14.1.1. В пируватдегидрогеназной реакции и в цикле Кребса происходит дегидрирование (окисление) субстратов (пируват, изоцитрат, α-кетоглутарат, сукцинат, малат). В результате этих реакций образуются НАДН и ФАДН2 . Эти восстановленные формы коферментов окисляются в митохондриальной дыхательной цепи. Окисление НАДН и ФАДН2 , протекающее сопряжённо с синтезом АТФ из АДФ и Н3 РО4 называется окислительным фосфорилированием .

Схема строения митохондрии показана на рисунке 14.1. Митохондрии представляют собой внутриклеточные органеллы, имеющие две мембраны: наружную (1) и внутреннюю (2). Внутренняя митохондриальная мембрана образует многочисленные складки - кристы (3). Пространство, ограниченное внутренней митохондриальной мембраной, носит название матрикс (4), пространство, ограниченное наружной и внутренней мембранами, - межмембранное пространство (5).

Рисунок 14.1. Схема строения митохондрии.

14.1.2. Дыхательная цепь - последовательная цепь ферментов, осуществляющая перенос ионов водорода и электронов от окисляемых субстратов к молекулярному кислороду - конечному акцептору водорода. В ходе этих реакций выделение энергии происходит постепенно, небольшими порциями, и она может быть аккумулирована в форме АТФ. Локализация ферментов дыхательной цепи - внутренняя митохондриальная мембрана.

Дыхательная цепь включает четыре мультиферментных комплекса (рисунок 14.2).

Рисунок 14.2. Ферментные комплексы дыхательной цепи (обозначены участки сопряжения окисления и фосфорилирования):

I. НАДН-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные акцепторы водорода: флавинмононуклеотид и железосерные белки). II. Сукцинат-KoQ-редуктаза (содержит промежуточные акцепторы водорода: ФАД и железосерные белки). III. KoQН2 -цитохром с-редуктаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы b и с1 , железосерные белки). IV. Цитохром с-оксидаза (содержит акцепторы электронов: цитохромы а и а3 , ионы меди Cu2+ ).

14.1.3. В качестве промежуточных переносчиков электронов выступают убихинон (коэнзим Q) и цитохром с.

Убихинон (KoQ) - жирорастворимое витаминоподобное вещество, способен легко диффундировать в гидрофобной фазе внутренней мембраны митохондрий. Биологическая роль коэнзима Q - перенос электронов в дыхательной цепи от флавопротеинов (комплексы I и II) к цитохромам (комплекс III).

Цитохром с - сложный белок, хромопротеин, простетическая группа которого - гем - содержит железо с переменной валентностью (Fe3+ в окисленной форме и Fe2+ в восстановленной форме). Цитохром с является водорастворимым соединением и располагается на периферии внутренней митохондриальной мембраны в гидрофильной фазе. Биологическая роль цитохрома с - перенос электронов в дыхательной цепи от комплекса III к комплексу IV.

14.1.4. Промежуточные переносчики электронов в дыхательной цепи расположены в соответствии с их окислительно-восстановительными потенциалами. В этой последовательности способность отдавать электроны (окисляться) убывает, а способность присоединять электроны (восстанавливаться) возрастает. Наибольшей способности отдавать электроны обладает НАДН, наибольшей способностью присоединять электроны - молекулярный кислород.

На рисунке 14.3 представлено строение реакционноспособного участка некоторых промежуточных переносчиков протонов и электронов в окисленной и восстановленной форме и их взаимопревращение.

Рисунок 14.3. Взаимопревращения окисленных и восстановленных форм промежуточных переносчиков электронов и протонов.

14.1.5. Механизм синтеза АТФ описывает хемиосмотическая теория (автор - П. Митчелл). Согласно этой теории, компоненты дыхательной цепи, расположенные во внутренней митохондриальной мембране, в ходе переноса электронов могут «захватывать» протоны из матрикса митохондрий и передавать их в межмембранное пространство. При этом наружная поверхность внутренней мембраны приобретает положительный заряд, а внутренняя - отрицательный, т.е. создаётся градиент концентрации протонов с более кислым значением рН снаружи. Так возникает трансмембранный потенциал (ΔµН+ ). Существует три участка дыхательной цепи, на которых он образуется. Эти участки соответствуют I, III и IV комплексам цепи переноса электронов (рисунок 14.4).

Рисунок 14.4. Расположение ферментов дыхательной цепи и АТФ-синтетазы во внутренней мембране митохондрий.

