Клетканыц биоэнергетикасы (энергетикалык алмасу)

 

7.1. Аутотрофтпар жэне гегперотрофтар. Термодинамика заңдары жэне клетканыц биоэнергетикасы. Тірі жуйелерде метаболизмнің эндергоникалық және экзергоникалыңреакциялары.

Макроэргтік ңосылыстар. Клетканыц негізгі энергетикалыц субстраттары.

Тірі клетканың функционалдық ұйымдастығының негізгі заңдылықтарының бірі - энер-гияны бөліп шығаруы, оны басқа түрге айналдыруы жэне пайдалануы болып табылады. Энергия, оның ағзадағы айналуы- тірі жүйелердің қоршаған ортамен жэне өзара тығыз бай-ланысу қүбылыстарының қатарына жатады. Тірі клеткаларда энергияның айналуы мен пай-далану механизмдерін зерттейтін биохимияның бөлімі биоэнергетика деп аталады. Клеткаға энергия бірқатар маңызды процестерді іске асыруы үшін қажет, атап айтқанда, клетканың, тканьнің өсуі мен дамуына қажетті органикалық заттарды синтездеу үшін жэне тканьдік қүрылымдарды қайтадан қалпына келтіру үшін, мембрана арқылы клеткаға жэне клетка­дан заттардың белсенді тасымалдануын қамтамасыз ету үшін, биоэлектрлік потенциал пай­да болуы үшін жэне клеткадан клеткаға белгілердің электрлі беруін жэне жүйке импульсы берілуі үшін, дененің түрақты температурасын үстап түру үшін, бұлшық еттің жиырылуы мен қозғалысты қамтамасыз ету үшін, биолюминесценция мен электрлі разрядтарды камтамасыз ету үшін қажет.

Термодинамиканың бірінші заңы бойынша энергия жоқтан пайда болмайды жэне жоғалып кетпейді, ол бір түрден екінші түрге айналады жэне эртүрлі өзара айналымда бола­тын формалар түрінде болады, мысалы жарық, химиялық, жылу, электрлік, механикалық, дыбысты жэне т.б. энергия түрінде. Энергия эртүрлі болғанымен де, Жер бетіндегі тірі де­нелер үшін, олардың маңызды процестерін қамтамасыз ету үшін тек 2 түрі, атап айтканда жарық жэне химиялық энергия ғана жарамды. Бірақ энергияның басқа түрлерін де, мысалы жылу, электрлік, магнит өрісінің энергияларының да маңызын жоққа шығаруға болмайды.

Жарық энергиясын пайдаланатын ағзалар - фототрофтар (грекше photos -жарық, triphe -тамақтану), ал химиялық энергияны пайдаланатын ағзалар - хемотрофтар деп аталады. Органикалық молекулалардыц синтезі үшін көміртегінің бейорганикалық қайнар көздерін пай-даланушы ағзалар автотрофтар (грекше autos - өзі), ал өзінің органикалық молекулаларының синтезі үшін көміртегінің органикалық қайнар көздерін пайдалатын агзалар гетеротрофтар (грекше heteros - басқа) деп аталады.

Пайдаланатын энергияның түрі мен көміртегінің қайнар көздеріне байланысты Жер бетіндегі тірі жүйелер мынадай түрлерге бөлінеді:

- фотоавтотрофты (барлық жасыл өсімдіктер, жасыл жэне көгілдер бактериялар);

- фотогетеротрофты (көгілдір несерлі бактериялар);

- хемоавтотрофты (кейбір азотты тіркеуші бактериялар);

- хемогетеротрофты (барлық жануарлар мен саңыраукүлақтар, бактериялардың көпшілігі).

Химиялық энергияны игеру эдісі бойынша хемогетеротрофты тамақтанудың 4 түрі бар:

- голозойлы түрі (барлық жануарлар мен жәндіктер пайдаланатын өсімдіктер);

- сапрофиттік түрі (бактериялар мен саңырауқүлақтар);

- симбиотикалық түрі (мутуализм мен комменсализм).

- паразиттік түрі.

Хемогетеротрофты ағзаларда химиялық энергияны жэне көміртегі атомы мен басқа да химиялық элементтердің қайнар көзін табу, яғни тағамды табу эдістері эртүрлі болса да, қоректік заттардың айналуы мен сіңірілу жолы өте үқсас, атап айтқанда - бүл үлкен жэне күрделіорганикалықмолекулалардыңжайжэне еріген молекулаларға ыдырауы (қорытылуы), олардың сіңірілуі мен энергияны бөліп алу үшін жэне пластикалық қажетгілік (ассимиляция) үшш оларды өз тканьдеріне жеткізу, бүдан соң пайдаланылмаған жэне керексіз органикалық молекулалардың сыртқа шығарылуы (диссимиляция). Қорыта айтқанда, тірі клеткаларда энер­гияны шығару жолында ферменттер катализдейтін көптеген химиялық реакциялар жүреді. Тірі жүйелерде жүретін осы биокаталитикалық химиялық реакциялардың барлық жиынтығы метаболизм деп аталады (заттар мен энергия алмасуы).

