VESELĪBAS PAMATI
Krebsa cikls
Adenozīntrifosfāta (ATF jeb ATP) sintēze
ATP veidošanās ir fundamentāls process visam dzīvajam, un, runājot par enerģiju, parasti domā tieši ATP, nevis siltumu.
Ir pilnīgi skaidrs, ka enerģija ir virzošais spēks gan tehniskās sistēmās, gan dzīvos organismos. Tiklīdz jebkurā sistēmā pārtrūkst enerģijas pieplūde, pārtrūkst tās funkcionēšana, bet dzīvos organismos - dzīvība.
ATP dēvē par makroerģisku savienojumu, kas tulkojumā no grieķu valodas nozīmē "ar enerģiju bagāts savienojums". Uzreiz jāpiebilst, ka jēdzienam "makroergs" ir precīza kvantitatīva raksturojuma definīcija, taču pie šī jautājuma neapstāsimies.
Jāatzīmē, ka makroergi nav tikai fosfora savienojumi; pie makroergiem pieskaita arī acetil~S-CoA. Makroerģisko saiti apzīmē ar simbolu ~.
Apskatīsim ATP sintēzes procesu mitohondrijos.
Formāli reakcija ir ļoti vienkārša: sākotnējā ADP molekula pievieno fosforskābes molekulu (apzīmēsim to kā Pi, t.i., neorganisko fosfātu) un veido produktu, kas nosaka visus dzīvības procesus - ATP:
ADP + Pi <-> ATP + H2O.
Šķiet, ļoti vienkārši. Tomēr šī jautājuma atrisināšanai bija nepieciešams gandrīz vesels gadsimts.
Kāpēc šis jautājums izrādījās tik sarežģīts? Tāpēc, ka vajadzīgajā virzienā (t.i., ATP veidošanās virzienā) šis process pats par sevi (spontāni) ir termodinamiski neizdevīgs un tāpēc neiespējams (bioķīmijā lieto terminu "aizliegts"), un neviens enzīms to nevar paātrināt. Taču realitātē tas mitohondrijos notiek. Tas ir saistīts ar to, ka, ja šāds neizdevīgs (un tāpēc teorētiski "neiespējams") process noris sasaistē ar citu procesu, kas piegādā enerģiju (t.i., ir izdevīgs), tad neizdevīgais process kļūst iespējams. Šāds ļoti enerģētiski izdevīgs process ir elektronu pārnese ETĶ mitohondriju iekšējā membrānā, aktīvi piedaloties pašai membrānai.
Mitčela darbs, kas tika apbalvots ar Nobela prēmiju, bija izklāstīts tikai dažās lappusēs, tomēr ietvēra tolaik burtiski revolucionāru ideju, ka mitohondriju membrāna nav tikai robeža starp mitohondriju iekšējo un ārējo vidi, bet ir aktīvs procesa dalībnieks. Ilgu laiku nebija skaidrs, kā ATP veidošanās laikā savienojas divi tik atšķirīgi procesi kā elektronu pārnese ETĶ un trešās fosfāta grupas pievienošana ADP. Atbilde uz šo jautājumu bija ietverta Mitčela darbā, sākotnēji gan tikai idejas līmenī.
Saskaņā ar viņa teoriju:
1) membrāna ir aktīvs procesa dalībnieks;
2) membrāna ir necaurlaidīga protoniem un metālu katjoniem;
3) membrānai jābūt intaktai (t.i., nemainītai, nebojātai).
