содержание .. 23 24 25 26 ..
СУБСТРАТНОЕ И ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВНИЕ. ДЫХАТЕЛЬНАЯ ЦЕПЬ (ДИНАМИЧЕСКАЯ БИОХИМИЯ)
Окисление, сопряжённое с фосфорилированием АDР.
Окислительно-восстановительные потенциалы дыхательных
переносчиков. Субстратное фосфорилирование на примере реакций,
катализируемых глицеральдегид-3-фосфатдегидрогеназой и енолазой.
Понятие энергетического заряда клетки.
Окисление, сопряженное с синтезом АТР, называется сопряженным окислением, которое может осуществляться двумя путями: на уровне субстрата и на уровне электронтранспортной цепи.
В ходе реакций окисления электроны, находящиеся на высокоэнергетическом уровне в молекуле восстановителя (водорода), переходят на низкоэнергетическую орбиталь в молекуле окислителя, где они сильнее притягиваются ядрами атомов. Способность молекулы принимать электроны оценивается по величине окислительно-восстановительного потенциала (Е). Отрицательная величина Е обозначает низкое сродство, положительная – высокое сродство. В биологии используется стандартный Е′0 (нормальный потенциал), определяемый при параметрах 25°С, 1 моль/л, 1 атм, рН=7,0. В процессе окисления перенос электронов происходит по направлению от более отрицательного к более положительному потенциалу (Рис.26.1).
Рис.26.1. Окислительно-восстановительные потенциалы электронтранспортной цепи
Электроны при отрицательном значении потенциала являются «высокоэнергетическими» и при переходе к системе с более высоким значением потенциала они теряют часть своей энергии и способны произвести работу.
Примером сопряженного окисления на уровне субстрата могут служить реакции окисления 3-фосфоглицеринового альдегида в 1,3-дифосфоглицерат, 2-фосфоглицерата – в 2-фосфоенолпируват (реакции гликолиза). С возникающих в ходе этих реакций соединений фосфат, связанный макроэргической связью, легко передается на ADP. Однако посредством реакций субстратного фосфорилирования образуется сравнительно небольшое количество АТР.
Наиболее прост механизм образования АТР при окислении 2-фосфоглицерата. Эта реакция, катализируемая енолазой, представляет собой внутримолекулярное окисление, в результате которого образуется богатое энергией фосфорное соединение – фосфоенолпируват:
Окисление ведет к уменьшению плотности электронов на атоме фосфора в молекуле фосфоенолпирувата. Это придает фосфорильному остатку способность взаимодействовать с молекулой ADP, что приводит к синтезу АТР:
В соответствии со схемой химического сопряжения в этой реакции функции донора электронов, акцептора электронов и акцептора энергии окисления выполняют различные атомарные группировки в молекуле одного и того же вещества – 2-фосфоглицерата. В роли первичного макроэргического соединения, аккумулирующего энергию окисления, выступает один из продуктов реакции – фосфоенолпируват.
Фосфорилирование при анаэробном окислении глицеральдегид-3-фосфата происходит более сложным путем. Окисление субстрата является результатом взаимодействия с комплексом фермент-NAD. Вначале альдегид-ферментный комплекс окисляется до ацилфермента, а затем под действием неорганического фосфата тиоловый эфир расщепляется с образованием мак-роэргического соединения ‒ 1,3-дифосфоглицерата:
В последующем под действием фермента фосфоглицераткиназы макроэргическая фосфатная группа этого соединения переносится на ADP с образованием АТР:
В роли донора электронов в этой реакции выступает глицеральдегид-3-фосфат, вступающий в соединение с ферментом. Роль акцептора электронов выполняет NAD+, в качестве компонента сопряжения выступает SH-группа фермента, первичное высокоэнергетическое соединение представлено ацил-ферментом.
