Document 4027506

2. МИТОХОНДРИАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ
Все ферменты дыхательной цепи митохондрий являются сложными белками. Их небелковые фрагменты способны
принимать электроны, а1атем~отда^ать следующему партнеру. Благодаря этому возможно возникновение потока
электронов от окисляемого субстрата к молекуле кислорода. Он направлен в сторону возрастания редокс-потенциала
участников процесса (стандартный окислительно-восстановительный потенциал пары окислитель/восстановитель).
Именно в такой последовательности целесообразно рассмотреть главные звенья системы митохондриального окисления
(МтО): никоти-намидные дегидрогеназы, флавиновые ферменты, убихинон, цитохромы. Многие из этих компонентов
образуют прочные комплексы с особыми белками - «железо-серными».
5.2.1. ФЕРМЕНТЫ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ
Никотинамидные дегидрогеназы, (НД). Составляют большую группу ферментов, получивших название по своей
главной функции -отнимать водород от окисляемого метаболита. Обладают высокой субстратной избирательностью,
диктуемой спецификой строения адсорбционного центра. Но в качестве кофермента всегда используют либо НАД, либо
НАДФ, хотя некоторые НД способны функционировать с любым из них.
Ведущую роль в них игра-ет никотинамидная группа (витамин PP)Именно к ней присоединяются отнимаемые от
субстрата два атома водорода, т.е., два электрона и два протона. Точнее, оба_;лшк1рона переходят к азоту гетероцикла,
восстанавливая его из гштавалент1юТ^д^^ехвалентного_ состояния (рис. 5-2), тогда как лишь один из протонов
фиксируется коферментом (присоединяясь в пара-положении относительно этого азота, с гшрераспределением двойных
связей в кольце), а другой остается в растворе (среда при этом подкисляется). Тем не менее, для краткости удобнее
обозначать восстановленные формы НАД и НАДФ в виде WAJ\H2 и НАДФ-Да соответственно.
Если обозначить окисляемый субстрат как А х Н2 реакцию, катализируемую никотин-амидными
дегидрогеназами, можно представить в виде общей схемы:
-> А + НАД(Ф)#2
В этой схеме использован частый прием: сокращения НАД(Ф) и НАД(Ф)-/72 применяют тогда, когда имеют в виду
любой из этих коферментов (без конкретизации их).
НД
А-#2 + НАД(Ф) Почти все клетки содержат больше НАД, чем НАДФ. Внутриклеточное распределение их (и
соответствующих дегидрогеназ) очень неравномерно. НАД сосредоточен главным образом в
магриксемитохондрий, в НАДФ- в цитоплазме
Убихинон - единственный компонент системы МтО, не имеющий собственного апофер-мента. Тем не менее, он
сохраняет изначальное название кофермент Q (по первой букве слова «quinone»). Гидрофобность и малые
размеры обеспечивают ему мобильность в неполярной среде. Поэтому кофермент Q (KoQ) способен, мигрируя в
пределах мембраны, принимать восстановительные эквиваленты (атомы водорода) от одних участников
дыхательной цепи и передавать их другим сложным протеинам, -обладающим более высоким значением редокспотенциала («оправдывая» тем самым звание кофермента).
Обычным «поставщиком» водорода для убихинона являются восстановленные формы флавиновых
ферментов (ФП-Н2). Принимая от них два электрона и два протона, хинонная структура кофермента Q
превращается в гидро-хинонную (убшшол), как это показано на рис. 5-5.
ЦитохромъЪ Так обозначают сравнительно небольшие белки (обычно 15-45 кДа), простети-ческая группа
которых почти или совсем идентична гему Ь, содержащемуся в гемоглобине (см. рис. 1-26). Нередко их называют
белками, содержащими гемовов железо.
По мере открытия цитохромов, их обозначали латинскими буквами. Выявление все новых аналогов
потребовало добавления цифровых символов к уже принятым буквенным.
