Главная > Разное > Биология и квантовая механика
<< Предыдущий параграф
Следующий параграф >>
<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Макеты страниц

16.1. Цепь электронного транспорта в митохондриях

Перенос электронов в мембранах митохондрий осуществляется последовательно системой переносчиков, которые объединяются в высокоорганизованные комплексы белковых молекул, входящих в состав мембран. На каждом этапе электрон переходит при понижении свободной энергии от одной молекулы к другой.

Молекула, отдающая электрон, называется донором (восстановителем), молекула, принимающая электрон, называется акцептором (окислителем). Процесс передачи электрона сопровождается окислением донора и восстановлением акцептора. Поэтому он

Таблица 9

называется окислительно-восстановительной реакцией. Иногда окислительно-восстановительная реакция сопровождается и передачей протона. В этом случае донор теряет атом водорода, а акцептор приобретает атом водорода. Отрыв атома водорода от молекулы называется дегидрированием. Дегидрирование в некотором смысле эквивалентно окислению. Иногда одновременно передается электрон и атом водорода.

Донор и акцептор (восстановитель и окислитель) образуют сопряженную восстановительно-окислительную пару. Способность донора отдавать электрон сопряженному акцептору принято характеризовать окислительно-восстановительным или редокс-потенциалом

В табл. 9 приведены значения окислительно-восстановительных потенциалов некоторых сопряженных пар, находящихся в стандартных условиях (одномолярные концентрации, рН7, температура 25° С) [40].

Окислительно-восстановительный потенциал выражается в вольтах и может быть как положительным, так и отрицательным, Он характеризует относительное изменение свободной энергии системы при переносе двух электронов между компонентами восстановительно-окислительных пар.

При исследовании переходов с участием промежуточных состояний надо рассматривать только разность потенциалов конечного и начального <р? состояний, так как промежуточные состояния восстанавливаются и тут же окисляются.

Если разность положительна, то переход электрона связан с выделением энергии Например, при переходе двух электронов от НАДФ • Н к двум цитохромам с выделяется энергия 0,22 + 0,32 = 0,54 эВ. Если разность отрицательна, то переход требует затраты энергии. Другими словами, переход электрона связан с выделением энергии при перемещении по градиенту потенциала , т. е. в направлении увеличения окислительно-восстановительного потенциала.

Следует, конечно, иметь в виду, что такие энергетические оценки могут иметь только качественное значение, во-первых, потому что условия в клетке отличаются от стандартных и, во-вторых, потому что потенциалы как и свободйые энергии, характеризуют равновесные состояния, а процессы переноса электронов являются существенно неравновесными.

Если известны концентрации доноров и акцепторов в клетке, то реальный окислительно-восстановительный потенциал выражается при -электронном переносе через стандартный потенциал с помощью уравнения Нернста

где F — число Фарадея; R — газовая постоянная. Для двухэлектронных переносов это уравнение может быть записано в виде

(16.1а)

Перенос электронов (атомов водорода) в сопряженной восстановительно-окислительной паре осуществляется при участии специальных ферментов.

Согласно современным представлениям наиболее вероятная схема переноса электронов по дыхательной цепи внутренних мембран митохондрий может быть описана следующим образом. От питательных веществ (пируват, сукцинат, малат и др.) — субстратов — ферменты — пиридинзависимые дегидрогеназы — переносят два атома водорода (два электрона) к молекулам НАД+, которые выступают как первичные акцепторы электронов. При этом свободные ионы переходят во внутреннюю область митохондрий (матрикс), где они вместе с ионами гидроксила ОН- образуют молекулы воды. Эти реакции можно записать в виде

где S — окисленный субстрат.

В дальнейшем от молекулы НАД • Н прямой перенос пары атомов водорода на молекулы флавинмононуклеотида (ФМН) осуществляют ферменты — флавинзависимые дегидрогеназы. В результате образуются восстановленные молекулы ФМН согласно реакции, происходящей с внутренней стороны сопрягающей мембраны,

В этой реакции молекула НАД • Н передает свои два электрона и один протон молекуле ФМН, второй протон заимствуется из окружающей среды.

Молекула ФМН располагается на внутренней стороне сопрягающей мембраны. По-видимому, она присоединена к большой белковой молекуле, которая прониаывает мембрану насквозь. Образующаяся в результате реакции (16.3) молекула ФМН передает (возможно, через канал присоединенной к ней белковой молекулы) два атома водорода на внешнюю поверхность сопрягающей мембраны. Там атомы водорода ионизируются. Электроны переходят на два железосерных белка а оставшиеся протоны — в среду на внешней стороне сопрягающей мембраны.

Отдав два протона и два электрона, молекула ФМН возвращается в свою первоначальную форму (ФМН) и может быть снова восстановлена молекулой с помощью реакции (16.3).

Рис. 38. Структурная форма убихинона а — окисленная форма; П — восстановленная форма.

Железосерные белки принимают и отдают электроны но одному. Эти электроны передаются небольшой кольцеобразной молекуле — окисленной форме убихинона (рис. 38), называемой коферментом убихиноном («вездесущий хинон») и обозначаемой буквой Q. В полностью окисленном состоянии (без двух атомов водорода) оба атома кислорода присоединены к кольцу двумя химическими связями. Присоединение одного электрона от молекулы и протона из окружающей среды к одному атому кислорода переводит кофермент убихинон в семихинонное состояние QH. Присоединение электрона и протона ко второму атому кислорода преобразует молекулу Q в восстановленную форму

Молекулы убихинона растворимы в липидном слое мембраны, поэтому они могут мигрировать от одной стороны мембраны к другой. Молекулы убихинона осуществляют перенос электронов от железосерных белков к другим составным частям цепи электронного транспорта митохондрий, которые называются цитохромами. Механизм такого переноса недостаточно ясен. Основными элементами цепи электронного транспорта, которую часто называют дыхательной цепью митохондрий, являются пять различных молекул цитохромов. Они обозначаются латинскими буквами b, с,

Возможную последовательность переноса пары электронов по дыхательной цепи можно кратко изобразить схемой

(16.4)

В этой схеме компоненты дыхательной цепи располагаются в порядке возрастания окислительно-восстановительных потенциалов. Кроме цитохромов в дыхательную цепь входят молекулы флавин-мононуклеотида, железосерные белки, молекулы убихинона и некоторые другие белковые молекулы. Молекулы НАД+ являются главным связующим звеном между циклом лимонной кислоты и цепью электронного транспорта, через которую пара электронов передается атому кислорода. Говорят о переносе пары электронов, потому что электроны появляются парами на молекуле НАД Заканчивается цепь переносом двух электронов к атому

кислорода. Внутри цепи электроны переносятся по два и по одному.

Цитохромами называются белковые молекулы, содержащие железопорфириновые кольца, близкие по строению к гемам в молекуле гемоглобина (см. рис. 17). Цитохромы, входящие в состав дыхательной цепи, исключительно важны, так как именно они позволяют осуществлять окисление пищевых продуктов кислородом воздуха. Предполагается, что появление молекул цитохромов в клетках около полутора миллиардов лет тому назад привело к существенному скачку в развитии жизни на Земле, так как позволило клеткам значительно улучшить использование энергии пищевых продуктов, доводя их окисление до .

В геме четыре лигандные группы плоского порфиринового кольца (см. рис. 17) образуют комплекс с ионом железа, находящемся в центре кольца. В образовании этого комплекса участвуют четыре из шести координационных валентностей иона железа. Оставшиеся две валентности иона железа расположены перпендикулярно плоскости кольца. В миоглобине и гемоглобине одна из валентностей используется для образования связи с гистидиновым остатком белковой цепи, а шестая участвует в присоединении молекул кислорода.

В цитохромах пятая и шестая валентности участвуют в удержании боковых групп аминокислотных остатков белковых цепей. Поэтому ионы железа в гемах цитохромов не могут переносить молекулярный кислород.

Гемоглобин переносит молекулы кислорода. При присоединении молекул кислорода к гемоглобину или миоглобину ион железа остается двухвалентным. Цитохромы же осуществляют окислительно-восстановительные реакции путем отрыва электрона (окисление) и присоединения электрона (восстановление) к ионам железа, входящим в состав их гемов.

