Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Преобразование энергии в митохондриях

Голосов: 0

Изложены основные закономерности преобразования энергии митохондриями. Рассмотрены механизмы реакций векторного переноса электронов, сопряженного с переносом протонов, в биологических мембранах (теория электрохимического сопряжения П. Митчелла).

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
                              ENERGY TRANSDUCTION          ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ
                          IN MITOCHONDRIA
                          A. D. VINOGRADOV
                                                       В МИТОХОНДРИЯХ
                                                       Д. С. ЗазйЙкДСйЗ
                          The basic concepts of        еУТНУ‚ТНЛИ „УТЫ‰‡ ТЪ‚ВММ˚И ЫМЛ‚В ТЛЪВЪ
                          energy transduction in       ЛП. е.З. гУПУМУТУ‚‡
                          mitochondria are descri-
                          bed. The mechanisms of
                                                              ЗЗЦСЦзаЦ
                          vectoral electron transfer
                                                                  Образование молекулы АТР, главного источника
                          in biological membranes             энергии для совершения работы в биологических
                          coupled with proton trans-          системах, сегодня не может быть описано в терми-
                          location reactions (chemi-          нах точного химического механизма элементарных
                                                              стадий, однако ясно, что движущей силой процесса
                          osmotic coupling theory             служит энергия электрического поля, существую-
                          by P. Mitchell) are dis-            щего на внутренней мембране митохондрий. Возни-
                          cussed.                             кает естественный вопрос: что служит источником
                                                              этой энергии? В самом общем виде ответ можно
                                                              сформулировать так. Питательные вещества (бел-
                          аБОУКВМ˚ УТМУ‚М˚В Б‡-               ки, жиры и углеводы) в конечном счете превраща-
                          НУМУПВ МУТЪЛ Ф ВУ· ‡-               ются в ограниченный набор низкомолекулярных
                                                              соединений – органических кислот. Углеродные
                          БУ‚‡МЛfl ˝МВ „ЛЛ ПЛЪУ-               атомы, из которых построены эти кислоты, окис-
                          ıУМ‰ ЛflПЛ. к‡ТТПУЪ В-               ляются (у аэробных организмов кислородом) до
                          М˚ ПВı‡МЛБП˚ В‡НˆЛИ                 углекислого газа и воды. Процесс окисления орга-
                                                              нических кислот кислородом происходит в мито-
                          ‚ВНЪУ МУ„У    ФВ ВМУТ‡              хондриях – клеточных органеллах, обеспечивающих
                          ˝ОВНЪ УМУ‚, ТУФ flКВМ-               бульшую часть синтеза АТР в клетках. Потребление
                          МУ„У Т ФВ ВМУТУП Ф УЪУ-             кислорода в качестве окислителя обычно называют
                                                              внутриклеточным дыханием. Энергия, освобожда-
                          МУ‚, ‚ ·ЛУОУ„Л˜ВТНЛı                ющаяся в результате химической реакции окисле-
                          ПВП· ‡М‡ı (ЪВУ Лfl ˝ОВН-             ния, превращается в электрохимическую и в таком
                          Ъ УıЛПЛ˜ВТНУ„У ТУФ fl-               виде используется для синтеза АТР.
                                                                  Трансформация энергии окисления осуществ-
                          КВМЛfl и. еЛЪ˜ВОО‡).
                                                              ляется ферментами, расположенными во внутрен-
                                                              ней мембране митохондрий и работающими как ге-
                                                              нераторы, которые используют в качестве носителя
                                                              электрического заряда ион водорода (Н+, протон).
                                                              По определению, окислительными (точнее, окисли-
                                                              тельно-восстановительными) реакциями называют
                                                              такие, в которых происходит перенос электронов от
                                                              молекулы-донора (восстановителя) к молекуле-ак-
                                                              цептору (окислителю). Эти реакции чрезвычайно
                                                              распространены в живых системах и катализируют-
                                                              ся ферментами, получившими название оксидоре-
                                                              дуктаз. Совокупность оксидоредуктаз, катализиру-
                                                              ющих процесс внутриклеточного дыхания, обычно
© ЗЛМУ„ ‡‰У‚ Д.С., 1999




                                                              называют дыхательной цепью. Для ответа на вопрос
                                                              о том, как возникает электричество в мембране ми-
                                                              тохондрий, предстоит рассмотреть, как работает
                                                              дыхательная цепь.
                                                                  Отметим сразу, что для возникновения электри-
                                                              ческого поля (одна сторона мембраны заряжена
                                                              положительно, а другая – отрицательно) необходи-
                                                              мо, чтобы ферменты дыхательной цепи осуществ-
                                                              ляли векторный, направленный (по отношению к


                                                       ЗазйЙкДСйЗ Д.С. икЦйЕкДбйЗДзаЦ щзЦкЙаа З еанйпйзСкаьп      11


     сторонам мембраны) перенос электронов от восста-                               H+                              H+
     новителя к окислителю. В этом состоит принципи-             SH2                                                        O2
                                                                                      −                         −
                                                                             −2H      e    Цитохромы            e
     альное отличие работы оксидоредуктаз дыхательной                                       Кейлина
     цепи от функционирования ферментов, катализи-
     рующих аналогичные реакции в гомогенном (изо-                  S                                                       H2O
     тропном) растворе, где вопрос о направлении реак-
     ции в пространстве не имеет смысла (скалярные                Дегидрогеназы                            Дыхательный фермент
     процессы).                                                  Тунберга–Виланда                               Варбурга