Энергетическое состояние клетки можно оценить с помощью энергетического заряда. Согласно Аткинсону, энергетическое состояние клетки лучше всего может быть охарактеризовано степенью «заполнения» системы АТР-ADP-АМР высокоэнергетическими фосфатными связями. Если все содержащиеся в клетке аденозинфосфаты находятся в форме АТР, это означает, что система энергетически заполнена до предела, т.е. ее энергетический заряд равен 1,0. Другому предельному состоянию соответствует случай, когда все содержащиеся в клетке аденозинфосфаты находятся в форме АМР. В этом случае система не содержит высокоэнергетических связей, т.е. она энергетически «пуста» и ее энергетический заряд равен 0. Если все аденозинфосфаты находятся в форме ADP или эквимолярной смеси АТР и АМР, это значит, что система заполнена высокоэнергетическими связями наполовину, т.е. ее энергетический заряд равен 0,5. Энергетический заряд системы АТР, ADP, АМР можно легко вычислить для любого соотношения концентраций АТР, ADP и АМР при помощи уравнения
Цепь переноса электронов и протонов внутренней мембраны
митохондрий (дыхательная цепь, редокс-цепь). Компоненты
дыхательной цепи: флавопротеины, железосерные белки, коэнзим Q, цитохромы в, с1, с, аа3. Топография дыхательных переносчиков
в редокс-цепи
Последовательность реакций, связанных с переносом водорода на кислород при участии специфических переносчиков электронов, называется дыхательной (или электронтранспортной) цепью. У животных и человека она составлена из четырех основных типов переносчиков, каждый из которых способен претерпевать обратимое окисление и восстановление в результате потери и присоединения электронов при взаимодействии с другим переносчиком.
Первый тип переносчиков электронов в дыхательной цепи представлен никотинамидными коферментами – NAD+ и NADP+. Они способны активировать водород, отщепляемый от различных органических субстратов, действуя в составе дегидрогеназного окислительно-восстановительного ферментного комплекса. Коферменты NAD+ и NADP+ способны связываться с различными носителями, и каждый такой комплекс служит специфическим катализатором только в одной определенной реакции. Специфичность связывания коферментов NAD+ и NADP+ с ферментными белками зависит от аденин-нуклеотидной части их молекул, в то время как никотинамидная часть молекул этих коферментов придает им уникальное свойство действовать в качестве переносчиков электронов и протонов. В реакциях дегидрирования два атома водорода отщепляются от молекулы субстрата. Один атом водорода и один электрон переносятся на никотинамидное кольцо с образованием восстановленной формы коферментов NAD+ и NADP+ (NADН и NADPН), а другой атом водорода, потерявший электрон [Н+], освобождается в окружающую среду.
Дегидрогеназные реакции с участием коферментов NAD+ и NADP+ имеют ряд уникальных свойств, которые обуславливают их ключевую роль в процессах биологического окисления. Первая особенность – легкая обратимость при небольших изменениях свободной энергии, что позволяет коферментам участвовать как в окислении субстрата, так и в восстановлении продуктов реакции (в зависимости от потребностей клетки). Вторая особенность заключается в способности этих коферментов (как в окисленной, так и в восстановленной форме) легко отделяться от белка-носителя, в их высокой подвижности, что облегчает обмен атомами водорода и электронами между различными дегидрогеназными системами, расположенными в разных частях клетки. Коферменты NAD+ и NADP+ способны акцептировать водород от большого числа субстратов, окислительно-восстановительный потенциал которых ниже -0,3 В. К числу таких субстратов относятся продукты расщепления углеводов, жиров и различных аминокислот.
Второй тип переносчиков электронов, действующих в дыхательной цепи, ‒ это флавиновые коферменты: флавинмононуклеотид (FMN) и флавинадениндинуклеотид (FAD). В составе специфических дегидрогеназ (флавиновых ферментов или флавопротеинов) они выполняют роль простетической группы, участвующей в переносе электронов. Активной частью молекулы FAD или FMN служит изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина, к атомам азота которого могут присоединяться два атома водорода за счет внутримолекулярной перегруппировки двойных связей:
FMN и FAD прочно связаны с соответствующими дегидрогеназными белками и не могут свободно переносить восстановительные эквиваленты путем диффузии к другим дегидрогеназным системам. Реакции, катализируемые флавинзависимыми дегидрогеназами, труднообратимы, и, следовательно, флавиновые коферменты не могут служить источником водородных эквивалентов в процессах восстановительного биосинтеза.
