Система цитохромов дыхательной цепи, убихинол-дегидрогеназа (цитохром С редуктаза), Цитохром С оксидаза

Цитохромы в дыхательной цепи выстроены в порядке возрастания окислительновосстановительного потенциала. Они представляют собой гемопротеины, в которых простетическая геминовая группа близка к гему гемоглобина (у цитохрома b идентична). Ионы железа в составе гема при получении и отдаче электронов обратимо изменяют свою валентность.

В процессах тканевого дыхания наиболее важную роль играют цитохромы b, с, с, а и а. Цитохром а3 представляет собой терминальный участок 1 3 3 дыхательной цепи – цитохромоксидазу, которая осуществляет окисление цитохрома с и образование воды. Элементарный акт представляет собой двухэлектронное восстановление одного атома кислорода, т.е. каждая молекула кислорода одновременно взаимодействует с двумя электрон-транспортными цепями. При транспорте каждой пары электронов во внутримитохондриальном пространстве может накапливаться до 6 протонов. Строение дыхательной цепи интенсивно исследуется. В числе последних достижений молекулярной биохимии – установление тонкой структуры дыхательных ферментов с помощью рентгеноструктурного анализа. С помощью электронного микроскопа с наивысшим доступным в настоящее время разрешением можно «увидеть» структуру цитохромоксидазы.

KoQ (убихинон), необходимый компонент дыхательной цепи, является производным бензохинона с боковой цепью, которая у млекопитающих чаще всего представлена 10 изопреноидными единицами. Как любой хинон, KoQ способен

находиться и в восстановленном, и окисленном состоянии. Это свойство определяет его роль в дыхательной цепи - служить коллектором восстановительных эквивалентов, поставляемых в дыхательную цепь через флавиновые дегидрогеназы. Содержание его значительно превосходит содержание других компонентов дыхательной цепи.

Окислительное фосфорилирование, коэффициент Р/О. Строение митохондрий и структурная организация дыхательной цепи. Трансмембранный электрохимический потенциал как промежуточная форма энергии при окислительном фосфорилировании.

Окислительное фосфорилирование и дыхательный контроль. Функция дыхательной цепи – утилизация восстановленных дыхательных переносчиков, образующихся в реакциях метаболического окисления субстратов (главным образом в цикле трикарбоновых кислот). Каждая окислительная реакция в соответствии с величиной высвобождаемой энергии «обслужива-

ется» соответствующим дыхательным переносчиком: НАДФ, НАД или ФАД. Соответственно своим окислительно-восстановительным потенциалам эти соединения в восстановленной форме подключаются к дыхательной цепи. В дыхательной цепи происходит дискриминация протонов и электронов: в то время как протоны переносятся через мембрану,

создавая дельта рН, электроны движутся по цепи переносчиков от убихинола к цитохромоксидазе, генерируя разность электрических потенциалов, необходимую для образования АТФ протонной АТФ-синтазой. Таким образом, тканевое дыхание «заряжает» митохондриальную мембрану, а окислительное фосфорилирование «разряжает» ее.

Согласно хемиосмотической концепции, движение электронов по дыхательной цепи является источником энергии для транслокации протонов через митохондриальную мембрану. Возникающая при этом разность электрохимических потенциалов (дельта мю H) приводит в действие АТФ-синтазу, катализирующую реакцию АДФ + Р = АТФ. (3)

В дыхательной цепи есть только 3 участка, где перенос электронов сопряжен с накоплением энергии, достаточным для образования АТФ, на других этапах возникающая разность потенциалов для этого процесса недостаточна. Максимальная величина коэффициента фосфорилирования, таким образом, составляет 3, если реакция окисления идет с участием НАД, и 2, если окисление субстрата протекает через флавиновые дегидрогеназы. Теоретически еще одну молекулу АТФ можно получить в трансгидрогеназной реакции (если процесс начинается с восстановленного НАДФ):

НАДФН + НАД = НАДФ + НАДН + 30 кДж/моль. (4)

Обычно в тканях восстановленный НАДФ используется в пластическом обмене, обеспечивая разнообразные синтетические процессы, так что равновесие трансгидрогеназной реакции сильно сдвинуто влево.

Эффективность окислительного фосфорилирования в митохондриях определяется как отношение величины образовавшегося АТФ к поглощенному кислороду: АТФ/О или Р/О (коэффициент фосфорилирования).

