Обмен веществ

Дыхательный контроль

Скорость дыхания митохондрий  может контролироваться концентрацией ADP. Это объясняется тем, что окисление  и фосфорилирование жестко сопряжены. Энергия, необходимая клетке для совершения работы, поставляется за счет гидролиза АТР. Концентрация ADP при этом увеличивается; в результате создаются условия для ускорения дыхания, что и ведет к восполнению запасов АТР.

Ингибиторы цепи транспорта электронов и окислительного фосфорилирования Ингибиторы, блокирующие дыхательную цепь, действуют в определенных местах, препятствуя работе дыхательных ферментов. Ротенон блокируют перенос электронов на участке до цитохрома b, действуя предположительно на НАД(Ф)-H₂-дегидрогеназу. Антимицин А (антибиотик, продуцируемый Streptomyces) подавляет перенос электронов от цитохрома b к цитохрому c₁. Цианид, окись углерода и азид блокируют конечный этап переноса электронов от цитохромов a + a₃ на молекулярный кислород, ингибируя цитохромоксидазу. Если блокировать перенос электронов в электронтранспортной цепи определенными ингибиторами, то переносчики, находящиеся на участке от субстрата до места действия ингибитора, будут в восстановленной, а переносчики за местом действия ингибитора - в окисленной форме.

Энергетика цитратного цикла и общих путей катаболизма 

За один оборот цитратного цикла синтезируется 12 молекул АТР. Девять из них образуются за счет энергии транспорта в дыхательной цепи трех пар водорода от трех молекул NADH + H⁺. Две молекулы АТР синтезируются при окислении 1 молекулы FADH₂, так как в дыхательной цепи в данном случае действуют только два пункта сопряжения с окислительным фосфорилированием ADP. Кроме того, в цитратном цикле образуется 1 моль GTP (АТР).

Синтез ГТФ происходит в реакции, катализируемой сукцинатдегидрогеназой. В этой реакции донором энергии для синтеза макроэрга является молекула субстрата. Такой способ синтеза называется субстратным фосфорилированием.

Субстратное фосфорилирование в отличие от окислительного происходит без участия ЦПЭ и кислорода. Такой способ синтеза АТФ происходит и в некоторых других метаболических путях.

Затем ГТФ может трансформироваться в АТФ при действии нуклеозиддифосфаткиназы: ГТФ+АДФ « АТФ+ГДФ.

В общих путях катаболизма  синтезируется 15 молекул АТР. Три  из них при окислительном декарбоксилировании пирувата и 12 - в цитратном цикле.

РЕГУЛЯЦИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ОБМЕНА

Синтез АТР в клетке регулируется потребностью в энергии, что достигается согласованной регуляцией скоростей реакций ЦПЭ и ОПК.

Увеличение концентрации ADP ускоряет окисление NADH в ЦПЭ, что приводит к увеличению скорости реакций, катализируемых регуляторными НАД⁺ - зависимыми ферментами, и к увеличению скорости общего пути катаболизма в целом (рис. 9). Кроме этого, ADP аллостерически активирует регуляторные ферменты ОПК. Такая согласованная регуляция ЦПЭ и ОПК приводит к тому, что вместо использованных молекул АТР синтезируется адекватное количество новых; чем больше использовано АТР, тем больше его синтезируется.

Скорость ОПК регулируется на уровне 4 реакций, катализируемых:

пируватдегидрогеназным комплексом;

цитратсинтазой;

изоцитратдегидрогеназой;

a-кетоглутаратдегидрогеназным комплексом.

Регуляцию скорости ОПК осуществляя  сколько механизмов:

1. аллостерическая  регуляция - каждый регуляторный фермент имеет аллостерические эффекторы, концентрация кои изменяется в зависимости от состояния клетки;

2.увеличение активности  фермента при высоких концентрации субстрата (например, пируват наиболее эффективный активатор пируватгидрогеназного комплекса);

3.ингибирование  фермента продуктами peaкции: пируватдегидрогеназный комплекс инибируется ацетил-КоА и НАДН, цитратсинтаза -  цитратом;

4. фосфорилирование и дефосфорилирование ПДК (рис.9).

Наиболее сложна регуляция  ПДК. Реакция,  катализируемая ПДК, связывает  между co6oй такие метаболические пути, как гликолиз (распад глюкозы), глюконеогенез (синтез глюкозы), синтез жирных кислот, окисление жирных кислот и цикл Кребса. Можно сказать, что реакции, катализируемые ПДК, представляют собой большой биохимический перекресток.

Рис. 9. Регуляция пируватдегидрогеназного комплекса

В составе ПДК содержатся 2 регуляторные субъединицы: киназа и фосфатаза. Киназа фосфорилирует ПДК и переводит его в неактивную форму, фосфатаза отщепляет фосфорный остаток от ПДК и переводит его в активную форму. Киназа ПДК аллостерически активируется АТФ, НАДН и ацетил-КоА, а ингибируется пируватом, АДФ, НАД, HSKoA, Са²⁺ (рис.10).

Киназа ПДК аллостерически активируется НАДН, ацетил-КоА и АТФ, следовательно, при их накоплении прекращается дальнейшее превращение пирувата в ацетил-КоА. Такая ситуация создается, например, в печени при голодании: из жировых депо в печень поступают жирные кислоты, в митохондриях в результате специфического пути их катаболизма накапливается большое количество ацетил-КоА и НАДН. Пируват при этом не окисляется и может быть использован для синтеза глюкозы (глюконеогенеза).

Киназа ПДК аллостерически иигибируется пируватом, AДФ, HSKoA, Са²⁺. В абсорбционный период глюкоза поступает в клетки и распадается с образованием пирувата. Высокая концентрация пирувата действует на ПДК двумя способами:

• поддерживает ПДК в нефосфорилированной активной форме, так как это наиболее сильный ингибитор киназы ПДК;

• аллостерически активирует нефосфорилированную активную форму ПДК, действуя согласованно с другими активаторами - субстратами реакций - НАД⁺ и HSKoA. В результате создаются условия для образования ацетил-КоА из глюкозы. Ацетил-КоА может окисляться в ЦТК; в печени и жировой ткани часть ацетил-КоА используется для синтеза жирных кислот.

Регуляция ионами Ca²⁺ особенно важна в мышцах. Потенциал действия увеличивает концентрацию Ca²⁺ в митохондриях, что одновременно ингибирует киназу и активирует фосфатазу; это быстро переводит ПДК в активную нефосфорилированную форму. Одновременно Са²⁺ активирует регуляторные ферменты ЦТК, и ацетил-КоА быстро окисляется, обеспечивая синтез АТР для работы мышц.

Рис. 10

В адипоцитах инсулин, действуя через мембранные рецепторы, приводит к увеличению концентрации Ca²'¹' в митохондриях, что активирует фосфатазу ПДК и переводит его в активное нефосфорилированное состояние. В результате создаются условия для превращений: пируват ® ацетил-КоА ® жирные кислоты ® жиры, т.е. из продуктов распада глюкозы синтезируются жиры - основная форма запасания энергии в организме.

Регуляция ОПК  дает возможность переключать метаболические пути, например в абсорбционный период продукты катаболизма глюкозы в печени используются для синтеза жиров, окисление жирных кислот в печени при голодании делает  возможным использование пирувата для синтеза глюкозы.

Гипоэнергетические состояния

Гипоэнергетические состояния - это разнообразные по этиологии состояния, при которых снижается синтез АТФ.

Наиболее частые причины  гипоэнергетических состояний:

1.гипоксия, возникновение которой в свою очередь связано с нарушением:

· поступления кислорода в кровь, что наблюдается при недостаточности О₂ во вдыхаемом воздухе или нарушении легочной вентиляции;

· транспорта кислорода в ткани при нарушении кровообращения или снижении транспортной функции гемоглобина;

· функций митоходрий, вызванное действием ядов, разобщителей.

2.гиповитаминозы, так как  в реакциях общих путей катаболизма  и дыхательной цепи участвуют  коферменты, содержащие витамины.

3.голодание  (отсутствие  пищевых веществ - субстратов  окисления) также являетя причиной гипоэнергетического состояния. При длительном голодании уменьшается потребление кислорода тканями, так как снижена скорость реакций ЦТК.