Цепь переноса электронов

11.3.3.1. Переносчики электронов

Переносчики электронов размещены на поверхности или в глубине внутренней митохондриальной мембраны, которая уложена в кресты, число и плотность упаковки которых кооррелируют с энергетическими потребностями клетки.

Многие переносчики электронов – это белки, содержащие в качестве простетической группы гем.

Свойства молекулы гема зависят от белка, к которому он присоединен. Кроме того, гемы в разных цитохромах могут отличаться строением боковых групп и способом прикрепления к апобелку. Поэтому цитохромы могут отличаться редокс-потенциалами, хотя у них у всех простетические группы почти одинаковы.

Переносчики электронов называются цитохромами, так как они окрашены в красный цвет. Разные цитохромы обозначаются буквенными индексами: с₁, с, а, а₃ – в порядке их расположения в цепи.

К другому типу негемовых железосодержащих переносчиков электронов относятся белки, в которых атомы железа связаны с сульфгидрильными группами остатков цистеина белка, а также с сульфгидрильными анионами остатков, образуя железо-серные комплексы, или центры (рис. 29).

Рис. 29. Строение железо-серного центра

Как и в цитохромах, атомы железа в таких центрах могут принимать и отдавать электроны, поочередно переходя в ферро(Fe²⁺)- и ферри(Fe³⁺)-состояния. Железо-серные центры функционируют совместно с флавинсодержащими ферментами, принимая электроны от сукцинатдегидрогеназы и дегидрогеназ, участвующих в окислении жиров.

Еще одним типом переносчиков является ФМН-содержащий белок. ФМН (флавинаденин-мононуклеотид) – соединение, которое представляет собой флавиновую половину молекулы ФАД. ФМН переносит электроны от ФАДН на железо-серные центры.

Все белковые переносчики – интегральные белки, занимающие в мембране строго фиксированное положение и ориентированные определенным образом. Исключение составляет цитохром с, который непрочно связан с внешней мембраной и легко покидает ее.

Единственный небелковый переносчик электронов – убихинон, названный так потому, что, с одной стороны, он – хинон, а с другой – встречается повсеместно (от англ. ubiquitious – вездесущий). Сокращенное его название CoQ, UQ или просто Q. Все железо-серные центры отдают электроны убихинону.

Убихинон при восстановлении приобретает не только электроны, но и протоны (рис. 30).

Рис.30. Убихинон – кофермент Q (а)
и его окислительно-восстановительные превращения (б)

При одноэлектронном восстановлении он превращается в семихинон (органически свободный радикал), а при двухэлекторонном – в гидрохинон. Именно промежуточное образование свободного радикала позволяет убихинону служить переносчиком не двух, а одного электрона. Очень длинный гидрофобный хвост (40 углеродных атомов в десяти последовательно соединенных изопреноидных остатках) придает убихинону способность легко внедряться и свободно перемещаться в неполярном слое внутренней митохондриальной мембраны.

11.3.3.2. Расположение переносчиков

Поток электронов между переносчиками направлен от переносчика с более высоким восстановительным потенциалом (т.е. меньшим редокс-потенциалом) к переносчику с более низким восстановительным потенциалом (т.е. более окисленному, с большим редокс-потенциалом) (рис. 31).

Рис.31. Редокс-потенциалы компонентов дыхательной цепи в митохондриях

В митохондриальной цепи переносчики обладают разными редокс-потенциалами.

Переносчики электронов в цепи расположены в цепи так, что DG⁰ (свободная энергия) постепенно уменьшается, а редокс-потенциал, соответственно, возрастает. На каждом этапе передачи электрона соседнему по цепи переносчику высвобождается свободная энергия.

При окислении глюкозы происходит перенос электронов от НАДН и ФАДН₂ на кислород. В этом процессе участвуют много переносчиков, однако их можно сгруппировать в четыре комплекса, которые встроены в митохондриальную мембрану
(рис. 32).

Рис. 32. Четыре комплекса электронных переносчиков
в митохондриальной мембране

Между комплексами электроны перемещаются вместе с подвижными переносчиками: убихиноном и цитохромом с. Убихинон получает электроны от комплексов I и II и передает их комплексу III. Цитохром с служит посредником между комплексами III и IV. Комплекс I переносит электроны от НАДН на Q ; комплекс II – от сукцината через ФАДН₂ на Q; комплекс III использует QH₂ для восстановления цитохрома с, а комплекс IV передает электроны с цитохрома с на кислород. Комплексы I, III и IV называют соответственно НАДН-СоQ-редуктазой, СоQН₂-цитохром с-редуктазой и цитохромоксидазой. Комплекс IV – цитохромоксидаза – состоит из нескольких белков. Он получает электроны от цитохрома с с внешней стороны внутренней митохондриальной мембраны. На пути к кислороду эти электроны проходят через цитохромы а и а₃, содержащие атомы меди, которые поочередно переходят в состояния Cu⁺ и Cu²⁺ . Цитохромоксидаза осуществляет восстановление свободного кислорода:

О₂ + 4е^- + 4Н⁺ ® 2Н₂О

11.3.3.3. Хемиосмотическая теория Митчелла

Транспорт электронов по дыхательной цепи приводит к генерации АТФ. Концепция механизма сопряжения транспорта электронов с синтезом АТФ была разработана английским биохимиком Питером Митчеллом в 1961 г. (в 1978 г. Митчеллу была присуждена Нобелевская премия). Митчелл обнаружил, что поток электронов вызывает выкачивание протонов из митохондрий в окружающую среду, создавая градиент протонов через мембрану (рН внешнего раствора уменьшается). Поскольку протоны являются положительно заряженными частицами, вследствие их выкачивания из митохондрий на мембране возникает разность электрического потенциала (минус - внутри) и разность рН (выше – внутри). В совокупности электрический и концентрационный градиенты составляют (по Митчеллу) протондвижущую силу, которая и является источником энергии для синтеза АТФ (рис. 33).

Рис. 33. Схема синтеза АТФ во внутренней
митохондриальной мембране

Протондвижущая сила приводит в действие АТФ-синтазные комплексы, использующие поток электронов для синтеза АТФ из АДФ и Ф. Комплексы представляют собой специализированные протонные каналы (грибовидные выросты, которыми покрыта внутренняя поверхность крист). Комплекс представлен двумя связанными между собой компонентами F₀ F₁, каждый из которых состоит из нескольких белковых молекул. F₀ утоплен в мембране, а F₁ расположен на ее поверхности. Именно в F₁ синтезируется АТФ, тогда как F₀ выполняет функцию собственно протонного канала (рис. 34).

Рис 34. Схематическое изображение «грибовидной» структуры F₀F₁АТФ – синтетазы Е.coli. F₀ компонент пронизывает мембрану, образуя канал для протонов. Предполагается, что F₁ состоит из трех a и трех b субъединиц, организованных так, что они образуют гексамерную структуру наподобие «шляпки гриба», и одной g, одной d и одной e субъединиц, которые формируют «стержень», соединяющий F₀ с F₁ каналом

Неизвестно точно, как возникает АТФ при посредстве АТФ-синтетазы. Согласно одной из теорий, при транслокации протонов по F₀-фактору, происходят конформационные изменения в F₁-компоненте, который и синтезирует АТФ из АДФ и Ф.

Каждой паре электронов, перенесенных от НАДН на кислород, соответствует 10 протонов, перекаченных из митохондриального матрикса. Таким образом, окисление 1 молекулы НАДН приводит к синтезу 2,5 молекул АТФ, а окисление 1 молекулы ФАДН₂ – к синтезу 1,5 молекулы АТФ. Раньше полагали, что синтезируются соответственно, три и две молекулы АТФ. Эти величины принято называть отношениями Р/О, поскольку перенос 2 электронов эквивалентен восстановлению 1 атома кислорода.

Выход АТФ при окислении молекулы глюкозы до СО₂ и Н₂О.

При гликолизе образуется 2 молекулы АТФ (продуцируется 4, но 2 расходуются). При гликолизе в цитоплазме образуется также 2 молекулы НАДН на 1 молекулу глюкозы. 2 молекулы АТФ образуются в цикле лимонной кислоты (из 1 молекулы глюкозы образуется 2 молекулы ацетил-КоА, запускающие два оборота цикла).

В расчете на 1 молекулу глюкозы пируватдегидрогеназа производит 2 молекулы НАДН, а цикл лимонной кислоты – 6 молекул НАДН. Их окисление приводит к синтезу 20 молекул АТФ. Еще три молекулы АТФ образуется за счет окисления ФАДН₂ при превращении сукцината в фумарат.

Суммарный выход молекул АТФ будет зависет от того, какой челночного механизм (глицерофосфатный и малатаспартатный) используется клетками для доставки НАДН к дыхательной цепи. При глицеролфосфатном механизме электроны от НАДН передаются на дигидрооксиацетонфосфат с образованием глицерол-3-фосфата, который переносит электроны на дыхательную цепь (рис.35). Это происходит при участии фермента глицерол-3-фосфатдегидрогеназы. В помошью цитоплазматического НАДН происходит восстановление митохондриального ФАД, являющегося простетической группой флавопротеина - глицерол-3-фосфатдегидрогеназы.

Рис. 35. Глицеролфосфатный челночный механизм

Другая челночная система - малат-аспартатная - переносит электроны от цитоплазматического НАДН к митохондриальному НАД⁺ (рис. 36). Это приводит к образованию митохондриального НАДН, который далее окисляется в электроннотранспортной цепи. В цитоплазме НАДН восстанавливает оксалоацетат до малата. Последний с помощью переносчика попадает в митоходрии, где реокисляется в оксалоацетат с восстановлением НАД⁺. Сам оксалоацетат выйти из митохондрий не может, поэтому он сначала превращается в аспартат, который и транспортируется переносчиком в цитоплазму. В цитоплазме аспартат дезаминируется, превращаясь в оксалоацетат и замыкая тем самым челночный механизм.

Рис.36. Малат-аспартатная челночная система для переноса электронов