                                                                К середине 50-х годов выяснилось, что некото-
     алнйкаь икйЕгЦех
                                                             рые дегидрогеназы, цитохромы Кейлина и дыха-
         Началом изучения дыхания принято считать            тельный фермент Варбурга (дыхательная цепь)
     классические опыты Антуана Лавуазье (A. Lavoisi-        прочно связаны с внутренними мембранами мито-
                                                             хондрий. В 60-х годах Д. Грин (D. Green) с сотруд-
     er), который еще в 1777 году показал, что “чистый
                                                             никами в США разработал методы разделения, вы-
     воздух, войдя в легкие, выходит из них частично в
                                                             деления и очистки компонентов дыхательной цепи.
     виде связываемого воздуха или меловой кислоты.
                                                             Уже к концу 30-х годов благодаря работам В.А. Эн-
     Следовательно, чистый воздух, проходя через лег-
                                                             гельгардта, В.А. Белицера и Г. Калькара (H. Kalckar)
     кие, претерпевает такое разложение, которое имеет
                                                             была установлена тесная связь между процессами
     место при горении угля”. То, что Лавуазье назвал
                                                             окисления (поглощение кислорода) и образования
     меловой кислотой, было, как мы теперь знаем, угле-
                                                             АТР (фосфорилирование). Природа этой связи (со-
     кислым газом (CO2). Начало современным пред-
                                                             пряжение двух процессов), обеспечивающей глав-
     ставлениям о внутриклеточном дыхании было поло-
                                                             ный суммарный процесс биоэнергетики – окисли-
     жено работами В.И. Палладина в России (1909 год),
                                                             тельное фосфорилирование, оставалась загадкой
     Т. Тунберга (T. Thunberg) в Швеции (1909 год), Г. Ви-   вплоть до 60-х годов, когда П. Митчелл (P. Mitchell)
     ланда (H. Wieland) и О. Варбурга (O. Warburg) в Гер-    опубликовал гипотезу о хемиосмотическом сопря-
     мании, выполненными в 20-х годах нынешнего ве-          жении, ставшую спустя примерно двадцать лет об-
     ка. К тому времени уже было известно, что ткани         щепринятой теорией.
     млекопитающих катализируют окисление органи-
     ческих кислот кислородом воздуха. При обсужде-
     нии механизма этого катализа к середине 20-х годов      СхпДнЦгъзДь сЦиъ а ЦЦ дйеийзЦзнх
     сформировались две на первый взгляд альтернатив-
     ные точки зрения. Т. Тунберг и Г. Виланд полагали,         Рассмотрим более детально устройство отдель-
     что быстрое окисление химически инертных орга-          ных блоков схемы, изображенной выше. Прежде
     нических кислот связано с существованием в тка-         чем это сделать, необходимы несколько предвари-
     нях ферментов (дегидрогеназ) – активаторов ато-         тельных замечаний. До сих пор при описании про-
     мов водорода в молекулах субстратов. О. Варбург         цесса внутриклеточного дыхания говорилось, что
     считал, что катализ обусловлен железосодержащим         кислород расходуется на окисление ограниченного
     ферментом, названным им дыхательным фермен-             числа органических соединений, образующихся из
     том, активирующим химически инертный кисло-             продуктов питания. В живых системах наиболее
     род. Как часто случается, оказалось, что обе точки      распространены следующие химические группи-
     зрения верны. Примерно в то же время Д. Кейлин          ровки, подвергающиеся окислению1:
     (D. Keilin) в Кембридже обнаружил существование
     в тканях пигментов, названных им цитохромами,                                             −
                                                                   H C H           −2H (2H+ + 2e)      H C
     окраска которых зависела от наличия кислорода и                                                                          −
                                                                                                                     + 2H+ + 2e
     активности дыхательного фермента Варбурга. Кей-               H C H                                  C H
     лин предположил, а потом элегантными опытами                    Алкан                              Алкен
     доказал, что цитохромы являются связующим зве-
                                                                                                  −
     ном между дегидрогеназами Тунберга и Виланда и                                   −2H (2H+ + 2e)
                                                                                                                      −
     дыхательным ферментом Варбурга. Позднее Кейлин                  H C OH                              C O + 2H+ + 2e
     и его ученики доказали, что существуют несколько                   Спирт                          Кетон
     цитохромов, различающихся по своей окраске и все                                               (или альдегид)
     они являются обязательными компонентами почти
                                                             1
     любых живых систем (Кейлин обследовал более 100          Приведенные примеры, конечно, не исчерпывают всего
     различных видов животных и растений). К середи-         многообразия окислительных реакций, протекающих в
                                                             клетках. Окислению подвергаются также аминогруппы,
     не 30-х годов стало ясно, что окисление органичес-      серосодержащие соединения, ионы переходных металлов
     ких кислот (SH2) кислородом в тканях может быть         и пр. Однако наибольший вклад в общую энергетику кле-
     описано следующей схемой:                               ток млекопитающих вносит окисление углеродных атомов.