Протоны, выведенные в межмембранное пространство за счёт энергии переноса электронов, снова переходят в митохондриальный матрикс. Этот процесс осуществляется ферментом Н+ -зависимой АТФ-синтетазой (Н+ -АТФ-азой). Фермент состоит из двух частей (см. рисунок 10.4): водорастворимой каталитической части (F1 ) и погружённого в мембрану протонного канала (F0 ). Переход ионов Н+ из области с более высокой в область с более низкой их концентрацией сопровождается выделением свободной энергии, за счёт которой синтезируется АТФ.

14.1.6. Энергия, аккумулированная в форме АТФ, используется в организме для обеспечения разнообразных биохимических и физиологических процессов. Запомните основные примеры использования энергии АТФ:

1) синтез сложных химических веществ из более простых (реакции анаболизма); 2) сокращение мышц (механическая работа); 3) образование трансмембранных биопотенциалов; 4) активный транспорт веществ через биологические мембраны.

Цепь переноса водорода и электрона (дыхательная цепь). Комплексы переноса электронов. Окислительное фосфорилирование. Хемиосмотическая теория окисления и фосфорилирования. Механизмы сопряжения процесса транспорта электронов с образованием АТФ

Цикл Кребса, глиоксилатный и пентозофосфатный пути функционируют только в условиях достаточного количества кислорода. В то же время 0 2 непосредственно не участвует в реакциях этих циклов. Точно так же в перечисленных циклах не синтезируется АТР (за исключением АТР, образующегося в цикле Кребса в результате субстратного фосфорилирования на уровне сукцинил-СоА).

Кислород необходим для заключительного этапа дыхательного процесса, связанного с окислением восстановленных коферментов NADH и FADH 2 в дыхательной электронтранспортной цепи (ЭТЦ) митохондрий. С переносом электронов по ЭТЦ сопряжен и синтез АТР.

Дыхательная ЭТЦ, локализованная во внутренней мембране митохондрий, служит для передачи электронов от восстановленных субстратов на кислород, что сопровождается трансмембранным переносом ионов Н + . Таким образом, ЭТЦ митохондрий (как и тилакоидов) выполняет функцию окислительно-восстановительнои Н -помпы. ,

Б. Чане и др. (США) в 50-х годах, используя значения окислительно-восстановительных потенциалов известных в то время переносчиков е~, спектрофотометрические данные о временной последовательности их восстановления и результаты ингибиторного анализа, расположили компоненты ЭТЦ митохондрий в следующем порядке:

Пара электронов от NADH или сукцината передается по ЭТЦ до кислорода, который, восстанавливаясь и присоединяя два протона, образует воду.

Д. Грин (1961) пришел к выводу, что все переносчики электронов в митохондриальной мембране сгруппированы в четыре комплексу, что было подтверждёно дальнейшими исследованиями.

Согласно современным данным дыхательная цепь митохондрий включает в себя четыре основных мультиэнзимных комплекса и два небольших по молекулярной массе компонента -- убихинон и цитохром с

Комплекс I осуществляет перенос электронов от NADH к убихинону Q. Его субстратом служат молекулы вдутримитохондриального NADH, восстанавливающиеся в цикле Кребса. Всостав комплекса входит флавиновая FMN-зависимая NADH: убихи- нон-оксидоредуктаза, содержащая три железосерных центра (FeS N1-3). При встраивании в искусственную фосфолипидную мембрану этот комплекс функционирует как протонная помпа.

Комплекс II катализирует окисление сукцината убихиноном. Эту функцию осуществляют флавиновая (FAD-зависимая) сукцинат: убихинон-оксидоредуктаза, в состав которой также входят три железосерных центра (Fe s1 _ 3).

Koмплекс III переносит электроны от восстановленного убихинона к цитохрому с, т. е. функционирует как убихинол: цитохром Т-оксидредуктаза. В своем составе он содержит цитохромы b 556 и b 560 , цитохром с, и железосерный белок Риске. По структуре и функции этот комплекс сходен с цитохромным комплексом b 6 -- f тилакоидов хлоропластов. В присутствии убихинона комплекс III осуществляет активный трансмембранный перенос протонов.

В терминальном комплексе IV электроны переносятся от цитохрома с к кислороду. _т. е. этот комплекс является цитохромом с: кислород-оксидоредуктазой (цитохромоксидазой). В его состав входят четыре редокс-компонента: цитохромы а и а 3 и два атома меди. Цитохром а 3 и Сив способны взаимодействовать с 0 2 , на который передаются электроны с цитохрома а -- Си А. Транспорт электронов через комплекс IV сопряжен с активным транспортом ионов Н + .

В последние годы в результате изучения пространственного расположения компонентов ЭТЦ во внутренней мембпане митохондрии показано что комплексы I, III и IV пересекают мембрану. На внутренней стороне мембраны, обращенной к матриксу, два электрона и два протона от NADH поступают на флавинмононуклеотид комплекса I.