Метаболизм дегеніміз - бір-бірімен өзара байланысқан көптеген мультиферменттік жүйелердің қатысуымен жүретін жогары маманданған жэне бағытталған клеткалық белсендшік. Метаболизм жүздеген түрлі ферменттік реакциялардан қүралғанымен, орталық метаболитикалық жолдар аз болып келеді жэне барлық тірі жүйелерде бірдей болады.

Барлық метаболикалық реакциялар термодинамиканың бірінші жэне екінші заңдарына багынады. Термодинамиканың бірінші заңы бойынша, метаболикалық процеске қатысушы химиялық қосылыстардың энергиясы жоғалып кетпейді, ол бір түрден екінші түрге өтеді жэне де бүл жағдайда оның жалпы мөлшері өзгеріссіз қалып отырады. Термодинамиканың екінші заңы бойынша жүйедегі жалпы энергия (АН) (энтальпия)-бос энергияның мөлшері (AG) мен абсолютті температураның энтропияның өзгерісіне көбейткендегі мөлшердің (TAS) қосындысына тең: AH = AG + TAS.

Барлық физикалық немесе химиялық процестер пайдалы энергияның бей-берекет, хаостық түрге қайтымсыз өтуіне сэйкес келетін бағытта жүреді. Мүндай өтудің мөлшері энтропия (AS) деп аталатын көрсеткішпен белгіленеді. Бұл процесс тепе-теңдік жағдай пайда болганда ғана тоқтайды, мүнда энтропия осы берілген жағдайға қажет ең көп мөлшерді көрсетеді, яғни химиялық реакциялар немесе физикалық процестер кезінде энтропия жогарылайды.

Энтропия-берілген жүйедегі сандық сипаттама немесе бей-берекет энергияны көрсетуші мөлшер болып табылады. Биологиялық процестер кезінде энтропияның артуы қайтымсыз болғандықтан, ол қозгалыс күшін тудырып, биологиялық белсенділіктің барлық түрін бағыттап отырады.

Алайда, биожүйелердің қоршаған ортамен эсер етуінің нэтижесінде энтропияның (AS) ар­туы тірі жүйеде емес, қоршаған ортада жүреді. Бұл жағдайда тірі жүйелер өздерінің бағытталған қалпын сақтап отырады, олар жүйедегі жалпы энергияның жетіспеушілігін қоршаган ортадан химиялық немесе жарық энергия түріндегі бос энергияны (AG) алу арқылы толтырады да, ал қоршаған ортаға қажеттілігі аз жылу энергиясының сонша мөлшерін қайтарады. Қорыта айтқанда, тірі жүйелер қоршаған ортаның энтропиясын үздіксіз жоғарылатып отырады да, ішкі жағдайды тұрақтандырып, тірі клеткаларды гетеротрофтар үшін химиялық қосылыстар түрщдегі бос энергиямен немесе аутотрофтар үшін-жарық энергиясымен қамтамасыз етеді. Клетканың өзінде метаболитикалық процестердің нэтижесінде бос энергия төмендейді не­месе артады немесе метаболитикалық процестер бос энергияны бөліп шығару немесе сщіру арқылы жүреді. Соган байланысты метаболитикалық реакциялар екі түрлі болады: экзергоникалық немесе эндергоникалық.

Экзергоникалық реакциялар дегеніміз-бос энергияның (AG) шығарылуымен жэне энтропияның (AS) артуымен сипатталатын реакциялар. Бұл түрге молекулалардың ыдырауы-на экелетін метаболизмнің реакциялары жатады. Метаболизмнің осындай реакцияларының барлығы катаболизм деп аталады. Метаболизмнің эндергоникалық реакциялары - бос энергияның (AG) сіңірілуі немесе жинақталуымен жэне энтропияның (AS) артуымен си-патталады. Бүл жағдайда химиялық қосылыстардың синтезі жүреді. Метаболизмдегі бұл процестер анаболизм деп аталады. Қорыта айтқанда, тірі жүйелердегі заттар алмасуы мен энергия алмасуы немесе метаболизм - бос энергияның өзгеруі (артуы немесе төмендеуі) жэне энтропияның артуымен сипатталатын катаболикалық жэне анаболикалық процестер-ден тұрады.

