Дыхательная цепь Цитохромы. Убихинон. Железосерные белки. Цитохромоксидаза

Дыхательная цепь является частью процесса окислительного фосфорилирования (см. с. 126). Компоненты дыхательной цепи катализируют перенос электронов от НАДН + Н+ или восстановленного убихинона (QH2) на молекулярный кислород. Из-за большой разности окислительно-восстановительных потенциалов донора (НАДН + Н+ и, соответственно, QH2) и акцептора (О2) реакция является высокоэкзергонической (см. с. 24). Большая часть выделяющейся при этом энергии используется для создания градиента протонов (см. с. 128) и, наконец, для образования АТФ с помощью АТФ-синтазы.

Дыхательная цепь включает три белковых комплекса (комплексы I, III и IV), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану, и две подвижные молекулы-переносчики — убихинон (кофермент Q) и цитохром с. Сукцинатдегидрогеназа, принадлежащая собственно к цитратному циклу, также может рассматриваться как комплекс II дыхательной цепи. АТФ-синтаза (см. с. 144) иногда называется комплексом V, хотя она не принимает участия в переносе электронов.

Комплексы дыхательной цепи построены из множества полипептидов и содержат ряд различных окислительно-восстановительных коферментов, связанных с белками (см. сс. 108, 144). К ним принадлежат флавин [ФМН (FMN) или ФАД (FAD), в комплексах I и II], железо-серные центры (в I, II и III) и группы гема (в II, III и IV). Детальная структура большинства комплексов еще не установлена.

Электроны поступают в дыхательную цепь различными путями. При окислении НАДН + Н+ комплекс I переносит электроны через ФМН и Fe/S-центры на убихинон. Образующиеся при окислении сукцината, ацил-КоА и других субстратов электроны переносятся на убихинон комплексом II или другой митохондриальной дегидрогеназой через связанный с ферментом ФАДН2 или флавопротеин (см. с. 166), При этом окисленная форма кофермента Q восстанавливается в ароматический убигидрохинон. Последний переносит электроны в комплекс III, который поставляет их через два гема b, один Fe/S-центр и гем с1 на небольшой гемсодержащий белок цитохром с. Последний переносит электроны к комплексу IV, цитохром с-оксидазе. Цитохром с-оксидаза содержит для осуществления окислительно-восстановительных реакций два медьсодержащих центра (CuA и CuB) и гемы а и а3, через которые электроны, наконец, поступают к кислороду. При восстановлении О2 образуется сильный основной анион О2-, который связывает два протона и переходит а воду. Поток электронов сопряжен с образованным комплексами I, III и IV протонным градиентом.

Б. Организация дыхательной цепи

Перенос протонов комплексами I, III и IV протекает векторно из матрикса в межмембранное пространство. При переносе электронов в дыхательной цепи повышается концентрация ионов H+, т. е. понижается значение рН. В интактных митохондриях по существу только АТФ-синтаза (см. с. 144) позволяет осуществить обратное движение протонов в матрикс. На этом основано важное в регуляторном отношении сопряжение электронного переноса с образованием АТФ (см. с. 146).

Как уже упоминалось, все комплексы с I по V интегрированы во внутренней мембране митохондрий, тем не менее обычно они не контактируют друг с другом, так как электроны переносятся убихиноном и цитохромом с. Убихинон благодаря неполярной боковой цепи свободно перемещается в мембране. Водорастворимый цитохром с находится на внешней стороне внутренней мембраны.

Окисление НАДН (NADH) комплексом I происходит на внутренней стороне мембраны, а также в матриксе, где происходит также цитратный цикл и β-окисление — самые важные источники НАДН. В матриксе протекают, кроме того, восстановление O2 и образование АТФ (ATP). Полученный АТФ переносится по механизму антипорта (против АДФ) в межмембранное пространство (см. с. 214), откуда через порины проникает в цитоплазму.

Убихиноны — это жирорастворимые коферменты, представленные преимущественно в митохондриях эукариотических клеток. Убихинон является компонентом цепи переноса электронов и принимает участие в окислительном фосфорилировании. Максимальное содержание убихинона в органах с наибольшими энергетическими потребностями, например, в сердце и печени.

