Путь Кислорода. Прием кислорода клеткой и ресинтез АТФ

В прошлой статье мы отследили условия, при которых кислород отделяется от гемоглобина эритроцита. Теперь он должен зайти в клетку, но что этому может помешать?

От эритроцита до клетки · Клеточные мембраны · Митохондрии

От эритроцита до клетки

Кислород отсоединился от гемоглобина. Он должен пройти мембрану кровеносного капилляра, а затем межклеточное пространство, чтобы дойти до клетки — конец пути кислорода находится внутри клеточных органелл — митохондрий, где он участвует в цикле Кребса.

Скорость с которой кислород поступит из гемоглобина в ткани будет зависеть от плотности капилляров в тканях (площади обмена), и длины расстояния. Эти условия прямо влияют на напряжение кислорода (pO2), которое как мы говорили, выступает в качестве движущей силы перемещающей кислород в организме.

  • Длина расстояния

Путь кислорода от гемоглобина до митохондрии значительно длиннее пути, который проделывает кислород от альвеолы в кровь. Если в легких его путь составляет 1 мкм, то здесь O2 путешествует на расстояние до 100 микрометров.

Согласно модели предложенной Августом Крогом в 1918 г., участок ткани, снабжаемый одним капилляром, признается цилиндром, осью которого служит капилляр. Напряжение O2 в участках ткани зависит от удаленности участка от капилляра — чем дальше участок, тем меньше в нем напряжение O2. Зоны, которые расположены от капилляров далеко, называют «мертвый угол», в них находятся самые неблагоприятные условия оксигенации.

Например, содержание O2 в тканях мозга, величина очень изменяющаяся — от 5 мм рт. ст., до 90 мм рт. ст. Есть области, лежащие рядом с капилляром, где pO2 высокое, но есть и области удаленные от капилляра — они имеют крайне низкое содержание O2.

В точке, максимально удаленной от капилляра (в «мертвом углу»), рO2 составит 12 мм рт.ст., при критическом уровне — 4 мм рт.ст. [ 1 ]. Когда напряжение O2 падает меньше 0,1 мм рт. ст., это становится несовместимым с жизнью и клетка погибает.

  • Плотность капилляров в тканях

Рассмотрим сердце. В миокарде на каждое мышечное волокно приходится 1 капилляр, а среднее расстояние между капиллярами составляет 25 мкм. Расстояние между капиллярами в коре головного мозга — 40 мкм, в скелетных мышцах — 80 мкм. Следовательно, в сердечной мышце более благоприятные условия для поступления кислорода в клетки. [ 2 ]

Проделав путь от капилляра к клетке, кислород должен пройти клеточную мембрану, протоплазму клетки и мембрану внутриклеточной органеллы — митохондрии, в которой происходит процесс окисления, дающий энергию для жизни и работы клетки.

Если клетки неспособны воспринимать принесенный кровью кислород — это называется тканевой (гистотоксической) гипоксией. Причины могут быть связаны с уменьшением проницаемости клеточных мембран, или с проблемами внутри клетки – её протоплазмой или митохондриями.

Мембрана эритроцита составляет всего 1 % от его веса, но играет важную роль в жизнедеятельности клетки. Мембрана отвечает за эластичность, прочность, деформацию эритроцита при прохождении через узкие капилляры.

Клеточные мембраны

Прохождению кислорода в клетки может помешать неудовлетворительное состояние её мембраны и мембран митохондрий. Это связано с чрезмерной кислотностью, которая сама создается главным образом в условиях низкого кислорода.

Мы уже знаем, что при гипоксии количество произведенной энергии из 1 молекулы глюкозы дает в 6 раз меньше АТФ, в клетках возникает нехватка продуктов для обеспечения энергией. Одновременно, глюкоза, белки и жиры проходят непоную обработку и уходят в лактат закисляющий pH-среду организма.

По мнению дважды Нобелевского лауреата Отто Варбурга, «увеличение количества канцерогенов, токсических веществ и загрязнений причина того, что клетки неспособны эффективно поглощать кислород». 

При снижении pH особенно поражаются жировые компоненты мембран митохондрий (действие на мембранные фосфолипиды фосфолипаз), что приводит к изменению их проницаемости. Кислая среда усиливает свободнорадикальные и липопероксидные окислительные процессы, появляется большое количество свободных радикалов и развиваются свободнорадикальные окислительные процессы. Свободные радикалы реагируют со всеми биологическими молекулами что встречаются им на пути — белками, жирами и ДНК.

Мембраны состоят из жиров. Жиры слабо удерживают электроны. Свободные радикалы вырывают электроны из мембран и они теряют способность нормально пропускать в клетку питательные вещества и кислород, но при этом начинают лучше пропускать болезнетворные бактерии и токсины.

Ухудшение проницаемости клеточных мембран может возникать из-за их уплотнения (накапливают холестерин). Изменяют свои свойства мембраны митохондрий и под влиянием гипербарической оксигенации, ионизирующего облучения, при авитаминозах (витамин Е) и др. Здоровье эндотелиальных клеток, из которых состоят мембраны, мы подробно рассматриваем здесь.

Митохондрии

Кислород может поступить в клетку, но его утилизация в ней может быть нарушена. Помешать усвоению кислорода могут проблемы внутри митохондрий. В этом случае говорят о тканевом типе гипоксии — РО2 венозной крови увеличивается, а артериовенозная разница по кислороду снижается.

Сбой в митохондриях может быть связан с дефицитом углеводов; низкой активностью ферментов переводящих кислород в АТФ; разобщения биологического окисления; или расстройства внутриклеточного транспорта энергии. Если с дефицитом углеводов нам всё ясно, то остальные пункты требуют пояснения.

Работа любых клеточных органелл является сложной темой — она требует хорошего знания биохимии. Наш читатель не биохимик, поэтому мы ограничимся здесь лишь общим описанием сути проблемы.

Чтобы использовать кислород, в клетке должны быть соответствующие структуры, которые могут его усвоить — АТФ. Для её создания нужен «строительный материал», который мы должны получить с пищей. Несбалансированное питание может привести к недостатку фосфолипидов, предшественников АТФ — лецитина, и коэнзима Q10. В результате кислород клеткой будет усваиваться недостаточно хорошо.

При достатке питательных веществ, причиной ослабления процесса образования АТФ может быть разобщение биологического окисления. Разобщающее действие оказывают некоторые гормоны (тироксин и др.), ионы Са2+, жирные кислоты, токсины ряда микробов и другие факторы.

Расстройства внутриклеточного транспорта энергии возможны при изменении активности ферментов, участвующих во взаимодействии АТФ и креатина. Снижение активности наблюдается при изменении рН клетки, нарушении ионного равновесия и др.

Нарушение энергетического обеспечения клеток вследствие расстройства утилизации энергии АТФ встречается реже (в основном, в сердце). При увеличении массы миокарда и сократительного белка миозина его способность использовать энергию АТФ снижается.

Нарушение работы ферментов дыхательной цепи может происходить и в следующих случаях:

  • Подавление активности ферментов дыхательной цепи при отравлении цианидами, эфиром, уретаном, барбитуратами, алкоголем, некоторыми антибиотиками, солями тяжелых металлов;
  • Недостаток образования ферментов дыхательной цепи на фоне дефицита витаминов В1, В2, РР и В5 (авитаминоз);
  • Неправильная и нескоординированная работа ферментов дыхательной цепи при отравлении нитратами, токсинами микробов, воздействии большого количества гормонов щитовидной железы и т.д.;
  • Повреждение структуры ферментов при злокачественных образованиях, действии радиоактивного излучения, при уремии, кахексии, тяжелых инфекционных заболеваниях и т.д.

Гипоксия расстраивает работу митохондрий, что запускает цепной механизм старения — нарушается производство АТФ, появляется дефицит макроэргических соединений и расстройства обмена веществ.

Так постепенно вначале отдельные клетки, а затем клеточные ассоциации и далее целые органы утрачивают связь с окружающей средой. В конце концов этот процесс и приводит к угасанию всех функций организма, и при естественном ходе событий приводит к смерти. [ 3 ]

Осталось добавить, что гипоксия, перекисное окисление липидов и дисфункция митохондрий признаны пусковым звеном развития типового патологического процесса.

###

GO

Это заключительная из 7 статей, описывающих все этапы пути кислорода в организме, от вдоха до его утилизации клеткой. Мы увидели какие он проходит преобразования и что затрудняет его продвижение.

Недостаточное снабжение кислородом (гипоксия) может возникать под влиянием физических, химических, биологических и др. факторов, нарушающих деятельность органов и систем. К таким системам относятся системы дыхания, кровообращения и крови, а также внутриклеточные системы (митохондрии).

Сбой, в результате которого наступает гипоксия, может быть на любом из отрезков пути. К старости нарушения на разных отрезках накладываются друг на друга. Оказывают влияние болезни, образ жизни, среда, стрессы, переохлажнение, гиподинамия и мн. другое. Увы, все мы, кто из нас в большей степени, кто в меньшей, кто часто, а кто время от времени, пребываем в гипоксии.

В следующей статье мы узнаем как оценить кислородный статус организма. Если вы хотите вернуться на любой из отрезков пути кислорода, список перед вами.

Что касается процедур углекислых бикарбонатных ванн, то на этом отрезке пути кислорода они помогают в удалении избытка свободных радикалов. Это даёт митохондриям больше кислорода.

Коган А.Х., Грачев С.А., Елисеева Е.В. и Болевич С.Л. из Московской медицинской академии имени И.М. Сеченова установили, что углекислый газ может значительно подавлять образование свободных радикалов, поскольку углекислый газ универсальный ингибитор генерации активных форм кислорода клетками.

«Углекислый газ значительно тормозит реакции образования активных форм кислорода, защищая таким образом клетки от разрушения». Специалисты клиники академика РАМН Соколова Е.И. в Москве отмечают, что при увеличении углекислого газа в крови, у больных бронхиальной астмой среднетяжелого течения «…отмечается статистически значимое снижение вторичных продуктов перекисного окисления липидов, что привело к росту функциональной антиоксидантной обеспеченности организма. … Снижение свободно-радикального окисления липидов в результате гиперкапнического действия средства, оказало противовоспалительное действие». [ 4 ]

Теплые бикарбонатные ванны помогают в борьбе и с холестериновым уплотнением мембран. Это становится возможным за счет повышения секреции эндотелиальных клеток оксида азота. Кроме того, ванны создают аккумуляцию стерильного тепла (без микробов), повышают температуру тела, что дополнительно увеличивает проницаемость мембран [ 5 ].

ПРОДОЛЖИТЬ ЧТЕНИЕ

Используемые в статье источники:

1 ] Thews G. Die Sauerstoff diffusion in Gehirn. Arch. ges/ Physiol., 1960, Bd 271, s.197-226

2 ] Физиология человека. В 3-х томах. Т. Пер с англ./ под ред. Р. Шмидта и Г. Тевса. М.: Мир, 1996. 313 с.

3 ] Академик АМН СССР Ю. Лопухин, 1990 г.

4 ] Зинатулин С.Н. Как я жил без кислорода. Опыт «наглого» Доктора. Изд.: Динамика, 2003

5 ] Залманов А. С. Тайная мудрость человеческого организма. СПб.: Наука. 1991. ISBN: 5-02-025832-6 

Поиск по тегам: 

На Главную