Биологическая химия - часть 77

Обычно в тканях восстановленный НАДФ используется в пластическом

обмене, обеспечивая разнообразные синтетические процессы, так что равно-
весие трансгидрогеназной реакции сильно сдвинуто влево.

Эффективность окислительного фосфорилирования в митохондриях определяет-

ся как отношение величины образовавшегося АТФ к поглощенному кислороду:
АТФ/О или Р/О (коэффициент фосфорилирования). Экспериментально определяе-
мые значения Р/О, как правило, оказываются меньше 3. Это свидетельствует о том,

что процесс дыхания не полностью сопряжен с фосфорилированием. Действительно,
окислительное фосфорилирование в отличие от субстратного не является процессом,
в котором окисление жестко сопряжено с образованием макроэргов. Степень
сопряжения зависит главным образом от целостности митохондриальной мембра-
ны, сберегающей разность потенциалов, создаваемую транспортом электронов. По
этой причине соединения, обеспечивающие протонную проводимость (как 2,4-ди-
нитрофенол), являются разобщителями.

Несопряженное дыхание (свободное окисление) выполняет важные биологические

функции. Оно обеспечивает поддержание температуры тела на более высоком
уровне, чем температура окружающей среды. В процессе эволюции у гомойотерм-
ных животных и человека сформировались специальные ткани (бурый жир), функци-
ей которых является поддержание постоянной высокой температуры тела за счет
регулируемого разобщения окисления и фосфорилирования в митохондриальной
дыхательной цепи. Процесс разобщения контролируется гормонами.

В норме скорость митохондриального транспорта электронов регулируется

содержанием АДФ. Выполнение клеткой функций с затратой АТФ приводит
к накоплению АДФ, который в свою очередь активирует тканевое дыхание. Таким

образом, клеткам свойственно реагировать на интенсивность клеточного метабо-
лизма и поддерживать запасы АТФ на необходимом уровне. Это свойство называет-

ся дыхательным контролем.

За сутки человек потребляет около 550 л (24,75 моля) кислорода. Если считать,

что в тканевом дыхании за этот период восстанавливается 40 г атомов кислорода
(20 молей), а величину Р/О принять за 2,5, то в митохондриях должно синтезиро-
ваться 100 молей, или около 50 кг АТФ! При этом часть энергии окисления
субстратов расходуется на совершение полезной работы, не превращаясь в АТФ (см.
рис. 9.6).

Приведенные данные показывают, как важно организму поддержание процессов

жизнедеятельности.

Свободное окисление. Одна из задач свободного (несопряженного) окис-

ления – превращения природных или неприродных субстратов, называемых

в этом случае ксенобиотиками (ксено – несовместимый, биос – жизнь). Они
осуществляются ферментами диоксигеназами и монооксигеназами. Окисле-
ние протекает при участии специализированных цитохромов, локализован-
ных чаще всего в эндоплазматическом ретикулуме, поэтому иногда этот
процесс называют микросомальным окислением [Арчаков А.И., 1975].

В реакциях свободного окисления участвуют также кислород и восста-

новленные дыхательные переносчики (чаще всего НАДФН). Акцептором
электронов является цитохром Р-450 (иногда цитохром b

5

). Окисление

субстрата протекает по следующей схеме:

SH

 + O

2

 –>

 SOH.

(5)

Механизм действия оксигеназ включает изменение валентности входящих в их

состав ионов двухвалентных металлов (железа или меди). Диоксигеназы присоеди-
няют к субстрату молекулярный кислород, активируя его за счет электрона атома

313

железа в активном центре (железо при этом становится трехвалентным). Оксигена-

ция протекает как атака субстрата образующимся супероксид-анионом кислорода.

Одной из биологически важных реакций такого типа является превращение β-каро-

тина в витамин А. Монооксигеназы требуют участия в реакции НАДФН, атомы

водорода которого взаимодействуют с одним из атомов кислорода, поскольку

только один электрон связывается с субстратом. К широко распространенным

монооксигеназам относятся разнообразные гидроксилазы. Они принимают участие

в окислении аминокислот, оксикислот, полиизопреноидов.