Механизм окислительного фосфорилирования. Отданные субстратами восстановительные эквиваленты (протоны и электроны) переносятся на плазматическую мембрану или на внутреннюю мембрану митохондрий. Через мембрану они транспортируются таким образом, что между вну­тренней и внешней сторонами мембраны создается электрохимический градиент с положительным потенциалом снаружи и отрицательным внутри (рис. 7.8). Этот перепад заряда возникает благодаря определен­ному расположению компонентов дыхательной цепи в мембране.

Некоторые из этих компонентов переносят электроны, другие пере­носят водород. Взаиморасположение переносчиков в мембране таково, что при транспорте электронов от субстрата к кислороду протоны (Н +) связываются на внутренней стороне мембраны, а освобождаются на внешней. Можно представить себе, что электроны в мембране проходят зигзагообразный путь и при этом переносят протоны изнутри наружу. Эта система, транспортирующая электроны и протоны, получила назва­ние дыхательной или электрон-транспортной цепи. Иногда ее образно на­зывают «протонным насосом», так как главная функция этой системы - перекачивание протонов.

Неравновесное распределение зарядов, т.е. электрохимический гра­диент, служит движущей силой для процесса регенерации АТР (и других процессов, требующих затраты энергии). Мембрана содержит спе­циальный фермент АТР-синтазу, синтезирующий АТР из ADP и Pj. Этот фермент выступает из мембраны с ее внутренней стороны. В про­цессе синтеза АТР протоны переходят обратно с наружной стороны мембраны на внутреннюю. Синтез АТР за счет энергии транспорта электронов через мембрану называют окислительным фосфорилирова-нием или фосфорилированием в дыхательной цепи.

Для того чтобы понять механизм дыхания, необходимо знать 1) компоненты дыхательной цепи, 2) их окислительно-восстановитель­ные потенциалы и 3) их взаиморасположение в мембране.

Мембраны как место осуществления дыхания. Компонентами дыхательной цепи являются ферментные белки с относительно прочно связанными низкомо­лекулярными простетическими группами. Давнюю мысль о том, что «дыха­ние»-это катализ, осуществляемый железом на поверхностях» (О. Варбург), можно считать справедливой. Действительно, ферменты дыхательной цепи структурно связаны. У эукариот они локализуются во внутренней мембране ми­тохондрий, а у прокариот-в плазматической мембране. Механизм действия и локализация компонентов дыхательной цепи в тех и других мембранах во многом сходны. Дыхательная цепь Alcaligenes eutrophus и Paracoccus denitrificans почти идентична дыхательной цепи митохондрий.

Компоненты дыхательной цепи погружены в двойной липидный слой. Речь идет о большом числе ферментов, коферментов и простетических групп, различных дегидрогеназ и транспортных систем, участвующих в переносе электронов и водорода. Белковые компоненты могут быть выделены из мембраны. Важнейшие из компонентов, участвующих в окислении водорода,-это флавопротеины, железосерные белки, хи-ноны и цитохромы.

Флавопротеины представляют собой ферменты, содержащие в каче­стве простетических групп флавинмононуклеотид (FMN) или флавин-адениндинуклеотид (FAD). Эти ферменты переносят водород. Активной группой в них является изоаллоксазиновая система (рис. 7.9, А), которая действует как обратимая окислительно-восстановительная система. Ре­агирующими центрами служат два атома азота, каждый из которых мо­жет связаться с одним [Н]. Связывание может происходить в два этапа через состояние семихинона. Благодаря способности переносить то по два атома водорода, то по одному флавопротеины могут быть посред­никами между двумя типами процессов переноса водорода.

Железосерные белки-это окислительно-восстановительные системы, переносящие электроны. Они содержат атомы железа, связанные, с одной стороны, с серой аминокислоты цистеина, а с другой - с неорга­нической сульфидной серой (рис. 7.9, Б). Последняя очень легко отще­пляется в виде сероводорода при подкислении. Остатки цистеина вхо­дят в состав полипептидных цепей; Fe-S-центры можно рассматривать как простетические группы полипептида. Участвующие в дыхательнойцепи [2Fe + 28]-центры способны переносить только один электрон. Железосерные белки типа [2Fe + 2S], имеющие по два атома лабиль­ной серы и железа, содержатся в нескольких ферментных комплексах дыхательной цепи. Из общего количества находящегося в плазматиче­ской мембране железа 80% содержится в Fe-S-белках и только 20%-в цитохромах.