12                                                                лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹9, 1999


                              −
                  −2H (2H+ + 2e)                                                        O
                                                          −
   HO C OH                              C        + 2H+ + 2e
                                                                               H        C
        H                          O        OH                                              NH2                  −
      Альдегид                     Кислота                                                          + 2H (2H+ + 2e)
 (в водном растворе)                                                           N+
   Во всех приведенных примерах окисление мож-                                 R
но рассматривать как отщепление двух атомов во-                                                          O
                                                                                            H        H
дорода, каждый из которых состоит из протона и                                                           C
электрона. Протон в водном растворе существует в                                                               NH2
                                                                                                                     + H+
виде катиона Н+, и, если на время забыть об элек-
тронах, каждая из приведенных выше реакций бу-                                                  N
дет сопровождаться закислением среды. Электроны                                                 R
в свободном виде в водном растворе существовать
                                                                         В процессе восстановления исходно окисленная
не могут, поэтому для протекания этих реакций бел-
                                                                      молекула NAD (обозначают NAD+, по заряду участ-
ки-катализаторы должны содержать ловушку для                          вующей в реакции группы) принимает два электро-
электронов. В качестве такой ловушки в ферментах-                     на и один протон. В грубом приближении можно
дегидрогеназах служат относительно небольшие (по                      считать, что все окислительные реакции, катализи-
сравнению с размером белков) органические или                         руемые дегидрогеназами, приводят к универсализа-
неорганические молекулы или атомы разной хими-                        ции отщепленных атомов водорода и запасанию их
ческой природы. Эти молекулы принято называть                         в виде NADН. NAD+ и NADН хорошо растворимы
кофакторами или простетическими группами. Та-                         в воде и присутствуют в значительных количествах
ким образом, любой белок, катализирующий окис-                        в цитоплазме и митохондриях. Дыхательная цепь,
лительно-восстановительную реакцию, содержит                          состоящая из нескольких ферментов, прочно свя-
кофактор, способный к обратимому окислительно-                        занных с внутренней мембраной митохондрий, осу-
восстановительному превращению. Есть и другая,                        ществляет окисление митохондриального NADН
не менее важная роль кофакторов. Если в клетке в                      кислородом:
свободном, не связанном с белком состоянии при-
сутствует какая-либо молекула кофактора в до-                                 NADH                                   1/2O2 + 2H+
статочном количестве, то атомы водорода, отщеп-                                             Дыхательная цепь
                                                                                                     −
ляющиеся от органических молекул в результате                                                       2e
действия дегидрогеназ, могут быть запасены в виде                         +
                                                                         H + NAD    +                                 H2O
восстановленной формы кофактора. Это достигается
либо заменой восстановленной формы связанного с                           В присутствии кислорода два электрона в моле-
ферментом кофактора на его окисленную форму, ли-                      куле NADН стремятся перейти к молекуле кислоро-
бо окислением связанного кофактора свободным.                         да, и такой переход сопровождается освобождением
Существуют несколько типов свободных кофакто-                         энергии. Восстановленная форма NADН устойчива
ров. В качестве основного служит молекула доста-                      и без ферментов не окисляется кислородом. “Водо-
точно сложного химического строения, носящая,                         род” (два электрона и протон) в молекуле NADН
согласно принятой биохимиками номенклатуре,                           так же химически устойчив, как химически инертен
название никотинамидадениндинуклеотид (сокра-                         газообразный водород (Н2) в смеси с газообразным
щенно NAD), окисленная форма которого показа-                         кислородом (О2). Такая смесь, однако, известна под
на ниже:                                                              названием “гремучий газ”, и достаточно искры,
                                                                      чтобы произошел взрыв – мгновенное образование
                                                                      воды, сопровождающееся огромным выделением
       NH2                                           O
                                                                      энергии в виде тепла. Задача, стоящая перед фер-
                                                     C                ментами дыхательной цепи, такова: необходимо
 N          N                                H2N                      провести взрыв так, чтобы освобождающаяся энер-
                          O        O                                  гия была запасена в форме, пригодной для соверше-
 N     N                                                         N+   ния работы – синтеза АТР. Уместно подчеркнуть,
      O          H2C O P O P O CH2                       O            что ферменты дыхательной цепи замечательны не
     H H                  O−       O−                H       H        столько тем, что они, как и всякие другие катализа-
 H           H                                   H               H    торы, увеличивают скорость химической реакции
                                                                      (многие окислительно-восстановительные реакции
     OH OH                                           OH OH            мгновенно протекают в водных растворах и без фер-
                                                                      ментов), сколько тем, что они упорядоченно пере-
    Коллектором атомов водорода (протонов и элек-                     носят электроны от одного компонента к другому (в
тронов) в молекуле NAD+ служит только небольшая                       конечном счете на кислород), постепенно понижая
ее часть:                                                             потенциал “водорода” и запасая энергию.


