WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     | 1 ||

в ходе которой электроны из водного окружения (в молекуле NADН) попадают в “жирную” фазу мемб раны (молекула убихинола). Энергетический потенциал (запас энергии) атомов водорода (Н+ + 2e ) Читатель наверняка обратил внимание на то, что в молекуле убихинола существенно ниже, чем в мопри рассмотрении окислительно-восстановительлекуле NADН, и в результате реакции освобождается ных реакций (собственно обмен электронами) в энергия. Если бы такой процесс проходил в гомогенуравнениях, описывающих эти реакции, постоянно ном растворе (независимо от того, катализировался фигурировала другая заряженная частица – ион вобы он комплексом I или спонтанно), то энергия выдорода, протон (Н+). Этот знаменательный факт, делилась бы в виде тепла. На самом деле энергия рекак оказалось, имеет принципиальное значение для акции запасается, но об этом позже.

понимания сопряжения между окислительно-восстановительными реакциями и запасанием освоВосстановленный убихинон (убихинол) отдает бождающейся при этом энергии. На возможность электроны из гидрофобной фазы в водное окружесоздавать высокие концентрации ионов Н+ в клетние – на атом железа гема цитохрома с. Этот проках при протекании реакции окисления впервые, цесс катализируется комплексом III (при этом элекпо-видимому, обратили внимание в 50-х годах Р. Дэтроны путешествуют по атомам железа в составе вис (R. Davies), А. Огстон (A. Ogston) и Ю. Конвей компонентов комплекса):

(E. Konway) при обсуждении вопроса о механизме Комплекс III секреции кислоты клетками желудка. Если предстаУбихинол + 2 цитохром с 2e вить себе, что реакции, о которых шла речь, проте(железо окислено) 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 раствора понизится, повысится кислотность растЭнергетический потенциал электронов (теперь вора). П. Митчелл в 1961 году предложил идею хев цитохроме с) становится еще ниже. Окисленный миосмотического энергетического сопряжения в цитохром с хорошо связывается с комплексом III, а дыхательной цепи. Пожалуй, наиболее существенвосстановленный – с комплексом IV. Это означает, ны для понимания принципа хемиосмотического что комплексы III и IV умеют различать белковые сопряжения следующие положения.

молекулы окисленного и восстановленного цитохрома с (молекулярная масса около 13 тыс.), отли- 1. Внутренняя мембрана митохондрий, где прочающиеся 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 фосприводить к изменению конформации белка! фолипидный слой очень медленно по сравнению со.. 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), однако между реагирующими молекулами возможен 2. Внутренняя мембрана митохондрий асимметтолько электронный контакт (за счет металличесрична: одни компоненты дыхательной цепи конкого проводника). В результате теплового движения тактируют с матриксом (например, активный центр и действия катализатора на левой поверхности прокомплекса I), другие расположены внутри мембраводника будет происходить реакция Н2 2Н+ + ны (например, убихинон), третьи контактируют с + 2e. Протоны (2Н+) останутся в растворе (перегомежмембранным пространством (например, цитородка непроницаема для ионов). Электроны отпрахром с).

вятся по проводнику к правой поверхности, где при 3. Разрушение мембраны не препятствует окисвстрече с активированным на правой поверхности лению NADH кислородом, а даже ускоряет дыхакислородом произойдет реакция ние. Энергетическое сопряжение (синтез АТР) при (из водного раствора, этом полностью прекращается: происходит разоб(атомарный О + 2e + 2Н+ в результате кислород) щение процессов переноса электронов и запасания диссоциации воды) энергии. Для разобщения необязательно полностью разрушать мембрану – достаточно, сохраняя ее Н2О + ОНструктуру, добавить вещества, резко повышающие Суммарный процесс такого контролируемого проницаемость мембраны для протона.

