Биологическое окисление

состоит из одного электрона и одного протона. Каждая молекула НАДH несет

гидрид-ион (водородный атом + добавочный электрон, Н:-), а не просто атом

водорода. Однако из-за присутствия в окружающем водном растворе свободных

протонов перенос гидрид-иона в составе НАДH эквивалентен переносу двух

атомов водорода или молекулы водорода (Н:- + Н+ ( Н2).

Перенос электронов по дыхательной цепи начинается с отнятия гидрид-иона

(Н:-) от НАДH; при этом регенерируется НАД+ , a гидрид-ион превращается

в протон и два электрона (Н:- ( Н+ + 2е-). Эти электроны переходят на

первый из более чем 15 различных переносчиков электронов в дыхательной

цепи. В этот момент электроны обладают очень большой энергией, запас

которой постепенно уменьшается по мере прохождения их по цепи. Чаще

всего электроны переходят от одного атома металла к другому, причем каждый

из этих атомов прочно связан с белковой молекулой, которая влияет на его

сродство к электрону. Важно отметить, что все белки – переносчики

электронов – группируются в три больших комплекса дыхательных ферментов,

каждый из которых содержит трансмембранные белки, прочно закрепляющие

комплекс во внутренней мембране митохондрии. Каждый последующий комплекс

обладает большим сродством к электронам, чем предыдущий. Электроны

последовательно переходят с одного комплекса на другой, пока наконец не

перейдут на кислород, имеющий наибольшее сродство к электрону.

Энергия, высвобождаемая в процессе переноса электронов по дыхательной

цепи, запасается в форме электрохимического протонного градиента на

внутренней мембране митохондрий.

Окислительное фосфорилирование возможно благодаря тесной ассоциации

переносчиков электронов с белковыми молекулами. Белки направляют электроны

по дыхательной цепи так, что они последовательно переходят от одного

ферментного комплекса к другому, не «перескакивая» через промежуточные

звенья. Особенно важно то, что перенос электронов сопряжен с

аллостерическими изменениями определенных белков молекул, в pезультате чего

энергетически выгодный поток электронов вызывает перекачивание протонов

(Н+) через внутреннюю мем6рану из матрикса в межмембранное пространство и

далее за пределы митохондрии. Передвижение протонов приводит к двум важным

следствиям: 1) между двумя сторонами внутренней мембраны создается

градиент рН - в матриксе рН выше, чём в цитозоле, где значение рН обычно

близко к 7,0 (так как малые молекулы свободно проходят через наружную

мембрану митохондрии, рН в межмембранном пространстве будет таким же как в

цитозоле); 2) на внутренней мембране создается градиент напряжения

(мембранный потенциал), причем внутренняя сторона мембраны заряжается

отрицательно, а наружная - положительно. Градиент рН ((рН) заставляет ионы

Н+ переходить обратно в матрикс, а ионы ОН- из матрикса, что усиливает

эффект мембранного потенциала, под действием которого любой положительный

заряд притягивается в матрикс, а любой отрицательный выталкивается из него.

Совместное действие этих двух сил приводит к возникновению

электрохимического протонного градиента. Электорохимический протонный

градиент создает протонодвижущую силу, измеряемую в милливольтах (мВ).

Энергия электрохимического протонного градиента используется для

синтеза АТФ и транспорта метаболитов и неорганических ионов в матрикс.

Внутренняя мембрана митохондрий отличается необычно высоким

содержанием белка - в ней по весу примерно 70% белка и

30%фосфолипидов. Многие из этих белков входят в состав электронтранспортной

цепи, поддерживающей протонный градиент на мембране. Другой важный

компонент - фермент АТФ-синтетаза, катализирующий синтез АТФ. Это большой

белковый комплекс, через который протоны перетекают обратно в матрикс

по электрохимическому градиенту. Подобно турбине, АТФ-синтетаза

преобразует одну форму энергии в другую, синтезируя АТФ из AДФ и Фн в

митохондриальном матриксе в ходе реакции, сопряжённой с током протонов в

матрикс (см. рисунок 3).

