероксидные радикалы до O2 и Н2O, защищая от повреждения липидные структуры мембран. Одной из важнейших функций церулоплазмина является нейтрализация свободных радикалов, которые выделяются макрофагами и нейтрофилами во время фагоцитоза и при интенсификации свободнорадикального окисления в очагах воспаления. Церулоплазмин окисляет серотонин, катехоламины, полиамины, полифенольт, Fe2+. Кроме того, церулоплазмин поставляет Си из печени к органам и тканям в составе ферментов цитохром-с-редуктазы и супероксиддисмутазы. Они служат факторами естественной защиты организма при воспалении и аллергических процессах, стрессовых состояниях, а также при повреждении тканей, в частности, при инфаркте и ишемии миокарда.

Медицинская бионеорганика. Г.К. Барашков

Похожие статьи
  • 20.07.2012 74441 44
    Типы химических связей

    Каждый атом обладает некоторым числом электронов. Вступая в химические реакции, атомы отдают, приобретают, либо обобществляют электроны, достигая наиболее устойчивой электронной конфигурации. Наиболее устойчивой оказывается конфигурация с наиболее низкой энергией (как в атомах благородных газов&...

    Бионеорганика
  • 21.07.2012 19404 16
    Ионные насосы

    Ионными насосами называют молекулярные механизмы, локализованные в мембране и способные транспортировать вещества за счет энергии, высвобождаемой при расщеплении АТФ, или любого другого вида энергии.

    Бионеорганика
  • 19.06.2012 17249 20
    1 группа (1А подгруппа) — щелочные металлы (главная группа)

    В нее входят Li, Na, К, Rb, Cs, Fr (табл. 1 и 2). По многим химическим свойствам несколько отличается от других щелочных металлов Li+, имеющий диагональное сходство с Mg2+.

    Бионеорганика
показать еще
 
Биотехнологии и биоматериалы