Нарушения клеточного дыхания
В клетке часто может создаваться ситуация, когда реакции окислительного фосфорилирования идут с определенными вариациями. Эти вариации могут являться следствием нарушений в организме или физиологической реакцией на воздействие.
Содержание
Гипоэнергетические состояния
Причиной гипоэнергетических состояний может быть следующее:
- гиповитаминозы экзогенные и/или эндогенные — снижается скорость и эффективность окислительных реакций. Возникает обычно при нехватке витаминов — В1, В2, никотиновой кислоты, В6, пантотеновой кислоты и аскорбиновой кислоты;
- дефицит белка в пище — снижается синтез всех ферментов и ферментов катаболизма в частности;
- снижение потребления углеводов и липидов как основных источников энергии;
- дефицит кислорода — отсутствие акцептора для электронов вызывает «переполнение» дыхательных ферментов, повышение электрохимического градиента, накопление НАДН и ФАДН2 в клетке и прекращение катаболизма;
- дефицит железа — компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина, и меди — компонента цитохромоксидазы.
Разобщители окисления и фосфорилирования
Поскольку при окислительном фосфорилировании не вся энергия субстратов тратится на совершение работы, а существенная часть рассеивается в виде тепла, то особые клетки организма умеют изменять это соотношение с целью наработки тепла.
Изменение энергии электронов или ионов Н+= Совершение работы (выкачивание ионов Н+ синтез АТФ) + Выделение тепла
Такими клетками являются клетки бурой жировой ткани. В отличие от белой жировой ткани бурые жировые клетки содержат большое количество митохондрий, которые и придают клеткам буро-красный цвет. Во внутренней мембране митохондрий этих клеток имеется белок термогенин (до 15 % от всех белков митохондрий).
При охлаждении организма бурые адипоциты получают сигналы по симпатическим нервам, и в них активируется расщепление жира — липолиз. Окисление жиров приводит к получению большого количества НАДН и ФАДН2, активизации работы дыхательной цепи и возрастанию электрохимического градиента. Однако АТФ-синтазы в мембранах митохондрий этих клеток мало, зато много термогенина. Термогенин является «каналом» в внутренней мембране через который снаружи внутрь проходит основная часть ионов Н+ и снижается протонный градиент. Но АТФ при этом не синтезируется, несмотря на непрерывно возрастающий (по закону дыхательного контроля) катаболизм. Благодаря термогенину большая часть энергии ионов водорода рассеивается в виде тепла, подогревая протекающую через ткань кровь и обеспечивая поддержание температуры тела при охлаждении.
Вещества, которые снижают величину электрохимического градиента, приводя к увеличению скорости движения электронов по ферментам дыхательной цепи, уменьшению синтеза АТФ и возрастанию катаболизма называются разобщители. Они разобщают (разъединяют) процессы окисления и фосфорилирования внутренней мембраны митохондрий. К разобщителям в первую очередь относят «протонофоры» — вещества переносящие ионы водорода. При этом одновременно уменьшаются оба компонента электрохимического градиента — электрический и химический, и энергия градиента рассеивается в виде тепла. Следствием эффекта протонофоров является возрастание катаболизма жиров и углеводов в клетке и во всем организме.
Классическим протонофором является динитрофенол, жирорастворимое соединение, присоединяющие ионы водорода на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны и отдающие их на внутренней поверхности. Белок термогенин является физиологическим протонофором.
Кроме динитрофенола и термогенина протонофорами, к примеру, являются салицилаты, жирные кислоты и трийодтиронин.
Ингибиторы ферментов дыхательной цепи
Ряд веществ может ингибировать ферменты дыхательной цепи и блокировать движение электронов от НАДН и ФАДН2 на кислород. Они называются ингибиторы. В результате прекращается движение электронов, выкачивание ионов Н+ и работа АТФ-синтазы. Синтез АТФ отсутствует и клетка погибает. Выделяют три основных группы ингибиторов:
- действующие на I комплекс, например, амитал (производное барбитуровой кислоты), ротенон, прогестерон,
- действующие на III комплекс, например, экспериментальный антибиотик антимицин А,
- действующие на IV комплекс, например, сероводород (H2S), угарный газ (СО), цианиды (-CN).