2,4-динитрофенол (ДНФ) был препаратом для похудения, который появился на прилавках магазинов США в 1930-х годах. Он использовался в качестве красителя и на французских заводах по производству боеприпасов в качестве ингредиента для бомб во время Первой мировой войны. Рабочие и солдаты, подвергшиеся воздействию соединения, испытали различные побочные эффекты, включая, конечно, потерю веса. Позже, в 1930-х годах, это соединение привлекло внимание исследователей из Стэнфорда. Они обнаружили, что это очень подходит для увеличения расхода энергии [1]. Действительно, их результаты на небольшой выборке испытуемых были весьма замечательными. Они сообщили об увеличении расхода энергии не менее чем на 40 % у большинства мужчин. Они отображают скорость обмена веществ и изменение веса у одного из испытуемых в виде рисунка:

В более позднем отчете тех же авторов отмечается, что они обнаружили увеличение скорости основного обмена в среднем на 11 % на каждые 100 мг ДНП [2]. Он был запрещен не намного позже, в 1938 году, в результате того, что от него умерло несколько человек.

Но как же это работает? Как это увеличивает скорость метаболизма? DNP делает это, действуя как так называемый митохондриальный разобщитель. Чтобы понять, что это значит, я представлю краткий обзор того, как клетки получают большую часть своей энергии посредством так называемого окислительного фосфорилирования. Именно этот процесс «саботируется» DNP. Увеличение скорости метаболизма, наблюдаемое при повышении уровня гормонов щитовидной железы, также в какой-то степени является результатом саботажа этого процесса, хотя и достигается немного по-другому.

Окислительное фосфорилирование: получение энергии от прохождения электронов

Мне всегда приятно рассказать о биохимии в статье. Я чувствую, что эти лежащие в основе принципы лишают часть магии эффектов наркотиков, таких как ДНФ, и тем самым дают более ясную картину того, как все работает. Если повезет, я мог бы даже, возможно, заинтересовать некоторых из вас, читающих это, в дальнейшем чтении по этому вопросу. Биохимия и клеточная биология являются чрезвычайно интересными областями исследования.

Клетки вашего тела постоянно выполняют всевозможные функции, чтобы, по сути, поддерживать вашу жизнь. Многие из этих процессов потребляют энергию. Эта энергия, в конечном счете, получена из продуктов, которые вы едите. Углеводы, жиры и белки, даже алкоголь, имеют энергию, хранящуюся в их химических связях. Задача вашего тела — извлекать эту энергию и превращать ее во что-то полезное. Подобно тому, как двигатель вашего автомобиля не будет работать на сырой нефти, эти клеточные процессы не будут работать напрямую на макроэлементах. Вместо этого для большинства этих процессов требуется энергия молекулы, называемой аденозинтрифосфатом (АТФ), точно так же, как двигателю автомобиля требуется бензин.

Давайте посмотрим, как это будет работать для молекулы глюкозы, углевода. Когда молекула глюкозы используется клеткой для получения АТФ, она сначала подвергается процессу, называемому гликолизом. Гликолиз — это процесс, состоящий из различных ферментативных стадий, которые расщепляют молекулу глюкозы на 2 молекулы пирувата и производят 2 молекулы АТФ (среди некоторых других молекул). В двух словах:

глюкоза -> 2 пируват + 2 АТФ

Это еще не много. Однако процесс, называемый окислительным фосфорилированием, извлекает гораздо больше энергии, т.е. молекул АТФ, из двух образующихся молекул пирувата. И именно этот процесс саботируется ДНП.

Окислительное фосфорилирование – это процесс, происходящий в митохондриях. Вот куда направляется пируват. Митохондрии — это органеллы клетки, которые в основном занимаются выработкой энергии. Это микроскопически маленькие энергетические фабрики. Они состоят из наружной мембраны и внутренней мембраны. Пространство между наружной и внутренней мембранами называется межмембранным пространством. Пространство, инкапсулированное внутренней мембраной, называется митохондриальным матриксом. Внутренняя мембрана складчата характерным образом. Эти складки называются кристами. Это выглядит так:

Когда пируват находится внутри митохондриального матрикса, он превращается в ацетил-КоА и впоследствии подвергается серии реакций, которые в совокупности называются циклом лимонной кислоты или циклом Кребса. Во время этого процесса вся энергия извлекается из того, что изначально было молекулой пирувата. Он сгорает, окисляется. Однако энергия еще не превратилась в АТФ. Во-первых, он передается энергоносителям НАД и ФАД (и ГТФ, но я не буду это описывать). Энергоносители НАД и ФАД будут участвовать в процессе, называемом окислительным фосфорилированием, который следует за циклом лимонной кислоты.

Энергия хранится в электронных парах, которые передаются НАД и ФАД. Это восстанавливает эти молекулы, как это называется, с образованием НАДН и ФАДН2 соответственно. Далее происходит то, что NADH и FADH2 передают электронную пару большим белковым комплексам, встроенным во внутреннюю мембрану. Это первая стадия окислительного фосфорилирования. Когда эти электронные пары передаются такому белковому комплексу, часть хранящейся в нем энергии используется для выкачивания протона (Н+) из митохондриального матрикса в межмембранное пространство. Это очень важно, и скоро станет ясно, почему.

В дальнейшем электронные пары пару раз передаются от одного комплекса к другому, каждый раз отрывая часть содержащейся в них энергии и используя эту энергию для выкачки протона. С каждым шагом электроны достигают более низкого энергетического состояния. (Они не передаются напрямую от одного комплекса к другому, есть некоторые промежуточные белки/молекулы, которые переправляют их между этими белковыми комплексами, перекачивающими протоны.) И каждый раз часть энергии, которая отделяется, используется для откачки. протон. Если визуализировать с помощью водяных колес, это будет выглядеть примерно так:

Конечным пунктом назначения электронов является соединение с водородом и кислородом с образованием H2O, также известного как вода. Что этот процесс окислительного фосфорилирования установил сейчас, так это электрохимический градиент протонов. В митохондриальном матриксе будет более низкая концентрация протонов по сравнению с межмембранным пространством. Этот градиент содержит потенциальную энергию. Точно так же, как водяное колесо будет вращаться с водой, движущейся вниз, молекулярный механизм, называемый АТФ-синтазой, начинает вращаться с протонами, движущимися по их электрохимическому градиенту из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс. Затем эта энергия используется для образования АТФ путем объединения АДФ с неорганической фосфатной группой. И вуаля, весь этот процесс прохождения электронов, выделения энергии для откачки протонов,

Подводя итог тому, что мы рассмотрели, а это уже довольно много:

• Глюкоза расщепляется на две молекулы пирувата путем гликолиза.
• Пируват транспортируется в митохондриальный матрикс для превращения в ацетил-КоА.
• Ацетил-КоА окисляется, передавая свою энергию энергоносителям НАД и ФАД в их восстановленных формах НАДН и ФАДН2, принимая электронную пару
• Эти молекулы NADH и FADH2 отдают свои электронные пары большому белковому комплексу, встроенному во внутреннюю мембрану, который затем передается все дальше и дальше, пока не соединится с водородом и кислородом с образованием воды. При этих переносах часть энергии используется для выкачивания протонов (H+) из митохондриального матрикса. Это устанавливает электрохимический градиент: низкая концентрация протонов внутри митохондриального матрикса, высокая концентрация протонов вне митохондриального матрикса.
• Поток протонов по градиенту их концентрации обеспечивает энергию для АТФ-синтазы, чтобы она выполняла свою работу и генерировала АТФ.

Теперь я надеюсь, что вы все еще со мной, потому что мы подошли к сути дела.

DNP позволяет протонам просачиваться обратно в митохондриальный матрикс

Название раздела говорит само за себя: ДНП позволяет протонам просачиваться обратно в митохондриальный матрикс. Все эти элегантные митохондриальные механизмы для выкачки этих протонов из матрикса, чтобы их обратный поток можно было использовать для синтеза АТФ? Да, DNP саботирует это. ДНП может функционировать как так называемый протонофор. Он может захватывать протон в межмембранном пространстве, затем перемещаться в митохондриальный матрикс, отбрасывать протон и возвращаться в межмембранное пространство. Просто так. Это не направлено или что-то еще: это работает в обоих направлениях. Однако в результате более высокой концентрации протонов в межмембранном пространстве и более низкой концентрации протонов в митохондриальном матриксе чистое перемещение протонов в результате этого процесса будет происходить в митохондриальный матрикс. Когда ДНП перемещает эти протоны, АТФ не образуется. поскольку он не проходит через АТФ-синтазу. Вместо этого он теряется в виде тепла.

Гормоны щитовидной железы могут увеличивать скорость основного обмена частично по аналогичному механизму. Считается, что вместо перемещения самих протонов гормоны щитовидной железы увеличивают экспрессию разобщающих белков [3, 4]. Это белковые каналы или транспортеры, встроенные во внутреннюю мембрану и позволяющие протонам перемещаться из межмембранного пространства в митохондриальный матрикс. Опять же, это не будет связано с синтезом АТФ, вместо этого энергия будет потеряна в виде тепла.

Кроме того, считается, что ДНП высвобождает ионы кальция как из митохондрий, так и из саркоплазматического ретикулума в цитозоль, которые впоследствии необходимо откачивать обратно. И, конечно же, откачка этих ионов обратно тоже требует энергии. Однако считается, что эти эффекты также являются следствием разобщения окислительного фосфорилирования (путем воздействия на мембранный потенциал) [5]. Наконец, считается, что ДНФ препятствует поглощению неорганических фосфатных групп митохондриальным матриксом. Они необходимы для синтеза АТФ (поскольку он образуется путем объединения АДФ с неорганической фосфатной группой) [6].

использованная литература

1. Cutting, WC, H. Gr Mehrtens и ML Tainter. «Действия и использование динитрофенола: многообещающие метаболические применения». Журнал Американской медицинской ассоциации 101.3 (1933): 193-195.
2. Тейнтер М.Л., А.Б. Стоктон и В.К. Каттинг. «Динитрофенол в лечении ожирения». Журнал Американской медицинской ассоциации 105.5 (1935): 332-337.
3. Барбе, Пьер и др. «Опосредованная трийодтиронином активация экспрессии мРНК UCP2 и UCP3 в скелетных мышцах человека без скоординированной индукции генов митохондриальной дыхательной цепи». Журнал FASEB 15.1 (2001): 13-15.
4. де Ланге, Питер и др. «Разобщающий белок-3 является молекулярной детерминантой регуляции скорости метаболизма в состоянии покоя с помощью гормона щитовидной железы». Эндокринология 142.8 (2001): 3414-3420.
5. Хадман, Дайан и др. «Происхождение перегрузки кальцием в сердечных миоцитах крыс после метаболического ингибирования 2, 4-динитрофенолом». Журнал молекулярной и клеточной кардиологии 34.7 (2002): 859-871.
6. Грундлинг, Иоганн и др. «2,4-динитрофенол (ДНФ): средство для похудения со значительной острой токсичностью и риском смерти». Журнал медицинской токсикологии 7.3 (2011): 205-212.