Энзимопатология. Понятие о первичных и вторичных энзимопатиях.

Энзимопатология – это частная медицинская энзимология, которая изучает молекулярные основы развития патологического процесса, вызванного нарушением механизмов регуляции активности или синтеза ферментов.

Энзимопатии – это группа заболеваний, которые вызваны различными дефектами ферментов. Энзимопатий делятся на: наследственные (первичные) и приобретенные (вторичные). Приобретенные энзимопатии делятся на алиментарные, токсические и вызванные различными патологическими состояниями организма, например нарушениями КОС, повышением температуры тела и т.д.

Причиной наследственных энзимопатий является генетически обусловленная недостаточность или полное отсутствие синтеза ферментов.

Аллиментарные энзимопатии – это стойкие нарушения активности ферментов, связанные с характером питания:

1. отсутствием или снижением в пище количества белка;

2. дефицитом в пище витаминов, макро- и микроэлементов, некоторых низкомолекулярных биологически активных веществ;

3. нарушением соотношения в пище белков, жиров и углеводов;

Токсические энзимопатии обусловлены избирательным угнетением активности или синтеза отдельных ферментов или неспецифическим угнетением биосинтеза белка в результате длительного воздействия токсических агентов. Токсическим агентами являются соли тяжелых металлов.

Основные этапы катаболизма пищевых веществ и образования субстратов  для биологического окисления. Общий путь катаболизма, его роль в метаболизме.

Катаболизм – процесс расщепления сложных молекул до более простых, идущий с выделением энергии.

Все катаболические процессы можно разделить на 3 этапа (фазы)

В I фазе происходит распад полимерных молекул на мономеры (белки до А/К и тд). Эта фаза локализуется в ЖКТ это так называемый распад экзогенных полимеров и распад эндогенных полимеров локализующихся в клетках т. е. распад резервных углеводов, липидов, обновление белков В этой фазе происходит резкое уменьшение числа соединений, которые затем вступают во II фазу катаболизма.

Во II фазе эти соединения подвергаются дальнейшему - расщеплению и на входе из этой фазы остается в основном 5 соединекий (Ацетил-КоА, (ЩУК, Пировинограт,) Оксалоацетат Фумарат, 2-оксоглуторкг, сукцинил-КоА). Благодаря окислительным процессам и другим процессам, на этой стадии выделяется 1/3 часть энергии заключенной в питательных веществах

В III фазе все 5 соединений вступают в Цикл Кребса, в котором они и расщепляются до конечных продуктов, а из Цикла Кребса выходят атомы водорода, которые проходя через цепь дыхательных ферментов соединяются с кислородом с образованием воды. Эта фаза носит исключительно окислительный характер В ней выделяется 2/3 энергии питат. вещ-в и аккумуляция энергии достигает 40% Смысл катаболических процессов состоит в том, что по мере углубления распада питательных веществ, количество промежуточных продуктов уменьшается.

Общий путь катаболизма – конечный путь окисления ацетильных групп в которые в процессе катаболизма превращается большинство органических молекул, играющих роль клеточного топлива. Он выполняет интегративную (объединяет катаболические пути углеводов, липидов и белков); амфиболическую (выполняет как катаболическую, та и анаболическую функции); энергетическую (синтез АТФ); водорододонорную (генератор Н⁺ для дыхательной цепи) функции.

Макроэргические вещества. АТФ как основное макроэргическое соединение клетки. Цикл АТФ-АДФ. Понятие о субстратном и окислительном фосфорилировании.

Макроэргические вещества – биологически активные соединения, накапливающие большое количество энергии, освобождение которой при расщеплении макроэргических связей обеспечивает энергетические нужды клетки. К ним относятся АТФ, ГТФ, ЦТФ, УТФ, креатинфосфат.

АТФ - молекула, богатая энергией, поскольку она содержит две фосфоангидридные связи (β, γ). При гидролизе концевой фосфоангидридной связи АТФ превращается в АДФ и ортофосфат. Цикл АТФ-АДФ - основной механизм обмена энергии в биологических системах.

Субстратное фосфорилирование - фосфорилирование АДФ и образование АТФ, сопряженное с дегидрированием и предварительным фосфорилированием субстрата при его окислении, протекающее в условиях кислородной недостаточности.

