Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования. Нарушения энергетического обмена

Реферат

Разобщение тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования является одним из важнейший процессов в организме, направленный на поддержание температуры тела (термогенез).

Однако процессы разобщения могут быть и следствием патологических процессов в организме. В данном реферате, хотелось бы рассмотреть основные понятия и механизмы.

1. Тканевое дыхание

Тканевое дыхание — это процесс улавливания клеткой энергии в виде АТФ при протекании контролируемого соединения кислорода с водородов с образованием воды.

Причем, из курса школьной химии известно, что прямое взаимодействие кислорода и водорода приводит к огромному выделению энергии и последующему громкому хлопку. Смесь водорода и кислорода или воздуха называется гремучим газом. Гремучий газ способен к детонации при этом действии взрыв, набирает чувствительную мощность.

Тканевое дыхание проходит в митохондриях — важнейшей структуры любой клетки. Механизм тканевого дыхания описывается дыхательной цепью.

Дыхательная цепь -это последовательная реакция происходящая в митохондриях, с целью переноса атомов водорода или электронов в виде восстановленных эквивалентов от субстрата к молекулярному кислороду воздуха по средствам промежуточных стадий.

Тканевое дыхание делится на полную и неполную( или укороченную).

Такая неоднородность цепи объясняется нехваткой запасенной энергии в макросвязях некоторых субстратов ( субстраты первого типа).

К ним относятся углеводородные субстраты, к примеру — сукцинат.

Участниками цепи являются:

1. НАД-зависимые дегидрогеназы (полная цепь)

2. ФМН-зависимые дегидрогеназы

3. Убихинон

4. Цитохромы (B,C,C1, комплекс AA3)

5. ФАД-зависимые дегидрогеназы ( неполная цепь)

Как уже говорилось, местом проведения реакции является — митохондрия.

Вкратце, процесс дыхательной цепи можно представить в виде схемы:

2. Окислительное фосфорилирование

Окислительное фосфорилирование — это синтез АТФ и Аденозиндифосфата и неорганического фосфата, осуществляющийся в живых клетках, благодаря энергии, выделяющейся при коислении органических веществ в процессе клеточного дыхания.

В общем виде окислительное фосфорилирование и его место в обмене веществ можно представить схемой:

7 стр., 3144 слов

Получение энергии – основная причина загрязнения среды

... рассматривается в качестве самого предпочтительного промежуточного вида энергии, универсального (легко преобразуется в любых количествах в тепло, свет, механическую энергию и т.п.), передаваемого на значительном ... внешнее воздействие энергетики проявляются еще и в том , что из пользования изымаются большие площади земель , особенно при сооружении гидроэлектростанций . В реферате рассмотрены основные ...

Окислительное фосфорилирование было отрыто в начале 30-х годов В.А. Энгельгардом

Механизм объяснения происходящих процессов выдвинули в трех направлениях:

1. Гипотеза сопряжения

  • Согласно гипотезе в сопряжении дыхания и фосфорилирования участвуют специальные сопрягающие вещества.
  • Эти вещества принимают протон и электрон от первого дыхательного фермента и взаимодействует с фосфатом.

— При отдаче протона и электрона второму ферменту дыхательной цепи макроэргическая связь между переносчиком и неорганическим фосфатом становится макроэргической. В последствии из этой связи получают АТФ. Однако, до настоящего времени переносчик не найден.

2. Механо-химическая гипотеза

По этой гипотезе в процессе переноса электронов меняется конформация белков и ферментов (участвующих в самом переносе).

В результате новая конформация получает много энергии, а при отдаче электрона ,, выбрасывает” энергию, которая используется для синтеза АТФ.

3. Теория Митчела ( за которую Питеру Дэнису дали Нобелевскую премию по химии( 1978))

  • Внутренняя мембрана митохондрий обладает низкой проницаемостью для протонов и гидроксид ионов.
  • В ходе дыхания, протоны скапливаются в ММП ( возникает ЭХП)
  • Протоны возвращаются в матрикс через специальный канал — АТФ-синтетазы в момент электро-химического потенциала).

Схематично этот процесс можно изобразить так:

Рис. Разобщители тканевого дыхания и окислительного фосфорилирования

На вышепредложенной схеме указан механизм действия разобщителя.

Функция разобщителя — это нарушения дыхательного контроля и стимуляцию гидролиза АТФ в митохондриях.

3. Разобщение

Дыхательный контроль является важной составляющей нашей жизни, однако, в моменты угрозы для жизни, организм вынужден прервать столь важные для жизни процессы и сосредоточиться на выживании. В биохимическом смысле это называется — Разобщением. Однако, это не единственная причина разобщения. Разобщение может появиться и при патологии в организме на уровне клетки. Еще одним из внешний воздействий активирующее разобщение являются лекарственные средства.

