Биологическое окисление

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 сфериче-ские структуры (названные F1-АТФазами) добавляли к лишенным их суб-митохондриальным частицам, реконструированные частицы вновь синтези-ровали АТФ из AДФ и Фн.

F1- АТФаза - это часть большого, пронизывающего всю толщу мембраны комплекса, который состоит по меньшей мере из девяти различных полипеп-тидных цепей. Этот комплекс получил название АТФ-синтетаза; он составля-ет около 15% всего белка внутренне митохондриальнои мембраны. Весьма сходные АТФ-синтетазы имеются в мембранах хлоропластов и бактерий. Та-кой белковый комплекс содержит трансмембранные каналы для прото-нов, и происходит только тогда, когда через эти каналы проходят протоны вниз по своему электрохимическому градиенту.

АТФ-синтетаза может действовать в обратном направлении - расщеп-лять АТФ и перекачивать протоны. Действие АТФ-синтетазы обратимо: онa способна использовать как энергию гидролиза АТФ для перекачивания про-тонов через внутреннюю митохондриальную мембрану, так и энергию пото-ка протонов по электрохимическому градиенту для синтеза АТФ. Таким об-разом, АТФ-синтетаза - это обратимая сопрягающая система, которая осуще-ствляет взаимопревращение энергии электрохимического протонного гради-ента 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 ус-ловиях npoтоннoro градиента, поддерживаемого дыхательной цепью, синте-зирует 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 изменения-ми 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 митохонд-рии - 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 протонодвижу-щая сила внезапно снизится и будет поддерживаться на постоянном уровне, то АТФ-синтетаза начнет расщеплять АТФ, и эта реакция будет продолжать-ся до тех пор, пока соотношение между концентрациями ATФ и AДФ не дос-тигнет 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 ды-хательная цепь, находящаяся во внутренней митохондриальной мембране, при нормальных условиях переносит через эту мембрану протоны, создавая таким образом электрохимический протонный градиент, доставляющий энер-гию, 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 ка-ждого переносчика достаточно характерны, что позволяет даже в неочищен-ном экстракте прослеживать изменения его состояний с помощью спектро-скопии. Это дало возможность выделить такие переносчики задолго до того, как стала понятна их истинная функция. Например, цитохромы были откры-ты в 1925 г. как соединения, которые быстро окисляются и восстанавливают-ся у таких различных организмов, как дрожжи, бактерии и насекомые. На-блюдая клетки и ткани с помощью спектроскопа, удалось идентифицировать три типа цитохромов, которые различались по спектрам поглощения и назва-ны 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 на-рушать нормальное белок-белковое взаимодействие. Однако в начале 1960-х гг. было обнаружено, что с помощью относительно мягких ионных детерген-тов, таких как дезоксихолат, можно солюбилизировать некоторые компо-ненты митохондриальной внутренней мембраны в нативной форме. Это по-зволило 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 элек-троны 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 ци-тохрому с, небольшому периферическому мембранному белку, который за-тем переносит их на цитохром-оксидазный комплекс.

3.Цитохромоксидазный комплекс (цитохром аа3) - наиболее изученный из трех комплексов. Он состоит не менее чем из восьми различных полипептид-ных цепей и выделен как димерс молекулярной массой 300000; каждый мо-номер 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 несколь-ко электронсобирающих и электронраспределяющих участков, где согласо-вывается 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 об-разованию двух молекул воды. На промежуточных ступенях этого процесса два электрона, прежде чем перейти к участку, связывающему кислород, по-ступают 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 фер-ментными комплексами дыхательной цепи, - убихинон и цитохром с – быст-ро перемещаются путем диффузии в плоскости мембран.

Столкновения между этими подвижными переносчиками и ферментны-ми комплексами вполне позволяют объяснить наблюдаемую скорость пере-носа электронов (каждый комплекс отдает и принимает один электрон каж-дые 5-10 миллисекунд). Поэтому нет необходимости предполагать структур-ную упорядоченность цепи белков-переносчиков в липидном бислое; в са-мом деле, ферментные комплексы, видимо существуют в мембране как неза-висимые компоненты и упорядоченный перенос электронов обеспечивается только специфичностью функциональных взаимодействий между компонен-тами цепи.

В пользу этого говорит и тот факт, что различные компоненты дыха-тельной цепи присутствуют в совершенно разных количествах. Например, в митохондриях сердца на каждую молекулу НАДН-дегидрогеназного ком-плекса приходятся З молекулы | комплекса b-c1 комплекса, 7 молекул цито-хромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома с и 50 молекул убихинона; весьма различные соотношения этих белков обнаружены и в некоторых дру-гих клетках.

Значительный перепад окислительно-восстановительного потенциала на каждом из трех комплексов дыхательной цепи доставляет энергию, необхо-димую для перекачивания протонов.

Такую пару, как Н2О и ½О2 (или НАДH и НАД+), называют сопряженной окислительно-восстановительной парой, так как один из ее членов превраща-ется в другой, если добавить один или несколько электронов