Окислительное фосфорилирование - фосфорилирование АДФ, сопряженное с переносом электронов от субстрата к кислороду и аккумуляцией освободившейся энергии в фосфатных связях АТФ.

Пируватдегидрогеназный комплекс: структура, функция, коферменты. Связь с обменом витаминов.  Превращение пирувата в АцКоА. Связь процесса с циклом Кребса и тканевым дыханием.

Пируватдегидрогеназный комплекс (ПДК) — комплекс трех ферментов, который осуществляет окислительное декарбоксилирование пирувата. Продуктами окисления являются Со₂, ацетил-КоА, НАДН.Н⁺.

Превращение состоит из 5-и последовательных реакций, осуществляется мультиферментным комплексом, прикрепленным к внутренней митохондриальной мембране со стороны матрикса. В составе комплекса насчитывают 3 фермента и 5 коферментов:

1) пируватдегидрогеназа, ее коферментом является тиаминдифосфат, катализирует 1-ю реакцию;

2) Дигидролипоат-ацетилтрансфераза, ее коферментом является липоевая кислота, катализирует 2-ю и 3-ю реакции;

3) Дегидролипоат-дегидрогеназа, ее кофермент – ФАД, катализирует 4-ю и 5-и реакции. Также принимают участие коэнзим А и НАД.

Суть первых 3-х реакций сводится к декарбоксилированию пирувата (катализируется пируватдегидрогеназой) окислению пирувата до ацетила и переносу ацетила на коэнзим А. Оставшиеся 2 реакции необходимы для возвращения липоевой кислоты и ФАД в окислительное состояние, при этом образуется НАДН

Цикл Кребса, как общий (универсальный) этап утилизации белков, жиров и углеводов и образования субстратов тканевого дыхания. Энергетический  баланс одного оборота. Регуляция ЦТК. Реакции взаимосвязи ЦТК с гликолизом и окислительным фосфорилированием.

Цикл Кребса — это ключевой этап дыхания всех клеток, использующих кислород, центр пересечения множества метаболических путей в организме. Кроме значительной энергетической роли циклу отводится также и существенная пластическая функция, то есть это важный источник молекул-предшественников, из которых в ходе других биохимических превращений синтезируются такие важные для жизнедеятельности клетки соединения как аминокислоты, углеводы, жирные кислоты и др.

Цикл: Пируват (Пируват дегидрогеназа)→ Ацетил-КоА + ЩУК (цитрат-синтаза)→ Цитрат (аконитат-гидратаза)↔ цис-Аконитат (аконитат-гидратаза)↔ Изоцитрат (изоцитратдегидрогеназа)→ α-Кетоглутарат (α-Кетоглутарат-дегидрогиназный комплекс)→ Сукцинил-КоА (сукцинил-КоА-синтетаза)→ Сукцинат (сукцинат-дегидрогеназа)→ Фумарат (фумараза)→ L-малат (малатдегидрогеназа)→ ЩУК (цитрат-синтаза)…

Таким образом, за один оборот цикла происходит полное окисление одной молекулы ацетил-КоА с образованием 12 молекул АТФ. Образуется 3 НАДН2, 1 ФАДН2 и ГТФ. Каждая молекула НАДН2 дает в системе тканевого дыхания 3 молекулы АТФ, ФАДН2 – 2 молекулы АТФ и ГТФ – 1 молекулу АТФ. 3*3АТФ + 2АТФ + 1АТФ = 12АТФ

Цикл Кребса регулируется «по механизму отрицательной обратной связи», при наличии большого количества субстратов (ацетил-КоА, оксалоацетат), цикл активно работает, а при избытке продуктов реакции (NADH, ATP) тормозится. Регуляция осуществляется и при помощи гормонов, основным источником ацетил-КоА является глюкоза, поэтому гормоны, способствующие аэробному распаду глюкозы, способствуют работе цикла Кребса. Такими гормонами являются: инсулин и адреналин. Глюкагон стимулирует синтез глюкозы и ингибирует реакции цикла Кребса.

Посредством аэробного гликолиза глюкоза распадается до пирувата, который включается в ЦТК. В цикле путем окислительного фосфорилирования синтезируется 1 ГТФ, а затем из него синтезируется АТФ посредствам трансфосфорилирования: ГТФ + АДФ = АТФ + ГДФ.

Состав, структура ферментативных комплексов и других компонентов дыхательной цепи, их локализация и функции во внутренней мембране митохондрий. Роль кислорода. Каскадные изменения свободной энергии при переносе электронов по дыхательной цепи.

Цепь переноса электронов позволяет запасти энергию, выделяющуюся в ходе окисления НАД∙Н и ФАДН2 молекулярным кислородом в форме трансмембранного протонного потенциала за счёт последовательного переноса электрона по цепи, сопряжённого с перекачкой протонов через мембрану. Протонный потенциал преобразуется АТФ-синтазой в энергию химических связей АТФ. Сопряжённая работа ЭТЦ и АТФ-синтазы носит название окислительного фосфорилирования.

Комплекс I (НАДН дегидрогеназа) окисляет НАД-Н, отбирая у него два электрона и перенося их на растворимый в липидах убихинон, который внутри мембраны диффундирует к комплексу III. Вместе с этим, комплекс I перекачивает 4 протона из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.

Комплекс II (Сукцинат дегидрогеназа) не перекачивает протоны, но обеспечивает вход в цепь дополнительных электронов за счёт окисления сукцината.

Комплекс III (Цитохром bc1 комплекс) переносит электроны с убихинона на два водорастворимых цитохрома с, расположенных на внутренней мембране митохондрии. Убихинон передаёт 2 электрона, а цитохромы за один цикл переносят по одному электрону. При этом туда также переходят 2 протона убихинона и перекачиваются комплексом.

Комплекс IV (Цитохром c оксидаза) катализирует перенос 4 электронов с 4 молекул цитохрома на O2 и перекачивает при этом 4 протона в межмембранное пространство. Комплекс состоит из цитохромов a и a3, которые, помимо гема, содержат ионы меди.

Кислород, поступающий в митохондрии из крови, связывается с атомом железа в геме цитохрома a3 в форме молекулы O2. Каждый из атомов кислорода присоединяет по два электрона и два протона и превращается в молекулу воды.

Механизм сопряжения окисления и фосфорилирования. Коэффициент Р/0. Хемиосмотическая теория Митчелла. Дыхательный контроль как основной механизм регуляции сопряжения окисления и фосфорилирования.