ЗазйЙкДСйЗ Д.С. икЦйЕкДбйЗДзаЦ щзЦкЙаа З еанйпйзСкаьп                                                                              13


        Проследим теперь путь двух электронов от NADН             Другой – нерастворимое в воде “жирное” соедине-
     к кислороду, оставляя пока в стороне энергетику              ние – убихинон, способное выполнять в гидрофоб-
     этого процесса. Суммарный процесс разбит на три              ной фазе мембраны такую же функцию, какую вы-
     стадии, каждая из которых катализируется тремя               полняет NAD в водном окружении цитоплазмы или
     липопротеидными комплексами, встроенными во                  матрикса митохондрий, – запасать атомы водорода:
     внутреннюю мембрану митохондрий. Каждый ком-
     плекс (I, III и IV) представляет собой весьма круп-                       O
     ное образование, построенное из многих полипеп-              H3C O              CH3
     тидных цепей. Комплекс I, например, состоит из
                                                                                                                         −
     более чем 40 таких цепей (субъединиц) и имеет мо-                                     CH               CH2 H + H+ + e
     лекулярную массу около 1 млн. Комплексы плавают              H3C O              CH2               C         n
     в фосфолипидном море мембраны, так что верхуш-                            O                       CH3
     ки и дно этих айсбергов контактируют с водными
     фазами матрикса и межмембранного пространства                                                 R
     митохондрий (рис. 1). Жидкая липидная фаза разре-                            Убихинон (Q)
     шает двумерную диффузию комплексов в плоскости                            (окисленная форма)
     мембраны, так что комплексы могут встречаться
     между собой. Каждый комплекс катализирует окис-                                       •OH
     лительно-восстановительную реакцию – перенос                            H3C O                      CH3
     электронов и, следовательно, как уже отмечалось,                                                                −
     содержит в своем составе простетические группы,                                                          + H+ + e
     способные принимать и отдавать электроны. Эти                           H3C O                      R
     группы представлены разнообразным набором хи-                                             O
     мических структур. Комплекс I содержит в своем                               Убисемихинон ( •QH)
     составе флавин (производное витамина рибофла-                            ("полувосстановленная" форма)
     вина) и более 20 атомов железа, упакованных в
     клетки, построенные из атомов серы. Комплекс III                                                       OH
     содержит железо как в серных клетках, так и в виде
     комплексов с порфиринами – сложными гетеро-                                     H3C O                       CH3
     циклическими молекулами, содержащими четыре
     атома азота. Такие комплексы называются гемами,                                 H3C O                       R
     а комплексы гемов с полипептидными цепями –
                                                                                                            OH
     цитохромами. В состав комплекса IV (дыхательный                                       Убихинол (QH2)
     фермент Варбурга, цитохромоксидаза) помимо двух                                    (восстановленная форма)
     различных гемов входят несколько атомов меди,
     прочно связанных с белком. Кроме этих трех ги-                  Убихинон (как окисленный, так и восстанов-
     гантских образований в состав дыхательной цепи               ленный) совершенно нерастворим в воде, но хоро-
     входят еще два компонента. Один из них – неболь-             шо растворяется в средах с низкой диэлектричес-
     шой белок (молекулярная масса около 13 тыс.), со-            кой постоянной (“жирные” среды). Длинный хвост
     держащий ковалентно связанный гем – цитохром с.              убихинона, по-видимому, вытянут в плоскости

                                                                                         Рис. 1. Структурная органи-
                                          Матрикс                                        зация компонентов дыхатель-
         NAD+ + H+                                                                       ной цепи – преобразователей
                                                                                         энергии. Каждый комплекс (I,
                                                                      4H+    2H2O        III, IV) образован многими по-
         NADH
                                                                                         липептидными цепями. Прост-
                                                                                         ранство над двойным фосфо-
                        −
                       2e                                                                липидным слоем, обозначен-
                                                                         Внутренняя      ным желтым цветом, – матрикс
                                   Q                                                     митохондрий, под ним – меж-
                                              −                 −         мембрана
                                              e                 e                        мембранное       пространство.
                                 QH2                                                     Небольшой белок цитохром с
                   I                      III                    IV                      (обозначено c) в окисленном
                                                   c      c            O2                состоянии образует комплекс
                                                                                         с комплексом III, а в восста-
                               Межмембранное пространство                                новленном – с комплексом IV.
                                                                                         В дополнение к перечислен-
                                                                                         ным комплексам внутренняя
        мембрана митохондрий содержит еще несколько компонентов дыхательной цепи, в частности комплекс II – фер-
        мент, окисляющий анион янтарной кислоты убихиноном. Этот комплекс не является, однако, преобразователем
        энергии в том смысле, как это обсуждается в настоящей статье, и поэтому исключен из дальнейшего рассмотрения



14                                                                    лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹9, 1999


