Биохимия и молекулярная биология - Белясова Н.А. 2002

Метаболизм. Процессы, приводящие к запасанию энергии
Дыхание
Механизм окислительного фосфорилирования

Вся система переносчиков в дыхательной цепи внутренней мембраны ми­тохондрий включает примерно 70 различных полипептидов, организованных в 4 ферментных комплекса: NADH—CoQ-редуктаза (комплекс I), CoQH₂ — цитохром с-редуктаза (комплекс III), цитохромоксидаза (комплекс IY) и сук­цинат — СоQ-редуктаза (комплекс II). Дыхательная цепь тесно примыкает к АТР-синтазному комплексу, в котором осуществляется фосфорилирование ADP. Для ответа на вопрос о том, каким образом транспорт электронов по компонентам дыхательной цепи сопряжен с синтезом АТР, предложено не­сколько гипотез:

1) гипотеза химического сопряжения (Е. Слейтер, 1953 г.): перенос элек­тронов вызывает серию химических реакций, в ходе которых образуется не­кий высокоэнергетический продукт. Расщепление этого продукта сопровож­дается высвобождением энергии, достаточной для синтеза молекулы АТР;

2) гипотеза конформационного сопряжения (П. Бойер, 1964 г.): транспорт электронов вызывает Конформационные изменения в белковых компонентах в мембране, что связано с переходом их в высокоэнергетическую форму. Эти изменения передаются АТР-синтазе, которая активируется и катализирует синтез АТР;

3) хемиосмотическая гипотеза (предложена Питером Митчеллом в 1961 г.): Перенос электронов сопровождается выводом протонов в межмем­бранное пространство митохондрий. Так на внутренней мембране создается электрохимический градиент, который и запускает работу АТР-синтазы. Иными словами, синтез АТР осуществляется за счет осмотической энергии протонного градиента.

Из всех рассмотренных гипотез наиболее состоятельной и подтвержден­ной многими экспериментальными данными является гипотеза Митчелла. Она, в частности, объясняет необходимость целостности мембраны для син­теза АТР. Однако и ее положения носят пока статус теории и далеки от со­вершенства, хотя признаны большинством исследователей и будут рассмот­рены ниже.

Каждый из комплексов дыхательной цепи включает по несколько редокс-центров, расположенных в мембране особым образом, формируя несколько «петель». В каждой такой «петле» 2 атома водорода выносятся к наружной поверхности внутренней мембраны митохондрий, где отдают 2 протона в межмембранное пространство, а пара электронов транспортируется затем на внутреннюю поверхность мембраны. На рис. 12.2 представлена упрощенная схема функционирования переносчиков дыхательной цепи (комплексы I, III, IY), работа которых описана ниже.

Class="center">

Рис. 12.2. Упрощенная схема транспорта электронов по компонентам ды­хательной цепи во внутренней мембране митохондрий Комплекс I включает 25—30 субъединиц, FMN, 6—7 железосерных цен­тров и носит название NADH-дегидрогеназа или NADH—CoQ-редуктаза.

Этот комплекс окисляет NADH и восстанавливает хиноны (CoQ). Гидрид-ион от NADH и протон из матрикса Cell/35.html">Митохондрии передаются на FMN, который восстанавливается до FMNH₂. FMNH₂ осуществляет перенос двух атомов во­дорода от внутренней поверхности мембраны к внешней. При этом два про­тона выводятся в межмембранное пространство, а два электрона акцептиру­ются железосерными белками и по их редокс-центрам электроны мигрируют к внутренней поверхности мембраны, где переносятся на хиноны. Но для вос­становления хинонов требуются атомы водорода, а не электроны, поэтому дополнительно 2 протона акцептируются из матрикса (рис. 12.2).

Далее вступает в действие комплекс III (CoQH₂—цитохром с-редуктаза), содержащий 11 субъединиц, 2 железосерных центра, 2 гема цитохрома b и гем цитохрома с₁. Работа этого комплекса приводит к окислению CoQH₂ и восстановлению цитохрома с. Перенос электронов осуществляется в следую­щей последовательности:

CoQH₂ → гем b → FeS (III) → гем с₁ → гем с

Процесс окисления CoQH₂ также сопровождается выводом протонов в межмембранное пространство (рис. 12.2).