Elektronu pārneses enerģijas rēķina ETĶ protoni tiek izsviesti uz vienu membrānas pusi, kā rezultātā vienā pusē veidojas pozitīva lādiņa pārpalikums, bet otrā pusē - tā deficīts. Tādējādi uz membrānas rodas potenciālu starpība, ko sauc par transmembrāno potenciālu. Tā ietekmē protoni tiecas atgriezties atpakaļ, bet membrāna tiem ir necaurlaidīga un tos nelaiž cauri. Tie var iziet tikai caur membrānas enzīmu ATP-sintāzi (ATP sintāze), kas veido ATP no ADP un fosforskābes. Jo lielāks potenciāls uz membrānas, jo intensīvāk noris ATP sintēze, un otrādi. Ir zināmas vielas, kas spēj pārnest protonus cauri membrānām; tādēļ transmembrānais potenciāls samazinās un ATP sintēze tiek bremzēta, bet ETĶ turpina darboties kā iepriekš. Notiek oksidēšanas (elektronu pārneses) un fosforilēšanas (fosfāta grupas pievienošanas) atvienošana, un elektronu pārneses enerģija arvien lielākā mērā pārvēršas siltumā. ATP enerģijas vairs nepietiek, un tas pastiprina tauku un ogļhidrātu "sadedzināšanu", veicinot ķermeņa masas samazināšanos un novājēšanu. Šādas vielas sauc par elpošanas un fosforilēšanas atvienotājiem. Bez virknes bieži bīstamu ķīmisku vielu (nitrofenoli) ir arī droši dabas savienojumi ar šādām īpašībām. Kā piemēru var minēt karotinoīdu fukoksantīnu no brūnajām jūras aļģēm, kas tiek iekļauts novājēšanas līdzekļu receptūrās.
Mūsu organismā enerģijas procesus regulē vairogdziedzera hormoni, kuri paaugstinātas koncentrācijas gadījumā (hipertireoze) darbojas kā atvienotāji. Tieši tāpēc cilvēkiem ar hipertireozi vienmēr ir paaugstināta temperatūra, svīšana, bailes no slēgtām telpām u.tml.
Jaundzimušajiem un pieaugušajiem adaptācijas laikā pie zemām temperatūrām (aiz Polārā loka, augstkalnē u.tml.) veidojas tā sauktie brūnie tauki - audi, kas ir bagāti ar dabiskiem kanāliem, pa kuriem protoni mitohondriju membrānā viegli atgriežas atpakaļ; tas izraisa pastiprinātu siltuma izdalīšanos un šajos apstākļos vitāli nepieciešamu ķermeņa sasildīšanu.
ETĶ ir ķēde, precīzāk - fermentu kaskāde, kuriem (izņemot vienu - koenzīmu Q10 (ubihinonu; CoQ10)) ir spēja pārnest elektronus (tos apzīmē ar simbolu e-) un protonus H+ (elektrons un protons kopā veido ūdeņraža atomu H) uz molekulāro skābekli O2 (t.i., to, ar ko mēs elpojam un ko šūnu mitohondrijiem piegādā eritrocīti). Šos fermentus sauc par redoks fermentiem. Tie atrodas šajā ķēdē stingri noteiktā secībā (kaskādes veidā) un trīs posmos veido potenciālu starpību, kur arī notiek ATP sintēze, izmantojot elektronu pārneses enerģiju.
Uz membrānas veidojas potenciālu starpība E° (standarta potenciālu apzīmējums), ko sauc par transmembrāno potenciālu. Tieši transmembrānais potenciāls kalpo par ATP sintēzes virzošo spēku.
ETĶ pirmajā posmā ūdeņraža atomi (t.i., elektroni e- un protoni H+), kas atbrīvojas TKC (NADH un FADH2 veidā), kā arī piruvāta pārvēršanas posmā par acetil~S-CoA, nonāk uz pirmā mitohondriālā fermenta ar koenzīmu NAD+ (prekursors - vitamīns B3 (niacīns; nikotīnamīds)), kas pāriet NADH formā. Otrajā posmā ūdeņradis (elektroni un protoni) tiek pārnests no NADH uz fermentu ar koenzīmu FMN (flavīnmononukleotīds; prekursors - vitamīns B2 (riboflavīns)), kas pāriet atjaunotajā formā - FMNH2 (jāatzīmē, ka FMN ir FAD analogs - faktiski "puse" no FAD). Tālāk elektroni un protoni no FMNH2 tiek pārnesti uz vienīgo zemas molekulmasas ķēdes komponentu - CoQ10 jeb ubihinonu, kas fermentatīvi pārvēršas par savu aktīvo formu - ubihinolu (t.i., atjaunoto ubihinonu; CoQ10H2). Elektronu pārnese uz CoQ10 no citiem avotiem (piemēram, no dzintarskābes) notiek caur FAD.
