WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 |
ENERGY TRANSDUCTION ПРЕОБРАЗОВАНИЕ ЭНЕРГИИ IN MITOCHONDRIA В МИТОХОНДРИЯХ A. D. VINOGRADOV..

The basic concepts of ‚ „‰‡‚ ‚ energy transduction in... ‚‡ mitochondria are described. The mechanisms of vectoral electron transfer Образование молекулы АТР, главного источника in biological membranes энергии для совершения работы в биологических coupled with proton transсистемах, сегодня не может быть описано в терминах точного химического механизма элементарных location reactions (chemiстадий, однако ясно, что движущей силой процесса osmotic coupling theory служит энергия электрического поля, существуюby P. Mitchell) are disщего на внутренней мембране митохондрий. Возникает естественный вопрос: что служит источником cussed.

этой энергии В самом общем виде ответ можно сформулировать так. Питательные вещества (бел ‚ ‡- ки, жиры и углеводы) в конечном счете превращаются в ограниченный набор низкомолекулярных ·‡соединений – органических кислот. Углеродные ‚‡fl „ атомы, из которых построены эти кислоты, окис‰fl. ‡- ляются (у аэробных организмов кислородом) до углекислого газа и воды. Процесс окисления орга ‡ ‡ нических кислот кислородом происходит в мито‚„ ‡ хондриях – клеточных органеллах, обеспечивающих ‚, fl- бльшую часть синтеза АТР в клетках. Потребление кислорода в качестве окислителя обычно называют „ внутриклеточным дыханием. Энергия, освобожда‚, ‚ ·„ ющаяся в результате химической реакции окисле·‡‡ (fl - ния, превращается в электрохимическую и в таком виде используется для синтеза АТР.

„ flТрансформация энергии окисления осуществfl. ‡).

ляется ферментами, расположенными во внутренней мембране митохондрий и работающими как генераторы, которые используют в качестве носителя электрического заряда ион водорода (Н+, протон).

По определению, окислительными (точнее, окислительно-восстановительными) реакциями называют такие, в которых происходит перенос электронов от молекулы-донора (восстановителя) к молекуле-акцептору (окислителю). Эти реакции чрезвычайно распространены в живых системах и катализируются ферментами, получившими название оксидоредуктаз. Совокупность оксидоредуктаз, катализирующих процесс внутриклеточного дыхания, обычно называют дыхательной цепью. Для ответа на вопрос о том, как возникает электричество в мембране митохондрий, предстоит рассмотреть, как работает дыхательная цепь.

Отметим сразу, что для возникновения электрического поля (одна сторона мембраны заряжена положительно, а другая – отрицательно) необходимо, чтобы ферменты дыхательной цепи осуществляли векторный, направленный (по отношению к.. © „‡‰‚.., сторонам мембраны) перенос электронов от восстаH+ H+ OSHновителя к окислителю. В этом состоит принципи-- 2H e Цитохромы e альное отличие работы оксидоредуктаз дыхательной Кейлина цепи от функционирования ферментов, катализиS H2O рующих аналогичные реакции в гомогенном (изотропном) растворе, где вопрос о направлении реакции в пространстве не имеет смысла (скалярные Дегидрогеназы Дыхательный фермент процессы).

Тунберга–Виланда Варбурга К середине 50-х годов выяснилось, что некото рые дегидрогеназы, цитохромы Кейлина и дыхательный фермент Варбурга (дыхательная цепь) Началом изучения дыхания принято считать прочно связаны с внутренними мембранами митоклассические опыты Антуана Лавуазье (A. Lavoisiхондрий. В 60-х годах Д. Грин (D. Green) с сотрудer), который еще в 1777 году показал, что “чистый никами в США разработал методы разделения, вывоздух, 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. ЭнСледовательно, чистый воздух, проходя через леггельгардта, 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, углеАТР (фосфорилирование). Природа этой связи (сокислым газом (CO2). Начало современным предпряжение двух процессов), обеспечивающей главставлениям о внутриклеточном дыхании было полоный суммарный процесс биоэнергетики – окислижено работами В.И. Палладина в России (1909 год), тельное фосфорилирование, оставалась загадкой Т. Тунберга (T. Thunberg) в Швеции (1909 год), Г. Вивплоть до 60-х годов, когда П. Митчелл (P. Mitchell) ланда (H. Wieland) и О. Варбурга (O. Warburg) в Геропубликовал гипотезу о хемиосмотическом сопрямании, выполненными в 20-х годах нынешнего вежении, ставшую спустя примерно двадцать лет обка. К тому времени уже было известно, что ткани щепринятой теорией.