Разобщение — это механизм, препятствующий образованию АТФ из АДФ, путем растраты энергии макроэргических связей на образование теплоты.

То есть, на механизм разобщения влияют внешние факторы, такие как:

1. Экстремальные условия (температура, радиация).

2. Патологии в организме.

3. Лекарственные средства.

4. Яды ( рассмотрятся вместе с лекарственными веществами. )

5. Естественные разобщители

4. Механизм разобщения

Сопряжение в дыхательной цепи — это такое состояние, когда окисление (перенос электронов) сопровождается фосфорилированием, то есть синтезом АТФ. Разобщение — это такое состояние дыхательной цепи, когда окисление идет, а фосфорилирование не происходит, то есть пункты фосфорилирования выключены полностью или частично. В этом случае вся или какая-то часть образующейся энергии выделяется в виде тепла. Разобщение в дыхательной цепи могут вызывать липофиль-ные вещества, которые способны переносить протоны водорода с внешней стороны внутренней мембраны митохондрий на внутреннюю, минуя АТФ-синтетазу. В результате вся энергия мембранного потенциала будет рассеиваться в виде тепла. Разобщение вызывают: 2,4-ДНФ (динитрофенол), многие яды промышленных производств, бактериальные токсины, набухание митохондрий, жирные кислоты, ионофоры (вещества, переносящие ионы через мембрану).

4 стр., 1804 слов

Защитные механизмы по З. Фрейду

... психологических защитных механизмов в концепции Зигмунда Фрейда. 1. Понятие психологической защиты в концепции З.Фрейда. Впервые З.Фрейд обратился к понятию психологической защиты в работе «Нейропсихология защиты» ... Энергия раздражения, постоянно находящаяся наготове, поддерживает симптомы, причем они при посредстве механизма ... в гипнозе была определяющей по отношению к теоретическим построениям, ...

Разобщители повышаю скорость переноса электронов по дыхательной цепи и выводят ее из под контроля АТФ.

Примером может служить процесс разобщения Динитрофенолом

пирогенное действие

бурый жир

5. Классификация разобщителя

Естественные — продукты перекисного окисления липидов, жирных кислот с длинной цепью, большие дозы тиреоидных гормонов.

Искусственные

Примером естественных разобщителей можно считать — термогенин.

Белок кодируется геномом ядра клетки. Размер белка у животных и человека около 33 кДа. Состоит из 305—306 аминокислот. Состоит из трех трансмембранных доменов.

Примеров искусственных разобщителей «протонофоры» –и «Ионофоры».

6. Протонофоры

Это вещества переносящие ионы водорода. При этом одновременно уменьшаются оба компонента электрохимического градиента – электрический и химический, и энергия градиента рассеивается в виде тепла. Следствием эффекта является возрастание катаболизма жиров и углеводов в клетке и во всем организме.

Примеры протоноформ: свободные жирные кислоты, гормоны щитовидной железы, салицилаты, дикумарол, 2,4-динитрофенол

Структура динитрофенола

7. Ионофоры

Это соединения способны встраиваться в мембрану, образуя канал, по которому могут перемещаться протоны и другие одновалентные катионы — Na+ или K+. В результате снимается протонный потенциал и нарушается синтез АТФ.

Примеры ионофоров: валиномицин, нигерицин, грамицидин

Структура валиномицина

8. Причины разобщения

8.1 Экстремальные условия

На синтез молекул АТФ расходуется примерно 40-45% всей энергии электронов, переносимых по ЦПЭ, приблизительно 25% тратится на работу по переносу веществ через мембрану. Остальная часть энергии рассеивается в виде теплоты и используется теплокровными животными на поддержание температуры тела. Кроме того, дополнительное образование теплоты может происходить при разобщении дыхания и фосфорилирования. Разобщение окислительного фосфорилирования может быть биологически полезным. Оно позволяет генерировать тепло для поддержания температуры тела у новорождённых, у зимнес-пящих животных и у всех млекопитающих в процессе адаптации к холоду. У новорождённых, а также зимнеспящих животных существует особая ткань, специализирующаяся на теплопродукции посредством разобщения дыхания и фосфорилирования — бурый жир.

Переохлаждение

При переохлаждении организм человека активирует естественные раздражители, результатом этого является увеличение температуры, в ущерб образования АТФ, которое значительно тормозится.

Белок, участвующий в этом процессе — динитрофенол.

Однако, в наше время существует диеты, основанные на разобщении окислительного фосфорилирования, что крайне плохо отражается на здоровье.

25 стр., 12060 слов

016_Человек. Его строение. Тонкий Мир

... трудно и несовместимо с земными условиями. Тело человека – это не человек, а только проводник его духа, футляр, в ... весьма интересные и поучительные впечатления. Главное существование (человека) – ночью. Обычный человек без сна в обычных условиях может прожить ... неясности и туманности… Инструментом познавания становится сам человек, и от усовершенствования его аппарата, как физического, так ...

До 1938 года динитрофинол применялся как официальное медицинское средство для снижения веса, однако был запрещен по причине развития серьезных побочных эффектов (повреждения кожи, катаракта, отит и др.).

Сейчас снова начинает набирать популярность благодаря китайскому производителю. Продается как гербицид или регулятор роста растений.

Очищенный динитрофенол представляет собой кристаллы желтоватого цвета сладковатые на вкус.

Радиация

Опытных исследований на людях не проводились. Однако, показано, что на 60-е сутки после однократного внешнего г- облучения крыс-самцов в дозах 0,5 и 1,0 Гр изменяется активности митохондриальной дыхательной цепи, обнаруживаются разобщение окислительного фосфорилирования и изменение энергетического метаболизма в ткани семенников.

Вывод исследования:

8.2 Патологии

Примером может служить наблюдения процесс разобщения при:

1. Совмещение сахарного диабета и инфаркта Миокарда .

Смысл патологии заключается в том, что при нормальной жизнедеятельности, но с этими заболеваниями обнаруживается накоплении активной формы кислорода, которая является угрозой в митохондриях кардимоицитов. В качестве защиты, организм «сознательно» включает процессы разобщения, для предотвращения разрушения как митохондрий, так и структур клетки.

Вывод исследования:

2. Сбой работы поджелудочной железы

?Избыточная секреция инсулина гиперин-сулинизм. При некоторых видахзлокачественных опухолей поджелудочной железы происходит избыточный синтез инсулина В-клетками. У больных при этом наблюдаются следующие симптомы дрожь, слабость и утомляемость, потливость и постоянное чувство голода. Если болезнь затягивается, может происходить нарушение мозговой деятельности.

3. Тренировки

Частичное разобщение окисления и фосфорилирования наблюдается при мышечной работе высокой интенсивности или в начале работы любой интенсивности (например, при разминке), когда происходит набухание ми 4. Заболевании миастении.

1. Заболевание

Миастения — это аутоиммунное нервно-мышечное заболевание, характеризующееся патологической, быстрой утомляемостью поперечно-полосатых мышц.

Вывод: в организме, по-видимому, происходит именно разобщение, т. е. окисление веществ продолжается нормально, в то время как выделяющаяся энергия уже не запасается в молекулах АТФ и, следовательно, мышечная система организма лишается возможности производить работу.

8.3 Лекарственные средства и яды

Яд 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:

1. действующие на I комплекс, например, амитал (производное барбитуровой кислоты), ротенон, прогестерон,

2. действующие на III комплекс, например, экспериментальный антибиотик антимицин А,

3. действующие на IV комплекс, например, сероводород (H2S), угарный газ (СО), цианиды (-CN).

11 стр., 5212 слов

Реферат по гистологии нервная ткань

... по собственной мембране; передача возбуждения следующему элементу. Характеристика нервной ткани определена именно ее физиологическими особенностями – способностью к возбуждению и проведению . Гистология ... способности, как возбудимость и проводимость, которые предопределяют значение нервной ткани в организме человека. Глиальные элементы, являющиеся основой для жизнедеятельности нейронов, имеют ...

Действие различных ядов часто сводится к нарушению работы той цепи, так например, окись углерода и синильная кислота действуют на участок цепи между цитохромом и кислородом и прекращают нормальное функционирование цепи, арсениты, а также соли кадмия подавляют фосфорилирование в последней точке цепи, ряд веществ разобщают процессы окисления и фосфорилирования (нитрофенолы,

8.4 Естественные разобщители

Находятся в организме под контролем и функционируют в определенных структурах. В качестве примера можно привести бурый жир.

Бурый жир

Бурая жировая ткань выполняет функцию выделения тепла, она согревает организм. Именно поэтому ее много у животных, которые зимой впадают в спячку. Когда животное зимой спит, оно не двигается, и выделение тепла за счет сокращения мышц практически выключается. Температура тела у них поддерживается за счет бурой жировой ткани. У взрослого человека бурой жировой ткани очень немного. У новорожденных ее значительно больше, но по мере роста ее количество снижается. У человека бурая жировая ткань в чистом виде имеется около почек и щитовидной железы. Кроме этого, между лопатками, на грудной клетке и на плечах у человека имеется смешанная жировая ткань, состоящая как из белой, так и бурой жировой ткани. По мере взросления количество бурой жировой ткани снижается.