гидрофобного слоя мембраны, а активная голова            Последняя стадия (теперь в реакцию дыхания
может располагаться либо в той же плоскости, либо     вступает собственно кислород) катализируется ком-
приближаться к поверхностям мембраны, контак-         плексом IV:
тирующим с водными фазами. Важное свойство
                                                                                              Комплекс IV
убихинона, которое понадобится нам при дальней-             4 цитохром с + О2 + 4Н+ +              -
                                                                                                  4e
шем рассмотрении, состоит в том, что его голова            (железо восстановлено)
может восстанавливаться ступенчато, принимая
последовательно по одному электрону (и протону).                          4 цитохром с + Н2О,
При этом возникает полувосстановленная форма –                            (железо окислено)
убисемихинон.                                         и электроны, пройдя по атомам железа и меди в со-
   Первая стадия окисления NADН катализирует-         ставе комплекса IV, попадают, наконец, на кисло-
ся комплексом I, один активный центр которого         род, связывающийся в активном центре цитохро-
контактирует с водной фазой матрикса (внутреннее      моксидазы, что приводит к образованию воды.
пространство митохондрий) и связывает NADH.              Суммарная реакция, катализируемая дыхатель-
Два электрона, отщепленные от NADН, путешест-         ной цепью, таким образом состоит в окислении
вуют по окислительно-восстановительным компо-         NADH кислородом, приводящем к образованию
нентам комплекса I и в конечном счете попадают на     Н2О. Энергетический потенциал электронов в
убихинон, который связывается с другим активным       NADH, который по запасу энергии существенно
центром, расположенным внутри гидрофобной фа-         больше, чем даже в молекуле водорода, оказывается
зы мембраны. В результате происходит реакция          плавно спущенным до стабильного состояния в мо-
                                       Комплекс I
                                                      лекуле воды. При этом освобождается энергия, до-
       NADH + H+ + Убихинон                    -
                                         H+ + 2e
                                                      статочная для синтеза по крайней мере трех моле-
                                                      кул АТР на каждую пару электронов, перенесенных
                  NAD+ + Убихинол,                    от NADH к кислороду.
в ходе которой электроны из водного окружения (в
молекуле NADН) попадают в “жирную” фазу мемб-         пЦеайлейнауЦлдав еЦпДзабе
раны (молекула убихинола). Энергетический по-         бДиДлДзаь щзЦкЙаа СхпДзаь
тенциал (запас энергии) атомов водорода (Н+ + 2e )        Читатель наверняка обратил внимание на то, что
в молекуле убихинола существенно ниже, чем в мо-      при рассмотрении окислительно-восстановитель-
лекуле NADН, и в результате реакции освобождается     ных реакций (собственно обмен электронами) в
энергия. Если бы такой процесс проходил в гомоген-    уравнениях, описывающих эти реакции, постоянно
ном растворе (независимо от того, катализировался     фигурировала другая заряженная частица – ион во-
бы он комплексом I или спонтанно), то энергия вы-     дорода, протон (Н+). Этот знаменательный факт,
делилась бы в виде тепла. На самом деле энергия ре-   как оказалось, имеет принципиальное значение для
акции запасается, но об этом позже.                   понимания сопряжения между окислительно-вос-
   Восстановленный убихинон (убихинол) отдает         становительными реакциями и запасанием осво-
электроны из гидрофобной фазы в водное окруже-        бождающейся при этом энергии. На возможность
ние – на атом железа гема цитохрома с. Этот про-      создавать высокие концентрации ионов Н+ в клет-
цесс катализируется комплексом III (при этом элек-    ках при протекании реакции окисления впервые,
троны путешествуют по атомам железа в составе         по-видимому, обратили внимание в 50-х годах Р. Дэ-
компонентов комплекса):                               вис (R. Davies), А. Огстон (A. Ogston) и Ю. Конвей
                                                      (E. Konway) при обсуждении вопроса о механизме
                                       Комплекс III   секреции кислоты клетками желудка. Если предста-
       Убихинол + 2 цитохром с              -
                                           2e
                   (железо окислено)
                                                      вить себе, что реакции, о которых шла речь, проте-
                                                      кают так, что электроны удаляются из раствора,
            Убихинон + 2 цитохром с + 2Н+             окисление любой органической молекулы приведет
                      (железо восстановлено)          к появлению в этом растворе ионов водорода (рН
   Энергетический потенциал электронов (теперь        раствора понизится, повысится кислотность раст-
в цитохроме с) становится еще ниже. Окисленный        вора). П. Митчелл в 1961 году предложил идею хе-
цитохром с хорошо связывается с комплексом III, а     миосмотического энергетического сопряжения в
восстановленный – с комплексом IV. Это означает,      дыхательной цепи. Пожалуй, наиболее существен-
что комплексы III и IV умеют различать белковые       ны для понимания принципа хемиосмотического
молекулы окисленного и восстановленного цито-         сопряжения следующие положения.
хрома с (молекулярная масса около 13 тыс.), отли-         1. Внутренняя мембрана митохондрий, где про-
чающиеся друг от друга всего на один электрон, –      исходят окислительно-восстановительные реакции
яркий пример того, что связывание малого по раз-      дыхания, непроницаема для ионов водорода (Н+)
меру лиганда (в данном случае электрона) способно     (точнее, протон диффундирует через двойной фос-
приводить к изменению конформации белка!              фолипидный слой очень медленно по сравнению со


ЗазйЙкДСйЗ Д.С. икЦйЕкДбйЗДзаЦ щзЦкЙаа З еанйпйзСкаьп                                                       15