млекопитающих катализируют окисление органических кислот кислородом воздуха. При обсуждении механизма этого катализа к середине 20-х годов сформировались две на первый взгляд альтернативРассмотрим более детально устройство отдельные точки зрения. Т. Тунберг и Г. Виланд полагали, ных блоков схемы, изображенной выше. Прежде что быстрое окисление химически инертных оргачем это сделать, необходимы несколько предваринических кислот связано с существованием в ткательных замечаний. До сих пор при описании пронях ферментов (дегидрогеназ) – активаторов атоцесса внутриклеточного дыхания говорилось, что мов водорода в молекулах субстратов. О. Варбург кислород расходуется на окисление ограниченного считал, что катализ обусловлен железосодержащим числа органических соединений, образующихся из ферментом, названным им дыхательным ферменпродуктов питания. В живых системах наиболее том, активирующим химически инертный кислораспространены следующие химические группирод. Как часто случается, оказалось, что обе точки ровки, подвергающиеся окислению1:



зрения верны. Примерно в то же время Д. Кейлин (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 звеном между дегидрогеназами Тунберга и Виланда и - 2H (2H+ + 2e) H C OH C O + 2H+ + 2e дыхательным ферментом Варбурга. Позднее Кейлин Спирт Кетон и его ученики доказали, что существуют несколько (или альдегид) цитохромов, различающихся по своей окраске и все они являются обязательными компонентами почти Приведенные примеры, конечно, не исчерпывают всего любых живых систем (Кейлин обследовал более многообразия окислительных реакций, протекающих в различных видов животных и растений). К середиклетках. Окислению подвергаются также аминогруппы, не 30-х годов стало ясно, что окисление органичессеросодержащие соединения, ионы переходных металлов ких кислот (SH2) кислородом в тканях может быть и пр. Однако наибольший вклад в общую энергетику клеописано следующей схемой: ток млекопитающих вносит окисление углеродных атомов.

, ‹9, - 2H (2H+ + 2e) O HO C OH C + 2H+ + 2e H C O OH NH2 + 2H (2H+ + 2e) H Альдегид Кислота (в водном растворе) N+ R Во всех приведенных примерах окисление можO но рассматривать как отщепление двух атомов воH H дорода, каждый из которых состоит из протона и C NH2 + H+ электрона. Протон в водном растворе существует в виде катиона Н+, и, если на время забыть об элекN тронах, каждая из приведенных выше реакций буR дет сопровождаться закислением среды. Электроны в свободном виде в водном растворе существовать В процессе восстановления исходно окисленная не могут, поэтому для протекания этих реакций белмолекула NAD (обозначают NAD+, по заряду участки-катализаторы должны содержать ловушку для вующей в реакции группы) принимает два электроэлектронов. В качестве такой ловушки в ферментахна и один протон. В грубом приближении можно дегидрогеназах служат относительно небольшие (по считать, что все окислительные реакции, катализисравнению с размером белков) органические или руемые дегидрогеназами, приводят к универсализанеорганические молекулы или атомы разной химиции отщепленных атомов водорода и запасанию их ческой природы. Эти молекулы принято называть в виде NADН. NAD+ и NADН хорошо растворимы кофакторами или простетическими группами. Тав воде и присутствуют в значительных количествах ким образом, любой белок, катализирующий окисв цитоплазме и митохондриях. Дыхательная цепь, лительно-восстановительную реакцию, содержит состоящая из нескольких ферментов, прочно свякофактор, способный к обратимому окислительнозанных с внутренней мембраной митохондрий, осувосстановительному превращению. Есть и другая, ществляет окисление митохондриального NADН не менее важная роль кофакторов. Если в клетке в кислородом:

свободном, не связанном с белком состоянии присутствует какая-либо молекула кофактора в доNADH 1/2O2 + 2H+ Дыхательная цепь статочном количестве, то атомы водорода, отщеп2e ляющиеся от органических молекул в результате действия дегидрогеназ, могут быть запасены в виде H+ + NAD+ H2O восстановленной формы кофактора. Это достигается В присутствии кислорода два электрона в молелибо заменой восстановленной формы связанного с куле NADН стремятся перейти к молекуле кислороферментом кофактора на его окисленную форму, лида, и такой переход сопровождается освобождением бо окислением связанного кофактора свободным.