Электроны передаются на FeS-центры. Пара электронов от FeS-центров захватывается двумя молекулами окисленного убихинона, которые принимают два иона Н + , образуя семихиноны (2QH) и диффундируя к комплексу III. На эти семихиноны поступает еще пара электронов от цитохрома Ь 560 комплекса III, что делает возможной реакцию семихинонов с еще двумя протонами из матрикса с образованием 2QH 2 . Полностью восстановленный убихинон (убихинол) отдает 2е~ цитохрому Ь 556 и 2е~ FeS R -- цитохрому с,. В результате освобождаются четыре иона Н + , выходящие в межмембранное пространство митохондрии. Окисленные молекулы убихинона вновь диффундируют к комплексу I и готовы принимать от него (или от комплекса II) новые электроны и протоны. Таким образом, цитохромы Ь служат донорами двух электронов для переноса двух дополнительных протонов через липидную фазу мембраны на каждые два электрона, поступающие из комплекса I.

Водорастворимый цитохром с на наружной стороне мембраны, получив 2е~ от FeS R -- цитохрома c iy передает их на цитохром а -- Сид комплекса IV. Цитохром а 3 -- Си в, связывая кислород, переносит на него эти электроны, в результате чего с участием двух протонов образуется вода. Как уже отмечалось, цитохромоксидазный комплекс способен также переносить ионы Н + через митохондриальную мембрану.

Таким образом, из матрикса митохондрии при транспорте каждой пары электронов от NADH к 1/2 0 2 в трех участках ЭТЦ (комплексы I, III, IV) через мембрану наружу переносятся по крайней мере шесть протонов. Как будет показано далее, именно в этих трех участках окислительные процессы в ЭТЦ сопрягаются с синтезом АТР. Передача 2е~ от сукцината на убихинон в комплексе II не сопровождается трансмембранным переносом протонов. Это приводит к тому, что при использовании сукцината в качестве дыхательного субстрата в ЭТЦ остаются лишь два участка, в которых функционирует протонная помпа.

Особенностью растительных митохондрий (ртличающей их от митохондрий животных) является способность окислять экзогенный NADH, т. е. NADH, поступающий из цитоплазмы. Это окисление осуществляется по крайней мере двумя флавиновыми NADH-дегидрогеназами, из которых одна локализована на наружной стороне внутренней мембраны митохондрий, а другая -- в их наружной мембране. Первая из них передает электроны в ЭТЦ митохондрий на убихинон, а вторая -- на цитохром с. Для функционирования NADH- дегидрогенэзы на наружной стороне внутренней мембраны необходимо присутствие кальция.

Другое существенное отличие растительных митохондрий состоит в том, что во внутренней мембране помимо основного (цитохромного) пути переноса электронов имеется альтернативный путь переноса е~, устойчивый к действию цианида.

Перенос электронов от NADH к молекулярному кислороду через ЭТЦ митохондрий сопровождается потерей свободной энергии. Какова судьба этой энергии? Еще в 1931 г. В. А. Энгельгардт показал, что при аэробном дыхании накапливается АТР. Он первый высказал идею о сопряжении между фосфорилированием ADP и аэробным дыханием. В 1937--1939 гг. биохимики В. А. Белицер в СССР и Г. Калькар в США установили, что при окислении промежуточных продуктов цикла Кребса, в частности янтарной и лимонной кислот, суспензиями животных тканей исчезает неорганический фосфат и образуется АТР. В анаэробных условиях или при подавлении дыхания цианидом такого фосфорилирования не происходит. Процесс фосфорилирования ADP с образованием АТР, сопряженный с переносом электронов по ЭТЦ митохондрий, получил название окислительного фосфорилирования.

Экспериментально установлено, что передача пары электронов от NADH на 0 2 сопровождается образованием по крайней мерё трех молекул АТР, т. е. коэффициент фосфорилирования Р/О = 3. Такое же значение коэффициента фосфорилирования следует из величин перепадов свободной энергии между различными группами переносчиков. Таких перепадов, достаточных для синтеза молекулы АТР, по крайней мере три: между NADH и FeS N2 в комплексе I («50 кДж), Между убихиноном и цитохромом с 1 в комплексе III («13 кДж) и, наконец, между цитохромом а -- Си А и 0 2 (ж84 кДж). Причем если окисляется сукцинат с использованием FAD, то отсутствует первый пункт фосфорилирования и при переносе 2е~ образуются лишь две молекулы АТР.

По поводу механизма окислительного фосфорилирования существуют три теории: химическая, механохимическая (конформационная) и хемиосмотическая.