При окислении ион железа из двухвалентного состояния Fe2+ переходит в трехвалентное состояние Fe3+. При восстановлении происходит обратное преобразование. Ионы Fe2+ и Fe3+ имеют соответственно конфигурации

Цитохромы с ионами называются ферроцитохромами и феррицитохромами.

В окислительно-восстановительной реакции всегда участвуют два электрона , и, следовательно, должны участвовать два цитохрома

Например, отрыв двух атомов водорода от субстрата осуществляется при восстановлении двух феррицитохромов до ферроцитохромов :

Если окислительно-восстановительный процесс протекает через несколько последовательных одноэлектронных состояний, то промежуточные продукты будут содержать неспаренные ялектроны (свободные радикалы). Образование радикалов зарегистрировано сигналами электронного парамагнитного реаонанса при работе митохондрий.

Все цитохромы подрааделяются на три главных класса а, b, с в зависимости от положения полос поглощения в спектрах. В табл. 10 приведена дина волны максимумов полос поглощения цитохромов.

Цитохромы 6 и с, образуют во внутренней мембране митохондрий комплекс, получивший название цитохромредуктаза. Цитохромы а и также образуют комплекс, получивший название цитохромоксидаза.

Из всех цитохромов только восстановленная форма цитохром-оксидазы способна окисляться молекулой кислорода. Возможно, это свойство обусловлено тем, что в молекулах цитохромов а и содержится порфирин А вместо протопорфирина, входящего в состав других цитохромов. Структура порфирина А близка к структуре хлорофилла (см. п. 17.1). Он также имеет длинную изопреновую боковую цепь.

Цитохромредуктаза и цитохромоксидаза жестко связаны с внутренней мембраной митохондрий. Цитохром с легко выделяется из мембраны и может быть исследован в чистом виде.

Молекула цитохрома с является белком с молекулярной массой 12 300. Полимерная цепь содержит 104 остатка аминокислот. Только 12 из них различны в цитохромах с человека и лошади. Небольшие "Отличия в первичной структуре цитохромов различных животных имеют только те части молекулы, которые играют малую роль в их функционировании.

Взаимодействие между цитохромом с и цитохромоксидазой в основном электростатическое. На оксидазе имеется отрицательно заряженная группа остатков аминокислот, которые взаимодействуют с положительно заряженной группой в цитохроме с.

Трехмерная структура цитохрома с клеток лошади с разрешением

Таблица 10

2—3 А была установлена Диккерсеном с сотрудниками в 1971 г. [238, 113]. Оказалось, что структуры ферроцитохромов и феррицитохромов существенно различаются.

В феррицитохроме с полипептидная цепь обернута вокруг гема так, что ее гидрофобные боковые цепи направлены к гему, а полярные группы — к поверхности молекулы. Аминокислотные остатки с номерами 91—100 образуют а-спираль. Молекула состоит как бы из двух половинок. Гем связан с белковой цепью ковалентно и находится в «пещере», куда ведут два «отверстия». Конформация ферроцитохрома с оказалась более плотной и закрытой, чем конформация феррицитохрома.

Представляют интерес исследования скорости конформационных преобразований молекул цитохромов при переходах ионов Исследуя кинетику изменения спектра феррицитохрома с при его восстановлении, Пехта и Фарагги [208] обнаружили, что период восстановления железа составляет 10-й с. Однако полное совпадение со спектром поглощения стабильного ферроцитохрома наблюдалось через сотни миллисекунд (см. также [74]). В связи с результатами этих исследований возникает вопрос, успевают ли произойти конформационные преобразования цитохромов при их функционировании в цепях переноса электронов в митохондриях.

Окисленная форма цитохромоксидазы, содержащая цитохромы а и с ионом железа в состоянии может принимать электроны от восстановленного цитохрома с, переводя ион железа в состояние . В этом состоянии цитохромоксидаза снова окисляется, но уже молекулярным кислородом.