В процессе свободного окисления вследствие особенностей используе-

мых цепей передачи электронов не происходит образования АТФ; биологи-

ческая роль этих процессов заключается в метаболизме ряда природных

и ксенобиотических субстратов. В последнем случае свободное окисление

выполняет важную функцию модификации чужеродных соединений. К по-

следним относятся лекарственные средства, гербициды, продукты загряз-

нения окружающей среды, в возрастающем количестве попадающие в орга-

низм с водой, пищей и атмосферным воздухом. Как правило, они имеют

гидрофобные свойства. Многие из них являются канцерогенными. Их

гидроксилирование в ходе свободного окисления облегчает последующую

деструкцию и выведение из организма (см. главу 12 и 13).

ГЕНЕРАЦИЯ СВОБОДНЫХ РАДИКАЛОВ В КЛЕТКЕ

Свободное окисление протекает при участии свободнорадикальных форм

кислорода, которые образуются в процессе одноэлектронного восстановле-

ния кислорода и прежде всего супероксид-аниона кислорода.

Обычно эти реакции своднорадикального окисления протекают в актив-

ном центре соответствующих ферментов, а промежуточные продукты не

появляются во внешней среде. При изменении условий функционирования

дыхательной цепи (например, при гипоксии) в ней также возможно одно-

электронное восстановление кислорода, объясняющееся тем, что его срод-

ство к убихинону выше, чем к цитохромоксидазе. Эти процессы приводят

к образованию супероксид-аниона кислорода. Этот радикал может образо-

вываться и под влиянием ультрафиолетовых лучей, а также путем взаимо-

действия кислорода с ионами металлов переменной валентности (чаще

всего с железом) или в ходе спонтанного окисления некоторых соединений,

например дофамина. Наконец, он может продуцироваться в клетках и таки-

ми ферментами, как ксантиноксидаза или НАДФН-оксидаза.

Образование супероксид-аниона кислорода имеет важное биологическое

значение. Он является высокореакционным соединением, которое вследст-

вие высокой гидрофильности не может покидать клетку и накапливается

в цитоплазме. Его превращения приводят к образованию ряда активных

окислителей (рис. 9.10). Он способен активировать NO-синтазу, которая

образует в тканях NO-радикал, обладающий свойствами вторичного по-

средника (активирует растворимую гуанилатциклазу, продукт которой –

цГМФ – проявляет вазодилататорные свойства). С другой стороны, супер-

оксид-анион способен снижать содержание NO-радикала, превращая его

в пероксинитрит ONOOH (см. рис. 9.10).

Живые клетки имеют системы защиты от повышенной продукции

свободных радикалов. Фермент супероксиддисмутаза превращает супер-

оксид-анион кислорода в менее реакционноспособный и более гидрофобный

пероксид водорода Н

2

О

2

. Пероксид водорода является субстратом ката-

лазы и глутатионзависимых пероксидаз, которые катализируют его превра-

314

Рис. 9.10. Взаимопревращения

свободных радикалов и их ос-

новные функции в тканях [Бол-

дырев А.А., 1996].

щение в молекулу воды. Однако пероксид водорода может генерировать

гидроксил-радикал в присутствии двухвалентного железа или превращаться

в гипохлорит-анион ОСl

–

 ферментом миелопероксидазой.

Как гипохлорит-анион, так и гидроксил-радикал являются сильными

окислителями. Они способны модифицировать белки, нуклеиновые кисло-

ты, индуцировать перекисное окисление липидов (от которого наиболее

сильно «страдают» полиненасыщенные мембранные липиды) и в результате

цепных реакций приводить к множественным нарушениям мембран и к ги-

бели клеток. Важным дополнением этих реакций является способность

NO-радикала при взаимодействии с супероксид-анионом образовывать

пероксинитрит, который может индуцировать так называемый апоптоз

(запрограммированная гибель клеток), а в ходе своего спонтанного распада

превращаться в гидроксил-радикал. Последний может образовываться

также из гипохлорит-аниона в присутствии ионов железа.

Процессы, протекающие до момента образования гипохлорит-аниона

или гидроксил-радикала, локализованы в цитоплазме и контролируются

цитоплазматическими ферментами или природными водорастворимыми

антиоксидантами. Например, таурин способен связывать гипохлорит-анион

в форме хлораминового комплекса, дипептид карнозин и его производные

нейтрализуют гидроксил-радикал, а такие соединения, как белок ферритин,

связывают железо. Перекисное окисление липидов, инициируемое в гидро-

фобном пространстве клеточных мембран, способен прерывать широко

известный гидрофобный антиоксидант α-токоферол (витамин Е). Его высо-

кая концентрация в биологических мембранах препятствует их поврежде-

нию свободными радикалами.

Полное подавление перекисных процессов в тканях, по-видимому, не-

целесообразно, свободные радикалы обладают полезными свойствами. Они

индуцируют апоптоз, участвуют в формировании клеточного иммунитета.

Образование гидроперекисей жирнокислотных цепей полиненасыщенных

фосфолипидов повреждает бислой и, стимулируя работу фосфолипаз, спо-

собствует высвобождению жирных кислот из состава мембранных липидов.

Полиненасыщенная арахидоновая кислота является обычной мишенью для

315

Миелопероксидаза

Н

2

О

2

Fe

2+

Fe

2+

NO-синтаза

О

2

NO

2

Вазодилатация

ONOOH

Апоптоз

Атака тиоловых

и аминогрупп,
окислительная

модификация
белков, липидов
и нуклеиновых
кислот, истоще-

ние антиокси-

дантного фонда

клеток

Смерть

нейронов

Высвобождение

арахидоновой
кислоты из

мембранного
фонда клеток,
образование
вторичных

мессенджеров

свободнорадикальной атаки. Этот процесс может стимулировать фермента-

тивные превращения ее по одному из двух путей – липоксигеназному или

циклооксигеназному. В результате в клетке образуются важные биологи-

ческие регуляторы: простагландины, лейкотриены, тромбоксаны. Лизофос-

фолипиды, образующиеся при отщеплении модифицированной жирной

кислоты, могут быть восстановлены до исходного состояния с использова-

нием другой жирной кислоты (в форме ацил-КоА). Таким образом может

регулироваться жирнокислотный состав липидных молекул в клеточной

мембране.

Высокореакционные свободные радикалы кислорода, характеризующие-

ся высоким окислительным потенциалом и способностью к быстрым

превращениям, могут индуцировать цепные реакции. В настоящее время

признается важная роль свободнорадикальных процессов в развитии воз-

растных и патологических состояний в тканях [Владимиров Ю.А. и др.,

1983]. Свободнорадикальные превращения вовлекаются в механизмы, по-

вышающие выживаемость клеток в неблагоприятных условиях, а снижение

генерации свободных радикалов в организме способствует ослаблению

клеточного иммунитета. Однако усиленная генерация свободных радикалов

сопровождает патологические состояния (болезнь Паркинсона, Альцгейме-

ра) и сам процесс биологического старения.

МЕМБРАННЫЕ МЕХАНИЗМЫ РЕГУЛЯЦИИ

МЕТАБОЛИЗМА

Биологические мембраны представляют собой динамическую структуру,

компоненты которой подвержены быстрому метаболизму. Благодаря это-

му липидное окружение мембранных белков обладает способностью в соот-

ветствии с изменением условий функционирования изменять свои физико-

химические свойства: упаковку, микровязкость, латеральную подвижность

компонентов в бислое и т.д. Подавляющее большинство мембранных

белков функционирует в составе олигомерных ансамблей, например в ды-

хательной цепи митохондрий. Транспортные белки также организуют

ассоциаты в бислое: димеры (Са

2+

-АТФаза), тетрамеры (Na

+

/K

+

-АТФаза)

или даже более высокоорганизованные надмолекулярные комплексы.

Примером таких комплексов являются сложные мембранные структу-

ры, включающие рецепторы и преобразователи сигналов, действие которых

начинается с восприятия внешнего импульса (первичного посредника) на

внешней стороне клеточной мембраны и завершается образованием вторич-

ного посредника на внутренней стороне мембраны. Рассмотрим передачу

и трансформацию сигнала от первичного посредника, роль которого, как

правило, выполняют разнообразные гормоны, не проникающие через кле-

точную мембрану (см. главу 8).

Первичный посредник взаимодействует с соответствующим рецептором,

что приводит к изменению конформации последнего и, как следствие,

к увеличению латеральной подвижности в мембране. Это повышает вероят-

ность взаимодействия активированного рецептора с преобразователем

(роль преобразователей выполняют специфические мембраносвязанные

белки, содержащие ГТФ в связанном состоянии,– G-белки, или ГТФ-связы-

вающие белки) [Авдонин П.В., Ткачук В.А., 1994].

G-белки – центральная часть регуляторного мембранного ансамбля,

представлены сложным олигомерным комплексом. Они относятся к гетеро-

тримерным протеолипидам, состоящим из α-, β- и γ-субъединиц. β-субъеди-

316