окисления водорода кислородом (образование воды) Для того чтобы понять принцип хемиосмотичеприведет к тому, что перегородка окажется электриского сопряжения, предложенный Митчеллом, восчески заряженной (два отрицательных заряда слева пользуемся рассмотрением химического генератора перенесены направо) и возникнет разница концентэлектричества, применяющегося в технике. Предраций ионов водорода в обоих отсеках ячейки: слева ставим себе сосуд, разделенный перегородкой, пропоявится кислота (Н+), а справа – щелочь (ОН- ) ницаемой для воды и непроницаемой для каких бы то ни было ионов (рис. 2). В перегородку вмонтиро E = µ = H+ ван проводник электричества – металл (М), торцоЭнергия Разность окислительно- электрохимических вые поверхности которого, обращенные одна в левосстановительной потенциалов вый, а другая в правый отсек сосуда, покрыты реакции ионов водорода каким-нибудь химическим катализатором (мелко Энергия разницы Электрический кислотности в = + потенциал ( ) разных отсеках ячейки Первый член правой части равенства, описывающего энергетический баланс реакции ( ), – электрическая составляющая запасенной энергии, втоH2 Орой – осмотическая. Очевидно, что, после того как перегородка зарядится (слева +, справа - ), процесс прекратится – электроны не побегут по проводнику 2H+ H2O против электрического поля. Если заряд на перегородке снимать (подключить устройство, потребляю2e щее электрическую энергию, например лампочку), M то окисление продолжится, а горение лампочки будет сопровождаться накоплением кислоты слева и щелочи справа. Можно расходовать запасенную H2 О Оэнергию (µ ) и по-другому: устроить в перегород2H+ H+ ке каналы для протонов. В этом случае за счет тока H2O H2O протонов слева направо также можно будет совершать работу. Именно так (за счет тока протонов) устроена молекулярная машина, синтезирующая АТР.



Рис. 2. Схема устройства топливного элемента.

Объяснение см. в тексте. Реакции окисления во – дорода и восстановления кислорода на самом де ле значительно сложнее, чем это показано на схеме: первая представляет собой по крайней мере Каждый из трех комплексов, составляющих дыхатрехстадийный, а вторая – пятистадийный электрохимический процесс тельную цепь, работает так, что перенос электронов, ‹9, по его компонентам – простетическим группам – ранстве в виде петли, так что электроны дважды песопровождается переносом протонов через сопря- ресекают мембрану: один раз вместе с протонами, а другой – сами по себе.

гающую мембрану. Возникает вопрос: как хемиосмотический принцип сопряжения реализован в Отметим, что для возникновения µ по мехаH+ белковых конструкциях комплексов дыхательной низму петли необходимо, чтобы дыхательный комцепи В принципе возможны два варианта таких плекс имел в своем составе компоненты, способные конструкций. Первый, в качестве гипотезы предлопереносить Н (см. верхнюю часть петли). Анализ женный П. Митчеллом получил название окисликачественного состава переносчиков электронов в тельно-восстановительной петли. Схематически та- комплексах, однако, показал, что это не всегда выкой механизм изображен на рис. 3. Легко видеть, полняется. Так, например, атомы железа при измечто этот механизм аналогичен тому, который мы нении валентности могут переносить электроны, рассмотрели применительно к топливному элемен- но неспособны быть носителями протонов. В связи с этим, развивая идеи Митчелла, несколько исслету. Роль металлического проводника выполняют довательских групп предложили вариант функциопростетические группы комплекса (Y1, Y2 и Y3), а нирования комплексов в качестве генераторов поверхностей, покрытых катализатором, – его акµ, который можно назвать протонным насосом.

+ тивные центры. Вся система организована в прост- H Межмембранное Межмембранное Матрикс Внутренняя Матрикс Внутренняя пространство пространство (M) мембрана мембрана (M) (С) (C) e S1HY X e 2H 2H X1 SXY e X X2H+ B– AH YH+ H+ Y- BH A– Y3 S2 + 2H+ e e e S2HРис. 4. Схема генерации µ компонентом дыH+ хательной цепи, функционирующим как протонный насос. Синие стрелки – перенос электронов, Рис. 3. Схема, иллюстрирующая генерацию µ H+ красные – перенос протонов. Пусть компоненты Х компонентом дыхательной цепи, функционируюи Y являются переносчиками только электронов щим по механизму петли. Красные стрелки – путь (например, атомы железа, связанные с различныатомов водорода, синие – путь электронов. Проми группами белка), а группы А и В – аминокисцесс начинается реакцией восстановителя (S1H2) с лотные остатки белка, являющиеся слабыми кисактивным центром комплекса, расположенным в лотами – акцепторами протона. При этом группы матриксе митохондрий (правая часть рисунка).

А и В доступны для протонов матрикса митохондДва атома водорода (2Н+ + 2e ), отщепленные от рий (справа) и межмембранного пространства восстановителя, путешествуют по простетическим (слева) за счет специальных полуканалов, обрагруппам комплекса (X1, X2, X3) к левой поверхности зованных специфической укладкой полипептидвнутренней мембраны. Здесь судьбы протонов и ных цепей. В силу того что изменения свойств одэлектронов расходятся: протоны остаются в водной группы белка могут приводить к изменению ной фазе межмембранного пространства, а элексвойств другой (кооперативность), легко допустроны возвращаются назад по другим компонентить, 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. Дальнейследующего комплекса. В результате в матриксе ший перенос электрона на Y можно связать с пепоявляется очередной восстановитель (S2H2), а на редачей протона от АН+ к В- и выбросом его через мембране возникает µ. Реакция дальнейшего левый полуканал в межмембранное пространство H+ окисления S2H2 может происходить с участием при окислении Y e каким-либо компонентом слеследующего комплекса дыхательной цепи дующего комплекса.. 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 возвращаться назад в матрикс при окислении, например, группы Х. Принимая во внимание конформационную подвижность белков, сконструировать такой e клапан достаточно легко. По-видимому, обе модеe ли – петля и протонный насос – и их вариации реализуются при функционировании дыхательных H+ QH2 QH2 H+ комплексов.