     скоростью потребления кислорода). В то же время       диспергированная платина, никель). Осуществим
     мембраны хорошо проницаемы для воды и благода-        теперь подачу к левой поверхности металлического
     ря электролитической диссоциации Н2О          Н+ +    проводника водорода (Н2), а к правой кислорода
            −
     + ОН запас протонов в водных растворах неогра-        (О2). Ситуация аналогична той, которая создается в
     ничен.                                                гремучем газе (смеси кислорода и водорода), одна-
         2. Внутренняя мембрана митохондрий асиммет-       ко между реагирующими молекулами возможен
     рична: одни компоненты дыхательной цепи кон-          только электронный контакт (за счет металличес-
     тактируют с матриксом (например, активный центр       кого проводника). В результате теплового движения
     комплекса I), другие расположены внутри мембра-       и действия катализатора на левой поверхности про-
     ны (например, убихинон), третьи контактируют с        водника будет происходить реакция Н2        2Н+ +
                                                                              +
     межмембранным пространством (например, цито-          + 2e. Протоны (2Н ) останутся в растворе (перего-
     хром с).                                              родка непроницаема для ионов). Электроны отпра-
                                                           вятся по проводнику к правой поверхности, где при
         3. Разрушение мембраны не препятствует окис-      встрече с активированным на правой поверхности
     лению NADH кислородом, а даже ускоряет дыха-          кислородом произойдет реакция
     ние. Энергетическое сопряжение (синтез АТР) при
     этом полностью прекращается: происходит разоб-              (атомарный                  (из водного раствора,
     щение процессов переноса электронов и запасания         О    кислород)   + 2e + 2Н+          в результате
                                                                                              диссоциации воды)
     энергии. Для разобщения необязательно полностью
     разрушать мембрану – достаточно, сохраняя ее                                       Н2О + ОН−
     структуру, добавить вещества, резко повышающие
     проницаемость мембраны для протона.                      Суммарный процесс такого контролируемого
         Для того чтобы понять принцип хемиосмотиче-       окисления водорода кислородом (образование воды)
     ского сопряжения, предложенный Митчеллом, вос-        приведет к тому, что перегородка окажется электри-
     пользуемся рассмотрением химического генератора       чески заряженной (два отрицательных заряда слева
     электричества, применяющегося в технике. Пред-        перенесены направо) и возникнет разница концент-
     ставим себе сосуд, разделенный перегородкой, про-     раций ионов водорода в обоих отсеках ячейки: слева
     ницаемой для воды и непроницаемой для каких бы        появится кислота (Н+), а справа – щелочь (ОН−)
     то ни было ионов (рис. 2). В перегородку вмонтиро-                    ∆E           =         ∆ё H+          =
     ван проводник электричества – металл (М), торцо-                    Энергия                  Разность
     вые поверхности которого, обращенные одна в ле-                  окислительно-          электрохимических
                                                                    восстановительной           потенциалов
     вый, а другая в правый отсек сосуда, покрыты                        реакции               ионов водорода
     каким-нибудь химическим катализатором (мелко
                                                                                               Энергия разницы
                                                                       Электрический
                                                                   =   потенциал (∆ψ)    +       кислотности в
                                                                                             разных отсеках ячейки

                                                              Первый член правой части равенства, описыва-
                                                           ющего энергетический баланс реакции (∆Ψ), – элек-
                                                           трическая составляющая запасенной энергии, вто-
                H2                             О2          рой – осмотическая. Очевидно, что, после того как
                                                           перегородка зарядится (слева +, справа −), процесс
                     2H+                 H2O               прекратится – электроны не побегут по проводнику
                                                           против электрического поля. Если заряд на перего-
                               −
                              2e                           родке снимать (подключить устройство, потребляю-
                               M                           щее электрическую энергию, например лампочку),
                                                           то окисление продолжится, а горение лампочки бу-
                                                           дет сопровождаться накоплением кислоты слева и
                     H2              О    О2               щелочи справа. Можно расходовать запасенную
                                   2H+                     энергию ( ∆ё H+ ) и по-другому: устроить в перегород-
                     H2O                 H2O               ке каналы для протонов. В этом случае за счет тока
                                                           протонов слева направо также можно будет совер-
                                                           шать работу. Именно так (за счет тока протонов) уст-
                                                           роена молекулярная машина, синтезирующая АТР.
        Рис. 2. Схема устройства топливного элемента.
        Объяснение см. в тексте. Реакции окисления во-
        дорода и восстановления кислорода на самом де-     дйеийзЦзнх СхпДнЦгъзйв сЦиа –
        ле значительно сложнее, чем это показано на схе-   нкДзлгйдДнйкх икйнйзйЗ
        ме: первая представляет собой по крайней мере
        трехстадийный, а вторая – пятистадийный элект-        Каждый из трех комплексов, составляющих дыха-
        рохимический процесс                               тельную цепь, работает так, что перенос электронов


16                                                            лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹9, 1999


по его компонентам – простетическим группам –                 ранстве в виде петли, так что электроны дважды пе-
сопровождается переносом протонов через сопря-                ресекают мембрану: один раз вместе с протонами, а
гающую мембрану. Возникает вопрос: как хемиос-                другой – сами по себе.
мотический принцип сопряжения реализован в                        Отметим, что для возникновения ∆ё H+ по меха-
белковых конструкциях комплексов дыхательной                  низму петли необходимо, чтобы дыхательный ком-
цепи? В принципе возможны два варианта таких                  плекс имел в своем составе компоненты, способные
конструкций. Первый, в качестве гипотезы предло-              переносить Н (см. верхнюю часть петли). Анализ
женный П. Митчеллом получил название окисли-                  качественного состава переносчиков электронов в
тельно-восстановительной петли. Схематически та-              комплексах, однако, показал, что это не всегда вы-
кой механизм изображен на рис. 3. Легко видеть,               полняется. Так, например, атомы железа при изме-
что этот механизм аналогичен тому, который мы                 нении валентности могут переносить электроны,
рассмотрели применительно к топливному элемен-                но неспособны быть носителями протонов. В связи
ту. Роль металлического проводника выполняют                  с этим, развивая идеи Митчелла, несколько иссле-
простетические группы комплекса (Y1 , Y2 и Y3), а             довательских групп предложили вариант функцио-
поверхностей, покрытых катализатором, – его ак-               нирования комплексов в качестве генераторов
тивные центры. Вся система организована в прост-              ∆ё H+ , который можно назвать протонным насосом.


 Межмембранное                                                   Межмембранное
                         Внутренняя              Матрикс                               Внутренняя       Матрикс
  пространство                                                    пространство
                          мембрана                 (M)                                  мембрана          (M)
       (C)                                                             (С)
                                                                                             −
                                                                                             e

                                                   S1H2
                                                                                       Y            −
                                                                                                 X ⋅e
                                       2H
                             2H
                                            X1     S1
                                  X2                                                     −
                                                                                      Y ⋅e        X
                        X3

   2H+                                                                                 B–        AH
                        Y1
                                                                       H+                                    H+
                                  Y2
                         −
                         e                  Y3                                         BH         A–
                                                   S2 + 2H+                                  −
                                   −
                                   e
                                                                                             e

                                                   S2H2

                                                                 Рис. 4. Схема генерации ∆ё H+ компонентом ды-
                                                                 хательной цепи, функционирующим как протон-
   Рис. 3. Схема, иллюстрирующая генерацию ∆ё H+                 ный насос. Синие стрелки – перенос электронов,
                                                                 красные – перенос протонов. Пусть компоненты Х
   компонентом дыхательной цепи, функционирую-                   и Y являются переносчиками только электронов
   щим по механизму петли. Красные стрелки – путь                (например, атомы железа, связанные с различны-
   атомов водорода, синие – путь электронов. Про-                ми группами белка), а группы А и В – аминокис-
   цесс начинается реакцией восстановителя (S 1H2) с             лотные остатки белка, являющиеся слабыми кис-
   активным центром комплекса, расположенным в                   лотами – акцепторами протона. При этом группы
   матриксе митохондрий (правая часть рисунка).                  А и В доступны для протонов матрикса митохонд-
   Два атома водорода (2Н+ + 2e ), отщепленные от                рий (справа) и межмембранного пространства
   восстановителя, путешествуют по простетическим                (слева) за счет специальных полуканалов, обра-
   группам комплекса (X1 , X2 , X3) к левой поверхности          зованных специфической укладкой полипептид-
   внутренней мембраны. Здесь судьбы протонов и                  ных цепей. В силу того что изменения свойств од-
   электронов расходятся: протоны остаются в вод-                ной группы белка могут приводить к изменению
   ной фазе межмембранного пространства, а элек-                 свойств другой (кооперативность), легко допус-
   троны возвращаются назад по другим компонен-                  тить, что восстановление Х электроном изменит
   там комплекса и попадают на молекулу окислителя               сродство группы А к протону. В результате протон
   (S2), в качестве которого служит какая-либо группа            из матрикса попадет внутрь мембраны. Дальней-
   следующего комплекса. В результате в матриксе                 ший перенос электрона на Y можно связать с пе-
   появляется очередной восстановитель (S 2H2), а на             редачей протона от АН+ к В− и выбросом его через
   мембране возникает ∆ё H+ . Реакция дальнейшего                левый полуканал в межмембранное пространство
   окисления S2H2 может происходить с участием                   при окислении Y ⋅ e каким-либо компонентом сле-
   следующего комплекса дыхательной цепи                         дующего комплекса



ЗазйЙкДСйЗ Д.С. икЦйЕкДбйЗДзаЦ щзЦкЙаа З еанйпйзСкаьп                                                               17