Рис. 2 — бурая жировая ткань у ребенка

Рис. 3 — бурая жировая ткань у взрослого

У человека содержание бурой жировой ткани вирирует от 1 до 2% от массы тела.

Интересно то, что бурый жир значительно увеличивает количество теплоты, к примеру на 1 кг веса в норме у человека выделяется 1 Вт теплоты, а при теплообразовании с участием бурого жира (не сказано у какого животного) — 400 Вт теплоты.

9. Нарушение обмена энергией

Нарушение обмена энергии тесно связано с процессами разобщения, а так же набухания митохондрий.

Основные причины разобщения вызваны:

Биотическими

10. Биотические факторы

Вызваны жизнедеятельностью микроорганизмов. Особенно серьёзные сдвиги в энергетическом обмене возникают при бактериальной интоксикации:

  • Дифтерии
  • Стафилококке
  • Золотистый стафилококке

11. Естественные абиотические факторы

  • Ожоги (уменьшение количества SH-групп белков, сопровождающееся снижением ферментативной активности митохондрий и разобщением окислительного фосфорилирования, что в конечном счете снижает выработку АТФ)
  • Гипоксия
  • Лихорадка
  • Гипотермия
  • Перегревание
  • Кастрации ( гормоны тестостерон и прогестерон активизируют свободное окисление приводя к гипопродукции энергии)
  • Гипервитаминоз С ( усиливает свободное окисление, при гиповитаминозе сопровождается и гипотермия)
  • Гипервитаминозы E,K,B1,B12 ( активируют фосфорилирование до уровня гипертермии, а гиповитаминозы ведут к гиперпродукции энергии)
  • При опухолях гипофиза ( связано с гиперпродукций соматотропного гормона (СТГ), увеличению теплообразования за счет стимуляции свободного окисления)

12. Искусственные абиотические факторы

5 стр., 2052 слов

Сознание и мышление. Нейрофизиологические коррелянты сознания ...

... исследование требует междисциплинарного подхода. Сознание и мышление имеют в своей основе нейробиологические механизмы, определяющие активность нейронов. Сложность ... пептидов, медиаторов, модуляторов, аминокислот биохимическим методом. Физиологические методы направлены на локальное изучение функционирования ... является самой молодой частью мозга. У человека занимает 70% неокортекса или 50% всей ...

  • Отравление цианидами
  • Употребление 2,4-динитрофенола ( который активно продается в качестве спортивного жиросжигателя ( далеко не все продавцы указывают побочные эффекты или значительно уменьшают его вред для организма))
  • Антимицин
  • Амитал
  • Эмоциональное возбуждение
  • Эректильная фаза травматического шока ( первая фаза шока характеризующаяся возбуждением ЦНС и интенсификацией обмена, так как организм еще не успел потратить все компенсаторные ресурсы).

Экспериментальные данные доказывают, что в условиях патологического разобщения окисления и фосфорилирования снижается функция различный органов (уменьшается выработка антител в условиях экспериментального гипотиреоза, снижение мышечной активности при альфа-динитрофеноловой интоксикации).

Учитывая рассмотренную тему, можно сделать вывод о том, что процесс разобщения имеет как положительные, так и отрицательные воздействия на организм, малая осведомленность населения и «гонка за весами» приводит людей к хорошим результатом, однако, этот успех возможен при потере здоровья, на восстановление которого уйдет много времени, а часть последствий необратимы.

1. Учебник по Биохимии под редакцией Коневаловой Н.Ю. ( 2009 год)

2. Лекция № 7 по Биохимии

3. http://chem21.info/info/765651/ ( патологии и их связь с разобщением)

4. http://cyberleninka.ru/article/n/mehanizmy-razobscheniya-dyhaniya-v-mitohondriyah-serdtsa-pri-razvitii-streptozototsin-indutsirovannogo-diabeta-na-fone ( исследование взаимодействия диабета и инфаркта)

5.http://lib.vsu.by/xmlui/bitstream/handle/123456789/5711/v10n6p53.pdf ?sequence=1&isAllowed=y ( исследования Гомельского Государственного медицинского университета)

6. http://www.ves.ru/physiologyobesity/adiposetissue/ ( бурая жировая ткань)

7. разновидность ядов)

8. https://auno.kz/patofiziologiya-tom-2/184-narusheniya-yenergeticheskogo-i-osnovnogo-obmena.html ( нарушение энергетического обмена)