Химическая и механохимическая шпотезы сопряжения. Согласно химической гипотезе в митохондриях имеются интермёдиаторы белковой природы (X, Y, Z), образующие комплексы с соответствующими восстановленными переносчиками. В результате окисления переносчика в комплексе возникает высокоэнергетическая связь. При распаде комплекса к интермедиатору с высокоэнергетической связью присоединяется неорганический фосфат, который затем передается на ADP:

Однако несмотря на упорные поиски, не удалось выделить или как-то иначе доказать реальное существование постулированных высокоэнергетических интермедиаторов типа X ~ P. Гипотеза химического сопряжения не объясняет, почему окислительное фосфорилирование обнаруживается только в препаратах митохондрий с ненарушенными мембранами. И, наконец, с позиций этой гипотезы не находит объяснения способность митохондрий подкислять внешнюю среду и изменять свой объем в зависимости от степени их энергизации.

Способность митохондриальных мембран к конформационным изменениям и связь этих изменений со степенью энергизации митохондрий послужила основой для создания механохимических гипотез образования АТР в ходе окислительного фосфорилирования. Согласно этим гипотезам энергия, высвобождающаяся в процессе переноса электронов, непосредственно используется для перевода белков внутренней мембраны митохондрий в новое, богатое энергией конформационное состояние, приводящее к образованию АТР. Одна из гипотез подобного рода, выдвинутая американским биохимиком П. Д. Бойером (1965), может быть представлена в виде следующей схемы:

Автор предположил, что запасание энергии происходит путем конформационных изменений ферментов ЭТЦ аналогично тому, как это наблюдается в белках мышц. Актомиозиновый комплекс сокращается, гидролизуя АТР. Если сокращение белкового комплекса достигается за счет другой формы энергии (за счет окисления), то расслабление, возможно, будет сопровождаться синтезом АТР.

Таким образом, согласно механохимическим гипотезам, энергия окисления превращается сначала в механическую энергию, а затем в энергию высокоэнергетической связи АТР. Однако, подобно химической теории сопряжения, механохимические гипотезы также не могут объяснить подкисление митохондриями окружающей среды.

Хемиосмотическая теория сопряжения. В настоящее время наибольшим признанием пользуется хемиосмотическая теория английского биохимика П. Митчелла (1961). Он высказал предположение, что поток электронов через систему молекул-переносчиков сопровождается транспортом ионов Н + через внутреннюю мембрану митохондрий. В результате на мембране создается электрохимический потенциал ионов Н + , включающий химический, или осмотический, градиент (АрН) и электрический градиент (мембранный потенциал). Согласно хемиосмотической теории электрохимический трансмембранный потенциал ионов Н + и является источником энергии для синтеза АТР за счет обращения транспорта ионов Н + через протонный канал мембранной Н + -АТРазы.

Теория Митчелла исходит из того, что переносчики перешнуровывают мембрану, чередуясь таким образом, что в од сторону возможен перенос и электронов, и протонов, а в об ратную -- только электронов. В результате ионы Н + накапливаются на одной стороне мембраны.

Между двумя сторонами внутренней митохондриальной мембраны в результате направленного движения протонов против концентрационного градиента возникает электрохимический потенциа Энергия, запасенная таким образом, используется для синтеза АТР как результат разрядки мембраны при обратном (по концентрационному градиенту) транспорте протонов через АТРазу, которая работает в этом случае как АТР-синтетаза.

За прошедший период хемиосмотическая гипотеза Митчелла получила целый ряд экспериментальных подтверждений. Одним из доказательств роли протонного градиента в образовании АТР при окислительном фосфорилировании может служить разобщающее действие на этот процесс некоторых веществ. Известно, что 2,4-динитрофенол (2,4-ДНФ) подавляет синтез АТР, но стимулирует транспорт электронов (поглощение 0 2), т. е. разобщает дыхание (окисление) и фосфорилирование. Митчелл предположил, что такое действие 2,4-ДНФ связано с тем, что он переносит протоны через мембрану (т. е. является протонофором) и поэтому разряжает ее. Это предположение полностью подтвердилось. Оказалось, что разные по своей химической природе вещества, разобщающие окисление и фосфорилирование, сходны в том, что, во-первых, они растворимы в липидной фазе мембраны, а, во-вторых, это слабые кислоты, т. е. легко приобретают и теряют протон в зависимости от рН среды. В. П. Скулачев на искусственных фосфолипидных мембранах показал, что чем легче вещество переносит протоны через мембрану, тем сильнее разобщает эти процессы. Другое экспериментальное подтверждение роли протонного градиента в фосфорилировании было получено Митчеллом, который сообщил о синтезе АТР в митохондриях в результате замены щелочной инкубационной среды на кислую (т. е. в условиях искусственно созданного трансмембранного градиента ионов Н +).

В 1973 г. Э. Рэкеру (США) удалось получить липосомы (везикулы из фосфолипидов), в которые была встроена АТРаза, выделенная из митохондрий сердца быка, и хромопротеин галофильной бактерии Halobacterium halobium -- бактериородопсин, обусловливающий создание протонного градиента за счет энергии света. Фосфолипиды для реконструкции мембран этих липосом были выделены из растений (соевые бобы). Полученные таким образом гибридные пузырьки на свету осуществляли фосфорилирование.

Это белковые комплексы и переносчики электронов, плавающие на внутренней мембране митохондрии, передающие друг другу по цепочке электроны и за счет этого вырабатывающие энергию. Дыхательных белковых комплексов четыре, и до сих пор толком неясно, как же они организованы на мембране: плавают ли независимо друг от друга или объединяются вместе, образуя так называемые суперкомплексы. Группа испанских исследователей обнаружила, что белок под названием SCAFI (supercomplex assembly factor I) специфически регулирует объединение дыхательных комплексов в суперкомплексы.

Несколько десятилетий назад, когда дыхательные белковые комплексы митохондрий были только выделены и исследованы, предполагалось, что они существуют в мембране независимо друг от друга и общаются только с помощью путешествующих между ними переносчиков электронов - убихинона и цитохрома c (рис. 1). Такое предположение получило название «жидкая модель» (fluid model). Однако постепенно появлялись свидетельства того, что дело обстоит не так просто и дыхательные комплексы, возможно, объединяются между собой в более крупные структуры - «суперкомплексы».

Например, обнаружилось, что комплекс I вообще нестабилен в отсутствие комплексов III или IV. И вот в 2000 году была высказана смелая гипотеза - ее назвали «цельная модель» (solid model), - согласно которой комплексы I, III и IV объединяются вместе в один гигантский суперкомплекс под названием респирасома (respirasome), в результате чего работают более слаженно (см. Hermann Schägger, Kathy Pfeiffer, 2000. Supercomplexes in the respiratory chains of yeast and mammalian mitochondria). Из митохондрий сердечной мышцы быка были выделены искомые респирасомы, но, как и всегда в таких тонких молекулярных исследованиях, оставалась вероятность того, что это просто артефакт неправильно подобранной методики, и комплексы сцепляются вместе не в мембране митохондрии быка, а непосредственно в пробирке исследователя. В последующие годы делались многократные попытки доказать или опровергнуть существование респирасомы, но тщетно: неоспоримых аргументов ни за респирасому, ни против нее получено не было. Респирасомы и другие суперкомплексы прекрасно обнаруживались в митохондриях с помощью некоторых способов выделения белков, но по-прежнему было неясно, факт это или артефакт.

Авторы обсуждаемой работы решили подойти к проблеме с другой стороны. Если респирасомы (и другие суперкомплексы) - это не артефакт, то они, наверное, будут состоять не только из дыхательных комплексов как таковых, но и из каких-нибудь других, вспомогательных белков. И если эти вспомогательные белки идентифицировать, а потом «поиграть» с ними - например, выключить их или включить, - то можно получить косвенные доказательства (или, наоборот, опровержения) существования суперкомплексов, а также вообще понять, при каких условиях эти комплексы образуются и зачем нужны.

Поэтому исследователи вначале выделили из митохондрий суперкомплексы и дыхательные комплексы поодиночке (это было сделано с помощью синего нативного электрофореза (см. BN-PAGE) - одного из самых щадящих способов разделения белковых смесей), а затем проанализировали белки, из которых состоят суперкомплексы и «одинокие» дыхательные комплексы.

И выяснилось, что один белок (который носил невразумительное название Cox7a2l - cytochrome c oxidase subunit VIIa polypeptide 2-like) присутствует только в суперкомплексах, содержащих дыхательный комплекс IV (то есть в респирасоме и суперкомплексе III+IV), а в одиноких комплексах не встречается. Параллельно исследователям посчастливилось случайно обнаружить, что в трех мутантных линиях мышиных клеток с поврежденной (и, видимо, нежизнеспособной) формой этого белка суперкомплексы с участием комплекса IV в мембране митохондрий вообще не выявляются. При этом если в мутантные клетки вставить ген нормального белка, то эти суперкомплексы начинают в них образовываться. Из всего этого исследователи сделали закономерный вывод: данный белок помогает комплексу IV образовывать суперкомплексы и потому заслуживает того, чтобы быть переименованным в фактор объединения суперкомплексов I (supercomplex assembly factor I, или SCAFI) и быть исследованным подробнее.

Справедливости ради отметим, что идея про белки, стабилизирующие суперкомплексы, не нова: в прошлом году у дрожжей уже были обнаружены два белка, Rcf1 и Rcf2, которые также участвовали в образовании суперкомплексов (см.: V. Strogolova et al., 2012. Rcf1 and Rcf2, members of the hypoxia-induced gene 1 protein family, are critical components of the mitochondrial cytochrome bc1-cytochrome c oxidase supercomplex).

Зачем же нужно образование суперкомплексов? Исследователи предложили элегантное объяснение этого явления (рис. 2).

Допустим, в мембране нет никаких суперкомплексов, а дыхательные комплексы работают поодиночке и независимо друг от друга. Тогда передача электронов производится по простому, имеющему всего одно разветвление маршруту: комплекс I переносит электроны с NADH на кофермент Q (назовем этот пул кофермента Q «CoQ NADH »), комплекс II - с сукцината на кофермент Q (этот пул кофермента Q мы назовем «CoQ FAD », поскольку окисление в комплексе II происходит с помощью кофактора FAD); после этого c обоих пулов кофермента Q электроны с помощью комплекса III передаются на цитохром c (то есть образуется только один большой пул цитохрома c, назовем его Cyt c both , потому что он относится к обоим потокам); и наконец, цитохром c, пойманный комплексом IV, переносит электроны на кислород. Иными словами, во всей системе существует только один пул комплексов IV - назовем его IV both .

Если же в мембране, помимо одиноких комплексов, плавают еще и суперкомплексы, то маршрут электронов сложнее и разветвленнее. Помимо вышеописанного пути по свободным комплексам, они также могут попасть в респирасому, где в конце концов отдельный пул комплекса IV (назовем его IV NADH) перенесет их с отдельного пула цитохрома c на кислород. Могут с помощью комплекса II попасть на суперкомплекс III+IV, откуда, опять же, отправятся на кислород (этот пул комплексов IV мы назовем IV FAD). Таким образом, у нас есть три пула комплексов IV - IV NADH , IV FAD и IV both .

В результате такого разделения система становится более гибкой, застрахованной от перенасыщения одним субстратом и конкуренции между субстратами и, наоборот, адаптированной под использование разных субстратов на оптимальных уровнях. Например, если «кормить» митохондрии исключительно сукцинатом (отправляющим электроны по FAD-пути), то в отсутствие суперкомплексов они будут обрабатывать его быстрей, чем в их присутствии. Однако если поместить эти митохондрии в среду, содержащую и сукцинат, и пируват+малат (отправляющие электроны по NADH-пути), то обработка сукцината в митохондриях, содержащих суперкомплексы, не изменится, а вот в митохондриях без суперкомплексов - существенно упадет (рис. 3).

Судя по всему, наличие суперкомплексов - это просто дополнительный и необязательный «бантик» в электронтранспортной цепи. Хотя суперкомплексы, видимо, и добавляют этой цепи эргономичности, но и в их отсутствие митохондрии (а также животные, в которых работают эти митохондрии) прекрасно себя чувствуют. Обсуждаемая же работа, во-первых, предоставляет генетическое свидетельство наличия суперкомплексов, а во-вторых, предлагает элегантную теорию пластичности электронтранспортной цепи.

Переносчики электронов в дыхательной цепи организованы в надмолекулярные комплексы (табл.3).

Таблица 3

Комплексы митохондриальной цепи переноса электронов

Примечание: цитохром с не входит в состав комплекса; цитохром с является растворимым белком и перемещается между комплексами III и IV.

Комплекс I (НАДН-дегидрогеназа) катализирует перенос электронов от НАДН к коферменту Q (КоQ).

1. Комплекс представляет собой фермент, состоящий из 42 полипептидных цепей, связан с внутренней мембраной митохондрии и пересекает ее поперечном направлении.

2. Простетическими группами являются ФМН-содержащий флавопротеин и шесть FeS-центров.

3. Комплекс I катализирует 2 сопряженных процесса: 1) экзергонический транспорт к убихинону гидрид-иона от НАДН и протона из матрикса (НАДН + Н + + Q → НАД + + QН 2) и 2) эндергонический перенос 4-х протонов из матрикса в межмембранное пространство.

4. Комплекс I катализирует перенос гидрид-иона от НАДН к ФМН, от которого 2 e¯ движутся через ряд FeS-центров к FeS-белку N-2 в матриксной части комплекса. От N-2 электроны переносятся к убихинону на мембранной части комплекса с образованием QН 2 .

5. Движение протонов в межмембранное пространство приводит к образованию электрохимического потенциала на внутренней мембране митохондрий, который накапливает энергию, высвобождаемую при переносе электронов. При этом наружная сторона мембраны, обращенная к межмембранному пространству, заряжается положительно, а внутренняя сторона, обращенная к матриксу, отрицательно.