     Принципиальная схема такого насоса показана на        Межмембранное         Внутренняя             Матрикс
     рис. 4. В такой модели комбинация пар А, Х и В, Y      пространство          мембрана                (M)
     фактически служит в качестве переносчиков атома             (С)
     Н. Для направленного переноса Н+ справа налево
     протонный насос, очевидно, должен быть снабжен
                                                                                       I
     клапанами, не позволяющими протону возвра-
     щаться назад в матрикс при окислении, например,
     группы Х. Принимая во внимание конформацион-
     ную подвижность белков, сконструировать такой                                 −
                                                                                   e
     клапан достаточно легко. По-видимому, обе моде-                                            −
                                                                                                e
     ли – петля и протонный насос – и их вариации
     реализуются при функционировании дыхательных             H+                QH2    QH2                 H+
     комплексов.
                                                                                                •
                                                                                                   QH
     еЦпДзабе кДЕйнх дйеигЦдлД III                                              b(I)
                                                                           HQ•             b(II)           H+
         До сих пор мы обсуждали принципы устройства          H+          −
     генераторов электричества в дыхательной цепи. Те-                    e
                                                                         Fe–S
     перь можно рассмотреть работу одного из них более
                                                                                   Q                Q
     детально на конкретном примере комплекса III, ме-
     ханизм функционирования которого на сегодня                           C1
     изучен лучше всего. Донором электронов для этого
     комплекса служит восстановленный убихинон                             C
     (QH2), а акцептором – цитохром с. Напомним, что
     убихинон служит переносчиком атомов водорода, а
     цитохром с, содержащий в качестве простетической
     группы атом железа в составе гема, может прини-
     мать и отдавать только электроны.
                                                                                           IV
         Комплекс III (рис. 5) представлен липопротеи-
     дом, состоящим из нескольких различных полипеп-
     тидных цепей. В качестве переносчиков электронов
     комплекс содержит негемовые атомы железа (Fe–S),
     атом железа в составе гема цитохрома с1 и два атома
     железа в составе еще двух различных гемов b(I) и      Рис. 5. Механизм трансформации энергии окис-
     b(II). Активный центр цитохрома с1 расположен на      ления убихинола цитохромом с в энергию ∆ё H+
     внешней, обращенной в межмембранное простран-         при работе комплекса III дыхательной цепи. Сини-
     ство стороне внутренней мембраны митохондрий          ми линиями показан путь электронов. Восстанов-
     (там, где находится цитохром с). Последовательность   ленный убихинон (QH2) реагирует с железом гема
     реакций, приводящих к возникновению электриче-        b(I) и, восстанавливая его, освобождает протон в
                                                           водную фазу, сам превращаясь в полувосстанов-
     ства при работе комплекса III, показана на рис. 5.    ленную форму (HQ•). Электрон от гема b(I) пере-
                                                           носится через мембрану к железу гема b(II) (см.
     бДдгыуЦзаЦ                                            механизм петли, показанный на рис. 3). Полувос-
                                                           становленный HQ• отдает второй электрон на
        Можно с уверенностью сказать, что принципи-        (Fe–S), при этом второй протон оказывается в
     альное устройство трансформаторов энергии –           водной фазе слева, а электрон передается далее
     компонентов дыхательной цепи стало ясным. Бо-         на железо цитохрома с1 , а затем на конечный
     лее того, принцип хемиосмотического сопряжения        окислитель – цитохром с. Окисленный убихинон,
     Митчелла, как оказалось, работает не только в ми-     образовавшийся слева, теперь диффундирует на-
     тохондриях, но при функционировании и других          зад к той стороне мембраны, которая обращена к
                                                           матриксу. Здесь убихинон получает электрон от
     биологических трансформаторов энергии, таких,
                                                           гема b(II) (заметим, что этот электрон исходно
     как, например, светопоглощающие комплексы бак-        принадлежал убихинолу) и протон из водной фазы
     терий и растений, анаэробные дыхательные цепи.        матрикса. Полувосстановленный убихинон полу-
     Это, конечно, не означает, что проблемы трансфор-     чает второй электрон от комплекса I и второй про-
     мации энергии окислительно-восстановительных          тон из матрикса. В мембране получается восста-
     реакций в энергию ∆ё H+ решены. Даже для наибо-       новленный убихинол (QH2), и весь процесс начи-
                                                           нается сначала. В результате окисления QH 2
     лее изученных систем остаются вопросы, на кото-       цитохромом с освобождающаяся энергия запаса-
     рые пока нет ответа. Почему, например, комплексы      ется таким образом в виде электрического заряда
     дыхательной цепи такие большие и построены из         мембраны и градиента концентрации Н + по раз-
     десятков индивидуальных полипептидных цепей,          ные ее стороны



18                                                          лйкйлйЗлдав йЕкДбйЗДнЦгъзхв ЬмкзДг, ‹9, 1999


ведь собственно реакционные центры, перенося-        просы о регулировании процессов. Этот аспект
щие электроны, представлены сравнительно малы-       понимания внутриклеточного дыхания только на-
ми по размеру молекулами. Скорее всего, белковое     чинает развиваться, и можно с уверенностью ска-
окружение необходимо для точной настройки срод-      зать, что на этом пути нас ожидают увлекательные
ства к электрону каждого центра и тем самым для      открытия.
обеспечения строгой упорядоченности процесса.
Упорядоченность, по-видимому, достигается и струк-   ганЦкДнмкД
турным расположением переносчиков электронов
внутри и на поверхности белковых глобул. Порази-        1. Ксенжек О.С., Петрова С.А.. Электрохимические
тельные успехи рентгеноструктурного анализа бел-        свойства обратимых биологических редокс-систем.
ков позволили увидеть полные пространственные           М.: Наука, 1986.
структуры комплекса IV (дыхательного фермента           2. Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы: Новые
Варбурга, состоящего из 13 различных полипептид-        взгляды. М.: Мир, 1979.
ных цепей). В самое последнее время удалось рас-        3. Скулачев В.П. Биоэнергетика: Мембранные преоб-
шифровать и структуру комплекса III. Почти ничего       разователи энергии. М.: Высш. шк., 1989.
не известно о механизме генерации “электричества”
комплексом I.                                                               * * *
   Исторически сложилось так, что в течение более       Андрей Дмитриевич Виноградов, доктор биоло-
чем полувека биохимики и биофизики стремились        гических наук, профессор, зав. кафедрой биохи-
установить последовательность и выяснить физико-     мии биологического факультета МГУ, лауреат Госу-
химические закономерности переноса электронов в      дарственной премии СССР. Область научных
дыхательной цепи. Опыт изучения других полифер-      интересов – энзимология биоэнергетических сис-
ментных систем показывает, что биология начина-      тем. Автор около 200 статей, опубликованных в
ется тогда, когда перед исследователями встают во-   российских и международных журналах.




ЗазйЙкДСйЗ Д.С. икЦйЕкДбйЗДзаЦ щзЦкЙаа З еанйпйзСкаьп                                                       19



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика