Биологическая химия - часть 76

Восстановленные формы этих кофакторов способны транспортировать

водород и электроны к дыхательной цепи митохондрий или иных энерго-
сопрягающих мембран (см. далее).

Организация и функционирование дыхательной цепи. В клетках эукариот

дыхательная цепь расположена во внутренней мембране митохондрий,

у дышащих бактерий – в цитоплазматической мембране и специализирован-
ных структурах – мезосомах, или тилакоидах. Компоненты дыхательной

цепи митохондрий в порядке убывания окислительно-восстановительного

потенциала можно расположить, как показано в табл. 9.1.

Таблица 9.1. Окислительно-восстановительный потенциал компонентов дыхатель-

ной цепи в стандартных условиях (концентрация компонентов 1М, рН 7,25°С)

Восстановленная форма

НАДН + Н

+

ФАДН

2

Убихинол (KoQ-H

2

)

Цитохром b (Fe

2+

)

» с

1

 (Fe

2+

)

» с (Fe

2+

)

» a (Fe

2+

)

» а

3

 (Fe

2+

)

H

2

O

Окисленная форма

НАД

+

ФАД

+

Убихинон

Цитохром b (Fe

3+

)

» c

1

 (Fe

3+

)

» с (Fe

3+

)

» a (Fe

3+

)

a

3

 (Fe

3+

)

1

/

2

O

2

E°, В

–0,32

–0,05

+

 0,04

+

 0,07

+

 0,23

+

 0,25

+

 0,29

+0,55

+

 0,82

Молярные соотношения компонентов дыхательной цепи являются постоянными,

ее компоненты встроены в митохондриальную мембрану в виде 4 белково-липидных

комплексов: НАДН-КоQН

2

-редуктаза (комплекс I), сукцинат-КоQ-редуктаза (комп-

лекс II), КоQН

2

-цитохром c-редуктаза (комплекс III) и цитохром а-цитохромокси-

даза (комплекс IV) (рис. 9.7).

Если субстратом окисления служат α-кетокислоты, в переносе электронов на

НАД

+

 участвуют липоатсодержащие дегидрогеназы. В случае окисления пролина,

глутамата, изоцитрата и других субстратов перенос электронов происходит непос-

редственно на НАД

+

. Восстановленный НАД в дыхательной цепи окисляется

НАДН-дегидрогеназой, содержащей железосерный белок (FeS) и ФМН и прочно

связанной с дыхательной цепью.

309

ФАД

(или ФМН)

ФАДН

2

(или ФМНН

2

)

НАДН

 + Н

+

 +

Флавиновый фермент

(ФМН)

НАД

+

 +

Флавиновый фермент

(ФМНН

2

)

+

 2Н

+

 +

 2e

–

Рис. 9.7. Взаимное расположение компонентов дыхательной цепи с указанием мест

фосфорилирования и специфических ингибиторов.

KoQ (убихинон), необходимый компонент дыхательной цепи, является производ-

ным бензохинона с боковой цепью, которая у млекопитающих чаще всего представ-
лена 10 изопреноидными единицами (см. главу 7). Как любой хинон, KoQ способен
находиться и в восстановленном, и окисленном состоянии. Это свойство определяет
его роль в дыхательной цепи - служить коллектором восстановительных эквивален-
тов, поставляемых в дыхательную цепь через флавиновые дегидрогеназы. Содержа-
ние его значительно превосходит содержание других компонентов дыхательной
цепи.

Дополнительным участником дыхательной цепи является железосерный белок

FeS (негемовое железо). Он участвует в окислительно-восстановительном процессе,

протекающем по одноэлектронному типу. Первый участок локализации FeS нахо-
дится между ФМН и KoQ, второй - между цитохромами b и c

1

. Это соответствует

тому факту, что со стадии ФМН путь протонов и электронов разделяется: первые
накапливаются в митохондриальном матриксе, а вторые идут на гидрофобные
переносчики - KoQ и цитохромы.

Цитохромы в дыхательной цепи выстроены в порядке возрастания окислительно-

восстановительного потенциала. Они представляют собой гемопротеины, в которых
простетическая геминовая группа близка к гему гемоглобина (у цитохрома b иден-
тична). Ионы железа в составе гема при получении и отдаче электронов обратимо
изменяют свою валентность.

В процессах тканевого дыхания наиболее важную роль играют цитохро-

мы b, с

1

, с, а и а

3

. Цитохром а

3

 представляет собой терминальный участок

дыхательной цепи – цитохромоксидазу, которая осуществляет окисление

цитохрома с и образование воды. Элементарный акт представляет собой

двухэлектронное восстановление одного атома кислорода, т.е. каждая

молекула кислорода одновременно взаимодействует с двумя электрон-
транспортными цепями. При транспорте каждой пары электронов во
внутримитохондриальном пространстве может накапливаться до 6 прото-

нов (рис. 9.8).

Строение дыхательной цепи интенсивно исследуется. В числе послед-

них достижений молекулярной биохимии – установление тонкой структу-

310

Место сопряжения 1

Место сопряжения 2

Место сопряжения 3

Малонат

Сукцинат

Комплекс II

НАДН

Комплекс I

ФМН, FеS

ФАД

FeS

Карбоксин

Антимицин А

H

2

S

CO
CN

-

Комплекс IV

Комплекс III

Q

Цит b,

 FeS, Цит с

1

Цит

 с

Цит

 а

Сu

Цитa

3

Сu

O

2

Амобарбитал

Ротенон

АДФ

 + Р

i

АТФ

АДФ

 + Р

i

АТФ

АДФ

 + P

i

АТФ

Рис. 9.8. Механизм обра-

зования АТФ согласно хе-

миосмотической гипотезе.

R - субстраты - доноры водо-

рода.

ры дыхательных ферментов с помощью рентгеноструктурного анализа.

С помощью электронного микроскопа с наивысшим доступным в настоя-

щее время разрешением можно «увидеть» структуру цитохромоксидазы

(рис. 9.9).

Окислительное фосфорилирование и дыхательный контроль. Функция

дыхательной цепи – утилизация восстановленных дыхательных переносчи-

ков, образующихся в реакциях метаболического окисления субстратов

(главным образом в цикле трикарбоновых кислот). Каждая окислительная

реакция в соответствии с величиной высвобождаемой энергии «обслужива-

ется» соответствующим дыхательным переносчиком: НАДФ, НАД или

ФАД. Соответственно своим окислительно-восстановительным потенциа-

лам эти соединения в восстановленной форме подключаются к дыхательной

цепи (см. рис. 9.7). В дыхательной цепи происходит дискриминация прото-

нов и электронов: в то время как протоны переносятся через мембрану,

создавая ΔрН, электроны движутся по цепи переносчиков от убихинола

к цитохромоксидазе, генерируя разность электрических потенциалов, необ-

ходимую для образования АТФ протонной АТФ-синтазой. Таким образом,

тканевое дыхание «заряжает» митохондриальную мембрану, а окисли-

тельное фосфорилирование «разряжает» ее.

Разность электрических потенциалов на митохондриальной мембране, создавае-

мая дыхательной цепью, которая выступает в качестве молекулярного проводника

электронов, является движущей силой для образования АТФ и других видов

полезной биологической энергии (см. рис. 9.6). Механизмы этих превращений

описывает хемиосмотическая концепция превращения энергии в живых клетках. Она

была выдвинута П. Митчеллом в 1960 г. для объяснения молекулярного механизма

311

Наружная

мембрана

Межмембранное

пространство

Внутренняя

мембрана

Матрикс

Цепь

переноса

электронов

RH

2

R

2Н

+

2Н

+

2Н

+

АДФ

 + P

i

Н

+

АТФ

F

0

F

1

-АТФ-аза

Рис. 9.9. Схематическое изображение цитохромоксидазы с разрешением 0,5 нм (а)

и ее активного центра с разрешением 2,8 нм (б) [Tsukihara et al., Science.- 1966.- Vol.

269.- P. 1069] (Печатается с любезного разрешения редакции журнала).

сопряжения транспорта электронов и образования АТФ в дыхательной цепи

и быстро получила международное признание. За развитие исследований в обла-

сти биоэнергетики П. Митчеллу в 1978 г. была присуждена Нобелевская премия.

В 1997 г. П. Бойеру и Дж. Уокеру была присуждена Нобелевская премия за

выяснение молекулярных механизмов действия главного фермента биоэнергетики -

протонной АТФ-синтазы.

Согласно хемиосмотической концепции, движение электронов по дыха-

тельной цепи является источником энергии для транслокации протонов

через митохондриальную мембрану. Возникающая при этом разность

электрохимических потенциалов (ΔμH

+

) приводит в действие АТФ-синтазу,

катализирующую реакцию

АДФ

 + Р

i

 = АТФ.

(3)

В дыхательной цепи есть только 3 участка, где перенос электронов

сопряжен с накоплением энергии, достаточным для образования АТФ (см.

рис. 9.7), на других этапах возникающая разность потенциалов для этого

процесса недостаточна. Максимальная величина коэффициента фосфорили-

рования, таким образом, составляет 3, если реакция окисления идет

с участием НАД, и 2, если окисление субстрата протекает через флавиновые

дегидрогеназы. Теоретически еще одну молекулу АТФ можно получить

в трансгидрогеназной реакции (если процесс начинается с восстановленного

НАДФ):

НАДФН + НАД

+

 = НАДФ

+

 + НАДН + 30 кДж/моль.

(4)

312

Сu

Mg

Область

гема

а

б