Метаболизмде энтропияның артуы ең соңында қүрылымдық түрақсыздық пен клетканың жойылуына экелуі мүмкін. Клетканың компоненттерінің функционалдық бірлігін тұрақтандыру жэне сақтап қалудың бірден-бір эдісі - энтропияны төмендету, ол клетканың күрылымдық компоненттерін жаңарту, олардың ыдырау өнімдерін (метаболиттерін) бөліп шығару жэне жоғары мөлшері бар бос энергия мен энтропиясы томен энергетикалық суб-страттарды клеткалардың пайдалануы есебінен жүзеге асырылады. Тірі ағзаның клеткала-ры үшін мүндай энергетикалық субстраттарға көмірсулар, липидтер жэне белоктар, оның ішінде аминқышқылдары жатады. Мысалы, көмірсулардың канығу калориялығы 4,1 ккал/г, липидтердің - 9,3, ккал/г, белоктардың - 4,1 ккал/г мөлшеріне тең. Липидтер (майлар) бірінші қор заты болып табылады жэне көмірсулардың қоры таусылған жагдайда ғана пайдаланы­лады. Алайда басқаларға қарағанда қаңқа бүлшық еттерінің клеткалары глюкозаны емес, май қышкылдарын көбірек пайдаланады. Көмірсулар мен майлардың барлық қоры таусылған жагдайда энергетикалык материал ретінде белоктардың пайдаланылуы мүмкін болады. Негізгі энергетикалык субстраттардан бос энергияның бөлініп шығуы каталитикалық про­цестер кезінде жүреді. Бүл жагдайда бос энергия кейбір фосфорорганикалық қосылыстардың - макроэргтардің макроэргиялық байланыстарында жинақталады. Мүндай макроэргиялық қосылыстарға АТФ жэне басқа нуклеотид - 5 - үшфосфаттар (ГТФ, УТФ, ЦТФ), креатинфос-фат, 1,3 - дифосфоглицерат, фосфоенолпируват жатады. Барлық макроэргтердің ішінде АТФ клетканың басты химиялық байланыстырушы болып табылады, ол энергияның шығарылуы мен сіңірілуі арқылы жүретін процестерді (катаболизм мен анаболизм) бір - бірімен бай-ланыстырады, фосфат топтарымен энергияны тасымалдау реакцияларында ортақ өтпелі өнімі түрінде болады, бұлшық еттің жиырылуын энергиямен қамтамасыз ету үшін, мембрана арқылы белсенді тасымалды іске асыру үшін жэне т.б. пайдаланылады. АТФ - клетка үшін түрақты жан-жақты энергияны тасымалдағыш болып табылады. АТФ-тың ролін аккумуля-тормен салыстыруға болады. Ол клетканың кез-келген бөлігіне химиялық энергияны жеткізе алады. Егер клетка энергияға мұқтаж болса, оған бар керегі АТФ гидролизін іске асыру.

 

7.2. Тканьдік тыныс алу жэне биологиялық тотыгу туралы түсінік.

Субстраттардың дегидратациясы мен сутегінің тотығуы клеткадагы энергияның қайнар көзі. Көмірсулар, липидтер жэне аминқышқылдарының катаболизмі кезінде бос энергияның бөлінуі тірі ағзаларда аэробты жэне анаэробты жағдайларда жүреді. Энергетикалык жағынан катаболизмнің аэробты жолы тиімді болып табылады, ол міндетті түрде тканьдердің оттегіні сіңіруі мен көмірқышқыл газын шығару арқылы жүреді, яғни тканьдік тыныс алу немесе ішкі, клеткалық тыныс алу қүбылысы арқылы. Тканьдік тыныс алуды қоршаған ортадан оттегіні сіңіру мен С02 сыртқы ортаға шығару процестерімен шатыстыруға бол-майды. Жалпы алғанда бүл екі процесс сыртқы тыныс алу немесе газ алмасу деп атала­ды. Көптеген зерттеулер көрсеткендей, биожүйелерде бос энергияның шығарылуымен жүретін органикалық қосылыстардың катаболизмінің реакциялары өзінің негізі бойынша тотыгу -тотықсыздану реакциялары болып табылады жэне оксидоредуктазалар класыныц ферменттерімен катализденеді. Осыған байланысты бүл механизм - биологиялық тотыгу деген атка ие болды.

Зерттеулер көрсеткендей, эртүрлі энергетикалық субстраттардың биологиялық тотығуының негізінде мынандай үш түрлі реакциялар жатады:

- электрондардың тасымалдануы;

- сутегі атомының (протондар мен электрондардың) тасымалдануы.

- оттегі атомының тасымалдануы

Тірі жүйелерде энергияның трансформациясының механизмін жылудың пайда болуының мысалында 1977 ж. Лавуазье бірінші болып түсіндірмекші болған. Жанудың механизмін тірі жүйелердегі жылудың түзілуімен салыстыра отырып, ол клеткада энергияның шығарылу механизмінің негізінде көмірқышқыл газының түзілу реакциясы жа-тыр, бүл органикалық қосылыстардың көміртегі атомдарына оттегінің қосылуы есебінен жүреді деп есептеген. Биоэнергетиктердің 20 ғасырдың екінші жартысында жүргізген черттеулері Лавуазьенің бұл көзқарасының дұрыс емес екендігін көрсетті. Биологиялық тотығудың негізінде субстраттардың дегидрирленуі, протондар мен электрондардың оттегіне тасымалдануы сияқты кезекпен жүретін реакциялар жатады, ол судың түзілуі мен бос энергияның бөлінуіне зкеледі:

 

Бүл реакциялар оттегін пайдаланумен байланысты болғандықтан биологиялық тотығудың ^ұл түрі тканьдік тыныс алудың аэробты жолын қамтамасыз етеді.Олай болса, тканьдік (клеткалық) тыныс алудың оттегісіз, анаэробты жолы да болуы мүмкін, мүнда тотыгушы ^убстраттан бөлінген протондар мен электрондар оттегіне емес, басқа бір акцепторға тасы-^алданады.

