Евгений Иринин - Холестериновый атеросклероз, или Как предупредить инфаркт. Немного о гипотезах старения нашего организма

Когда были раскрыты сложнейшие механизмы образования биоэнергии? Оказывается, что природа сопряжениямежду процессами окисленияи фосфорилирования, обеспечивающих суммарный процесс биоэнергетики, – окислительное фосфорилирование, – оставалась загадкой для биохимиков всего мира вплоть до 1961 года, когда блестящий английский биохимик Питер Деннис Митчелл (1920—1992 гг.) выявил главные структуры механизма окислительного фосфорилирования, за что был удостоен в 1978 году Нобелевской премии по химии «за внесенный им вклад в понимание процесса переноса биологической энергии и за разработку хемиосмотической теории». Почему ученый был отмечен столь высокой наградой? Потому что вопрос о механизме окислительного фосфорилирования – это выяснение того, как энергия, образующаяся в дыхательной цепи, трансформируется в энергию фосфатных связей.

Митчелл показал, что энергия, высвобождающаяся в дыхательной цепи при переносе электронов, сопряжена с проталкиванием протонов из матрикса митохондрий в межмембранное пространство. Это приводит к разности концентрации протонов по обеим сторонам мембраны. Поток протонов по градиенту концентрации и используется для синтеза АТФ. Таким образом, этот талантливый исследователь первым догадался, что движение электронов по цепи является источником энергии для транслокации (проталкивания) протонов через митохондриальную мембрану. Возникающая при этом разность электрохимических потенциалов приводит в действие АТФ-синтетазу, которая в дальнейшем катализирует приводимую выше реакцию фосфорилирования.

Таким образом, Митчелл первым догадался, что на каждом ферментативном комплексе дыхательной цепи энергия, выделяющаяся в ходе окислительно-восстановительных реакций (передача электронов), идет на формирование трансмембранного потенциала, который затем используется АТФ-синтетазой для синтеза АТФ.

Разумеется, что подробное рассмотрение хемиосмотической гипотезы Митчелла, ставшей сейчас общепринятой среди специалистов, крайне сложной для читателя, представляется здесь излишней. Для читателей, желающих в деталях узнать, каким образом образующаяся в дыхательной цепи энергия используется в качестве протонного насоса, перекачивающего протоны из матрикса на наружную сторону мембраны, как образуется электрохимический градиент, как синтезируются молекулы АТФ с помощью АТФ-синтетазы, как устроен этот главный фермент, участвующий в производстве АТФ и работающий по принципу роторного двигателя, и другие подробности образования АТФ, можно рекомендовать любой современный учебник по биохимии, а также очерк известного российского митохондриолога академика Владимира Скулачева «Митчелл и его догадка», который был в дружеских отношениях с Митчеллом и на работах которого мы еще остановимся в дальнейшем.

Понятие окислительного фосфорилирования было сформулировано еще в 1930 г. выдающимся русским биохимиком В. А. Энгельгардтом. Питер Митчелл получил Нобелевскую премию не за открытие нового явления, а за разгадку его механизма .

Он первым объяснил природу сопряжения между тканевым дыханием и фосфорилированием.

Итак, мы рассмотрели процесс образования АТФ. Чем же примечательна молекула АТФ? В силу особенностей структуры это соединение богато энергией, и разрыв связей в молекуле АТФ может происходить таким образом, что высвобождающаяся энергия используется для осуществления жизнедеятельности всего организма , включая, конечно, и работу миокарда. Таким образом, аденозинтрифосфат (АТФ),является главным макроэргическимсоединением, которое свою энергетическую функцию реализует в процессе распада молекулы в результате гидролиза АТФ: от АТФ отщепляется фосфатный остаток с образованием АДФ и ортофосфорной кислоты: АТФ + Н 2О = АДФ +Н 3РО 4+ энергия.

АТФ как вещество было открыто учеными Гарвардской медицинской школы еще в 1929 г., однако механизм синтеза этого вещества был раскрыт значительно позже, при этом открытие Митчелла не поставило точку в этом вопросе. Только в 1997 г. химики Пол Бойер (США) и Джон Уокер (Англия) показали, каким образом фермент АТФ-синтетаза осуществляет синтез АТФ. За разгадку природы работы АТФ-синтетазы, которую исследователи назвали «молекулярной электростанцией» в живом организме, эти исследователи были удостоены Нобелевской премии.

АТФ – это универсальный источник энергии для всех биохимических процессов, протекающих в живых системах.Все живые клетки постоянно нуждаются в АТФ для осуществления работы различных органов. Так, клетки мозга потребляют большое количество АТФ для синтеза нейромедиаторов, в миокарде за счет АТФ постоянно совершается механическая работа сердечной мышцы, обеспечивающая циркуляцию крови и т. д. Таким образом, АТФ является универсальным донором энергии в большом количестве АТФ-зависимых реакций, поэтому его называют «энергетической валютой». Вместе с тем АДФ – это универсальный акцептор энергии. Цикл АТФ—АДФ – основной механизм обмена энергии в клетке.

Читатель, преодолевший скучное, но очень важное содержание данного параграфа, может вправе считать, что он в самых общих чертах познакомился с фундаментальными понятиями биологической химии (науки, которая раскрывает химические основы жизнедеятельности нашего организма): циклом Кребса, тканевым дыханиеми окислительным фосфорилированием – процессами, обеспечивающими выработку универсального источника энергии в организме – АТФ.Читатель смог убедиться в сложности процессов, протекающих в нашем организме, «пока мы живем». Из приведенных здесь сведений следует, что мы живем благодаря ни на миг не прекращающимся окислительно-восстановительным процессам в нашем организме.

В качестве афоризма мы привели высказывание великого Гете, который дал философское определение жизни как удивительной находки природы . Биологи, в полной мере осознающие сложнейшие процессы цикла Кребса, назвали этот цикл удивительнейшим изобретением природы.

Мы сочли целесообразным отметить основные положения процесса образования АТФ с тем, чтобы понять механизм инфаркта , на котором мы остановимся в следующем параграфе. Без понимания процессов энергообразования в миокарде понять особенности его работы в условиях ишемии, обусловленной образованием атеросклеротической бляшки, нельзя.

Без кислорода, постуающего в митохондрии, жизнь угасает через несколько минут (человек погибает от инфаркта). Теперь мы знаем, почему так происходит. Потому, что кислород обязательно участвует в одной из множества реакций, а именно – на завершающем этапе реакции в дыхательной цепи. Если в клетку не поступает кислород , то последний дыхательный фермент цепи не может освободиться от своего лишнего электрона, дыхательная цепь замирает, выработка АТФ прекращается. В этом и состоит главная биологическая роль кислорода в выработке энергии. Если нарушается работа переносчиков электронов в дыхательной цепи, то прекращается выработка энергии АТФ. Известно, что такой классический яд, как цианид, ингибирует цитохромоксидазу. Поэтому стоит человеку употребить цианистый калий, как сразу же прекращается работа последнего переносчика электронов на кислород – цитохромоксидазы, работа дыхательной цепи останавливается, выработка АТФ прекращается, и организм мигом погибает.