Недостаток субстратов окисления (углеводов, липидов, т.е. пищи)
Нарушение работы ферментов дыхательной цепи:
* дефект апофермента
* дефект кофермента (нарушение синтеза кофермента, недостаток витаминов В2,В5, К).
* недостаток кислорода
* действие ингибиторов
Аминобарбитал ингибирует перенос протонов и электронов на участки НАД/ФАД.
Антимицин - на участке цитохров в / ЦС
Цианиды - на участке цитохром А/ А3 / в кислород.
Другим процессом дающим организму энергию является субстратное фосфорилирование.
Субстратное фосфорилирование - это процесс образования макроэнергетических соединений за счет макроэргических связей субстрата.
При большинстве физиологических состояний перенос электронов тесно сопряжен с окислительным фосфорилированием.
Ряд соединений может вызвать разобщение биологического окисления и окислительного фосфорилирования.
Разобщителями являются следующие соединения:
* 2,4 - динитрофенол, гормон щитовидной железы - тироксин,
* дикумарин и его производные,
* жирные кислоты.
Действие разобщителей приводит к нарушению синтеза АТФ.
Разобщение окислительного фосфорилирования может быть биологически полезным. Оно представляет собой генерирование тепла для поддержания температуры тела у зимнеспящих животных и млекопитающих, адаптированных к холоду. В качестве разобщителя выступают жирные кислоты, которые накапливаются в бурой жировой ткани. Такой бурый жир есть и у новорожденных детей, что позволяет поддерживать температуру тела при еще не сформированной системе терморегуляции.
У больных гиперфункцией щитовидной железы повышается температура тела, что обусловлено разобщением пролцессов тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования, вызванное тироксином
Когда же окисляется субстрат под действием флавинзависимой егидрогеназы, на каждую пару электронов, переносимых на кислород бразуется только две молекулы АТФ. Обьясняется это тем, что пара лектронов, отщепляемая от субстрата поступает в дыхательную цепь, минуя участок.
В результате образования трех молекул АТФ запасаектся большая асть свободной энергии выделяющаяся при переносе электронов.
Дыхательная цепь состоит из большого числа переносчиков ипредставляет собой как бы каскад, при помощи которого клетка олучает свободную энергию, извлекаемую из клеточного топлива, в расфасованном" и, следовательно, удобном для использовании виде.
Каскадное образование энергии в клетке предохраняет ее от перегрева.
Одним из важнейших вопросов биохимии является вопрос о том: каким же образом цепь переноса электронов взаимодействует сокислительный фосфорилированием.
Окислительное фосфорилирование - это процесс ресинтеза АТФ из АДФ и Фн.
Постулированно при возможных механизмах передачи энергии от процесса переноса электронов процессу синтеза АТФ.
Гипотеза химического сопряжения предполагает, что перенос электронов сопряжен с синтезом АТФ, через определенную последовательность реакций. В ходе этих реакций некий высокоэнергетический ковалентный промежуточный продукт, образовавшийся в результате переноса электронов, расщепляется и отдает содержащеюся в нем энергию на образование АТФ.
Гипотеза конфармационного сопряжения предполагает, что перенос электронов по дыхательной цепи вызывает конформационные изменения в белковых компонентах внутренней митохондриальной мембраны и тем самым переводит их высокоэнергитическую форму. Конфармационные изменения передаются АТФ-азе и возвращение АТФ-азы к обычной конформации, высвобождает запасенную в ней энергию, которая используется для синтеза АТФ.
В настоящее время наиболее признанной гипотезой, объясняющей синтез АТФ, является хемиосмотическая гипотеза.
Хемиосмотическая гипотеза сформулированна английским биохимиком Питером Митчеллом.
Согласно этой гипотезе, цепь переноса электронов можно представить себе как насос, перекачивающий ионы Н+. Энергия, высвобождаемая при переносе электронов, используется для перемещения ионов Н+ из митохондриального матрикса наружу, что приводит к возникновению электрохимического Н+ градиента с более высокой концентрацией ионов Н+ в наружной водной фазе. Этот же процесс ведет к появлению трансмембранного электрического потенциала - наружная сторона мембраны оказывается электроположительной. Ионы Н+ из окружающей Среды вновь устремляются внутрь, т.е. в митохондриальный матрикс, на этот раз по электрохимическому градиенту. Этот переход ионов Н+ из зоны с более высокой в зону с более низкой их концентрацией сопровождается выделением свободной энергии, за счет которой синтезируется АТФ.
 |
внутренняя мембрана
окружающая
среда Матрикс
субстрат
+ -
+ цепь переноса электронов
-
Н+ Н+
+ -
-
+ О2 АДФ +ф
Н+ Н+
+ - АТФ
+ -
АТФ-аза
Электрохимический Н+ градиет с более высокой концентрацией Н+ на наружной мембране.
Трансмембранный электрический потенциал - наружная мембрана заряжена положительно, а внутренняя - отрицательно.
Ионы Н+ из окружающей среды по электрохимическому градиенту идут внутрь митохондрии и этот процесс сопровождается выделением свободной энергии, которая идет на синтез АТФ.
При большинстве физиологических состояний процесс переноса электронов тесно сопряжен с фосфорилированием.
Это сопряжение между переносом электронов и окислительным фосфорилированием нарушается под действием разобщающих агентов:
* 2,4 - динитрофенол, гормон щитовидной железы - тироксин,
* дикумарин и его производные,
* жирные кислоты.
Одно время пытались использовать некоторые разобщающие агенты для борь бы с ожирением за счет понижения эффективности синтеза АТФ. Оказалось, однако, что эти вещества крайне токсичны и от их применения пришлось отказаться.
Существуют еще соединения, получившие название ионофоров, т.е. переносчиков ионов, которые способны связывать определенные ионы и переносить их через мембрану. К ионофорам относятся: токсичный антибиотик валиномицин и грамицидин, которые подавляют окислительное фосфорилирование, увеличивая проницаемость мембраны для ионов Н+, К+ или Na+.
Разобщение окислительного фосфорилирования может быть биологически полезным. Оно представляет собой генерирование тепла для поддержания температуры тела у зимнеспящих животных и млекопитающих, адаптированных к холоду. В качестве разобщителя выступают жирные кислоты, которые накапливаются в бурой жировой ткани. Такой бурый жир есть и у новорожденных детей, что позволяет поддерживать температуру тела при еще не сформированной системе терморегуляции.
На основании рассмотренного материала попробуем ответить на 2 вопроса:
Может ли тканевое дыхание не сопровождаться окислительным фосфорилированием?
Может ли окислительное фосфорилирование протекать без тканевого дыхания?
Тканевое дыхание может протекать без окислительного фосфорилирования и тогда энергия, выделяемая в процессе переноса протонов и электронов, переходит в тепло.
Окислительное фосфорилирование не может протекать без переноса протонов и электронов.
Если дыхание не сопряжено с фосфорилированием, то тогда идет свободное окисление.
Наряду с окислительным фосфорилированием существует субстратное фосфорилирование. Образование нуклеозидтрифосфата происходит за счет высокоэнергетической связи субстрата.
Дыхательный коэффициент - соотношение Р/О. При переносе пары электронов от субстрата на кислород поглощается не один атом неорганического фосфата, а примерно 3, т.е. коэфициент Р/О = 3