Жоғарыда айтып кеткендей, негізгі энергетикалық субстраттар - көмірсулар жэне май-^ар болып табылады. Тірі ағзалардың көптеген клеткалары катаболизмге бірінші кезекте ^өмірсуларды, содан соң оның қоры таусылған жагдайда гана липидтерді пайдаланады.

Тамақпен келіп түсетін полисахаридтер биологиялық тотығу мен клеткалық тыныс алу ₍(роцестеріне глюкозаға дейін ыдыраған соң гана пайдаланылады:

гликоген —> глюкоза <— крахмал

Негізгі энергетикалық субстрат ретінде клеткада глюкозаның тотығуы бірінен кейін ^ірі жүретін дегидрирлену реакциялары арқылы жүреді. Анаэробты жагдайда глюкозаның ^отығуы (гликолиз) пируваттың 2 молекуласының түзілуімен, ол ары қарай лактаттың 2 мо-^екуласына дейін тотықсыздануымен аяқталады. Аэробты жагдайда, цитозольда гликолиз ^езінде түзілген пируваттың екі молекуласы митохондрияларда тотығып декарбоксильденуге ^шырайды да, ацетил-КоА-ның екі молекуласы түзіледі, олар үшкарбонды Кребс циклын­да көміркышқыл газы мен суга дейін ыдырап, бос энергия бөлініп шығады. Босап шыққан бос энергия митохондриялардың тыныс алу тізбегінің ферменттерімен АТФ макроэргтік байланыстарына айналады. Клеткада тотыгушы субстраттардың энергиясын айналдырушы процестер негізінен митохондрияларда жинақталған. Клеткада митохондриялардың орнала-суы олардың функционалды жагдайына жэне мүшеөзгешелігіне байланысты болады, бірақ олардың барлығы да өздеріне тэн морфологиялық жэне функционалды ерекшеліктерін сақтап түрады.

 

7.3. Митохондриялардың қүрылысы және қызметтері. Субстраттар үшін, АДФ жэнеАТФ үшін митохондриялыңмембраналардың таңдамалы өткізгіштігі. Электрондарды тасымалдау тізбегі- тыныс алу жүйесінің бір бөлігі ретінде. Тотыгатын субстраттар мен оттегінің редокс-потенциалдарының айырмасы-электрохимиялың мембраналық потенциал калыптасуы жэне АДФ -тың тотыгып фосфорильденуі энергиясының ңайнар көзі.

Митохондриялар барлық эукариотты клеткаларда бар. Бүл органеллалар -клетканыц аэ­робты тыныс алу белсенділігінің басты орны болып табылады. Митохондрияларды алгаш рет Келликер (1850) бүлшық ет клеткаларында гранула түрінде бақылаган, ал Михаэлис (1898) олардьщ тыныс алудагы басты маңызын көрсетті. Клеткаларда митохондриялардың саны түрақты емес жэне клетканыц түрі мен табигатына байланысты болады. Мысалы, бауыр клеткаларында олар 1000-ға жуық, қызыл қаңқа бүлшық еттерінде өте коп те, ал ак бүлшық еттерде - аз болады.

Сонымен қатар митохондриялардың көлемі мен формасы да эртүрлі болады. Олар сопақ, дөңгелек, спираль тэріздес жэне кейде тармақталган түрде болады. Митохондриялардың ұзындығы 1,5-10 мкм шамасында болса, ені-0,25-1,0 мкм болады. Митохондриялар өздерінің формасын өзгерте алады жэне клетканыц аса белсенді бөліктеріне орын ауыстыра алады. Әрбір митохондрия 2 мембранамен қоршалған. Сыртқы мембрана ішкі мембранадан 6-10 нм қашықтықта орналаскан. Ішкі мембранада митохондрияның жартылай қатты матриксы бар, олар көптеген қыртыстар, яғни кристер түзеді. Сыртқы мембрана молекулярлық салмағы 21000-нан томен заттарды өткізе алады жэне қүрамында май қышқылдарының синтезіне қажетті ферменттер, фосфолипаза А, холинфосфотрансфераза, моноаминооксидаза бола­ды. Ішкі мембранаға таңдамалы өткізгіштік тэн, яғни ол белгілі бір заттарды ғана өткізеді. Митохондриялардың ішкі мембранасының бүл таңдамалы өткізгіштігі-транслоказалар деп аталатын ферменттердің ерекше түрінің қызметіне байланысты. Мысалы, АТФ пен АДФ-тың белсенді тасымалдануын АДФ-АТФ-транслоказа қамтамасыз етеді. Транслоказалар, мыса­лы, карнитин-ацилтрансфераза, глутамат-аспартаттранслоказа, малат-цитраттранслоказа, малат-альфакетоглутараттранслоказа жэне т.б. сэйкес «қайықты» механизмдердің қызметін жэне энергетикалық субстраттардың тасымалын қамтамасыз етеді Митохондриялардың ішкі мембранасында тыныс алу ферменттері орналасқан, олар НАДН-дегидрогеназа, сукцинат-дегидрогеназа жэне в, сі, с, а, аЗ цитохромдары жэне Н+-АТФ-синтетаза. Митохондриальды матриксте май қышқылдарының бета-тотыгуының ферменттері, Кребс циклінің ферменттері (сукцинатдегидрогеназадан басқасы), глутаматдегидрогеназа, фосфоенолпируваткарбоксила-за жэне т.б. орналасқан.