Рисунок 3. Общий механизм окислительного фосфорилирования.[1,1994]

Но синтез АТФ - это не единственный процесс, идущий за

счет энергии электрохимического градиента. В матриксе, где находятся

ферменты, участвующие в цикле лимонной кислоты и других метаболических

реакциях, необходимо поддерживать высокие концентрации различных

субстратов; в частности, для АТФ-синтетазы требуются AДФ и фосфат. Поэтому

через внутреннюю мембрану должны транспортироваться разнообразные несущие

заряд субстраты. Это достигается с помощью различных белков-переносчиков,

встроенных в мембрану, многие из которых активно перекачивают определенные

молекулы против их электрохимических градиентов, т.е. осуществляют процесс,

требующий затраты энергии. Для большей части метаболитов источником этой

энергии, служит сопряжение с перемещением каких-то других молекул «вниз» по

их электрохимическому градиенту. Например, в транспорте АДФ

участвует система антипорта АДФ-АТФ: при переходе каждой молекулы AДФ в

матрикс из него выходит по своему электрохимическому градиенту одна

молекула АТФ. В то же время система симпорта сопрягает переход фосфата

внутрь митохондрии с направленным туда же потоком Н+: протоны входят в

матрикс по своему градиенту и при этом “тащат” за собой фосфат. Подобны

образом переносится в матрикс и пируват. Энергия электрохимического

протонного градиента используется также для переноса в матрикс ионов Са2+ ,

которые, по-видимому, играют важную роль в регуляции активности некоторых

митохондриальных ферментов.

Чем больше энергии электрохимического градиента затрачивается на

перенос молекул и ионов в митохондрию, тем меньше остается для синтеза АТФ.

Например, если изолированные митохондрии поместить в среду с высоким

содержанием Са2 + , то они полностью прекратят синтез АТФ; вся энергия

градиента будет расходоваться на транспорт Ca2+ в матьрикс. В некоторых

специализированных клетках электрохимический протонный градиент

«шунтируется» таким образом, что митохондрии вместо синтеза АТФ образуют

тепло. Очевидно, клетки способны регулировать использование энергии

электрохимического протонного градиента и направлять ее на те процессы,

которые наиболее важны в данный момент.

Быстрое превращение АДФ в АТФ в митохондриях позволяет поддерживать

высокое отношение концентраций ATФ/AДФ в клетках. С помощью особого белка,

встроенного во внутреннюю мембрану, AДФ транспортируется в матрикс в обмен

на АТФ по принципу антипорта. В результате молекулы AДФ, высвобождаемые при

гидролизе АТФ в цитозоле, быстро поступают в митохондрию для «перезарядки»,

в то время как молекулы АТФ, образующиеся в матриксе в процессе

окислительного фосфорилирования, тоже быстро выходят в цитозоль, где они

нужны. В организме человека молекулы АТФ за сутки, что позволяет

поддерживать в клетке концентрацию АТФ, более чем в 10 раз превышающую

концентрацию АДФ.

В процессе окислительного фосфорилирования каждая пара электронов НАДH

обеспечивает энергией образование примерно трех молекул АТФ. Пара

электронов ФАДH2, обладающая меньшей энергией, дает энергию для синтеза

только двух молекул АТФ. В среднем каждая молекула ацетил-СоА поступающая в

цикл лимонной кислоты, дает около 12 молекул АТФ. Это означает, что

при окислении одной молекулы глюкозы образуются 24 молекулы АТФ,

а при окислении одной молекулы пальмитата - жирной кислоты с 16

углеродными атомами - 96 молекул АТФ. Если учесть также экзотермические

реакции, предшествующие образованию ацетил-СоА, окажется, что полное

окисление одной молекулы глюкозы дает около 36 молекул АТФ, тогда как при

полном окислении пальмитата образуется примерно 129 молекул АТФ. Это

максимальные величины, так как фактически количество синтезируемого в

митохондриях АТФ зависит от того, какая доля энергии протонного градиента

идет на синтез АТФ, а не на другие процессы. Если сравнитъ изменение

свободной энергии при сгорании жиров и углеводов прямо до СО2 и Н2О с общим

количеством энергии, запасаемой в фосфатных связях АТРФ в

процессах биологического окисления, окажется, что эффективность

преобразования, энергии окисления в энергию АТФ часто превышает 50%.

Поскольку вся неиспользованная энергия высвобождается в виде тепла, крупные

организмы нуждались бы в более эффективных способах отвода тепла в

окружающую среду.

Огромное количество свободной энергии, высвобождаемое при окислении,

может эффективно использоваться только мелкими порциями. В сложном

процессе окисления участвует много промежуточных продуктов, каждый из

которых лишь незначительно отличается от предыдущего. Благодаря этому

высвобождаемая энергия дробится на меньшие количества, которые можно

эффективно преобразовывать с помощью сопряженных реакций в

высокоэнергетические связи молекул АТФ и НАДH .

В 1960 г. было впервые показано, что различные мембранные белки,

участвующие в окислительном фосфорилировании, могут быть выделены без

потери активности. От поверхности субмитохондриальных частиц удалось

отделить и перевести в растворимую форму усеивающие их крошечные белковые

структуры. Хотя субмитохондриальные частицы без этих сферических структур

продолжали окислять НАДH в присутствии кислорода, синтеза АТФ при этом не

происходило. С другой стороны, выделенные структуры действовали как

АТФазы, гидролизуя АТФ до АДФ и Фн. Когда сферические структуры

(названные F1-АТФазами) добавляли к лишенным их субмитохондриальным

частицам, реконструированные частицы вновь синтезировали АТФ из AДФ и Фн.

F1- АТФаза - это часть большого, пронизывающего всю толщу мембраны

комплекса, который состоит по меньшей мере из девяти различных

полипептидных цепей. Этот комплекс получил название АТФ-синтетаза; он

составляет около 15% всего белка внутренне митохондриальнои мембраны.

Весьма сходные АТФ-синтетазы имеются в мембранах хлоропластов и бактерий.

Такой белковый комплекс содержит трансмембранные каналы для

протонов, и происходит только тогда, когда через эти каналы проходят

протоны вниз по своему электрохимическому градиенту.

АТФ-синтетаза может действовать в обратном направлении - расщеплять

АТФ и перекачивать протоны. Действие АТФ-синтетазы обратимо: онa способна

использовать как энергию гидролиза АТФ для перекачивания протонов через

внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию потока протонов по

электрохимическому градиенту для синтеза АТФ. Таким образом, АТФ-синтетаза

- это обратимая сопрягающая система, которая осуществляет взаимопревращение

энергии электрохимического протонного градиента и химических связей.

Направление ее работы зависит от соотношения между крутизной протонного

градиента и локальной величиной (G для гидролиза АТФ.

АТФ-синтетаза получила свое название в связи с тем, что в обычных

условиях npoтоннoro градиента, поддерживаемого дыхательной цепью,

синтезирует большую часть всего АТФ клетки. Число протонов, необходимое для

синтеза одной молекулы АТФ, в точности не известно. При прохождении

через АТФ-синтетазу протонов синтезируется одна молекула АТФ.

Как будет работать в данный момент АТФ-синтетаза - в направлении

синтеза или гидролиза АТФ, - зависит от точного баланса между изменениями

свободной энергии для прохождения трех протонов через мембрану в матрикc и

для синтеза АТФ в матриксе. Как уже говорилось, величина (Gсинт.АТФ

определяется концентрациями трех веществ в матриксе митохондрии - АТФ, AДФ

и Фн. При постоянной протонодвижущей силе АТФ-синтетаза будет синтезировать

ATФ тех пор, пока отношение АТФ к AДФ и Фн не достигнет такого значения,

при котором величина (Gсинт.АТФ станет в точности равна +15,2ккaл/мoль. При

таких условиях синтез АТФ будет точно уравновешиваться его гидролизом.

Предположим, что в связи с реакциями, требующими затраты энергии, в

цитозоле внезапно гидролизовалось большое количество АТФ, и это привело к

падению отношения АТФ:AДФ в матриксе митохондрии. В этом случае (Gсинт.

понизится и АТФ-синтетаза вновь переключится на синтез АТФ, пока не

восстановится исходное отношение АТФ:AДФ. Если же протонодвижущая сила

внезапно снизится и будет поддерживаться на постоянном уровне, то АТФ-

синтетаза начнет расщеплять АТФ, и эта реакция будет продолжаться до тех

пор, пока соотношение между концентрациями ATФ и AДФ не достигнет какого-то

нового значения (при котором (Gсинт.АТФ = +13,8 ккал/моль), и так далее.

Если АТФ-синтетаза в норме не транспортирует Н+ из матрикса, то

дыхательная цепь, находящаяся во внутренней митохондриальной мембране, при

нормальных условиях переносит через эту мембрану протоны, создавая таким

образом электрохимический протонный градиент, доставляющий энергию, для

синтеза AТФ.

Большинство переносчиков электронов, входящих в состав дыхательной

цепи, поглощают свет, и их окисление или восстановление сопровождается

изменением цвета. Обычно спектр поглощения и реакционноспособность каждого

переносчика достаточно характерны, что позволяет даже в неочищенном

экстракте прослеживать изменения его состояний с помощью спектроскопии. Это

дало возможность выделить такие переносчики задолго до того, как стала

понятна их истинная функция. Например, цитохромы были открыты в 1925 г. как

соединения, которые быстро окисляются и восстанавливаются у таких различных

организмов, как дрожжи, бактерии и насекомые. Наблюдая клетки и ткани с

помощью спектроскопа, удалось идентифицировать три типа цитохромов, которые

различались по спектрам поглощения и названы цитохромами а, b и c. Клетки

содержат несколько видов цитохромов каждого типа, и классификация по

типам не отражает их функцию.

Самый простой переносчик электронов представляет собой небольшую

гидрофобную молекулу, растворенную в липидном бислое и называемую

убихиноном или коферментом Q. Он способен принять или отдать как один, так

и два электрона и временно захватывает из среды протон при переносе каждого

электрона.

Рисунок 4. Структура убихинона.[10,1993]

Дыхательная цепь содержит три больших ферментных комплекса, встроенных

во внутреннюю мембрану

Мембранные белки трудно выделить в виде интактных комплексов,так как

они нерастворимы в большинстве водных растворов, а такие вещества, как

детергенты и мочевина, необходимые для их солюбилизации, могут нарушать

нормальное белок-белковое взаимодействие. Однако в начале 1960-х гг. было

обнаружено, что с помощью относительно мягких ионных детергентов, таких как

дезоксихолат, можно солюбилизировать некоторые компоненты митохондриальной

внутренней мембраны в нативной форме. Это позволило идентифицировать и

выделить три главных связанных с мембраной комплекса дыхательных ферментов

на пути от НАДH до кислорода.

Рисунок 5. Дыхательные ферментные комплексы.[1,1994]

1. НАДН-дегидрогеназный комплекс - самый большой из дыхательных

ферментных комплексов - имеет молекулярную массу свыше 800000 и

содержит более 22 полипептидных цепей. Он принимает электроны от НАДH и

передает их через флавин и по меньшей мере пять железо-серных центров на_

убихинон - небольшую жирорастворимую молекулу, передаюшую электроны на

второй комплекс дыхательных ферментов-комплекс b-c1.

2. Комплекс b-с1 состоит по меньшей мере из 8 разных полипептидных

цепей и, вероятно, существует в виде димера с молекулярной массой 500000.

Каждый мономер содержит три тема, связанных с цитохромами, и железо-серный

белок. Комплекс принимает электроны от убихинона и передает цитохрому с,

небольшому периферическому мембранному белку, который затем переносит их

на цитохром-оксидазный комплекс.

3.Цитохромоксидазный комплекс (цитохром аа3) - наиболее изученный из трех

комплексов. Он состоит не менее чем из восьми различных полипептидных цепей

и выделен как димерс молекулярной массой 300000; каждый мономер содержит

два цитохрома и два атома меди.этот комплекс принимает электроны от

цитохрома с и передает их на кислород.

Цитохромы, железо-серные центры и атомы меди способны переносит

одновременно только один электрон. Между тем, каждая молекула НАДН отдает

два электрона и каждая молекула О2 должна принять 4 электрона при

образовании молекулы воды. В электронтранспортной цепи имеется несколько

электронсобирающих и электронраспределяющих участков, где согласовывается

разница в числе электронов. Так, например, цитохромоксидазный комплекс

принимает от молекул цитохрома с по отдельности 4 электрона и в конечном

итоге передает их на одну связанную молекулу О2, что ведет к образованию

двух молекул воды. На промежуточных ступенях этого процесса два электрона,

прежде чем перейти к участку, связывающему кислород, поступают в гем

цитохрома а, и связанный с белком атом меди, Cua. В свою очередь участок

связывания кислорода содержит еще один атом меди и гем цитохрома а3. Однако

механизм образования двух молекул воды в результате взаимодействия

связанной молекулы О2 с четырьмя протонами в точности не известен.

В большинстве клеток с цитохромоксидазой взаимодействует около 90%

всего поглощаемого кислорода. Токсичность таких ядов, как цианид и азид,

связаны с их способностью прочно присоединяться к цитохромоксидазному

комплексу и блокировать тем самым весь транспорт электронов.

Два компонента, переносящие электроны между тремя главными ферментными

комплексами дыхательной цепи, - убихинон и цитохром с – быстро перемещаются

путем диффузии в плоскости мембран.

Столкновения между этими подвижными переносчиками и ферментными

комплексами вполне позволяют объяснить наблюдаемую скорость переноса

электронов (каждый комплекс отдает и принимает один электрон каждые 5-10

миллисекунд). Поэтому нет необходимости предполагать структурную

упорядоченность цепи белков-переносчиков в липидном бислое; в самом деле,

ферментные комплексы, видимо существуют в мембране как независимые

компоненты и упорядоченный перенос электронов обеспечивается только

специфичностью функциональных взаимодействий между компонентами цепи.

В пользу этого говорит и тот факт, что различные компоненты дыхательной

цепи присутствуют в совершенно разных количествах. Например, в

митохондриях сердца на каждую молекулу НАДН-дегидрогеназного комплекса

приходятся З молекулы | комплекса b-c1 комплекса, 7 молекул

цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома с и 50 молекул

убихинона; весьма различные соотношения этих белков обнаружены и в

некоторых других клетках.

Значительный перепад окислительно-восстановительного потенциала на

каждом из трех комплексов дыхательной цепи доставляет энергию, необходимую

для перекачивания протонов.

Такую пару, как Н2О и ЅО2 (или НАДH и НАД+), называют сопряженной

окислительно-восстановительной парой, так как один из ее членов

превращается в другой, если добавить один или несколько электронов и один

или несколько протонов (последних всегда достаточно в любом водном

растворе). Так, например, ЅО2 + 2е + 2Н+ ( Н2О

Хорошо известно, что смесь соединений, образующих сопряженную кислотно-

щелочную пару, в соотношении 50:50 действует как буфер, поддерживающий

определенное «давление протонов» (рН), величина которого определяется

константой диссоциации кислоты. Точно таким же образом смесь компонентов

пары в соотношении 50:50 поддерживает определенное «давление

электронов», или окислительно-восстановительный потенциал (редокс-

потенциал) Е, служащий мерой сродства молекулы-переносчика к электронам.

Помещая электроды в раствор с соответствующими окислительно-

восстановительными парами, можно измерить редокс-потенциал каж-дого

переносчика электронов, участвующего в биологических окислительно-

восстановительных реакциях. Пары соединений с наиболее отрицательными

значениями редокс-потенциала обладают наименьшим сродством к электронам,

т.е. coдepжaт перенocчики с наименьшей тенденцией принимать электроны и

Страницы: 1, 2, 3, 4