Помимо транспорта электронов в мембранах Fe-S-белки участвуют в фик­сации молекулярного азота, в восстановлении сульфита и нитрита, в фотосинте­зе, в освобождении и активации молекулярного водорода и в окислении алка-нов. Fe-S-белки имеют относительно низкую молекулярную массу и сильно отрицательный окислительно-восстановительный потенциал; величины Е„ нахо­дятся в пределах от - 0,2 до - 0,6 В. Помимо железосерных белков с [2Fe 4-+ 28]-центрами (в хлоропластах, у аэробных бактерий) существуют и другие-с [4Fe 4- 48]-центром (у Clostridium, Chromatium). а также такие, которые содержат по два [4Fe + 48]-центра (у Clostridium, Azotobacter). Некоторые железосерные белки получили название по своему происхождению или по функции: ферредок-син, путидаредоксин, рубредоксин, адренодоксин

Еще одну группу окислительно-восстановительных систем в дыха­тельной цепи составляют хиноны. Во внутренней мембране митохон­дрий и у грам-отрицательных бактерий имеется убихинон (кофермент Q; рис. 7.9, В), у грам-положительных бактерий -нафтохиноны, а в хло-ропластах - пластохиноны. Хиноны, в частности убихинон, липофильны и поэтому локализуются в липидной фазе мембраны. Они способны переносить водород или электроны. Перенос может осуществляться в два этапа, при этом в качестве промежуточной формы выступает се-михинон. По сравнению с другими компонентами дыхательной цепи хи­ноны содержатся в 10-15-кратном избытке. Они служат «сборщиками» водорода, поставляемого различными коферментами и простетически-ми группами в дыхательной цепи, и передают его цитохромам.

Цитохромы - окислительно-восстановительные системы, переносящие только электроны; водород они не транспортируют. К цитохромам электроны поступают от пула хинонов. При переносе электронов экви­валентное им число протонов переходит в раствор. В качестве простети-ческой группы цитохромы содержат гем (рис. 7.9, Г). Центральный атом железа геминового кольца участвует в переносе электронов, изменяя свою валентность. Цитохромы окрашены; они отличаются друг от дру­га спектрами поглощения и окислительно-восстановительными потен­циалами. Различают цитохромы а, аъ, Ъ, с, о и ряд других. В цитохроме с группы гема ковалентно связаны с цистеиновыми остатками апопро-теина; благодаря такой прочной связи он растворим в воде и его мож­но экстрагировать из мембраны солевыми растворами. Цитохром с най­ден почти у всех организмов, обладающих дыхательной цепью. Что касается распространенности других цитохромов, то тут существуют за­метные различия.

Цитохромы участвуют также в переносе электронов на кислород. Цитохромоксидаза (цитохром ааъ)~терминальная оксидаза, реагирую­щая с кислородом и передающая ему четыре электрона:

02 + 4Fe2+ -► 202" + 4Fe3 +

Часто встречающийся у бактерий цитохром о также может реагиро­вать с молекулярным кислородом. Эта терминальная оксидаза может быть ингибирована цианидом или окисью углерода.

Наличие цитохромов долгое время рассматривалось как признак принад­лежности к аэробным или фототрофным организмам. Открытие цитохрома с3 у Desulfovibrio вначале казалось неожиданным, но затем стало понятно, что вое-

становление сульфата этими сульфатредуцирующими бактериями позволяет им осуществлять окислительное фосфорилирование в анаэробных условиях и, таким образом, формально соответствует дыханию. Недавно выявилось, что аэротоле­рантные молочнокислые бактерии Streptococcus lactis и Leuconostoc mesenteroides и анаэроб Bifidobacterium тоже синтезируют цитохромы, если растут на средах, содержащих гемин или кровь. Цитохромы были обнаружены также у строгих анаэробов Selenomonas ruminantium, Veillonella alcalescens, Vibrio succinogenes, Clostridium formicoaceticum и С. thermoaceticum. Вполне возможно, что и у неко­торых других строго анаэробных бактерий будут найдены цитохромы и способ­ность в какой-то мере осуществлять фосфорилирование, сопряженное с транс­портом электронов.

ЦИТОХРОМ с-ОКСИДАЗА (цитохромоксидаза), фермент класса оксидоредуктаз; катализирует конечный этап переноса электронов на кислород в процессе окислительного фосфорилирования: