Биологическое окисление

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 как редокс-потенциал смеси

равных количеств Н2О и ЅО2 составляет +820 мВ, что означает сильную

тенденцию 02 к принятию электронов.

Резкий перепад имеет место в пределах каждого из трех главных

дыхательных комлексов. Разность потенциалов между любыми_двумя

переносчиками электронов прямо пропорциональна энергии, высвобождаемой

при переходе электрона от одного переносчика к другому. Каждый комплекс

действует как энергопреобразующее устройство, направляя эту свободную

энергию на перемещение протонов через мембрану, что приводит к созданию

электрохимического протонного градиента по мере прохождения электронов по

цепи.

Для работы энергопреобразующего механизма, лежащего в основе

окислительного фосфорилирования, нужно, чтобы каждый ферментный комплекс

дыхательной цепи был ориентирован во внутренней митохондриальной мембране

определенным образом – так, чтобы все протоны перемещались в одном

направлении, т. е. из матрикса наружу. Такая векторная организация

мембранных белков была продемонстрирована с помощью специальных зондов,

не проходящих сквозь мембрану, которыми метили комплекс только с какой-

нибудь одной стороны мембраны. Специфическая ориентация в бислоe

свойственна всем мембранным белкам и очень важна для их функции.

Механизмы перекачивания протонов компонентами дыхательной цепи.

В процессе окислительного фосфорилирования при окислении одной молекулы

НАДН (т.е. при прохождений двух электронов через все три ферментных

комплекса) образуется не более трех молекул АТФ. Если предположить, что

обратное прохождение трех протонов через АТФ-синтетазу обеспечивает синтез

одной молекулы АТФ, можно будет заключить, что в среднем перенос одного

электрона каждым комплексом сопровождается перемещением полутора протонов

(иными словами, при транспорте одного электрона некоторые комплексы

перекачивают один протон, а другие - два протона). Вероятно, у разных

компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения

транспорта электронов с перемещением протонов. Аллостерические изменения

конформации белковой молекулы, связанные с транспортом электронов, могут в

принципе сопровождаться «перекачиванием» протонов, подобно тому как

перемещаются протоны при обращении действия АТФ-синтетазы. При переносе

каждого электрона хинон захватывает из водной среды протон, который затем

отдает при высвобождении электрона. Поскольку убихинон свободно

передвигается в липидном бислое, он может принимать электроны вблизи

внутренней поверхности мембраны и передавать их на комплекс b-с1 около ее

наружной поверхности, перемещая при этом через бислой по одному протону на

каждый перенесенный электрон. С помощью более сложных моделей можно

объяснить и перемещение комплексом b-c1 двух протонов на каждый

электрон, предположив, что убихинон повторно проходит через комплекс b-c1

в определенном направлении.

В отличие от этого молекулы, передающие электроны цитохромоксидазному

комплексу, по-видимому, не переносят протонов, и в этом случае транспорт

электронов, вероятно, связан с определенным аллостерическим изменением

конформации белковых молекул, в результате которого какая-то часть

белкового комплекса сама переносит протоны.

Действие разобщителей.

С 40-х годов известен ряд липофильных слабых кислот, способных

действовать как разобщающие агенты, т.е. нарушать сопряжение транспорта

электронов с синтезом АТФ. При добавлении к клеткам этих низкомолекулярных

органических соединений митохондрии прекращают синтез АТФ, продолжая при

этом поглощать кислород. В присутствии разобщающего агента, скорость

транспорта электронов остается высокой, но протонный градиент не создается.

Это простое объяснение этого эффекта: разобщающие агенты (например,

динитрофенол, тироксин) действуют как переносчики Н+ (Н+-ионофоры) и

открывают дополнительный путь - уже не через АТФ-синтетазу – для потока Н+

через внутреннюю митохондриальную мембрану.(13, 2000(

Дыхательный контроль.

Когда к клеткам добавляют разобщающий агент, например динитрофенол,

поглощение кислорода митохондриями значительно возрастает, так как скорость

переноса электронов увеличивается. Такое ускорение связано с

существованием дыхательного контроля. Полагают, что этот контроль основан

на прямом инги6ирующем влиянии электрохимического протонного градиента на

транспорт электронов. Когда в присутствии разобщителя

электрохимический градиент исчезает, не контролируемый более транспорт

электронов достигает максимальной скорости. Возрастание градиента

притормаживает дыхательную цепь, и транспорт электронов замедляется. Более

того, если в эксперименте искусственно создать на внутренней

мембране необычно высокий электрохимический градиент, то нормальный

транспорт электронов прекратится совсем, а на некоторых участках

дыхательной цепи можно будет обнаружить обратный поток электронов. Это

позволяет предполагать, что дыхательный контроль отражает простой баланс

между изменением свободной энергии при перемещении протонов, сопряженного с

транспортом электронов, и изменением свободной энергии при самом транспорте

электронов.Величина электрохимического градиента влияет как на скорость,

так и на направление переноса электронов, так же как и на направление

действия АТФ-синтетазы.

Дыхательный контроль - это лишь часть сложной системы взаимосвязанных

регуляторных механизмов с обратными связями, координирующей скорости

гликолиза, расщепления жирных кислот, реакций цикла лимонной кислоты и

транспорта электронов. Скорости всех этих процессов зависят от отношения

АТФ:AДФ - они возрастают, когда это отношением уменьшается в результате

усиленного использования АТФ. Например, АТФ-синтетаза внутренней

митохондриальной мембраны работает быстрее, когда концентрации ее

субстратов, т. е. .AДФ и Фн, увеличиваются. Чем выше скорость этой реакции,

тем больше протонов перетекает в матрикс, быстрее рассеивая тем самым

электрохимический градиент; а уменьшение градиента в свою очередь приводит

к ускорению транспорта электронов.[1,1994]

Митохондрии бурой жировой ткани – генераторы тепла.

Всем позвоночным в молодом возрасте для образования тепла, в дополнение к

механизму мышечного тремора, необходимо термогенное устройство. Такого рода

устройство особенно важно для животных, впадающих в зимнюю спячку. Мышцы в

состоянии тремора сокращаются и при отсутствии нагрузки, используя

сократительные белки для гидролиза АТФ обычным для мышечных клеток образом

и освобождая в виде тепла всю энергию, потенциально доступную при гидролизе

АТФ. Необходимость особого термогенного устройства определяется прочно

сопряженным окислительным фосфорилированием нормальных митохондрий. Если бы

этот процесс мог быть разобщен, как это бывает в присутствии динитрофенола,

он мог бы служить в качестве адекватного приспособления, производящего

тепло; именно так это происходит в митохондриях бурого жира. Хотя эти

митохондрий обладают обычной обратимой АТФазой, в них имеется также

трансмембранная протонная транслоказа, посредством которой протоны могут

возвращаться в матрикс и электрически шунтировать работу АТФазы. Если этот

процесс достаточен для того, чтобы поддерживать окислительно-

восстановительный потенциал водорода значительно ниже 200 мВ, синтез АТФ

становится невозможным и окислительный процесс протекает свободно, в

результате чего вся энергия освобождается в виде тепла.[2, 1994]

Цикл лимонной кислоты (цикл трикарбоновых кислот, цикл Кребса).

Цикл лимонной кислоты представляет собой серию реакций, протекающих в

митохондриях, в ходе которых осуществляется катаболизм ацетильных групп и

высвобождение водородных эквивалентов; при окислении последних

поставляется свободная энергия топливных ресурсов тканей. Ацетильные группы

находятся в составе ацетил-КоА (активного ацетата), тиоэфира кофермента А.

Главная функция цикла лимонной кислоты состоит в том, что он является

общим конечным путем окисления углеводов, белков и жиров, поскольку в ходе

метаболизма глюкоза, жирные кислоты и аминокислоты превращаются либо в

ацетил-СоА, либо в промежуточные соединения цикла. Цикл лимонной кислоты

играет также главную роль в процессах глюконеогенеза, переаминирования,

дезаминирования и липогенеза, Хотя ряд этих процессов протекает во многих

тканях, печень - единственный орган, в котором идут все перечисленные

процессы. Поэтому серьезные последствия вызывает повреждение большого числа

клеток печени или замещение их соединительной тканью. О жизненно важной

роли цикла лимонной кислоты свидетельствует и тот факт, что у человека

почти не известны генетические изменения ферментов, катализирующих реакции

цикла, так как наличие таких нарушений несовместимо с нормальным

развитием.[10,1993]

Открытие ЦТК.

Впервые предположение о существовании такого цикла для окисления

пирувата в животных тканях было высказано в 1937 году Гансом Кребсом. Эта

идея родилась у него, когда он исследовал влияние анионов различных

органических кислот на скорость поглощения кислорода суспензиями

измельченных грудных мышц голубя, в которых происходило окисление пирувата.

Грудные мышцы отличаются чрезвычайно высокой интенсивностью

дыхания, что делает их особенно удобным объектом для изучения окислительной

активности. Кребс также подтвердил, что обнаруженные ранее в животных

тканях другие органические кислоты (янтарная, яблочная, фумаровая и

щавелевоуксусная) стимулируют окисление пирувата. Кроме того, он нашел, что

окисление пирувата мышечной тканью стимулируется шестиуглеродными

трикарбоновыми кислотами - лимонной, цис-аконитовой и изолимонной, а также

пятиуглеродной (-кетоглутаровой кислотой. Испытаны были и некоторые другие

встречающиеся в природе органические кислоты, но ни одна из них не

обнаружила подобной активности. Обращал на себя внимание сам характер

стимулирующего действия активных кислот: даже малого количества любой из

них было достаточно для того, чтобы вызвать окисление во много раз большего

количества пирувата.[9, 1991]

Простые эксперименты, а также логические рассуждения позволили Кребсу

высказать предположение, что цикл, который он назвал циклом лимонной

кислоты, является главным путем окисления углеводов в мышце. После, цикл

лимонной кислоты был обнаружен практически во всех тканях высших животных и

растений и у многих аэробных микроорганизмов. За это важное открытие Кребс

был удостоен в 1953 году Нобелевской премии. Юджин Кеннеди и Альберт

Ленинджер показали позднее, что все реакции цикла лимонной кислоты

протекают в митохондриях животных клеток. В изолированных митохондриях

печени крысы были обнаружены не только все ферменты и коферменты цикла

лимонной кислоты; здесь же, как выяснилось, локализованы все ферменты и

белки, которые требуются для последней стадии дыхания, т.е. для переноса

электронов и окислительного фосфорилирования. Поэтому митохондрии с полным

правом называют «силовыми станциями» клетки.

Катаболическая роль цикла лимонной кислоты

Цикл начинается со взаимодействия молекулы ацетил-СоА с

щавелевоуксусной кислотой (оксалоацетатом), в результате которого

образуется шестиуглеродная трикарбоновая кислота, называемая лимонной.

Далее следует серия реакций, в ходе которых происходит высвобождение двух

молекул С02 и регенерация оксалоацетата. Поскольку количество

оксалоацетата, необходимое для превращения большого числа ацетильных единиц

в С02, весьма невелико, можно считать, что оксалоацетат выполняет

каталитическую роль.

Цикл лимонной кислоты является механизмом, обеспечивающим улавливание

большей части свободной энергии, освобождаемой в процессе окисления

углеводов, липидов и белков. В процессе окисления ацетил-СоА благодаря

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5