В дыхательной цепи МтО функционируют цитохромы Ь, С и с и ааъ. Первый из них коор динационно связывает 2
молекулы гема Ъ. Ци тохромы С \ и с обладают таким же гемом, но фиксированным ковалентно, тиоэфирными
связями. А вот цитохром ааъ содержит две молекулы гема а, который немного отличается от гема Ь (см.
подпись к рис. 1-26). Эти молекулы в нем/Обозначаются как гем а и гем я3 из-за неравно-\ ценности их свойств,
обусловленной, похоже, | разным расстоянием от атома меди (Cu2+/Cu+), ) связанного с этим гемопротеином через
радика-члы цистеина и гистидина.
Главным функциональным центром цитохромов является железо гема. В отличие от гемоглобина, здесь оно
довольно легко может менять свою валентность. Принимая электрон, окисленное железо феррицитохрома (Fe3+)
переходит в восстановленную форму (Fe2+). Отдавая затем электрон подходящему акцептору, возникший
ферроцитохром вновь превращается в ферри-форму:
Вариации в строении гема, в способах его связывания с белком, а также в структуре прилегающих
фрагментов апопротеина, - все это заметно отражается на степени сродства железа цитохромов к электронам.
Приведенный выше перечень цитохромов дан в порядке возрастания их редокс-потенциала. Поэтому именно в
такой последовательности компоненты системы цитохромов транспортируют электроны от убихинола в
конечном счете на молекулярный кислород (рис. 5-6).
Железо-серные белки /(FeS-протеины; FeS-PJ. Так называют небольшие белки (по- рядка 20 кДа), содержащие
негемовое железо и неорганическую серу. Обычно в молекуле имеется один железо-серный центр,
включающий по два атома железа и серы (2Fe-2S-npoTeHHbi). Как показано на рис. 5-7, каждый атом
железа в нем, помимо связей с сульфидной серой, ком-плексирован еще и с группами -SH двух радикалов
цистеина (вместо одной из них возможен радикал гистидина). Вся эта структура локализована в
петле, выступающей на поверхность бочкообразной молекулы 2Fe-2S-npoTettHa. Нередко встречаются
и белки с двумя такими кластерами (4Fe-4S-npoTeHHbi) либо с неполным удвоением их.
Подобно цитохромам, железо-серные белки тоже осуществляют одноэлектронный транспорт.
Однако делают это они не самостоятельно, а в составе неразрывных комплексов с другими
компонентами дыхательной цепи - флавопро-теинами или цитохромами. Влияние партнера в таком
комплексе, как и специфика собственного апопротеина, - все это сильно отражается на величине
редокс-потенциала железо-серного центра: в разных FeS-белках он составляет обычно от -0,30 до 0,15 В. Неудивительно, что FeS-P со столь^азличающимися характеристиками «встроены» в
совершенно разные звенья дыхательной цепи.
5.2.2. ПОЛНАЯ ЦЕПЬ СИСТЕМЫ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ
Систему, в которой участвуют все перечисленные компоненты митохондриального окисления,
целесообразно назвать полной дыхат ельной цепью. В виде общей схемы она изображена""™" рис. 5-8. Эта
давняя схема удобна своей наглядностью. Во-первых, она демонстрирует, что окисление одного компонента цепи невозможно без одновременного восстановления другого (это отражено обязательным
соприкосновением полукруглых стрелок). Во-вторых, здесь виден (светлые стрелки) путь электронов (и
протонов) от исходного субстрата (А-Я2)в конечном счете^а_молеку-jry^Pj. Приведенные на схеме
цифры показывают, что этот путь пролегает в направлении постепенного увеличения редокспотенциала -от^032~В для пары НАД / НАД- Я2 до +0,82 В для пары V2O2 1 О .
