Биологическое окисление

1. НАДН-дегидрогеназный комплекс - самый большой из дыхательных

ферментных комплексов - имеет молекулярную массу свыше 800000 и

содержит более 22 полипептидных цепей. Он принимает электроны от НАДH и

передает их через флавин и по меньшей мере пять железо-серных центров на_

убихинон - небольшую жирорастворимую молекулу, передаюшую электроны на

второй комплекс дыхательных ферментов-комплекс b-c1.

2. Комплекс b-с1 состоит по меньшей мере из 8 разных полипептидных

цепей и, вероятно, существует в виде димера с молекулярной массой 500000.

Каждый мономер содержит три тема, связанных с цитохромами, и железо-серный

белок. Комплекс принимает электроны от убихинона и передает цитохрому с,

небольшому периферическому мембранному белку, который затем переносит их

на цитохром-оксидазный комплекс.

3.Цитохромоксидазный комплекс (цитохром аа3) - наиболее изученный из трех

комплексов. Он состоит не менее чем из восьми различных полипептидных цепей

и выделен как димерс молекулярной массой 300000; каждый мономер содержит

два цитохрома и два атома меди.этот комплекс принимает электроны от

цитохрома с и передает их на кислород.

Цитохромы, железо-серные центры и атомы меди способны переносит

одновременно только один электрон. Между тем, каждая молекула НАДН отдает

два электрона и каждая молекула О2 должна принять 4 электрона при

образовании молекулы воды. В электронтранспортной цепи имеется несколько

электронсобирающих и электронраспределяющих участков, где согласовывается

разница в числе электронов. Так, например, цитохромоксидазный комплекс

принимает от молекул цитохрома с по отдельности 4 электрона и в конечном

итоге передает их на одну связанную молекулу О2, что ведет к образованию

двух молекул воды. На промежуточных ступенях этого процесса два электрона,

прежде чем перейти к участку, связывающему кислород, поступают в гем

цитохрома а, и связанный с белком атом меди, Cua. В свою очередь участок

связывания кислорода содержит еще один атом меди и гем цитохрома а3. Однако

механизм образования двух молекул воды в результате взаимодействия

связанной молекулы О2 с четырьмя протонами в точности не известен.

В большинстве клеток с цитохромоксидазой взаимодействует около 90%

всего поглощаемого кислорода. Токсичность таких ядов, как цианид и азид,

связаны с их способностью прочно присоединяться к цитохромоксидазному

комплексу и блокировать тем самым весь транспорт электронов.

Два компонента, переносящие электроны между тремя главными ферментными

комплексами дыхательной цепи, - убихинон и цитохром с – быстро перемещаются

путем диффузии в плоскости мембран.

Столкновения между этими подвижными переносчиками и ферментными

комплексами вполне позволяют объяснить наблюдаемую скорость переноса

электронов (каждый комплекс отдает и принимает один электрон каждые 5-10

миллисекунд). Поэтому нет необходимости предполагать структурную

упорядоченность цепи белков-переносчиков в липидном бислое; в самом деле,

ферментные комплексы, видимо существуют в мембране как независимые

компоненты и упорядоченный перенос электронов обеспечивается только

специфичностью функциональных взаимодействий между компонентами цепи.

В пользу этого говорит и тот факт, что различные компоненты дыхательной

цепи присутствуют в совершенно разных количествах. Например, в

митохондриях сердца на каждую молекулу НАДН-дегидрогеназного комплекса

приходятся З молекулы | комплекса b-c1 комплекса, 7 молекул

цитохромоксидазного комплекса, 9 молекул цитохрома с и 50 молекул

убихинона; весьма различные соотношения этих белков обнаружены и в

некоторых других клетках.

Значительный перепад окислительно-восстановительного потенциала на

каждом из трех комплексов дыхательной цепи доставляет энергию, необходимую

для перекачивания протонов.

Такую пару, как Н2О и ЅО2 (или НАДH и НАД+), называют сопряженной

окислительно-восстановительной парой, так как один из ее членов

превращается в другой, если добавить один или несколько электронов и один

или несколько протонов (последних всегда достаточно в любом водном

растворе). Так, например, ЅО2 + 2е + 2Н+ ( Н2О

Хорошо известно, что смесь соединений, образующих сопряженную кислотно-

щелочную пару, в соотношении 50:50 действует как буфер, поддерживающий

определенное «давление протонов» (рН), величина которого определяется

константой диссоциации кислоты. Точно таким же образом смесь компонентов

пары в соотношении 50:50 поддерживает определенное «давление

электронов», или окислительно-восстановительный потенциал (редокс-

потенциал) Е, служащий мерой сродства молекулы-переносчика к электронам.

Помещая электроды в раствор с соответствующими окислительно-

восстановительными парами, можно измерить редокс-потенциал каж-дого

переносчика электронов, участвующего в биологических окислительно-

восстановительных реакциях. Пары соединений с наиболее отрицательными

значениями редокс-потенциала обладают наименьшим сродством к электронам,

т.е. coдepжaт перенocчики с наименьшей тенденцией принимать электроны и

наибольшей тенденцией их отдавать. Например, смесь НАДH и НАД+ (50:50)

имеет редокс-потенциал -320 мВ, что указывает на сильно выраженную

способность НАДH отдавать электроны, тогда как редокс-потенциал смеси

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

тенденцию 02 к принятию электронов.

Резкий перепад имеет место в пределах каждого из трех главных

дыхательных комлексов. Разность потенциалов между любыми_двумя

переносчиками электронов прямо пропорциональна энергии, высвобождаемой

при переходе электрона от одного переносчика к другому. Каждый комплекс

действует как энергопреобразующее устройство, направляя эту свободную

энергию на перемещение протонов через мембрану, что приводит к созданию

электрохимического протонного градиента по мере прохождения электронов по

цепи.

Для работы энергопреобразующего механизма, лежащего в основе

окислительного фосфорилирования, нужно, чтобы каждый ферментный комплекс

дыхательной цепи был ориентирован во внутренней митохондриальной мембране

определенным образом – так, чтобы все протоны перемещались в одном

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

мембранных белков была продемонстрирована с помощью специальных зондов,

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

нибудь одной стороны мембраны. Специфическая ориентация в бислоe

свойственна всем мембранным белкам и очень важна для их функции.

Механизмы перекачивания протонов компонентами дыхательной цепи.

В процессе окислительного фосфорилирования при окислении одной молекулы

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

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

обратное прохождение трех протонов через АТФ-синтетазу обеспечивает синтез

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

электрона каждым комплексом сопровождается перемещением полутора протонов

(иными словами, при транспорте одного электрона некоторые комплексы

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

компонентов дыхательной цепи существуют разные механизмы сопряжения

транспорта электронов с перемещением протонов. Аллостерические изменения

конформации белковой молекулы, связанные с транспортом электронов, могут в

принципе сопровождаться «перекачиванием» протонов, подобно тому как

перемещаются протоны при обращении действия АТФ-синтетазы. При переносе

каждого электрона хинон захватывает из водной среды протон, который затем

отдает при высвобождении электрона. Поскольку убихинон свободно

передвигается в липидном бислое, он может принимать электроны вблизи

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

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

каждый перенесенный электрон. С помощью более сложных моделей можно

объяснить и перемещение комплексом b-c1 двух протонов на каждый

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

в определенном направлении.

В отличие от этого молекулы, передающие электроны цитохромоксидазному

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

электронов, вероятно, связан с определенным аллостерическим изменением

конформации белковых молекул, в результате которого какая-то часть

белкового комплекса сама переносит протоны.

Действие разобщителей.

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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10