6. Суммарное уравнение реакции, которое показывает локализацию протонов можно записать следующим образом:

НАДН + 5 Н + N + Q → НАД + + QH 2 + 4H + P , где N (negative) – отрицательно заряженная сторона мембраны (матрикс), P (positive) – положительно заряженная сторона внутренней мембраны митохондрий (межмембранное пространство)

7. Убихинол (QH 2) диффундирует во внутренней мембране митохондрий от комплекса I к комплексу III, где окисляется до Q.

Комплекс II (сукцинатдегидрогеназа):

1. Сукцинатдегидрогеназа (комплекс II) является интегральным белком, связанным с внутренней мембраной митохондрий и окисляет сукцинат (янтарную кислоту из ЦТК).

2. Простетические группы: ФАД, FeS-центры с четырьмя атомами Fe. Электроны транспортируются от сукцината (промежуточный продукт ЦТК) к ФАД, затем через FeS-центры к убихинону. Выталкивания протонов в межмембранное пространство не происходит, поскольку изменение свободной энергии незначительно.

3. Другие субстраты для митохондриальных дегидрогеназ отдают электроны в дыхательную цепь на уровне убихинона, но не через комплекс II (рис. 9.4).

4. Ацил-КоА (активная форма жирной кислоты) окисляется ФАД-зависимой дегидрогеназой (ацил-КоА-дегидрогеназой ), которая передает электроны на электронтранспортный флавопротеин (ЭТФ), ЭТФ:убихинол оксидоредуктазу и в дыхательную цепь на убихинон.

5. Глицерол-3-фосфат, образующийся при распаде триацилглицеролов или восстановлении диоксиацетонфосфата при гликолизе, окисляется ферментом глицерол-3-фосфатдегидрогеназой , который локализован на наружной стороне внутренней мембраны митохондрий и передает электроны в дыхательную цепь на убихинон.

6. QH 2 , образующийся в результате этих реакций, окисляется комплексом III.

Комплекс III (цитохром bc 1 комплекс, убихинон:цитохром с-оксидоредуктаза) переносит электроны от восстановленного кофермента Q (убихинола) к цитохрому с , который является водорастворимой молекулой и локализован в межмембранном пространстве, и одновременно транспортирует протоны из матрикса в межмембранное пространство. Убихинол-цитохром с -редуктаза содержит 2 типа цитохромов b и c и Fe-S белки.

Механизм переноса электронов в комплексе можно представить следующим образом:

Комплекс IV (цитохром с-оксидаза, цитохромоксидаза) катализирует перенос электронов от цитохрома с к молекулярному кислороду, как конечному акцептору. Для полного восстановление кислорода до Н 2 О необходимо 4 электрона и 4Н + .

4 цит с (восстановл.) + 4 Н + + О 2 → 4 цит с (окислен.) + 2 Н 2 О

Комплекс IV представляет собой большой фермент (13 субъединиц, м.м. 204 000 Да) внутренней мембраны митохондрий. Известно, что 3 субъединицы кодируются митохондриальной ДНК. Содержит две молекулы гема а и а 3 и два иона меди (Cu A и Cu B), которые принимают электрон и восстанавливаются (Cu 2+ ↔ Cu 1+).

Электроны передаются: цитохром с → Cu A → Fe гема а → Fe гема а 3 - Cu B . Гем а 3 вместе с атомом меди Cu B образует «бинуклеарный центр», с которым связывается кислород. Кислород остается связанным между планарной структурой гема а 3 и Cu B до полного восстановления. Это препятствует образованию токсичных свободных радикалов.

Для каждых 4-х электронов, проходящих через комплекс, фермент использует 4 «субстратных» Н + из матрикса (N сторона), превращая кислород в Н 2 О. Энергия восстановительной реакции используется для выталкивания в межмембранное пространство (Р сторона) одного Н + на каждый транспортируемый электрон.

Суммарное уравнение, катализируемое комплексом IV можно представить следующим образом:

4 цит с (восстановл.) + 8 Н + N + О 2 → 4 цит с (окислен.) + 4H + P + 2 Н 2 О

K 6-й координационной связи железа цитохрома а может присоединиться HCN, H 2 S, CO. При этом валентность железа (Fe 3+) становится постоянной и поток электронов прекращается. Это механизм действия дыхательных ядов.

Похожая информация.

Окислительно-восстановительные ферменты, катализирующие перенос электронов, и окислительное фосфорилирование локализованы в липидном слое внутренней мембраны митохондрий клеток.

Транспорт электронов к кислороду в митохондриях (рис. 13.3) происходит в несколько этапов и представляет собой цепь из переносчиков электронов, у которых по мере приближения к кислороду возрастает редокс-потенциал (соответственно снижается восстановительный потенциал). Эти транспортные системы получили название дыхательных цепей.