энергии. Восстановленная форма NADН устойчива Существуют несколько типов свободных кофактои без ферментов не окисляется кислородом. “Водоров. В качестве основного служит молекула достарод” (два электрона и протон) в молекуле NADН точно сложного химического строения, носящая, так же химически устойчив, как химически инертен согласно принятой биохимиками номенклатуре, газообразный водород (Н2) в смеси с газообразным название никотинамидадениндинуклеотид (сокракислородом (О2). Такая смесь, однако, известна под щенно NAD), окисленная форма которого показаназванием “гремучий газ”, и достаточно искры, на ниже:

чтобы произошел взрыв – мгновенное образование воды, сопровождающееся огромным выделением O NHэнергии в виде тепла. Задача, стоящая перед ферC ментами дыхательной цепи, такова: необходимо N H2N N провести взрыв так, чтобы освобождающаяся энергия была запасена в форме, пригодной для совершеO O NN+ ния работы – синтеза АТР. Уместно подчеркнуть, N H2C O P O P O CH2 O что ферменты дыхательной цепи замечательны не O столько тем, что они, как и всякие другие катализаH H O- O- H H H H H Hторы, увеличивают скорость химической реакции (многие окислительно-восстановительные реакции мгновенно протекают в водных растворах и без ферOH OH OH OH ментов), сколько тем, что они упорядоченно переКоллектором 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.





.. Проследим теперь путь двух электронов от NADН Другой – нерастворимое в воде “жирное” соединек кислороду, оставляя пока в стороне энергетику ние – убихинон, способное выполнять в гидрофобэтого процесса. Суммарный процесс разбит на три ной фазе мембраны такую же функцию, какую выполняет NAD в водном окружении цитоплазмы или стадии, каждая из которых катализируется тремя матрикса митохондрий, – запасать атомы водорода:

липопротеидными комплексами, встроенными во внутреннюю мембрану митохондрий. Каждый комO плекс (I, III и IV) представляет собой весьма крупное образование, построенное из многих полипеп- H3C O CHтидных цепей. Комплекс I, например, состоит из CH CH2 H + H+ + e более чем 40 таких цепей (субъединиц) и имеет моH3C O CH2 C лекулярную массу около 1 млн. Комплексы плавают n в фосфолипидном море мембраны, так что верхуш- O CHки и дно этих айсбергов контактируют с водными фазами матрикса и межмембранного пространства R Убихинон (Q) митохондрий (рис. 1). Жидкая липидная фаза разре(окисленная форма) шает двумерную диффузию комплексов в плоскости мембраны, так что комплексы могут встречаться • между собой. Каждый комплекс катализирует окисOH лительно-восстановительную реакцию – перенос H3C O CHэлектронов и, следовательно, как уже отмечалось, + H+ + e содержит в своем составе простетические группы, способные принимать и отдавать электроны. Эти H3C O R группы представлены разнообразным набором хиO • 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 H3C O CHкомплексов с порфиринами – сложными гетероциклическими 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 гиУбихинон (как окисленный, так и восстановгантских образований в состав дыхательной цепи ленный) совершенно нерастворим в воде, но хоровходят еще два компонента. Один из них – неболь- шо растворяется в средах с низкой диэлектричесшой 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 организация компонентов дыхательМатрикс NAD+ + H+ ной цепи – преобразователей энергии. Каждый комплекс (I, III, IV) образован многими по4H+ 2H2O NADH липептидными цепями. Пространство над двойным фосфо2e липидным слоем, обозначенным желтым цветом, – матрикс Внутренняя Q митохондрий, под ним – межмембрана - мембранное пространство.

e e QHНебольшой белок цитохром с I III IV (обозначено c) в окисленном c c O2 состоянии образует комплекс с комплексом III, а в восстаМежмембранное пространство новленном – с комплексом IV.

В дополнение к перечисленным комплексам внутренняя мембрана митохондрий содержит еще несколько компонентов дыхательной цепи, в частности комплекс II – фермент, 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, ‹9, гидрофобного слоя мембраны, а активная голова Последняя стадия (теперь в реакцию дыхания может располагаться либо в той же плоскости, либо вступает собственно кислород) катализируется комприближаться 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 4 цитохром с + Н2О, последовательно по одному электрону (и протону).

(железо окислено) При этом возникает полувосстановленная форма – убисемихинон.

и электроны, пройдя по атомам железа и меди в составе комплекса IV, попадают, наконец, на кислоПервая стадия окисления NADН катализируетрод, связывающийся в активном центре цитохрося комплексом I, один активный центр которого моксидазы, что приводит к образованию воды.

контактирует с водной фазой матрикса (внутреннее пространство митохондрий) и связывает NADH.

Суммарная реакция, катализируемая дыхательДва 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 молекуле воды. При этом освобождается энергия, доКомплекс I NADH + H+ + Убихинон - статочная для синтеза по крайней мере трех молеH+ + 2e кул АТР на каждую пару электронов, перенесенных NAD+ + Убихинол, от NADH к кислороду.

Pages:     || 2 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.