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, накопление НАДН и ФАДН₂ в клетке и прекращение катаболизма,

· дефицит железа – компонента цитохромов, миоглобина и гемоглобина, и меди – компонента цитохромоксидазы.

Разобщение окисления и фосфорилирования

Разъединение (разобщение) процессов окисления и фосфорилирования осуществляют вещества, называемые разобщители. Они снижают величину электрохимического градиента, что приводит к уменьшению синтеза АТФ, несмотря на увеличение скорости движения электронов по дыхательной цепи и возрастание катаболизма.

К разобщителям в первую очередь относят " протонофоры " – молекулы, переносящие ионы водорода из межмембранного пространства в матрикс митохондрии. При этом одновременно уменьшаются оба компонента электрохимического градиента – электрический и химический, и энергия градиента не используется для синтеза АТФ, а рассеивается в виде тепла. Следствием эффекта протонофоров является возрастание катаболизма жиров и углеводов в клетке.

Строение динитрофенола Схема переноса ионов водорода через мембрану
при помощи динитрофенола

Классическим экспериментальным протонофором является динитрофенол, жирорастворимое соединение, присоединяющий ионы водорода на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны и отдающий их на внутренней поверхности. Физиологическими протонофорами являются особые разобщающие белки, в частности термогенин (см ниже).

Кроме динитрофенола и термогенинапротонофорами, к примеру, являются салицилаты, дикумарол, жирные кислоты, непрямой билирубин, трийодтиронин.

Бурая жировая ткань

При фосфорилировании АТФ-синтазой АДФ до АТФ используется не вся энергия протонного градиента, лишь его часть тратится на совершение работы (синтез АТФ), а другая часть рассеивается в виде тепла.

Особые клетки организма умеют увеличивать долю рассеиваемой тепловой энергии – это клетки бурой жировой ткани. В отличие от белых жировых клеток бурые адипоциты содержат большое количество митохондрий, которые и придают им буро-красный цвет. Во внутренней мембране митохондрий этих клеток имеется белок термогенин (до 15% от всех белков митохондрий), относящийся к семейству разобщающих белков, называемых UCP-белки (англ. uncouplingprotein).

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 относительно мало, зато много термогенина, близкого по строению к Fо-субъединице АТФ-синтазы. Термогенин является каналом во внутренней мембране через который в матрикс проходит часть ионов Н⁺ и снижается протонный градиент. В итоге АТФ не синтезируется, несмотря на непрерывно возрастающий (по правилу 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.

Роль термогенина в снижении протонного градиента