Tālāk no ubihinola (nevis no ubihinona) elektroni (un tikai tie; protoni virzās caur matriksu) tiek pārnesti uz fermentu ķēdi, ko sauc par mitohondriālajiem citohromiem; to neproteīna grupa ir hems (tāds pats kā hemoglobīnā, taču hemoglobīns nav ferments - tas ir transportproteīns, bet citohromi ir fermenti, ko nosaka to olbaltumvielu daļa).
Citohromi atrodas šādā secībā: citohroms b - citohroms c1 - citohroms c - citohroms aa3 (citohromoksidāze), no kura elektroni nonāk uz galīgo elektronu akceptoru - molekulāro skābekli O2; tas, pieņemot protonus H+ no ubihinola, veido ūdens molekulu. ETĶ komponenti ķēdē ir izvietoti atbilstoši to redokspotenciālam, ko izsaka voltos (precīzāk, milivoltos): ķēdes sākumam ir visnegatīvākais potenciāls (NADH), bet ķēdes galam (molekulārais skābeklis O2) - vispozitīvākais, tāpēc elektroni e- tiek pārnesti tieši uz to.
Elektronu pārneses process ETĶ ir pakāpenisks un atspoguļo būtisku (nenulles) potenciālu starpību (voltos) trīs stadijās (shēmās tās parasti attēlo kā slīpus posmus). Tieši šajās stadijās, izmantojot elektronu pārneses enerģiju, notiek ATP sintēze no ADP un fosforskābes; bez šīs enerģijas pieplūdes tas ir absolūti neiespējami. Tas ir oksidēšanas un fosforilēšanas apvienošanas, precīzāk - sasaistes process, ko sauc par oksidatīvo fosforilēšanu.
Ja elektronu pārnese sākas ar NAD+ (t.i., no pašas ķēdes sākuma), ATP sintēze notiek trīs stadijās - trīs slīpos posmos, kurus sauc par oksidēšanas (elektronu pārneses) un fosforilēšanas (fosfāta grupas pievienošanas) sasaistes punktiem. Ja elektronu pārnese sākas ar FMN vai FAD, darbojas divi sasaistes punkti (divi slīpie posmi). No tā izriet iepriekš izmantotā attiecība glikozes aerobās oksidēšanas enerģētikas aprēķinos: NAD atbilst trīs ATP molekulu veidošanai, bet FMN un FAD - divu. Tā pati attiecība ir spēkā arī citu enerģētisko procesu gadījumā.
Uz ubihinonu jeb CoQ10 elektronu pārnese notiek arī no dzintarskābes (sukcināta), piedaloties fermentam, kura koenzīms ir FAD.
Pāris "dzintarskābe-CoQ10" ir atsevišķs mitohondriju ETĶ molekulārais komplekss. Tāpēc, lai palielinātu organisma enerģētisko nodrošinājumu (īpaši, piemēram, sportā, kā arī dažādu ar hipoksiju saistītu slimību gadījumā), dzintarskābi ieteicams lietot kopā ar ubihinonu, bet vēl efektīvāk - ar tā aktīvo formu ubihinolu.
Jāatzīmē, ka ETĶ ATP veidošanās raksturojas ar unikāli augstu lietderības koeficientu - apmēram 45% (pārējie 55% ir siltuma ražošana, kas uztur ķermeņa temperatūru un faktiski nodrošina organisma fizioloģiskos termiskos apstākļus). Tiklīdz organismā pārtrūkst skābekļa piegāde (piemēram, apstājoties elpošanai), uzreiz apstājas arī ATP un siltuma ražošana (un ķermenis ātri atdziest).
Kad, atrodoties aukstumā, pazeminās ķermeņa temperatūra, ieslēdzas trīcēšanas mehānisms (nesaskaņota atsevišķu muskuļu grupu saraušanās). Šajā laikā muskuļu kontraktilā proteīna un vienlaikus fermenta aktomiozīna iedarbībā ATP sairst līdz ADP un fosforskābei. Lietderīgs darbs netiek veikts, bet lielākā daļa enerģijas pāriet siltumā; ķermeņa temperatūra paaugstinās un cilvēks sasildās.