Кез-келген клеткалардың митохондриялары тез жэне өте тиімді түрде эртүрлі субстраттардың тотығу процесін іске асырады, ол сутегі атомын бөліп алып, бұдан соң ол атомды протон жэне электронға ажырату арқылы іске асырады да, сол арқылы субстраттардың химиялық энергиясын алғашында мембранадағы протондар концентрациясы градиентінің электрохимиялық потенциалына айналдырады, бүдан соң оны АТФ-тың синтезімен аяқталатын тотығу фосфорильдену процесіне айналдырады.

Бүл процесс бірнеше кезеңнен түрады, оған протондар мен электрондарды соңғы акцептор-оттегіге тасымалдаушы бірқатар өтпелі ферменттер қатысады, олар митохондриялық тыныс алу тізбегін қүрайды:

Митохондриялардың тыныс алу тізбегінің бас жағында анаэробты дегидрогеназалар бо­лады, олардың коферменттері НАД немесе НАДФ болып табылады. Бүл топқа пируватты, альфа-кетоглутаратты, малатты, глутаматты тотықтырушы дегидрогеназалар жэне басқа да субстраттарды (SxH2) тотықтыратын дегидрогеназалар жатады. Ары қарай коферменті ФМН болып табылатын флавинді аэробты дегидрогеназаларга жататын НАДН-дегидрогеназа орналасқан. Бүл жерде тыныс алу тізбегіне сэйкес субстраттарды (S1H2) тотықтыратын коферменті ФАД болып табылатын басқа да флавинді дегидрогеназалар (сукцинатдегидро-геназа, глицерофосфатдегидрогеназа, ацил-КоА-дегидрогеназа) келіп қосылады. Тыныс алу тізбегіндегі сутегі атомының ортақ коллекторы убихинон (KoQ) болып табылады. Ары қарай тыныс алу тізбегінде цитохром жүйесінің ферменттері в, cl, с, а, аЗ цитохромдары орналасқан. Цитохром С-тың деңгейінде субстраттар (S2H2) тотығуы мүмкін, мысалы адре­налин жэне аскорбат. Тыныс алу тізбегіндегі ферменттердің кезектілігі олардың редокс-потенциалдарының мөлшерімен анықталады:

 

Н2/2Н +	-0,41в
НАД/НАДН+	- 0,32в
ФМНН/ФМН	-0,11в
ФАДН/ФАД	- 0,05в
KoQH/KoQ	+ 0,02в
b++/b+++	+ 0,04в
СІ++/СІ+++	+ 0,23в
С++/С+++	+ 0,25в
а++/а+++	+ 0,29в
аЗ++/аЗ+++	+ 0,55в
Н20/02	+ 0,82в

 

Біріншілік донорлардан бөлініп алынған сутегі тыныс алу тізбегіне НАД-қа тэуелді немесе ФАД -қа тэуелді дегидрогеназалардың қатысуымен енгізіледі. НАД-қа тэуелді де­гидрогеназалар сутегіні НАД-қа жеткізеді де, НАДН түзіледі, ал ФАД-қа тэуелді дегидро­геназалар сутегіні убихинонға - KoQ-ға жеткізеді (КоОН2 түзіледі). Аоы каоай сүтегі НАЯН­тан коферменті ФМН болып табылатын НАДН-дегидрогеназаның көмегімен убихинонға жеткізіледі. KoQH-тың түзілу кезеңінде митохондриялық тыныс алу тізбегіне НАД-қа тэуелді жэне ФАД-қа тэуелді дегидрогеназалар енгізген сутегі атомдарының 2 агыны қосылады. Ми-тохондрияларда анықталган флавинды дегидрогеназаларга бета-оксибутират, глицерофосфат жэне сукцинат-дегидрогеназалар жатса, ал НАД-қа тэуелділерге бұдан басқалары жатады.

Бүдан соң сутегі атомының протондары мен электрондарының жолы бөлінеді. Электрондардың тасымалдануы в, cl, с, а жэне аЗ цитохромдарының көмегімен жүзеге асы-рылады. в жэне cl цитохромдар комплексі Ко QH-дегидрогеназа түрінде қызмет етеді, олар электрондарды с цитохромына тасымалдауды іске асырады. Бүл жагдайда протондар ерітіндіге өтеді. а+аЗ цитохромдар комплексі цитохром-с оксидаза түрінде болады, олар электрондарды оттегіге жеткізеді де, ол оттегі екі протонды қосып алу арқылы суды тУ4зеді. Яғни, мито-хондриальды тыныс алу тізбегі арқылы сутегі атомдары тотыгушы субстраттардан оттегіге жеткізіледі.

Электрондар мен протондардьщ орын ауысуы тотығу-тотықсыздану (редокс) потенциалының градиенті бойынша жүреді, ол сэйкес редокс-жүйеде тотығудың бос энергиясының мөлшерін көрсетеді. Тыныс алу тізбегінің компоненттерінің редокс -потенциалының мөлшері НАД-тан (-0,32 в) оттегіге (+0,82 в) қарай артады. Тыныс алу тізбегіндегі редокс-потенциалдардың жалпы айырмасы 1,14 в қүрайды. Н АДН-тан оттегіге екі электрондарды тасымалдау кезінде пайда болатын бос энергияның мөлшері мына формула-мен есептеледі: AG = -nF-dEo, мүндағы AG -стандартты бос энергияның өзгеруі, ккал алғанда, п -тасымалданған электрондар саны, F -Фарадей саны (233062 ккал/в моль), АЕо -электрон-донор жэне электронакцептор жүйелерінің стандартты потенциалдарының айырмасы (ягни, рН=7,4, температура Цельсий бойынша 25 градус кезінде). Сонымен, митохондриялардың тыныс алу тізбегіндегі бос энергияның мөлшерінің өзгеруі мынаған тең: A G =-2 х 23062 х 1,14=- 52,581 ккал.

Бүл энергия АТФ-тың үш молекуласыньщ синтезі үшін жеткілікті, ол тыныс алу тізбегінде редокс-потенциалдардың айырмасының жеткілікті мөлшері бар үш бөлік деңгейінде іске асырылады:бірінші бөлік-редокс-потенциалдар айырмасы 0,21 в болатын НАД жэне ФМН-ның арасында, екіншісі-редокс - потенциалдар айырмасы 0,22 в болатын в жэне с цитохром­дар арасында, ал үшіншісі- редокс-потенциалдар айырмасы 0,29 в-қа тең цитохромоксидаза (а+аЗ) жэне оттегінің арасында орналасады.

 

7.4. Тотыгу фосфорланудың механизмі. Электрондар мен протондардьщ тасымалдану тізбегінің реттелуі. Р/О жэне АДФ/О коэффициента Тканьдгк тыныс алу жэне тотыгу фосфорланудыц ажырауы. Тканьдік тыныс алудың жылу реттегіш ңызметі. Стресс пен гипоксия жэне авитаминоздар кезіндегі энергия алмасуыныц бүзылуы.

1930 жылы совет биохимиктері (В.А. Энгельгардт, В.А. Белицер жэне т.б.) митохондриялардагы тыныс алу процесі кезінде АТФ-тың синтезі жүретінін анықтады. Бүл жагдайда митохондриялардың сіңірген оттегінің 1 атомына фосфор қышқылының бір мо-лекуласынан 3 молекуласына дейін жүмсалып, АТФ-тың 1, 2, 3 молекуласы синтезделетіні белгілі болды. Осылайша тотыгу фосфорильдену процесі туралы көзқарастар пайда болып, бүл процестің көрсеткіші ретінде Р/О коэффициенті енгізілді, ол фосфор қышқылы моле­куласы санының кез-келген субстраттың тотығуы кезіндегі митохондриялар пайдаланатын оттегі атомының санына қатынасы.

1961 жылға дейін тотығу фосфорильденуцің механизмі туралы көптеген гипотезалар бол­ды, бірақ олардың бірде- бірін биоэнергетиктер қабылдамады, өйткені көптеген зерттеулерді түсіндіру мүмкін болмады. 1961 жылы Митчелл биологиялық тотығу мен тотығу фосфориль-дену процестерінің хемиоосмотикалық гипотезасын үсынды. П.Митчелл ұсынган бүл гипоте­за бойынша АДФ-тің фосфорильденуінің қозғаушы күші- редокс-потенциалдар айырмасының энергиясы болып табылады, ол тыныс алу тізбегінде тотыгушы субстраттардан электрондар-ды оттегіге тасымалдау кезінде пайда болады да, протондардың электрохимиялық потенциал-дар энергиясына айналады (mDH+), ол митохондрияның ішкі мембранасында пайда болады:

Тотыгушы субстраттардан протондардың бөлінуі жэне олардьщ митохондрияның мембранасының сыртқы қабатында жинақталуы есебінен мембрананың сыртқы қабаты оң электрлі болады да, митохондриалды матрикс жагынан теріс электрлі болып зарядталады. Сыртқа шығарылған Н+ иондары электроосмостық күштердің эсерінен Н+ - АТФ синтетаза қызмет ететін арнайы протондық каналдар арқылы ішке, митохондриалды матрикске қарай қозғалады. Н+ иондардың өзінің концентрациясы жоғары аймақтан концентрациясы томен аймаққа өтуі бос энергияның бөлінуімен қатар жүреді, соның есебінен АТФ синтезделеді. Белгілі бір уақытқа дейін тек АТФ кана клеткада энергияны қорға жинаушы қызмет атқарады деп есептелген. Алайда В.П. Скулачевтің жэне басқа да биоэнергетиктердің зерттеулері (1972, 1978) анықтагандай, Н+ градиентінің есебінен мембранада пайда болатын трансмембраналық электрохимиялық потенциал клеткадағы энергияның универсалды түрі болып табылады жэне мына қызметтерге пайдаланылады:

- АТФ синтезі үшін;

- Са жэне т.б. иондардың тасымалдануы үшін;

- фосфаттардың тасымалдануы үшін;

- АДФ жэне АТФ тасымалдануы үшін;

- жылу түзілуі үшін;

- жиырылу жэне қозғалу белсенділігі үшін.

Қалыпты жағдайдагы клеткада энергияның айналу процесі жэне тотығу фосфорильдену мөлшері бірқатар факторларға байланысты, атап айтқанда митохондриялық мембрананың бүтіндігіне, тотыгушы субстраттың түріне, оттегінің деңгейіне, бейорганикалық фосфаттың жеткізілуіне жэне АДФ-тың деңгейіне байланысты.

Нейфахтың зертханасында (Нейфах С.А. жэне т.б., 1962, 1963) бөлініп алынған гликолитикалық оксиредукцияны күшейтетін зат - киназин субстраттардың митохондрияларға түсуін реттейтін байланыстырушы бөліктердің бірі болып табылады, митохондриялар­да олардың деңгейінің артуы тыныс алу мен фосфорильденуді белсендіреді. Цитозольды тотықсызданған эквиваленттердің (НАДН, НАДФН) митохондрияларға ену механизмдерінің бірі -глицерофосфатты, малатты, оксибутиратты «қайықты» процестер болып табылады. Сонымен бірге, тыныс алу жэне фосфорильденуді реттеуде АДФ негізгі роль атқарады, ол субстраттардың тотығу жылдамдығын жзне митохондриялардың оттегіні сіңіруін арттырады. АДФ-тың, субстраттардың жэне оттегінін болуы немесе болмауына қарай митохондриялар 5 функционалды жагдайда болуы мүмкін (В. Chance, 1965). Тотығу субстраты жэне оттегі бар ортада инкубацияланатын интакты митохондриялар тыныс алудың томен жылдамдыгымен сипатталады. Мұндай жагдайда тыныс алу энергияның акцепторларын (АДФ+НЗР04) косу арқылы бірнеше есе жылдамдатылуы мүмкін. Энергия акцепторларымен тыныс алуды белсендіру - тыныс алу тізбегінде электрондарды тасымалдау процесі фосфорильденумен тыгыз байланысқан кезде гана байқалады. Митохондриялар мембраналарының бүтіндігі бұзылғанда немесе ажыратушылар (Н+-АТФ-азага байланысты емес мембрана арқылы протондардың өтуін тудырушы заттар) кірген кезде тыныс алуды белсендіру дэрежесі АДФ қосылуынан төмендейді немесе мүлдем жойылады, ол тыныс алу тізбегінде, электрондарды оттегіне тасымалдаудьщ АТФ синтезімен ілескен процестердің бүзылуынан болады. Тотығу субстраты, фосфат (НЗР04) жэне оттегі қатысуымен жеке митохондриялардың ілескен тыныс алуын АДФ-ты қосу арқылы ынталандыру қүбылысы тыныс алуды бақылау деп аталады. АДФ-тың (V3) қатысуымен митохондриядағы тыныс алу жылдамдығының АДФ толығымен АТФ -ке (V4) фосфорланган кездегі митохондриялардың тыныс алу жылдамдыгына қатынасы тыныс алуды бақылаудың коэффициенті деп аталады. Тыныс алу коэффициентінің мөлшері 1-ден (тыныс алуды бақылаудың жоқ болуы, тыныс алу мен фосфорильденудің ажырауы орын алады) 8-10 ға дейін (тыныс алу мен фосфорильдену процесі тотығу байланысқан) болады.

АДФ пен фосфаттың субстраттың тотығуын белсендіру қабілеті тыныс алу тізбегінің жағдайы мен тыныс алу жэне АТФ синтезінің ілесу дэрежесін зерттеу эдісі ретінде пайда­ланылады. Осы мақсатта тотыгу фосфорильденудің коэффициентін (Р:0 немесе АДФ:0) анықтау қолданылады. Бүл коэффициенттің мөлшері көптеген факторларға байланысты. Соның ішінде тканьдік өзгешеліктің мэні зор. Мысалы, бауыр, ми, бүйрек митохондриялары жүрек митохондрияларына қараганда Р/О коэфициентінің жоғары мөлшерін көрсетеді.

Тыныс алу тізбегіне косылу орнына байланысты субстраттар тотығу фосфорильдену коэффициентінің мөлшеріне эсерін тигізеді. Мысалы, глутаматтың, малаттың, пируваттың тотыгуы кезінде коэфициент Р:0 = 3,0, сукцинаттың тотығуы кезінде - 2,0 -, аскорбаттың, адреналиннің тотығуы кезінде - 1,0 ге тең болады.

АДФ сол сияқты митохондриялардың тыныс алуын да қадағалайды, сондықтан тыныс алуды бақылау процесін электрондарды, АДФ, неорганикалық фосфатты жэне АТФ-ты та­сымалдау компонентерінің арасындағы тепе-тендік жағдай деп қарастыруга болады.

Тыныс алуды бақылаудың көрініс беру дэрежесі Р/О коэфициентімен қатар, митохон­дриялар бөлініп алынған мүшелерге жэне тотығушы субстраттарға да байланысты. Мысалы, жүректен, бауырдан бөлініп алынған митохондрияларда ми мен бүйрек митохондрияларына Караганда тыныс алуды бақылау жогары болады. Тыныс алуды бақылаудың жогары болуы глутаматтың, пируваттың, альфа - кетоглутараттың тотыгу кезінде байқалса, элсіз бақылау -сукцинат пен адреналиннің тотыгуы кезінде байкалады.