• QH b(I) III HQ• b(II) H+ До сих пор мы обсуждали принципы устройства H+ e генераторов электричества в дыхательной цепи. ТеFe–S перь можно рассмотреть работу одного из них более Q Q детально на конкретном примере комплекса III, механизм функционирования которого на сегодня Cизучен 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 принимать и отдавать только электроны.

IV Комплекс III (рис. 5) представлен липопротеидом, состоящим из нескольких различных полипептидных 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 окисb(II). Активный центр цитохрома с1 расположен на ления убихинола цитохромом с в энергию µ H+ при работе комплекса III дыхательной цепи. Синивнешней, обращенной в межмембранное пространми линиями показан путь электронов. Восстановство стороне внутренней мембраны митохондрий ленный убихинон (QH2) реагирует с железом гема (там, где находится цитохром с). Последовательность b(I) и, восстанавливая его, освобождает протон в реакций, приводящих к возникновению электричеводную фазу, сам превращаясь в полувосстановства при работе комплекса III, показана на рис. 5.

ленную форму (HQ•). Электрон от гема b(I) переносится через мембрану к железу гема b(II) (см.

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 окислитель – цитохром с. Окисленный убихинон, лее того, принцип хемиосмотического сопряжения образовавшийся слева, теперь диффундирует наМитчелла, как оказалось, работает не только в мизад к той стороне мембраны, которая обращена к тохондриях, но при функционировании и других матриксу. Здесь убихинон получает электрон от биологических трансформаторов энергии, таких, гема b(II) (заметим, что этот электрон исходно как, например, светопоглощающие комплексы бакпринадлежал убихинолу) и протон из водной фазы терий и растений, анаэробные дыхательные цепи.

матрикса. Полувосстановленный убихинон полуЭто, конечно, не означает, что проблемы трансфорчает второй электрон от комплекса I и второй промации энергии окислительно-восстановительных тон из матрикса. В мембране получается восстановленный убихинол (QH2), и весь процесс начиреакций в энергию µ решены. Даже для наибоH+ нается сначала. В результате окисления QHлее изученных систем остаются вопросы, на котоцитохромом с освобождающаяся энергия запасарые 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 раздесятков индивидуальных полипептидных цепей, ные ее стороны, ‹9, ведь собственно реакционные центры, перенося- просы о регулировании процессов. Этот аспект щие электроны, представлены сравнительно малы- понимания внутриклеточного дыхания только нами по размеру молекулами. Скорее всего, белковое чинает развиваться, и можно с уверенностью скаокружение 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 турным расположением переносчиков электронов 1. Ксенжек О.С., Петрова С.А.. Электрохимические внутри и на поверхности белковых глобул. Поразисвойства обратимых биологических редокс-систем.

тельные успехи рентгеноструктурного анализа белМ.: Наука, 1986.

ков позволили увидеть полные пространственные 2. Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы: Новые структуры комплекса IV (дыхательного фермента взгляды. М.: Мир, 1979.

Варбурга, состоящего из 13 различных полипептидных цепей). В самое последнее время удалось рас- 3. Скулачев В.П. Биоэнергетика: Мембранные преобразователи энергии. М.: Высш. шк., 1989.

шифровать и структуру комплекса III. Почти ничего не известно о механизме генерации “электричества” комплексом I.

* * * Исторически сложилось так, что в течение более Андрей Дмитриевич Виноградов, доктор биолочем полувека биохимики и биофизики стремились гических наук, профессор, зав. кафедрой биохиустановить последовательность и выяснить физико- мии биологического факультета МГУ, лауреат Госухимические закономерности переноса электронов в дарственной премии СССР. Область научных дыхательной цепи. Опыт изучения других полифер- интересов – энзимология биоэнергетических сисментных систем показывает, что биология начина- тем. Автор около 200 статей, опубликованных в ется тогда, когда перед исследователями встают во- российских и международных журналах.

Pages:     | 1 ||










© 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.