Рис. 13.3.

Большинство электронных пар поступает в дыхательную цепь благодаря действию ферментов (дегидрогеназ), использующих в качестве акцепторов электронов коферменты NAD+ и NADP + . Всю эту группу ферментов называют ЫАО(Р)-зависимыми дегидрогеназами.

Коферменты NAD + (никотинамид-адениндинуклеотид), FAD и FMN (флавинадениндинуклеотид и флавинмононуклеотид), ко- фермент Q (CoQ), семейство гемсодержащих белков - цитохромов (обозначаемых как цитохромы b, Q, С, А, А 3) и белки, содержащие негеминовое железо, являются промежуточными переносчиками в дыхательной цепи у высших организмов. Процесс начинается с переноса протонов и электронов от окисляемого субстрата на коферменты NAD+ или FAD и образования NADH и FADH2.

Последующее движение электронов от NADH и FADH 2 к кислороду можно уподобить скатыванию с лестницы, ступеньками которой являются переносчики электронов. При каждом шаге со ступеньки на ступеньку высвобождается порция свободной энергии (см. рис. 13.3).

В переносе электронов от органических субстратов к молекулярному кислороду принимают участие три белковых комплекса (I, III, IV) и две подвижные молекулы-переносчики: убихинон (ко- фермент Q) и цитохром С.

Рис. 13.4. Строение молекулы гема, z = 2* или 3 +

Сукцинатдегидрогеназа, принадлежащая собственно к циклу Кребса, также может рассматриваться как комплекс II дыхательной цепи.

Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различных окислительно-восстановительных кофер- ментов, связанных с белками.

Переносчики электронов цито- хромы (названные так из-за своей окраски) - это белки, содержащие в качестве простетической группы различные группы гемов. Гемы типа Ь соответствуют гемоглобинам. Гем ковалентно связан с белком (рис. 13.4).

Общим для цитохромов является способность иона железа, находящегося в геме, изменять степень окисления при передаче электрона:

Флавинзависимые дегидрогеназы - это белки, у которых сульфгидрильные группы цистеина, входящего в состав белка, связаны с атомами железа, в результате чего образуется железосерные комплексы (центры). Как и в цитохромах, атомы железа в таких центрах способны отдавать и принимать электроны, переходя поочередно в ферри- (Fe +3) и ферро- (Fe +2) состояния.

Железосерные центры функционируют совместно с флавинсодержащими ферментами FAD или FMN.

Фпавинадениндинуклеотид (FAD) является производным витамина В 2 (рибофлавина). Восстанавливаясь, FAD (окисленная форма) присоединяет два атома водорода и превращается в FADH 2 (восстановленная форма):

Еще один переносчик электронов, относящийся к данной группе, - флавинмононуклеотид (FMN) также является производным витамина В 2 (отличается от витамина В 2 только наличием фосфатной группы).

Оба флавиновых кофермента могут существовать и в форме так называемых семихинонов - свободных радикалов, которые образуются в результате переноса только одного электрона на FAD или FMN:

Общее обозначение различных флавопротеидов, различающихся белковой составляющей фермента, - FP„.

Пиридинзависимые дегидрогеназы получили такое название потому, что коферментом для них служат NAD + и NADP + , в молекулах которых имеется производное пиридина - никотинамид:

Катализируемые этими ферментами реакции можно представить следующим образом:

Дегидрогеназы, связанные с NAD + , принимают участие главным образом в процессе дыхания, т.е. в процессе переноса электронов от субстратов к кислороду, тогда как дегидрогеназы, связанные с NADP + , участвуют преимущественно в переносе электронов от субстратов, возникающих в результате катаболиче- ских реакций, к восстановительным реакциям биосинтеза.

Единственный небелковый переносчик электронов - убихинон, названный так потому, что этот хинон встречается везде (от ubiquitous - вездесущий). Сокращенно его обозначают CoQ или просто Q. Убихинон при восстановлении присоединяет не только электроны, но и протоны. При одноэлектронном переносе он превращается в семихинон, двухэлектронном - в гидрохинон.

Последовательность переносчиков электронов в дыхательной цепи митохондрий можно представить следующей схемой:

Эта схема описывается цепью последовательных реакций:

Таким путем через дыхательную цепь электроны от субстратов достигают конечного акцептора - атмосферного кислорода. Образующаяся в результате этого процесса вода называется метаболической.

Разделение водорода на протоны и электроны в мембране митохондрий представляет собой цепь переноса электронов, которая работает как протонный насос, перекачивающий ионы водорода из межклеточного пространства на наружную сторону мембраны.