Продукты, возникшие в результате гликолиза, содержат еще большой запас химической, энергии, которая может быть освобождена и использована организмом при полном окислении продуктов анаэробной фазы. Это могут осуществлять только аэробные организмы, у которые гликолиз является первым, этапом энергетических превращений.

Стадия кислородного расщепления, как и гликолиз представляет собой последовательность ферментативных реакций, но сосредоточенных в специализированных энергетических органеллах клетки - митохондрий. Дыхание - высокоупорядоченный, каскадный и экономичный процесс высвобождения химической энергии и преобразования ее в энергию макроэргических связей АТФ.

Основная часть происходящей: в клетке работы - химической, механической, энергетической или осмотической - выполняется за счет свободной энергии, поставляемой в доступной форме реакциями окисления - восстановления, образующими в совокупности циклический процесс превращений органических кислот - цикл Кребса, начало которому дают конечные продукты анаэробного этапа дыхания. Главенствующую роль в реакциях ступенчатого окисления исходных продуктов играют С 4 – и С 6 -органические кислоты - лимонная и близкие к ней ди- и трикарбоновые кислоты. Сущность превращений состоит в ступенчатом декарбоксилировании и дегидрировании пировиноградной кислоты - продукта анаэробного этапа дыхания, происходящих в три стадии.

Первая стадия. Окислительное декарбоксилирование пирувата с участием коэнзима А(КоА) - соединения высокой каталитической активности, производного аденина, и окисленной формы НАД +

В результате этой реакции образуется активный адетил-КоА, содержащий высокоэнергетическую тиоэфирную связь, гидролиз которой обеспечивает энергией начальную реакцию второй стадии, отщепляется первая молекула СО 2 и восстанавливается НАД.

Вторая стадия. Образованный ацетил-КоА присоединяется к четырехуглеродной акцепторной молекуле - щавелево-уксусной кислоте - с образованием шестиуглеродного соединения - лимонной кислоты, начиная цикл реакций (цикл Кребса), осуществляющихся в матриксе митохондрий. В результате дальнейших реакций происходят последующее декарбоксилирование на этапе щавелево-янтарной и кетоглутаровой кислот, восстановление электронами, отщепленными НАД и ФАД от субстратов цикла, и регенерация щавелево-уксусной кислоты. Происходит замыкание цикла. Молекула пирувата превратилась в три молекулы СО 2 и образовалось 5 пар ионов водорода и электронов, восстанавливающих коферменты (рис, 68).

Важно отметить, что на одном из этапов цикла (перед образованием янтарной кислоты) образуется активный сукцинил-КоА, превращение которого в янтарную кислоту сопровождается выделением энергий, достаточной для образования макроэргической связи АТФ. Такой тип образования АТФ называется субстратным фосфорилированием.

Третья стадия. Окисление субстратов в цикле Кребса сопровождается- одновременным восстановлением НАД и ФАД. Для регенерации (окисления) этих восстановленных коферментов с целью их участия в новых превращениях субстрата нужен кислород. Он поглощается клеткой и поставляется в митохондрии. В дальнейшей серии реакций богатые энергией восстановленные НАД и ФАД передают свои электроны в электронно-транспортную цепь, представляющую собой мультиферментный комплекс, находящийся на внутренней поверхности митохондриальных мембран.

Движущей силой в дыхательной цепи является разность окислительно-восстановительных потенциалов ее компонентов. В начале цепи расположен НАД, у которого наибольшая отрицательная величина окислительно-восстановительного потенциала (-0,32В), а в конце цепи - кислород (+0,82 В). Остальные переносчики расположены в порядке последовательного повышения потенциала, что и создает конвейер транспорта электронов и протонов. На каждом из этапов переноса электроны попадают на все более низкий энергетический уровень до тех пор, пока не будут присоединены кислородом, восстанавливающимся в результате этого до воды. Роль необходимого для живых организмов кислорода и состоит именно в том, чтобы присоединять электроны, отщепляемые при превращениях дыхательных субстратов.