1.Протонный градиент и электрохимический потенциал. Перенос электронов по дыхательной цепи от NADH к кислороду сопровождается выкачиванием протонов из матрикса митохондрий через внутреннюю мембрану в межмембранное пространство. На эту работу затрачивается часть энергии электронов, переносимых по ЦПЭ. Протоны, перенесённые из матрикса в межмембранное пространство, не могут вернуться обратно в матрикс, так как внутренняя мембрана непроницаема для протонов. Таким образом, создаётся протонный градиент, при котором концентрация протонов в межмембранном пространстве больше, а рН меньше, чем в матриксе. Кроме того, каждый протон несёт положительный заряд, и вследствие этого появляется разность потенциалов по обе стороны мембраны: отрицательный заряд на внутренней стороне и положительный - на внешней. В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют электрохимический потенциал ΔμН+ - источник энергии для синтеза АТФ. Так как наиболее активный транспорт протонов в межмембранное пространство, необходимый для образования ΔμН+, происходит на участках ЦПЭ, соответствующих расположению комплексов I, III и IV, эти участки называют пунктами сопряжения дыхания и фосфорилирования. KoQ переносит электроны от комплекса I к комплексу III и протоны из матрикса в межмембранное пространство, совершая своеобразные циклические превращения, называемые Q-циклами. Донором электронов для комплекса III служит восстановленный убихинон (QH2), а акцептором - цитохром с. Цитохром с находится с внешней стороны внутренней мембраны митохондрий; там же располагается активный центр цитохрома с1 с которого электроны переносятся на цитохром с. Сопряжение переноса электронов через дыхательный комплекс III с транспортом Н+ через мембрану. Восстановленный убихинон (QH2) взаимодействует с Fе3+ гема b1 и, восстанавливая его, освобождает протон в водную фазу, превращаясь в семихинон (НQ•). Электрон от тема b1 переносится на Fe3+ тема b2. HQ• отдаёт второй электрон на FeS-центр, расположенный ближе к наружной поверхности мембраны; при этом второй протон оказывается в межмембранном пространстве; электрон передаётся на цитохром с1, а далее на цитохром с. Окисленный Q диффундирует к внутренней стороне мембраны, где получает электрон от тема b2 и протон из матрикса, превращаясь в НQ•. НQ• получает электрон от комплекса I и протон из матрикса; в мембране образуется QН2, и весь процесс повторяется сначала. В мембране существует стационарный общий фонд Q/QH2, из которого каждая молекула QH2 в одном цикле обеспечивает перенос протонов из матрикса в межмембранное пространство и электронов, которые в конечном итоге поступают на кислород. На работу, совершаемую при выкачивании протонов, расходуется часть свободной энергии, которая освобождается при переносе электронов по градиенту редокс-потенциала. Энергия электрохимического потенциала (∆μH+) используется для синтеза АТФ, если протоны возвращаются в матрикс через ионные каналы АТФ-синтазы. 2. Строение АТФ-синтазы и синтез АТФ. АТФ-синтаза (Н+-АТФ-аза) - интегральный белок внутренней мембраны митохондрий. Он расположен в непосредственной близости к дыхательной цепи. АТФ-синтаза состоит из 2 белковых комплексов, обозначаемых как F0 и F1. Гидрофобный комплекс F0 погружён в мембрану. Он служит основанием, которое фиксирует АТФ-синтазу в мембране. Комплекс F0 состоит из нескольких субъединиц, образующих канал, по которому протоны переносятся в матрикс. Комплекс F1 выступает в митоховдриальный матрикс. Он состоит из 9 субъединиц (Зα, 3β, γ, ε, δ). Субъединицы аир уложены попарно, образуя "головку"; между α- и β-субъединицами располагаются 3 активных центра, в которых происходит синтез АТФ; γ-, ε-, δ- субъединицы связывают комплекс F1 с F0. Повышение концентрации протонов в межмембранном пространстве активирует АТФ-синтазу. Электрохимический потенциал ΔμH+ заставляет протоны двигаться по каналу АТФ-синтазы в матрикс. Параллельно под действием ΔμH+ происходят конформационные изменения в парах α, β-субъединиц белка F1, в результате чего из АДФ и неорганического фосфата образуется АТФ. Электрохимический потенциал, генерируемый в каждом из 3 пунктов сопряжения в ЦПЭ, используют для синтеза одной молекулы АТФ. 3.Коэффициент окислительного фосфорилирования. Окисление молекулы NADH в ЦПЭ сопровождается образованием 3 молекул АТФ; электроны от FAD-зависимых дегидрогеназ поступают в ЦПЭ на KoQ, минуя первый пункт сопряжения. Поэтому образуются только 2 молекулы АТФ. Отношение количества фосфорной кислоты (Р), использованной на фосфорилирование АДФ, к атому кислорода (О), поглощённого в процессе дыхания, называют коэффициентом окислительного фосфорилирования и обозначают Р/О. Следовательно, для NADH Р/О = 3, для сукцината Р/О - 2. Эти величины отражают теоретический максимум синтеза АТФ, фактически эта величина меньше. 4.Дыхательный контроль. Окисление субстратов и фосфорилирование АДФ в митохондриях прочно сопряжены. Скорость использования АТФ регулирует скорость потока электронов в ЦПЭ. Если АТФ не используется и его концентрация в клетках возрастает, то прекращается и поток электронов к кислороду. С другой стороны, расход АТФ и превращение его в АДФ увеличивает окисление субстратов и поглощение кислорода. Зависимость интенсивности дыхания митохондрий от концентрации АДФ называют дыхательным контролем. Механизм дыхательного контроля характеризуется высокой точностью и имеет важное значение, так как в результате его действия скорость синтеза АТФ соответствует потребностям клетки в энергии. Запасов АТФ в клетке не существует. Относительные концентрации АТФ/АДФ в тканях изменяются в узких пределах, в то время как потребление энергии клеткой, т.е. частота оборотов цикла АТФ и АДФ, может меняться в десятки раз.

 Общее содержание АТФ в организме 30-50 г, но каждая молекула АТФ в клетке "живёт" меньше минуты. В сутки у человека синтезируется 40-60 кг АТФ и столько же распадается. Увеличение концентрации АДФ немедленно приводит к ускорению дыхания и фосфорилирования.