Наконец, схема отражает экспериментальные данные о том, что в трех участках цепи перенос
пары электронов с одного звена на другое сопряжен с синтезом молекулы АТФ. Это сопряжение
происходит лишь на уровне тех звеньев, где перепад редокс-потенциала наиболее значителен (порядка
0,2 В): именно в этих пунктах освобождаемая порция энергии достаточна для обеспечения синтеза
одной молекулы АТФ из АДФ и фосфата.
Таким образом, митохондриальное окисление представляет собой по существу реакцию гремучего газа:
Н2 + Уг 02 = Н20 + 230 кДж/моль.
Разница заключается в том, что в митохондриях используется не молекула газообразного водорода, а
два атома водорода, изымаемые у окисляемого субстрата. Но самое главное отличие - в том, что
дыхательная цепь расчленяет реакцию гремучего газа на множество пром^жушчнтях стадий. Из-за
этого энергия выделяется не мгновенно (как при взрыве гремучей смеси) и не столь интенсивно, как
при горении струи водорода в воздухе, а - постепенно, небольшими порциями. Некоторые из них
достаточны для трансформации в энергию макроэргических связей АТФ. Она составляет =30
кДж/моль в стандартных условиях (в реальной среде митохондрий - и того больше: до 42 кДж/моль).
Следовательно, при окислении субстрата полной дыхательной цепью из 230 кДж/моль освобождаемой
энергии не менее 3x30 = 90 кДж/моль концентрируется в молекулах АТФ. Это очень высокий
коэффициент полезного действия - более 40%! Остальная энергии рассеивается в форме теплоты
(хотя и она небесполезна, ибо пригодна для терморегуляции организма).
Синтез АТФ из АДФ и Фн кратко обозначают как реакцию фосфорилирования (подразумевая фосфорилирование молекулы АДФ
неорганическим фосфатом).
Окислительным фосфоршированием^ называют образование АТФ, сопряженное с работой дыхательной цепи (т.е., за
счет энергии, освобождаемой в процессах митохондриального окисления).
Критерием эффективности окислительного фосфорилирования служит количество АТФ, вырабатываемое на единицу утилизируемого 02.
Как показывает схема (см. рис. 5-8), на пути двух атомов водорода от субстрата до кислорода образуются 3 молекулы АТФ (т.е., используется 3
молекулы Фн в расчете на каждый атом потребляемого кислорода). Этот критерий - отношение фосфор/кислород (коэффициент Р к О ) предложили в 1939 г. В.Н. Белицер и Е.Т. Цыбакова. Экспериментальные измерения in vitro поначалу подтверждали, что в полной дыхательной
цепи коэффициент Р/О равен 3.
В митохондриях содержатся никотинамид-ные дегидрогеназы для многих веществ. Однако преобладающими субстратами полной дыхательной
1депи
являются всего только 5 метаболитов, - те, которые в организме человека окисляются сотнями граммов (первые три из приве-
денного списка) или десятками граммов в сутки:
-
изолимонная кислота (изоцитрат);
яблочная кислота (малатУ
-
Р -гидроксиацил-КоА (|3-гидроксипроиз-водное а^кШшрШКШшСжирных кислот);
-
Р -гидроксимасляная кислота ф-гид-роксибутират);
-
глутаминовая кислота (глутамат). Митохондриальное
окисление
именно
этих веществ поставляет клеткам основную массу АТФ. Соответствующие дегидрогеназы локализованы в митохондриальном матриксе.
По___су_ществу, вырабатываемый всеми ими НАД-Я2 оказывается единым субстратом для полной цепи МтО. И даже если в митохондриях
появляются молекулы НАДФ-//2, которые возникают в отдельных реакциях, они легко отдают водород молекулам НАД благодаря имеющейся
здесь НАД(Ф)-трансгидрогеназе:
НАДФН22 + НАД =НАДФ + НАДН2.
[5-1]
Со временем было установлено, что мембранные белки, переносящие электроны (часть из них - и протоны), организованы в блоки,
каждый из которых сохраняет свою функцию даже после выделения из митохондрий. Блоки оказались устроенными гораздо сложнее, чем это
показано на рис. 5-8, и были названы комплексами МтО. Современные данные о них обобщены в табл. 5-1. В работе полной дыхательной цепи
участвуют, однако, не все электрон-транспортные белки мембраны, а только комплексы
i, iii и iv. Рисунок 5-9 в самом общем виде показывает
очередность их вовлечения в процесс переноса электронов (и протонов). Детальнее роль каждого звена представлена на рис. 5-10.
Название
Локализация, состав, Редокс-центры
Транслокация
функции
А. НАЧАЛЬНЫЕ (альтернативные) звенья митохондриального окисления
Комплекс I
Трансмембран
1
ФМН 4
4н+
(НАД-Н2 ный комплекс
FeS-белка
убихинониз десятков
2
KoQ
оксидоредук субъединиц.
таза)
Предназначен
для окисления
молекул НАДНг,
продуцируемых
растворимыми
(внемембранны
ми)
никотинамидн
ыми
дегидрогеназами
Комплекс II
Состоит из
1 ФАД 3 FeS0
(сукцинатсерии
белка 1 гем Ь
дегидрогена
за)
субъединиц,
внедренных во
внутреннюю
мембрану со
стороны
матрикса;
переносит 2 ё
и 2 Н+от
янтарной
кислоты
(сукцинат) на
мобильный
убихинон
липидного
бислоя
ЭТФФАД1 ФАД 4 FeSдегидросодержащий
центра
геназа
железо-серный
белок,
обладающий
трансмембранным
участком.
Генерирует
убихинол за
счет
окисления ЭТФ
(электронтра
нспортирующи
й
флавопротеин
), восстанавливаемого
различными
ФАДзависимыми
дегидрогеназа
ми
митохондрий
Б. ЗАКЛЮЧИТЕЛЬНЫЕ (общие) звенья системы
митохондриального окисления
Комплекс III Трансмембран
3 гема b 1 FeS(цитохром
ный белок из
белок
Ь-й;
11 субъединиц,
убихинолвключая
цито-хромцитохром Ь (с
сдвумя
редуктаза)
молекулами
гема Ь),
цитохром Ci (с
ковалентно
связанным
гемом Ь) и
FeS-белок.
Они образуют
цепочку поочередного
транспорта
каждого
электрона от
KoQ-Нг на
цитохром с
межмембранно
го
пространства,
примыкающий
к мембране
Комплекс IV Ансамбль из 6
1 гем а 1 гем аз
(цитохромсубъединиц.
1 медь «Л» 1
оксидаза)
Из них
медь «В»
каталитическ
ая богата
трансмембран
ными
доменами (12)
и содержит не
только два
гема, но и
атом меди
(медь В). С
привлечением
«иной» меди
(медь А)
другой
субъединицы,
она
обеспечивает
поток электронов от
цитохрома с
снаружи
мембраны на
молекулу Ог в
матриксе
0
2 Н+
4 Н+
Комплекс I являет ся начальным из мем бранных звеньев полной дыхат ельной цепи, выполняя роль посредника между нико т инамидными
дегидрогеназами мат рикса и мобиль ным KoQ мембраны. Он обозначает ся как НАДН 2-дегидрогеназа и предст авляет собой
кругшоё~Хяо 900 кДа) объединен ие десят ков разных суб ъединиц" семь из кот орых кодиру ют ся мит охондриальной ДНК. Многие субъе диницы
гидрофобны и организованы в т ранс мембранные а-спирали. На весь комплекс при ходит ся одналго^екула ФМН, кот орая некова -лент но, но прочно
НАДН 2
связана~с гидрофильным фрагмент ом фермент а, выст упающим в мат -рикс, и являет ся первичным акц епт ором элек т ронов от
рис. 5-10). Следующее зат ем поочеред ное восст ановление FeS-цент ров соот вет ст вующих субъединиц, сопряжено с прот онированием
определенных группировок апопрот еина. Обладая
( см.