Многозвенная цепь переноса электронов (дыхательная цепь) осуществляет ступенчатое окисление субстратов путем отрыва от них протонов и переноса электронов по дыхательной цепи к молекуле кислорода на конечном участке. Дыхательная цепь напоминает каскадное устройство, поставляющее клетке свободную энергию удобными для нее порциями. В процессе такого каскадного передвижения электрона по цепи переносчиков на трех этапах (рис. 69) происходит превращение энергии окисления в энергию АТФ из АДФ и неорганического фосфата. Осуществляется процесс окислительного фосфорилираеания.

Энергетический баланс дыхательного процесса. Процесс дыхания представляет собой сложный многоэтапный процесс, начало которому

дают реакции анаэробного расщепления дыхательного материала до более простых, но богатых энергией соединений типа пировиноградной кислоты (гликолиз), и собственно дыхание - реакции биологического окисления с участием кислорода воздуха. Каждая молекула пирувата, образованная в результате гликолитического расщепления и используемая для дальнейшего окисления, дает шесть пар электронов. При этом пара электронов после прохождения блока дыхательных реакций, включающих электронно-транспортную цепь, дает начало трем молекулам АТФ.

Последовательность реакций и процессов образования АТФ:

1. На гликолитическом этапе молекула глюкозы дает 2 молекулы АТФ. При этом окисление фосфоглицеринового альдегида до фосфоглицериновой кислоты дает 2 молекулы восстановленного кофермента НАД Н, которые при последующем прохождении через дыхательную цепь образуют уже 6 молекул АТФ (по 3 на каждую молекулу НАД Н)

2+6 молекул АТФ.

II . 1. В аэробной фазе дыхания при окислении пирувата до СО 2 образуется 4 молекулы НАД Н. При их окислении в дыхательной цепи образуется 12 молей АТФ

12 молекул АТФ.

2. В цикле Кребса происходит восстановление 1 молекулы ФАД∙Н, энергетический эквивалент которого равен 2 молекулам АТФ

2 молекулы АТФ.

3. При окислении кетоглутаровой кислоты до янтарной происходит субстратное фосфорилирование, энергия которого равнозначна образованию 1 моля АТФ .

1 молекула АТФ.

Всего за аэробную фазу окисления 1 молекулы пирувата образуется

15 молекул АТФ.

В связи с тем что из молекулы глюкозы при гликолизе образуется две молекулы пирувата, количество АТФ после окисления равно

30 молекулам АТФ.

Добавив 12 молекулы АТФ анаэробной фазы и 6 молекул АТФ от окисления НАД ∙Н гликолитического этапа, +6 получим

38 молекул АТФ.

В 38 молях АТФ аккумулировано 1162,8 кДж. Энергетическая емкость молекулы глюкозы составляет 2824 кДж. Отсюда КПД процесса использования глюкозы в дыхании составляет более 40 %.

— Источник—

Богданова, Т.Л. Справочник по биологии/ Т.Л. Богданова [и д.р.]. – К.: Наукова думка, 1985.- 585 с.

Post Views: 34

Глава 17. Кислородное голодание

17.1. Общие положения

В судебной медицине большое внимание уделяется диагностике и изучению расстройства здоровья, а также смерти и изменений, которые возникают в результате кислородного голодания.

Кислородное голодание (гипоксия) представляет собой следствие недостаточного поступления в организм или недостаточного использования тканями кислорода.

Изучение влияния кислородного голодания на организм человека и его последствий необходимо для разработки многих проблем судебной медицины в связи с встречающимися в судебно-следственной практике различными видами кислородного голодания. Последние нельзя изучать без учета тех данных, которые получены в настоящее время при исследовании. Различают следующие виды гипоксии в связи с причинами, вызывающими кислородную недостаточность.

Дыхательная гипоксия возникает вследствие недостаточного насыщения крови кислородом в легких и, следовательно, недостаточного напряжения кислорода в артериальной крови.

Эта форма гипоксии обусловлена:

1) уменьшением содержания кислорода во вдыхаемом воздухе;

2) расстройством регуляции дыхания;

3) поражением легочной ткани (например, при воспалительных процессах, в легких и других патологических процессах).

Застойная (циркуляторная) гипоксия обусловлена замедлением тока крови или недостаточностью притока ее к отдельным органам. Она наблюдается при расстройствах кровообращения, хронической сердечной недостаточности, а также при шоке. При нормальном насыщении крови кислородом общий объем кислорода, поступающего к тканям в единицу времени, уменьшается в связи с причинами, вызывающими кислородную недостаточность.

Анемическую гипоксию констатируют при недостаточном количестве гемоглобина в крови, в результате чего понижается и общее количество кислорода. При этой форме гипоксии понижена кислородная емкость крови вследствие уменьшения количества гемоглобина (например, при острых и хронических анемиях, изменении состояния крови в результате воздействия кровяных ядов и образования метгемоглобина или карбоксигемоглобина).

Гистотоксическая (тканевая) гипоксия характеризуется уменьшением способности тканей использовать доставляемый им кислород. Так, при отравлении цианидами понижена окислительная способность тканей.

Перечисленные основные формы гипоксии встречаются в чистом виде, а в тех случаях, когда имеют место несколько причин, вызывающих различные формы гипоксии одновременно, и в смешанном. Всегда следует помнить, что гипоксия вызывает значительные нарушения в организме, приводящие в конце концов к смерти.

Клинически кислородное голодание может протекать и в следующих формах.

Молниеносная форма - очень быстро развивающаяся - встречается при вдыхании химически инертных газов (азота, метана, гелия) при одновременном недостатке кислорода. Эта форма асфиксии может быть вызвана сдавлением трахеи, а иногда возникает у людей, находящихся в шахтах с высоким содержанием метана, старых колодцах, трюмах старых кораблей.

Острая форма отличается от молниеносной количественно. При этой форме все явления развиваются не так быстро, как при молниеносной. Острая форма возможна при резком понижении атмосферного давления, вдыхании газовой смеси с инертными газами, отравлении окисью углерода, некоторых сердечно-сосудистых заболеваниях. Примером данной формы асфиксии может быть смерть в закрытых гаражах или на кухнях, где есть газовые плиты, от отравления газом.

Хроническая форма наблюдается при длительном пребывании в атмосфере с пониженным содержанием кислорода (например, на больших высотах) и для судебной медицины имеет небольшое практическое значение.

В судебно-медицинской практике приходится встречаться в основном с молниеносной и острой формами кислородного голодания.

17.2. Прижизненное течение гипоксии

В развитии кислородного голодания наблюдается несколько периодов. Первый период - инспираторной одышки - вскоре сменяется экспираторной одышкой, за которой наступает общее судорожное сокращение отдельных мышц, обусловленное возбуждением коры головного мозга. Затем следует дыхательная пауза, продолжающаяся 1-2 минуты. После паузы возникают так называемые терминальные дыхания. Их обычно несколько, они продолжаются 1-2 минуты. Вслед за этим развивается паралич дыхания. Артериальное давление вначале повышается, что объясняется возбуждением сосудосуживающего центра углекислотой, накапливающейся в крови, затем вследствие паралича этого центра кровяное давление падает. Сердечная деятельность сначала ускоряется, впоследствии резко замедляется. Иногда наблюдаются кратковременные ускорения сердечных сокращений и, наконец, - остановка сердца.

Общая продолжительность острой гипоксии у человека равна 5-7 минутам, после чего наступает смерть. То обстоятельство, что сердечная деятельность продолжается после остановки дыхания, имеет практическое значение, так как это позволяет восстановить жизненные функции организма при острой гипоксии (например, при повешении, утоплении).

Несомненно, что течение гипоксии зависит от индивидуальных особенностей организма (например, возраста, типа высшей нервной деятельности и ряда других).

17.3. Трупные явления при гипоксии

Трупные явления при смерти от гипоксии не представляют ничего характерного именно для этого вида смерти. Все явления, наблюдающиеся на трупе при смерти от гипоксии, присущи острой, быстро наступающей смерти вообще. Поэтому нельзя ставить диагноз смерти от гипоксии только на основании комплекса данных признаков. Это может привести к ошибкам. Степень выраженности тех или иных признаков обусловлена как индивидуальными особенностями умершего, так и видом гипоксии.

Явления, наблюдающиеся при наружном осмотре трупа. Трупные явления хорошо выражены у молодых крепких субъектов. У лиц пожилого возраста, стариков, истощенных субъектов резко выраженных явлений, описываемых ниже, не наблюдается.

При наружном осмотре обычно отмечается резко выраженный цианоз кожных покровов лица, хорошо выраженные трупные пятна и трупное окоченение. В кожных покровах лица, особенно в коже век, имеются многочисленные мелкие кровоизлияния - экхимозы. Последние наблюдаются чаще всего в конъюнктивах. Экхимозы в коже могут быть иногда и в других местах, в частности, в области трупных пятен, где они имеют иное, уже посмертное происхождение. Когда тело висит в петле, множественные кровоизлияния наблюдаются в коже нижних конечностей. У мужчин набухает половой член. Иногда выделяются кал, моча и сперма, но это обычно бывает в судорожном периоде асфиксии.

Явления, наблюдающиеся при внутреннем исследовании трупа.

Состояние кровенаполнения мягких покровов черепа (а также мозга и его оболочек) зависит от ряда причин, в частности, от положения трупа. Так, если тело долго висело в петле, то мягкие покровы и мозг с оболочками могут быть в значительной степени обескровленными. Рекомендуется тщательно осматривать мягкие покровы шеи, где при некоторых видах асфиксии обнаруживаются кровоизлияния в мышцах, околососудистой и межмышечной клетчатке.

Состояние крови соответствует тому, что наблюдается при быстро наступающей смерти. Кровь жидкая и темная вследствие того, что при быстро наступающей смерти органы и ткани трупа, сохраняющие еще в течение некоторого времени свою жизнеспособность, продолжают поглощать кислород из крови. В результате образуется редуцированный гемоглобин. Последний может быть обнаружен в трупе. Венозные сосуды, синусы твердой мозговой оболочки, правая половина сердца оказываются резко расширенными, переполненными жидкой кровью, что представляется застойным полнокровием ткани и органов. Поэтому все внутренние органы имеют синюшно-багровый цвет. Под серозными оболочками, особенно под висцеральной плеврой легких, в частности, между их долями, под эпикардом, на задней и передней поверхностях сердца наблюдаются множественные экхимозы. Они могут быть и в конъюнктивах, в толще зобной железы, в слизистой оболочке гортани, надгортанника, в мягких покровах черепа. Возникновение экхимозов обусловлено, с одной стороны, повышением кровяного давления капиллярной сети, а с другой - повышенной проницаемостью сосудистой стенки, возникающей при острой гипоксии. Экхимозы возникают в судорожном периоде, когда кровяное давление резко повышается. У лиц, подвергавшихся сдавлению шеи петлей, при возвращении их к жизни отмечается наличие экхимозов. Они нередко наблюдаются в конъюнктивах век, на склере, в коже лица при различных патологических состояниях (например, у детей при коклюше, у беременных во время потуг при родоразрешении). Мелкие кровоизлияния возникают также вследствие патологических изменений сосудистых стенок и при многих болезненных состояниях: лейкозах, анемии, геморрагическом диатезе, авитаминозах, интоксикациях, при сепсисе.