Митохондрии обычно имеют форму цилиндра с закругленными концами, длиной 1-4 мкм и поперечником 0,3-0,7 мкм. Однако в разных клетках размеры и форма митохондрий могут быть существенно различными. Количество мито-

хондрий в разных клетках также различно; гепа-тоцит содержит около 2000 митохондрий.

Митохондрии имеют внешнюю и внутрен­нюю мембраны, вроде мешка в мешке. Внутрен­няя мембрана образует многочисленные складки — кристы. Содержимое пространства, ограничи­ваемого внутренней мембраной, называют мат-риксом.

Внешняя и внутренняя мембраны сильно раз­личаются по составу, свойствам и функциям. Вне­шняя мембрана свободно проницаема для моле­кул с молекулярной массой примерно до 5000, в то время как проницаемость внутренней мембра-

ны ограничена и избирательна: она определяется наличием специфических транс­портных систем. Вследствие этого химический состав межмембранного простран­ства мало отличается от состава цитозоля, тогда как у матрикса он существенно иной.

МЕХАНИЗМ СОПРЯЖЕНИЯ ОКИСЛЕНИЯ С ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ

Ферменты цепи переноса электронов фиксированы в митохондриальной мембра­не таким образом, что их действие векторно, т. е. характеризуется не только вели­чиной скорости реакции, но и пространственной направленностью, подобно дей­ствию транспортных АТФаз. Основным проявлением векторности в дыхательной цепи является перенос ионов водорода с внутренней стороны мембраны (со сто­роны матрикса) на наружную (в межмебранное простраство).

В дыхательной цепи есть три пункта, связанные с перекачкой протонов: ком­плексы I, III и IV.

Кофермент Q при участии НАДН-дегидрогеназы (комплекс I) присоединяет электроны (а также протоны) от компонентов дыхательной цепи с матриксной стороны мембраны, а освобождаются электроны и протоны на противоположной стороне мембраны, причем электроны акцептируются очередным компонентом дыхательной цепи, а протоны уходят в межмембранное пространство. Такой ме­ханизм называют Q-циклом. Сходным образом действует и цитохром-с-редуктаза (комплекс III). В области цитохромоксидазы (комплекс IV) в перекачке протонов, возможно, участвуют ионы Сu2.

Перенос двух электронов через каждый комплекс обеспечивает перекачку четырех протонов. Таким образом, цепь переноса электронов работает как про­тонный насос, перекачивая ионы водорода из матрикса на наружную сторону мембраны.

В результате по сторонам мембраны возникает разность концентраций про­тонов и одновременно разность электрических потенциалов со знаком «плюс» на наружной поверхности. Иначе говоря, энергия разности окислительно-восстано­вительных потенциалов веществ трансформируется в энергию протонного элек­трохимического потенциала дельта мю Н⁺.

Электрохимический потенциал понуждает протоны двигаться в обратном на­правлении — с наружной поверхности внутрь. Однако мембрана непроницаема для них, за исключением участков, где располагается фермент Н⁺АТФ-синтетаза,

катализирующий такую реакцию:

АДФ + Н3Р04 -> АТФ + Н20

АТФ-синтетаза — очень крупный олигомерный белок, в котором выделяют три части: выступающую в матрикс митохондрии часть (F1), построенную из трех пар димеров альфа бета; трансмембранную часть (F0), образующую гидрофильный канал, и промежуточную область FA. Субъединица F1 содержит активные центры, синтези­рующие АТФ. Протоны движутся через канал АТФ-синтазы, и энергия этого дви­жения используется для образования АТФ. Конкретные механизмы сопряжения, т. е. трансформации электрохимического потенциала в энергию макроэргической связи АТФ, все еще не вполне ясны.

Образующаяся АТФ при участии АДФ-АТФ-транслоказы транспортируется из матрикса на наружную сторону мембраны и попадает в цитозоль. Одновременно та же транслоказа переносит АДФ в обратном направлении, из цитозоля в мат­рикс митохондрии.

В искусственных условиях, в опытах in vitro можно создать избыток АТФ со стороны внутренней поверхности внутренней мембраны. В этом случае реакция идет справа налево, т. е. фермент работает как транспортная АТФаза, перенося­щая протоны (Н⁺-АТФаза). Мембрана при этом энергизуется: дельта мю H⁺ возникает за счет энергии гидролиза АТФ.