Предполагают, что цитохромоксидаза представляет собой комплекс с молекулярной массой 240 000, состоящий из шести подсистем. Две из них — цитохромы а, остальные четыре — цитохромы . По-видимому, первоначально электроны принимаются цитохромами а, которые передают их подсистеме, состоящей из четырех цитохромов . Эта подсистема далее передает их непосредственно кислороду.

Для восстановления одной молекулы кислорода до двух ионов гидроксила необходимо четыре электрона в соответствии с реакцией

Доставляются ли они дыхательной цепью по одному, по два или сразу группами по четыре, пока неизвестно.

Детальное расположение компонент дыхательной цепи в сопрягающих мембранах митохондрий еще не установлено. Современные экспериментальные данные согласуются с предположением, что комплекс цитохромоксидаза пронизывает всю толщу мембраны. При этом цитохром обращен к матриксу, а цитохром к внешней стороне мембраны. На внутренней стороне сопрягающей мембраны, по-видимому, также находятся цитохромы b и флавиновая часть компонента цепи дыхания. На внешней стороне сопрягающей мембраны находятся цитохромы и с. Молекула цитохрома с имеет размеры 30, 34 и 34 А и сравнительно легко отделяется от мембраны, что подтверждает ее поверхностное расположение.

Весьма интересно, что в мембранах пузырьков — липосом, образованных в суспензии, содержащей фрагменты сопрягающих мембран митохондрий, расположение белковых молекул обратное их расположению в сопрягающих мембранах, находящихся внутри митохондрий. Белки, выступающие в сторону матрикса на внутренней поверхности сопрягающих мембран митохондрий (цитохромы b и , ФМН ...), в мембране липосомы располагаются на внешней поверхности и, наоборот, белки, находящиеся на внешней поверхности сопрягающих мембран митохондрий (цитохромы ), в липосомах находятся на внутренней стороне мембраны. Таким образом, мембрана липосомы представляет собой как бы «обращенную» сопрягающую мембрану митохондрий.

Это замечательное свойство дает возможность с помощью внешних воздействий на мембраны липосом изучать поведение белков, которые в естественных условиях в митохондриях расположены на трудно доступных внутренних поверхностях сопрягающих мембран.

При переносе пары электронов по всей дыхательной цепи (16.4) от НАД • Н к молекулярному кислороду, согласно данным табл. 9, в стандартных условиях выделяется энергия, равная 1,14 эВ. Она расходуется на синтез трех молекул АТФ из молекул АДФ и неорганического фосфата.

Суммарные уравнения процессов дыхания и фосфорилирования можно записать в виде двух уравнений

При стандартных условиях в реакции (16.7) выделяется свободная энергия эВ. В реакции (16.8) расходуется энергия . Таким образом, в стандартных условиях полезный коэффициент использования энергии дыхания равнялся бы примерно 69%. В реальных условиях, характерных для митохондрий, это значение может быть иным.

Ранее считалось, что синтез молекул АТФ происходит в трех участках дыхательной цепи. Предполагали, что ими являются: область расположения флавопротеидов, так как на участке НАД — Q выделяется около 0,27 эВ энергии, близкой к энергии 0,32, необходимой для синтеза АТФ в стандартных условиях; участок между цитохромом b и цитохромом с, где выделяется около 0,22 эВ энергии и, наконец, участок между цитохромоксидазой и кислородом, на котором выделяется около 0,53 эВ энергии.

Согласно новым экспериментальным данным, только две молекулы АТФ синтезируются при восстановлении каждого атома кислорода до воды. Возможно, что такое уменьшение эффективности синтеза молекул АТФ связано с необходимостью затраты энергии на транспорт молекул АДФ и неорганического фосфата внутрь матрикса и вывод молекул АТФ из этой области.

Скорость сопряженных процессов переноса электронов и фосфорилирования во внутренних мембранах митохондрий зависит от кинетики поступления «топлива» (глюкозы, жирных кислот, пирувата, аминокислот и др.), молекул АДФ, неорганического фосфата и молекул кислорода в митохондрии.

<< Предыдущий параграф Следующий параграф >>
Оглавление