Экхимозы не являются признаком собственно смерти от гипоксии, так как обнаруживаются при острой смерти вообще, а в частности, при внезапной острой сердечной недостаточности. Наличие экхимозов само по себе не дает оснований ставить диагноз смерти от гипоксии, что иногда еще встречается в практике.

Гистологические изменения в тканях при гипоксии те же, что и при острой, быстро наступившей смерти.

Острое кислородное голодание вызывается следующими причинами:

§ механическим воздействием;

§ ядовитыми веществами;

§ недостатком кислорода во вдыхаемом воздухе;

§ кровопотерей;

§ рядом других патологических состояний.

В судебно-медицинской практике преимущественное значение имеют те виды кислородного голодания, которые развиваются вследствие механических препятствий для дыхания. С ними и приходится преимущественно иметь дело судебно-медицинским экспертам и судебно-следственным органам.

Контрольные вопросы

1. Какие виды кислородного голодания исследуются в судебной медицине?

2. В каких формах протекает кислородное голодание?

3. Какие трупные явления развиваются при гипоксии?

| |

Организмы, которые могут жить лишь в среде, содержащей кислород, называют аэробами (от греч. aer — воздух и bios — жизнь). В их клетках проходят три стадии энергетического обмена, а АТФ синтезируется в основном на кислородной стадии. Органические вещества в клетках аэробов окисляются с участием кислорода до конечных продуктов дыхания — СО 2 и Н 2 О, которые выделяются в окружающую среду. Человек, все растения, почти все животные, большинство грибов и бактерий — аэробы.
Гликолиз происходит в клетках и аэробов, и анаэробов. Далее в клетках аэробов ПВК, НАД Н поступают в , где наступает третья стадия энергетического обмена — кислородная , названная так за участие кислорода в окислении органических веществ.

* Кислородная стадия сопровождается освобождением энергии. Так, при расщеплении одной грамм-молекулы глюкозы освобождается 635 000 кал. Если бы вся энергия освобождалась сразу, клетка погибла бы от перегрева. Этого не происходит, потому что энергия освобождается поэтапно, небольшими порциями, в ходе последовательных ферментативных реакций.

Реакции кислородной стадии можно разделить на три группы:

1. Молекулы ПВК в результате многочисленных реакций с участием ферментов окисляются до углекислого газа и воды. При этом от молекулы ПВК отщепляются атомы водорода, которые передаются НАД + с образованием НАД Н. Восстановленная молекула НАД Н доставляет атомы водорода в дыхательную цепь и вновь превращается в НАД + .
2. Атомы водорода в дыхательной цепи отдают электроны и окисляются до Н + . Дыхательная цепь состоит из комплекса разнообразных белков, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрии. Перемещаясь от одного белка к другому, электроны вступают в окислительно-восстановительные реакции и при этом отдают энергию, идущую на синтез молекул АТФ из АДФ и фосфорной кислоты (Ф). В результате кислородного этапа при окислении двух молекул ПВК образуется 36 молекул АТФ.
3. В конце дыхательной цепи электроны соединяются с молекулярным кислородом и двумя протонами H + , в результат cc8 е образуется молекула воды.

Таким образом, энергия, освобождающаяся при окислении водорода, используется для синтеза АТФ из АДФ. В результате энергетического обмена при расщеплении одной молекулы глюкозы в клетке синтезируется 38 молекул АТФ и, таким образом, сберегается около 55% освобождающейся энергии. Остальные 45% выделяющейся при расщеплении энергии рассеиваются в виде тепла (КПД паровых машин составляет всего 12-15%).

* Какова роль кислорода в энергетическом обмене? После восстановления НАД + — вещества-переносчика атомов водорода — до НАД Н оно уже не способно больше соединяться с водородом. В то же время содержание HAД + в клетке невелико. Если бы не происходило постоянного окисления НАД Н, реакции могли бы приостановиться. Таким образом, кислород необходим как акцептор электронов для окисления НАД Н до НАД + .