Tātad ETĶ ir audu elpošanas procesa trešais posms. Atgādināsim, ka šī procesa pirmais posms ir acetil~S-CoA veidošanās, turklāt ne tikai no glikozes, bet arī no citiem avotiem (taukskābēm un aminoskābēm); otrais posms ir Krebsa cikls, kura gaitā veidojas ūdeņraža donori NADH un FADH2 ETĶ funkcionēšanai, kur, izmantojot ūdeņraža pārneses enerģiju, faktiski notiek ATP sintēze. Tādējādi tiešais enerģijas avots, t.i., ATP, ir ETĶ, kur elektronu pārneses enerģijas rēķina tiek pārvarēts "aizliegums" pievienot fosfāta grupu ADP, un oksidatīvās fosforilēšanas procesā veidojas ATP.
Trīs audu elpošanas posmi: pirmais - visu enerģijas avotu (ogļhidrātu, ATSK) un olbaltumvielu (aminoskābju) pārvēršana par kopējo metabolītu - acetil-CoA; otrais - Krebsa cikls, kas kalpo par NADH un FADH2 donoru (elektronu un protonu, t.i., ūdeņraža atomu nesēju) trešajam posmam - ETĶ, kur arī notiek ATP veidošanās (pašā Krebsa ciklā veidojas tikai viena ATP molekula).
Mēs jau zinām, ka pastāv arī citi ATP avoti. Iepriekš aplūkojām glikozes anaerobās oksidēšanas procesu un atzīmējām, ka tajā kopumā veidojas divas ATP molekulas (divas tiek patērētas, četras - veidotas) uz substrātu-makroergu rēķina - 1,3-difosfoglicerāta un fosfoenolpiruvāta (tie veidojas bezskābekļa apstākļos un augstās enerģijas dēļ spēj, izmantojot šo enerģiju, nodot savu fosfāta grupu ADP, veidojot ATP). Viena šāda tipa stadija ir arī TKC. Šo ATP sintēzes ceļu sauc par substrātlīmeņa fosforilēšanu (t.i., uz substrātu-makroergu enerģijas rēķina), pretstatā oksidatīvajai fosforilēšanai, kas noris mitohondrijos un kuras enerģijas avots ir ar enerģiju bagātā elektronu pārnese. Kā minēts iepriekš, substrātlīmeņa fosforilēšana kā enerģijas avots ir būtiski mazāk efektīva nekā oksidatīvā fosforilēšana, tomēr tās norisei skābeklis nav nepieciešams. Eritrocītiem ar šo enerģiju pilnīgi pietiek normālas funkcionēšanas uzturēšanai, proti, skābekļa, oglekļa dioksīda un protonu pārnesei.
Vēl viens svarīgs ETĶ funkcionēšanas aspekts ir fizioloģiski nepieciešamais reaktīvo skābekļa formu veidošanās mehānisms, tostarp brīvo radikāļu. Normāls reaktīvo skābekļa formu līmenis ir svarīgs nosacījums daudzu dzīvībai nozīmīgu procesu norisei organismā; pārmērīgu to veidošanos sauc par oksidatīvo stresu, un šāds stāvoklis ir bīstams cilvēka veselībai.
Normālos apstākļos mitohondrijos 3% skābekļa pārvēršas tā reaktīvajās formās. Tomēr nelabvēlīgos mitohondriju darbības apstākļos reaktīvo skābekļa formu produkcija var būtiski pieaugt, un to pārpalikums izraisa pašas mitohondriju membrānas (kurā iebūvēta ETĶ), šīs ķēdes fermentu un mitohondriālās DNS bojājumus brīvo radikāļu ceļā. Tas ir īpaši bīstami mitohondriju ģenētiskajam aparātam, kas no brīvo radikāļu iedarbības ir aizsargāts ievērojami vājāk nekā kodola DNS. Šīs izmaiņas izraisa tā sauktās mitohondriju slimības (sirds-asinsvadu slimības, diabētu, imunitātes traucējumus u.tml.). Tieši tāpēc mitohondriju kompleksai antioksidatīvai aizsardzībai ir liela nozīme to normālai darbībai un seku profilaksei.
Pastāv arī citi negatīvi faktori, kas traucē ETĶ funkcijas.
Starp šiem faktoriem jāizceļ ETĶ fermentu inhibitori. Tie var iedarboties dažādos posmos un ar atšķirīgu intensitāti, no kā ir atkarīgs gala rezultāts - līdz pat letālam iznākumam. Šajā ziņā visbīstamākie ir pēdējā ķēdes fermenta - citohroma aa3 (citohromoksidāzes) - inhibitori, jo tā inhibēšana izslēdz visu ķēdi. Pie šādiem inhibitoriem pirmām kārtām pieskaita neorganiskos cianīdus (ciānūdeņražskābi, kālija cianīdu), kā arī oglekļa monoksīdu CO (nejaukt ar oglekļa dioksīdu), ko sadzīvē sauc par "tvana gāzi". Īpaši bīstama ir ciānūdeņražskābe - ar divām vai trim tvaiku ieelpām pietiek, lai pilnībā bloķētu ETĶ un izraisītu letālu iznākumu. Šo indi gāzes "Ciklon B" sastāvā nacisti izmantoja gāzes kamerās.
Jāpiebilst, ka organiskie cianīdi (nitrili) nav elpošanas ķēdes inhibitori (piemēram, jebkurā laboratorijā pieejamais šķīdinātājs acetonitrils), un dažiem no tiem pat piemīt vērtīgas ārstnieciskas īpašības, piemēram, amigdalīnam no rūgtajām mandelēm, ko dažkārt sauc par vitamīnu B17 un kam piemīt pretvēža īpašības; vairākās valstīs tas brīvi tiek pārdots aptiekās.
Oglekļa monoksīds CO (nejaukt ar CO2 - oglekļa dioksīdu) jeb "tvana gāze" saistās ne tikai ar asins hemoglobīnu un traucē skābekļa piegādi audiem (hemiskā hipoksija), bet arī ar ETĶ pēdējo citohromu (aa3), kas ir ievērojami bīstamāk, ņemot vērā ļoti zemo šī fermenta saturu mitohondrijos. Šajā gadījumā notiek pilnīga elpošanas ķēdes bloķēšana (tā sauktā audu hipoksija). Tā kā hemoglobīna saistīšanās produkts ar tvana gāzi ir spilgti sarkans, saindējušā cilvēka seja ir koši rozā - tā ir raksturīga ārēja pazīme. Pirmajā laikā pēc saindēšanās cilvēku var glābt ar hiperbarisko oksigenāciju, t.i., ievietojot kamerā ar tīru skābekli zem spiediena 2 atmosfēru (atm.) - tikai zem spiediena tīrs skābeklis var izspiest oglekļa monoksīdu (vienkārši iznest "svaigā gaisā" nepalīdzēs).
No citiem inhibitoriem jāmin insekticīds no dalmācijas kumelītes - rotenons, kas bloķē FMN-CoQ10 stadiju (tomēr tas iedarbojas tikai uz kukaiņu fermentu, tāpēc cilvēkam ir drošs, atšķirībā no sintētiskajiem insekticīdiem). Ķēdes inhibitori ir arī daži miega līdzekļi, piemēram, fenobarbitāls (Luminal) - barbitūrskābes atvasinājumi.
Turklāt acetaldehīds - produkts alkohola oksidēšanas pirmajā stadijā aknās - arī ir ETĶ inhibitors. Tas inhibē pirmo ETĶ fermentu (pirmās stadijas fermentu), kas izraisa hipoksiju. To var viegli pārbaudīt arī praksē: pamēģiniet uzkāpt pa kāpnēm līdz 4.-5. stāvam pirms vismaz vienas glāzes sausā vīna lietošanas un pēc tam - apmēram 20 minūtes pēc tās; elpošana būs apgrūtināta pat jauniem cilvēkiem. Tieši tāpēc alkohols ir bīstams jebkuru hipoksisku stāvokļu gadījumā, īpaši cilvēkiem ar sirds-asinsvadu slimībām. Jāatzīmē, ka, lai gan acetaldehīds ir salīdzinoši vājš inhibitors (vismaz salīdzinājumā ar citiem, kas aplūkoti iepriekš), tas ir ievērojami toksiskāks par sākotnējo etanolu; tāpēc tā veidošanās organismā nav detoksikācijas, bet gan toksifikācijas process.
