Биологическое окисление
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
условиях npoтоннoro градиента, поддерживаемого дыхательной цепью,
синтезирует 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 изменениями
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 митохондрии - 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 протонодвижущая сила
внезапно снизится и будет поддерживаться на постоянном уровне, то АТФ-
синтетаза начнет расщеплять АТФ, и эта реакция будет продолжаться до тех
пор, пока соотношение между концентрациями ATФ и AДФ не достигнет 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
дыхательная цепь, находящаяся во внутренней митохондриальной мембране, при
нормальных условиях переносит через эту мембрану протоны, создавая таким
образом электрохимический протонный градиент, доставляющий энергию, 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 каждого
переносчика достаточно характерны, что позволяет даже в неочищенном
экстракте прослеживать изменения его состояний с помощью спектроскопии. Это
дало возможность выделить такие переносчики задолго до того, как стала
понятна их истинная функция. Например, цитохромы были открыты в 1925 г. как
соединения, которые быстро окисляются и восстанавливаются у таких различных
организмов, как дрожжи, бактерии и насекомые. Наблюдая клетки и ткани с
помощью спектроскопа, удалось идентифицировать три типа цитохромов, которые
различались по спектрам поглощения и названы 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 нарушать
нормальное белок-белковое взаимодействие. Однако в начале 1960-х гг. было
обнаружено, что с помощью относительно мягких ионных детергентов, таких как
дезоксихолат, можно солюбилизировать некоторые компоненты митохондриальной
внутренней мембраны в нативной форме. Это позволило 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 электроны 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 цитохрому с,
небольшому периферическому мембранному белку, который затем переносит их
на цитохром-оксидазный комплекс.
3.Цитохромоксидазный комплекс (цитохром аа3) - наиболее изученный из трех
комплексов. Он состоит не менее чем из восьми различных полипептидных цепей
и выделен как димерс молекулярной массой 300000; каждый мономер 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 несколько
электронсобирающих и электронраспределяющих участков, где согласовывается
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 образованию
двух молекул воды. На промежуточных ступенях этого процесса два электрона,
прежде чем перейти к участку, связывающему кислород, поступают 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 ферментными
комплексами дыхательной цепи, - убихинон и цитохром с – быстро перемещаются
путем диффузии в плоскости мембран.
Столкновения между этими подвижными переносчиками и ферментными
комплексами вполне позволяют объяснить наблюдаемую скорость переноса
электронов (каждый комплекс отдает и принимает один электрон каждые 5-10
миллисекунд). Поэтому нет необходимости предполагать структурную
упорядоченность цепи белков-переносчиков в липидном бислое; в самом деле,
ферментные комплексы, видимо существуют в мембране как независимые
компоненты и упорядоченный перенос электронов обеспечивается только
специфичностью функциональных взаимодействий между компонентами цепи.
В пользу этого говорит и тот факт, что различные компоненты дыхательной
цепи присутствуют в совершенно разных количествах. Например, в
митохондриях сердца на каждую молекулу НАДН-дегидрогеназного комплекса
приходятся З молекулы | комплекса b-c1 комплекса, 7 молекул
цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома с и 50 молекул
убихинона; весьма различные соотношения этих белков обнаружены и в
некоторых других клетках.
Значительный перепад окислительно-восстановительного потенциала на
каждом из трех комплексов дыхательной цепи доставляет энергию, необходимую
для перекачивания протонов.
Такую пару, как Н2О и ЅО2 (или НАДH и НАД+), называют сопряженной
окислительно-восстановительной парой, так как один из ее членов
превращается в другой, если добавить один или несколько электронов и один
или несколько протонов (последних всегда достаточно в любом водном
растворе). Так, например, ЅО2 + 2е + 2Н+ ( Н2О
Хорошо известно, что смесь соединений, образующих сопряженную кислотно-
щелочную пару, в соотношении 50:50 действует как буфер, поддерживающий
определенное «давление протонов» (рН), величина которого определяется
константой диссоциации кислоты. Точно таким же образом смесь компонентов
пары в соотношении 50:50 поддерживает определенное «давление
электронов», или окислительно-восстановительный потенциал (редокс-
потенциал) Е, служащий мерой сродства молекулы-переносчика к электронам.
Помещая электроды в раствор с соответствующими окислительно-
восстановительными парами, можно измерить редокс-потенциал каж-дого
переносчика электронов, участвующего в биологических окислительно-
восстановительных реакциях. Пары соединений с наиболее отрицательными
значениями редокс-потенциала обладают наименьшим сродством к электронам,
т.е. coдepжaт перенocчики с наименьшей тенденцией принимать электроны и
наибольшей тенденцией их отдавать. Например, смесь НАДH и НАД+ (50:50)
имеет редокс-потенциал -320 мВ, что указывает на сильно выраженную
способность НАДH отдавать электроны, тогда
| |  скачать работу |
Биологическое окисление |