Цитохром с окисляется комплексом IV (цитохромоксидаза), включающим 13 субъединиц, 2 атома меди, 2 гема а и 2 гема а₃. Этот комплекс восстанав­ливает молекулярный кислород до воды. Электрон, отнятый от гема с, пере­носится на редокс-центр Cu_A цитохромоксидазы, который расположен ближе всего к той поверхности фермента, которая обращена в межмембранное про­странство. Перемещаясь далее вглубь мембраны, электрон переносится на гем а, а затем на комплекс гем а₃ — Cu_B, который и восстанавливает молеку­лярный кислород. При этом следует признать, что хотя Цитохромы являются переносчиками электронов, цитохромоксидаза имеет протон-проводящие ка­налы и, как полагают, может действовать как истинный протонный насос. На один транспортируемый электрон переносится 2 протона, один из которых участвует в восстановлении О₂, а второй пересекает мембрану. Таким обра­зом, на 2 транспортируемых по компонентам дыхательной цепи электрона через канал цитохромоксидазы должно быть перенесено 4 протона (рис. 12.2).

Комплекс II (сукцинатдегидрогеназа или сукцинат-CoQ-редуктаза) пере­носит водород от сукцината, окисляемого в ЦТК, на хиноны без участия NAD⁺. В этом случае реализуется на одну «петлю» меньше и в межмембран­ное пространство митохондрий выводится меньшее количество протонов.

Таким образом, на внутренней мембране митохондрий создается градиент электрохимического потенциала Н⁺, который и является движущей силой синтеза АТР.

Вопрос о том, каким образом энергия протонного градиента сопрягается с синтезом АТР, пока остается открытым. Известно, что в интактных митохон­дриях только АТР-синтаза позволяет осуществить обратное (по электрохими­ческому градиенту) перемещение протонов в матрикс. Этот подчиняющийся закономерностям облегченной диффузии поток протонов осуществляется че­рез канал АТР-синтазы и каким-то образом сопряжен с фосфорилированием ADP.

АТР-синтаза (называется также АТР-аза, поскольку в определенных ус­ловиях способна катализировать обратную реакцию: Гидролиз АТР и созда­ние протонного градиента на мембране) состоит из двух частей: пронизы­вающего мембрану протонного канала (F₀) и «головки» (F₁), выступающей в матрикс в форме грибовидного выроста. Обе части АТР-синтазы состоят, в свою очередь, из нескольких субъединиц и организованы в мембране особым образом (рис. 12.3). Протонный канал и «ствол» головки примыкают друг к другу, а каталитические центры фермента располагаются между тремя а- и тремя ß-субъединицами.

Синтез АТР осуществляется в три фазы в трех каталитических центрах. Вначале АТР-синтаза связывает ADP и Р₁, затем формируется фосфоангидридная связь между ними (образуется АТР) и, наконец, АТР высвобождается в матрикс.

Предполагается, что энергия транспортируемых через канал F₀ протонов расходуется на поворот g-субъединицы, в результате чего изменяется кон­формация а- и ß-субъединиц и их каталитические центры переходят в актив­ное состояние. Существуют и другие гипотезы, объясняющие механизм син­теза АТР. Согласно одной из них, предложенной П. Митчеллом, фосфатная группа (Р₁) связывается в активном центре «головки» фермента в непосредст­венной близости к протонному каналу. Перенос протонов по каналу F0 под действием градиента рН и мембранного потенциала сопровождается актива­цией неорганического фосфата, в результате чего от него отщепляется гидро­ксильная группа (образует с протоном молекулу воды). Оставшаяся часть неорганического фосфата превращается в весьма реакционноспособную час­тицу, реагирующую с ADP, образуя АТР.

Рис. 12.3. Структура АТР-синтазы

Следует отметить, что протонный градиент на биомембранах может ис­пользоваться не только для синтеза АТР, но и для других целей: для транс­порта через мембраны нуклеозиддифосфатов и нуклеозидтрифосфатов, для вращения бактериальных жгутиков, для поддержания осмотического давле­ния, для транспорта через мембраны веществ против градиента концентра­ции, для выработки тепла. Последний механизм имеет очень важное значение для теплокровных животных, а также для некоторых растений, насекомых. У многих животных обнаружена особая ткань, так называемый «бурый жир», содержащая большое количество митохондрий (в мембранах этих митохонд­рий присутствуют красноватые цитохромы). Особенностью таких специали­зированных митохондрий является использование свободной энергии про­тонного градиента не для синтеза АТР, а для обогрева организма: энергия рассеивается в виде тепла.