В соответствии с относительно низкими окислительно-восстановительными потенциалами (около ‒0,1 В) флавопротеины могут акцептировать водород от NADH. При окислении янтарной кислоты, α-глицерофосфата и СоА-производных жирных кислот флавинзависимые ферменты могут играть роль первичных дегидрогеназ и непосредственно принимать электроны и протоны от окисляемых субстратов без участия NAD и связанных с ним дегидрогеназ:
Третий тип переносчиков электронов в дыхательной цепи представлен бензохиноновым соединением, носящим название кофермента Q, или убихинона. При восстановлении он присоединяет два электрона и два протона, образуя гидрохиноновую форму CoQH2. Система CoQ/CoQH2 имеет величину Ео, лишь немногим более положительную, чем у флавопротеинов, которые поэтому могут передать свои восстанавливающие эквиваленты на хинон:
FPН2 + СoQ → FP + СoQН2 .
СoQ способен принимать водород от различных флавопротеинов. Система СoQ представляет собой узловой пункт, куда стекается водород, поступающий в дыхательную цепь от самых различных субстратов. Поэтому СoQ в дыхательной цепи представлен в более высоких концентрациях, чем большинство других переносчиков электронов. Хорошая растворимость в липидной фазе мембранных образований и относительно небольшой молекулярный вес придают СoQ свойство подвижного переносчика, взаимодействующего с фиксированными электронпереносящими белками.
Четвертый тип переносчиков электронов в дыхательной цепи от СoQ на кислород представлен группой различных гемсодержащих белков (гемопротеинов), называемых цитохромами. Отличаясь друг от друга структурой белкового компонента, все они имеют простетическую геминовую группу, по строению близкую к гему гемоглобина. В центре порфиринового кольца каждого гема находится ион железа. Гем цитохрома а отличается от простетических групп цитохромов b и c наличием формильного остатка, замещающего метильную группу. Цитохромы переносят электроны последовательно от СoQ на конечный акцептор – кислород. На участке NADH и СoQ осуществляется двухэлектронный перенос, цитохромы переносят по одному электрону. При этом происходит обратимое окисление-восстановление атома железа простетической группы, переходящего из Fe2+ в Fe3+. Следовательно, на данном участке цепи должны действовать две молекулы цитохромов.
В соответствии с величиной окислительно-восстановительного потенциала у разных цитохромов, они располагаются в определенной последовательности в дыхательной цепи между CoQ и кислородом (здесь и далее цит. – цитохром):
цит.b → цит.с1 → цит.с → цит.а → цит.а3 → О2
+70 мВ +212 мВ +210 мВ +210 мВ +385 +820 мВ
Первой реакцией на этом участке является перенос электронов от CоQН2 на цитохром b, имеющий наиболее низкую величину Е`0.
CoQH2 + 2Fe3+ - цит.b → CoQ + Fe2+ - цит.b + 2H+
В этой реакции для акцептирования двух электронов от восстановленного CoQ требуется 2 моля цитохрома b и два протона, которые могут быть перенесены через систему цитохромов и освобождены в окружающую среду. Окислительно-восстановительные пары CoQ/CoQH2 и Fe2+- цит. b, Fe3+- цит.b имеет близкие значения величины Е′0, и эти реакции происходят при небольших изменениях энергии. Восстановленная форма цит.b имеют меньшую величину Е′0, что позволяет ей действовать в качестве восстановителя для следующих переносчиков в дыхательной цепи, а именно цитохрома с:
2Fe2+ - цит.b + 2Fe3+ - цит.с → 2Fe3+ - цит.b + Fe2+ - цит.с
Цитохром с1, близкий по величине Е′0 к цитохрому с, участвует в этой реакции в качестве промежуточного переносчика электрона между цитохромами b и с. Завершающей является реакция, катализируемая ферментом цитохромоксидазой – сложным гемопротеином, состоящим из 7 полипептидных цепей, двух различных гемов (цитохромы а и а3), и двух атомов меди, принимающих участие в транспорте электронов:
_
Cu2+ + e → Cu+
Первый из цитохромов на этом участке – цитохром а – реагирует с цитохромом с, принимает электроны и переносит их на цитохром а3, который способен прямо взаимодействовать с кислородом как конечным акцептором электронов:
2Fe2+ - цит. а3 + 2Н+ + ½ О2 → 2Fe3+ - цит. а3 + Н2О
«Активный» кислород присоединяет два протона из окружающей среды, образуя воду. В этой реакции кислород, как наиболее сильный окислитель, акцептируя электроны, создает основную движущую силу для переноса электронов вдоль дыхательной цепи, в результате чего все выше расположенные переносчики поддерживаются в окисленном состоянии и оказываются способными принимать водород и электроны, поставляемые от окисляемых субстратов.
В транспорте электронов принимают участие белки (ферредоксины), содержащие негемовое железо, в молекуле которых железо связывается с белком-носителем через атом серы.
Отличительная особенность FeS-белков – строение их активного центра, содержащего негемовое железо, связанное нековалентными связями с кислотолабильной серой и серой, входящей в состав цистеиновых остатков пептидной цепи. Разные типы железосероцентров (FeS-центры) широко распространены в клетках. Простейший из них содержит один атом железа, нековалентно связанного в молекуле белка и получившего название рубредоксина, с четырьмя остатками цистеина (рис.26.2).
Рубредоксин имеет окислительно-восстановительный потенциал около -57 мВ и участвует в реакциях одноэлектронного переноса. Остальные FeS-белки имеют более сложноорганизованные FeS-центры, в состав которых входит неорганическая кислотолабильная сера. Известны Fe2S2-центры (содержат по два атома железа и неорганической серы), Fe3S3- и Fe4S4-центры. FeS-белки могут содержать один или более центров в молекуле. В зависимости от особенностей строения FeS-центров ферредоксины могут одновременно переносить один или два электрона. Окислительно-восстановительный потенциал ферредоксинов находится в диапазоне от -490 до -310 мВ.
Рис.26.2. Железосерные центры FeS-белков. А ‒ железосерный центр рубредоксина; б – железосерный центр Fe2S2-типа; в – железосерный центр Fe4S4-типа
Все компоненты дыхательной цепи локализуются на внутренней мембране митохондрий и включены в состав белковых комплексов. Активные центры NADH-дегидрогеназы и сукцинатдегидрогеназы находятся на мембране, со стороны матрикса, как и центр для О2 на цитохроме а3. Цитохром с находится на наружной стороне мембраны, убихинон – в липидной фазе мембраны. Комплекс F1-F0 расположен на внутренней стороне мембраны и ориентирован внутрь матрикса (рис.26.3).
Энергетическое значение ступенчатого транспорта электронов от окисляемых субстратов к молекулярному кислороду. Окислительное фосфорилирование в дыхательной цепи
Реакции прямого взаимодействия между кислородом и водородом в небиологических условиях сопровождаются взрывообразным выделением энергии в виде тепла и света. Многоступенчатый характер окислительных процессов в живой клетке обеспечивает постепенное освобождение энергии, которая может быть в дальнейшем использована в реакциях, связанных с выполнением различных видов биологической работы. Постепенное освобождение энергии уменьшает ее рассеивание и предохраняет клетку от разрушительного влияния тепловой энергии, которая при непосредственном взаимодействии окисляемого субстрата с кислородом освободилась бы одномоментно. Выработка тепла – это второстепенная функция процесса биологического окисления, основная функция биологического окисления заключается в обеспечении энергией процессов роста, анаболизма, транспорта веществ через мембраны, создания электрических потенциалов, механической работы и т.д.
Рис. 26.3. Строение электронтранспортной (дыхательной) цепи митохондрий. I – NADH-дегидрогеназа; II – сукцинатдегидрогеназа; III – цитохромы вс1, IV – цитохромоксидаза
Синтез АТР из ADP и Н3РО4 за счет энергии, выделяющейся при тканевом дыхании, называется окислительным фосфорилированием. Сопряжение процессов окисления, служащих источником энергии, и фосфорилирования осуществляется в дыхательной цепи специальными механизмами, способными улавливать и переносить энергию потока высокоэнергетических электронов.
Митохондрии осуществляют важнейшую для клеточной биоэнергетики реакцию фосфорилирования АDP с образованием АТP за счет энергии окисления органических соединений, служащих субстратами окисления, молекулярным кислородом. Конечная стадия этого процесса – перенос электронов от восстановленных пиридиннуклеотидов и сукцината на молекулярный кислород – осуществляется по системе переносчиков электрона. При переносе электронов по дыхательной цепи происходит высвобождение энергии, величина которой (в электрон-вольтах) равна разности стандартных восстановительных потенциалов двух реагирующих редокс пар. Энергия одного моля иона в данной среде называется электрохимическим потенциалом. Разность электрохимических потенциалов протона между двумя водными фазами внутри и вне митохондрий описывается уравнением
где R ‒ газовая постоянная, T ‒ абсолютная температура, [H+]o и [H+]i ‒ концентрации ионов водорода вне и внутри матрикса, соответственно, F ‒ число Фарадея, ∆φ- разность потенциалов между окружающей средой и матриксом. П.Митчелл в качестве единицы энергии использовал электрон-вольты:
Суммарная энергия окислительно-восстановительной реакции, превращенная в разность электрохимических потенциалов ионов водорода, была названа П. Митчеллом протон-движущей силой (PMF ‒ proton motive force). Заменив натуральный логарифм на десятичный, легко найти величину протон-движущей силы, зная разность pH (DpH) и разность потенциалов (Dj) между средой и матриксом при комнатной температуре; выраженная в миллиВ, она будет равна
PMF (мВ) = 60 (мВ) · DpH + Dj.
В митохондриях основной вклад в эту сумму вносит мембранный потенциал, который в присутствии субстрата и кислорода составляет около 170-180 мВ. Созданная работой дыхательной цепи разность потенциалов Dj может быть использована для синтеза АТР или переноса ионов в митохондрии. Синтез АТР осуществляется благодаря работе АТР-синтазы, которая представляет собой протонную АТРазу (H+-АТРазу).
Организация компонентов дыхательной цепи в виде четырех
комплексов: NADH-дегидрогеназы, сукцинатдегидрогеназы, цитохромов вс1, цитохромоксидазы. Роль коэнзима Q и цитохрома с в интеграции комплексов. Коллекторная функция NAD+ и коэнзима Q в дыхательной цепи. Коэффициент окислительного фосфорилирования Р/О, Р/2е
Основные переносчики электронов дыхательной цепи организованы в 4 комплекса. Пространственное расположение компонентов таково, что оно облегчает их функционирование и соответствует возрастанию окислительно-восстановительного потенциала. Во внутренней мембране митохондрий выделяют 4 ферментных комплекса: NADH-дегидрогеназа (комплекс I), сукцинатдегидрогеназа (комплекс II), цитохромы bс1 (комплекс III) и цитохромоксидаза (комплекс IV).
Три комплекса – I, III и IV – функционируют как зависящие от транспорта электронов протонные помпы, т.е. используя энергию электронов, эти комплексы обеспечивают перенос Н+ из матрикса в межмембранное пространство. В результате возникает протонный электрохимический потенциал. Комплекс II катализирует окисление сукцината убихиноном. При достижении определенного значения электрохимического потенциала происходит активация АТФ-синтазы (комплекс V), в ней открывается канал, через который протоны возвращаются из межмембранного пространства, а энергия ΔmН+ используется для синтеза АТР. Каждый из трех комплексов обеспечивает необходимый протонный градиент для активации АТФ-синтазы и синтеза 1 молекулы АТР.
Митохондриальная протон-транслоцирующая NADH-дегидрогеназа (первый пункт энергетического сопряжения) катализирует окисление NADH убихиноном. Реакция сопровождается трансмембранным переносом 4-х протонов при окислении одной молекулы NADH (2 электрона) и генерацией на сопрягающей мембране митохондрий разности электрохимических потенциалов. Комплекс I состоит из 46 субъединиц. В составе фермента обнаружено несколько редокс-компонентов, участвующих в передаче электронов с NADH на убихинон – FMN, несколько Fe-S-кластеров и прочно связанный убихинон (Рис.26.4).
На рис. 26.4. контуры поверхности белка приведены по данным реконструкции электронных микрофотографий фермента N.сrassa. Гидрофобный домен фермента погружен в липидный бислой. Расположение отдельных субъединиц в мембранной и периферической части фермента показано на основании результатов хроматографического разделения Комплекса I сердца быка на отдельные фрагменты.
Комплекс II (молекулярная масса 125 кДа) катализирует окисление сукцината убихиноном. Он состоит из 4 субъединиц: флавинопротеина, с молекулярной массой 70 кДа; железосерного белка, с молекулярной массой 30 кДа и двух гидрофобных заякоренных субъединиц по 7 и 17 кДа. Флавинопротеид содержит ковалентно связанный флавинмононуклеотид. Железосерные белки – это три различных железосерных кластера: [2Fe-2S] – центр S1; [3Fe-4S] – центр S2; [4Fe-4S] – центр S3. Две субъединицы являются цитохромом b и убихинон-связывающим белком.
Комплекс III имеет четыре редокс-центра: гемы bl и bh, связанные с цитохромом b; негемовый железосерный кластер FeSIII; включенный в соответствующий апопротеин; гем с, присоединенный к апопротеину цитохрома с1 (Рис.26.5). Наряду с переносчиками восстановительных эквивалентов в состав комплекса входит 8 полипептидов, лишенных простетических групп. Функционирует комплекс III по типу Q-цикла. Участвует в генерации протонного градиента, перенося 2 протона водорода из матрикса в межмембранное пространство.
Рис.26.4. Схематическое изображение структуры комплекса I
Цитохромоксидаза (комплекс IV) катализирует окисление восстановленного цитохрома с молекулярным кислородом. Эта реакция сопряжена с генерацией ΔμН. Восстановитель цитохромоксидазы цитохром с представляет собой очень стабильный гемопротеин, состоящий из 104 аминокислот и гема с. Гем ковалентно связан с апобелком (через SH-группы Cys-14, Cys-17). Цитохромоксидаза содержит 4 редокс-центра: 2 гема а-типа (а и а3) и 2 атома меди (CuA и CuB). Цитохромоксидаза содержит 3 крупные субъединицы, кодируемых митохондриальной ДНК, и еще 9 мелких субъединиц, синтезируемых в цитоплазме. Цитохромоксидаза частично погружена в мембрану, а частично экспонирована в воду. Гемы ориентированы перпендикулярно плоскости мембраны.
Рис.26.5. Комплекс III (bc1)
Электрон, отнятый от цитохрома с переносится непосредственно на Cuа. Двигаясь от поверхности в глубь мембраны, электрон переносится от Cuа к гему а и далее к комплексу гема а3 и Cub – последнему компоненту в дыхательной цепи, который восстанавливает О2.
Между комплексами электроны переносятся с помощью подвижных переносчиков: убихинона и цитохрома с. Двигаясь диффузно через липидный бислой мембраны, убихинон связывает комплексы I и III. Цитохром с выполняет аналогичную челночную функцию на участке между комплексами III и IV, диффундируя вдоль поверхности мембраны.
Функцию коллектора восстановительных эквивалентов в дыхательной цепи выполняют NAD+ и убихинон. Восстановительные эквиваленты могут поступать в дыхательную цепь на ее различных уровнях, в зависимости от редокс-потенциала окисляемого субстрата. Если он меньше, равен или немного больше -0,3 В (редокс-потенциал пары NADН/NAD+), в окислении такого субстрата участвует вся дыхательная цепь. Именно так окисляется большинство субстратов. Часто NAD+ служит непосредственным окислителем субстрата (ЦТК, окисление жирных кислот и т.д.). В редких случаях NADP, а не NAD служит окислителем субстрата. Образовавшийся NADPH может восстанавливать NAD+ в трансгидрогеназной реакции. Однако этого не происходит в энергезированной мембране, т.к. трансгидрогеназа служит потребителем ΔμН, действующим в направлении NADPH→NADP+. По этой причине NADPH обычно не подключается к дыхательной цепи, а используется в реакциях восстановительных биосинтезов.
Если редокс-потенциал субстрата значительно ниже, чем у NAD+, восстановительные эквиваленты переносятся на средний или конечный участок дыхательной цепи. Так окисляется один из субстратов цикла трикарбоновых кислот сукцинат (редокс-потенциал +0,03 В), а также ацил-СоА – субстрат первой оксидоредукции в системе β-окисления жирных кислот. Сукцинат и ацил-СоА-дегидрогеназы питают электронами дыхательную цепь на уровне комплекса bc1. В очень редких случаях редокс-потенциал окисляемого субстрата более положителен, чем у СоQ. Тогда восстановительные эквиваленты входят в цепь на уровне цитохрома с, так что только цитохромоксидазый ΔμН-генератор участвует в трансформации энергии. Пример – аскорбиновая кислота.
Мерой эффективности дыхания как поставщика энергии для синтеза АТР, предложенной в 1939 г. В.А. Белицером и Е.Т. Цыбаковой, может служить отношение количества синтезированного АТР или эстерифицированного фосфата к количеству потребляемого кислорода (АТР/O, P/O, Р/2е). Этот критерий, называемый коэффициентом фосфорилирования, отражает количество молей АТР, образованных при восстановлении 1 атома кислорода до Н2О дыхательной цепи (т.е. при прохождении 2 электронов по дыхательной цепи). Для митохондрий, окисляющих NAD-зависимые субстраты, сукцинат или аскорбат, экспериментально измеренные величины Р/O оказываются соответственно 3, 2, 1. Эти величины близки величинам, рассчитанным теоретически.
При участии АТР/АDP-транслоказы АТР транспортируется в цитоплазму в обмен на ADP. В цитоплазме АТР используется для совершения работы. При увеличении расхода АТР в клетке увеличивается поступление ADP в митохондрии. Повышение концентрации ADP (субстрата АТФ-синтазы) увеличивает скорость синтеза АТР. При этом увеличивается скорость дыхания. Таким образом, скорость синтеза АТР точно соответствует потребностям клетки в энергии. Ускорение окислительного фосфорилирования и дыхания при повышении концентрации ADP называется дыхательным контролем.
В реакциях дыхательной цепи часть энергии не превращается в энергию макроэргических связей АТР, а рассеивается в виде тепла. Тепло, освобождающееся в реакциях энергетического обмена, участвует в поддержке температуры тела у теплокровных животных. Некоторые липофильные вещества (жирные кислоты, динитрофенол и др.) могут переносить ионы водорода через внутреннюю мембрану митохондрий, минуя канал АТР-синтазы, убирая таким образом протонный градиент. Они разобщают процесс переноса электронов по дыхательной цепи и синтез АТР и поэтому называются разобщителями. При действии разобщающих факторов коэффициент Р/О снижается, часть энергии выделяется в виде тепла.
Локализация пунктов сопряжения окисления и фосфорилирования
в дыхательной цепи на основании редокс-потенциалов, действия
специфических ингибиторов (ротенон, амитал, антимицин А, цианид, СО, NaN3)
При переносе водорода на кислород каждая пара электронов, акцептируемых от субстрата, трижды пересекает мембрану и каждый раз выводит пару протонов. Первый переход совершается через восстановленный FMNH2. Вернувшись на внутреннюю поверхность мембраны с помощью железосерных белков, электроны переходят на 2 молекулы убихинона, каждая из которых при этом захватывает протон из внутренней среды, образуя гидрохинон. С его помощью электроны вновь выходят наружу и возвращаются при участии цитохромов.
На внутренней стороне мембраны электроны восстанавливают еще одну пару молекул убихинона и мигрируют наружу в третий раз. Наконец, они возвращаются во внутреннюю среду через систему цитохромов (с1, с, а, а3) и переходят на кислород. На каждом участке дыхательной цепи, где изменение окислительно-восстановительного потенциала оказывается достаточным для образования необходимой протон-движущей силы (эта разность ΔЕ»0,25 В), может синтезироваться АТР. В дыхательной цепи имеется 3 пункта сопряжения окисления и фосфорилирования: между NADH и CоQН2 (ΔЕ′o»0,3 В), между CоQН2 и цитохромом с1 (ΔЕ′o»0,21 В) и между цитохромом а и цитохромом а3 (ΔЕ′o»0,53 В). Общая разница потенциалов между NADH и кислородом составляет около 1,2 В, а суммарный электронный ток на внутриклеточных мембранах у человека в состоянии покоя около 100 А, так что мощность аэробного оттока энергии равна 120 Вт (Рис.26.6).
Ток электронов по дыхательной цепи может подавляться при действии на нее специфических и неспецифических ингибиторов. Действие ингибиторов выражается в препятствовании окислению субстратов, чем сокращается выделение водорода в дыхательную цепь. Тяжелые металлы и мышьяк (III) блокируют SH-группы дегидрогеназ. Ротенон и амитал (ингибиторы комплекса I) блокируют образования протонного потенциала: прерывают поступление водорода от NADH. Антимицин А ‒ типичный ингибитор комплекса bc1 подавляет циклический перенос электронов. Цианиды, азиды, СО ингибируют цитохромоксидазу, блокируя передачу водорода на кислород. В результате возникает ситуация кислородного голодания, хотя кислород наличествует в избытке. Выключается протонный градиент и связанное с ним фосфорилирование. Наступает энергетический голод и прекращается жизнедеятельность.
Рис.26.6. Пункты действия ингибиторов дыхательной цепи
Полные и редуцированные дыхательные цепи
У бактерий эффективность дыхательной цепи ниже, чем в митохондриях из-за более простого устройства механизма переноса электронов, шунтированием некоторых ΔμН-генераторов дыхательной цепи системами свободного окисления и укорочением цепи при использовании доноров электронов, по редокс-потенциалу более положительных, чем NADH, или акцепторов электронов, более отрицательных, чем кислород.
NADH-дегидрогеназа E.coli содержит два редокс-центра (FMN и FeS-кластер) вместо шести в митохондриях. Существуют бактерии, восстанавливающие нитрат до нитрита. У грибов редокс-цепь для восстановления нитрата выглядит таким образом: NADPH→FAD→FeS→Mo→NO3- .
У других бактерий существуют редокс-цепи восстановления фумарата в сукцинат (редокс-потенциал 0,03 В). У некоторых бактерий синтез АТР сопряжен с образованием метана. Может осуществляться окисление субстратов с положительным редокс-потенциалом. Бактерия Thiobacillus ferrooxidans служит примером энергетики такого типа. В качестве энергетического ресурса она использует ион Fe2+, который окисляется кислородом до окисного железа. Существуют и другие примеры редуцированных дыхательных цепей.
содержание .. 23 24 25 26 ..