Тыныс алу жылдамдыгының фосфорильденуге байланысты болуы эртүрлі физикалық жэне химиялық агенттердің эсерінен бұзылуы мүмкін. Бүл жагдайда электрондар тасы­малдануы мен митохондриялардың оттегіні «жүтуы» фосфорильденуге тэуелсіз өтеді, ал тотығушы субстраттардың энергиясы АТФ-тың макроэргтік байланысьшың энергиясына айналмай, жылу түрінде бөлінеді. Бүл қүбылыс тотыгу фосфорильденудің ажырауы деп аталады. Бүл қүбылысты 2,4 динитрофенол, көмірқышқыл газы, дифтериялық токсин, салицилаттар, папаверин, стрептомицин жэне пеницилин, т.б. химиялық қосылыстар ту­дырады. Митохондриялардан эндогенді ажыратушы фактор бөлініп алынған, оның эсері қүрамында олеин, линолен жэне басқа қанықпаған май қышкылдарының болуына бай­ланысты. Фосфорильденудің ажырауы агзаның суыкка қалыптасуы кезінде байкалады. Тотығу фосфорильденудің ажырауы агзаның бірқатар постстрессорлық функционалдық жағдайларында орын алады: суыққа тоңған кезде (В.П. Скулачев, 1960), ашыгуда (B.C. Ильин жэне т.б., 1955), шаршаганда (Н.Н. Яковлев, 1960, Д.Л. Фердман, 1960), ти-реотоксикозда (СЕ. Северин жэне т.б., I960., СО. Тапбергенов, 1969), ісіктерде, рентген сэулеленуде жэне радиацияда (К.П. Хансон, 1965, Р.Б. Стрелков, 1967), травматикалық шок кезінде (Л.Ф. Панченко, 1965), миокард инфарктісінде (А.И. Толейкис жэне т.б., 1973), миокардтың нейрогенді зақымдалуында (СО. Тапбергенов, 1982,1986). Тканьдік ты­ныс алу мен тотыгу фосфорильдену процестерінің бүзылуы гиповитаминоздарда неме­се РР, В2 авитаминоздары кезінде байқалады. Бүл витаминдер аэробты жэне анаэробты дегидрогеназалардьщ (НАД жэне ФАД) күрамына кіреді. Субстраттардың тотыгу процесі кезінде митохондриялардың ішкі мембранада протондар концентрациясының градиентін күрау қабілеті (Mitchell P. 1961, В.П. Скулачев, 1972) ішкі ортаның рН-ң өзгеруіне экеледі, бү_л кейбір ферменттердің энергия алмасуының реттелуіне қатысуына мүмкіндік береді. Осындай ферменттердің бірі - Н+ - АТФ - аза болып табылады.

Тыныс алу тізбегінде сукцинатдегидрогеназа ерекше орын алады, оныц субстраты янтар қышқылы тыныс алуды «монополиялайды», тыныс алу мен фосфорильденудің ілесуінің бірінші бөлігінде электрондардың қозғалысын багыттайды (Krebs Н. et al., 1961). Өз кезегінде оксалоацетат сукцинатдегидрогеназаның белсенділігін тежейді, ал АТФ мүны керісінше алып тастайды (А. Ленинджер, 1966). Митохондриялардың ішкі мембранасында моноаминоокси-даза (МАО) ферменті бар, ол биогендік аминдерді аммонийлы ион түзу арқылы дезаминдейді, ол көптеген зерттеулерде анықталғандай рН -ты өзгерте отыра тотығу фосфорильденуді реттеуге қатысып, ажырау процесін тудырады, альфа - кетоглутараттың тотығуы деңгейінде үшкарбонды циклді тежейді. Аммонийлы ион цитохромоксидазаның белсенділігін, сукцинаттың, пируваттың, лактаттың жэне АТФ-аза - ның тотығуын төмендетеді.

Тканьдерде аммиактың қайнар көзі аденин, аденозин, АМФ, АДФ, НАД жэне белоктардың амидты топтары болуы мүмкін (Г.Х. Бунатян жэне т.б., 1967). Аденилді нуклеотидтер мен аденозиннің айналуында деаминазалар ерекше орын алады, олар тек аммиактың түзілуін ту-дырып қана қоймай, сонымен катар тыныс алу мен фосфорильденуді реттеу жүйесінен АМФ, АДФ жэне АТФ-ты шыгарып тастауға қабілетті (СО. Тапбергенов, 1969).

Сонымен, энергетикалык алмасу метаболизмнің экзергоникалық жэне эндергоникалық реакцияларының күрделі механизмі болып табылады, ол барлық клеткалардың эсіресе ми-тохондрияларында шоғырланған жэне термодинамикалық машина тэрізді жүмыс істейді, ол субстраттардың тотығу процесі кезінде химиялық байланыстардың бос энергиясын бөліп алып, оны мембраналық электрохимиялық потенциалға, бұдан соң макроэргты қосылыстардың химиялық байланыстарының энергиясына айналдырады.

Тарау

 

 

ЗАТТАР АЛМАСУЫНА КІРІСПЕ. Т