Систему, в которой участвуют все перечисленные компоненты митохондриального окисления, целесообразно назвать полной дыхательной цепью. В виде общей схемы она изображена на рис. 5-8. Эта давняя схема удобна своей наглядностью. Во-первых, она демонстрирует, что окисление одного компонента цепи невозможно без одновременного восстановления другого (это отражено обязательным соприкосновением полукруглых стрелок). Во-вторых, здесь виден (светлые стрелки) путь электронов (и протонов) от исходного субстрата (А-Н2) в конечном счете на молекулу 02. Приведенные на схеме цифры показывают, что этот путь пролегает в направлении постепенного увеличения редокс-потенциала - от -0,32 В для пары НАД / НАД- Н2 до +0,82 В для пары Уг02/ О .
Наконец, схема отражает экспериментальные данные о том, что в трех участках цепи перенос пары электронов с одного звена на другое сопряжен с синтезом молекулы АТФ. Это сопряжение происходит лишь на уровне тех звеньев, где перепад редокс-потенциала наиболее значителен (порядка 0,2 В): именно в этих пунктах освобождаемая порция энергии достаточна для обеспечения синтеза одной молекулы АТФ из АДФ и фосфата.
Таким образом, митохондриальное окисление представляет собой по существу реакцию гремучего газа:
Разница заключается в том, что в митохондриях используется не молекула газообразного водорода, а даа атома водорода, изымаемые у окисляемого субстрата. Но самое главное отличие - в том, что дыхательная цепь расчленяет реакцию гремучего газа на множество промежуточных стадий. Из-за этого энергия выделяется не мгновенно (как при взрыве гремучей смеси) и не столь интенсивно, как при горении струи водорода в воздухе, а — постепенно, небольшими порциями. Некоторые из них достаточны для трансформации в энергию макроэргических связей АТФ. Она составляет —30 кДж/моль в стандартных условиях (в реальной среде митохондрий - и того больше: до 42 кДж/моль). Следовательно, при окислении субстрата полной дыхательной цепью из 230 кДж/моль освобождаемой энергии не менее 3x30 - 90 кДж/моль концентрируется в молекулах АТФ. Это очень высокий коэффициент полезного действия - более 40%! Остальная энергии рассеивается в форме теплоты (хотя и она небесполезна, ибо пригодна для терморегуляции организма).
Синтез АТФ из АДФ и Фн кратко обозначают как реакцию фосфорклирования (подразумевая фосфорилирование молекулы АДФ неорганическим фосфатом).
Окислительным фосфорилированием называют образование АТФ, сопряженное с работой дыхательной цепи (т.е., за счет энергии, освобождаемой в процессах митохондриального окисления).
Критерием эффективности окислительного фосфорилирования служит количество АТФ, вырабатываемое на единицу утилизируемого 02. Как показывает схема (см. рис. 5- 8), на пути двух атомов водорода от субстрата до кислорода образуются 3 молекулы АТФ (т.е., используется 3 молекулы фн в расчете на каждый атом потребляемого кислорода). Этот критерий - отношение фосфор/кислород (коэффициент Р к О) - предложили в 1939 г. В.Н. Белицер и Е.Т. Цыбакова. Экспериментальные измерения in vitro поначалу подтверждали, что в полной дыхательной цепи коэффициент Р/О равен 3.
В митохондриях содержатся никотинамид- ные дегидрогеназы для многих веществ. Однако преобладающими субстратами полной дыхательной цепи являются всего только 5 метаболитов, - те, которые в организме человека окисляются сотнями граммов (первые три из приведенного списка) или десятками граммов в сутки:
этих веществ поставляет клеткам основную массу АТФ. Соответствующие дегидрогеназы локализованы в митохондриальном матриксе. По существу, вырабатываемый всеми ими НАД-Дг оказывается единым субстратом для полной цепи МтО. И даже если в митохондриях появляются молекулы НАДФ-//г, которые возникают в отдельных реакциях, они легко отдают водород молекулам НАД благодаря имеющейся здесь НАД(Ф)-трансгидрогеназе:
Со временем было установлено, что мембранные белки, переносящие электроны (часть из них - и протоны), организованы в блоки, каждый из которых сохраняет свою функцию даже после выделения из митохондрий. Блоки оказались устроенными гораздо сложнее, чем это показано на рис. 5-8, и были названы комплексами МтО. Современные данные о них обобщены в табл. 5-1. В работе полной дыхательной цепи участвуют, однако, не все элек- трои-транспортные белки мембраны, а только комплексы 1, III и IV. Рисунок 5-9 в самом общем виде показывает очередность их вовлечения в процесс переноса электронов (и протонов). Детальнее роль каждого звена представлена на рис. 5-10.
Таблица 5-1
Блоки электрон-транспортных белков внутренней мембраны митохондрий
Комплекс I является начальным из мембранных звеньев полной дыхательной цепи, выполняя роль посредника между никотина- мидными дегидрогеназами матрикса и мобильным КоО мембраны. Он обозначается как НАД-Нг-дегидрогепаза и представляет собой крупное (до 900 кДа) объединение десятков разных субъединиц, семь из которых кодируются митохондриальной ДНК. Многие субъединицы гидрофобны и организованы в трансмембранные а-спирали. На весь комплекс приходится одна молекула ФМН, которая иекова- лентно, но прочно связана с гидрофильным фрагментом фермента, выступающим в матрикс, и является первичным акцептором электронов от НАД-#2 (см. рис. 5-10). Следующее затем поочередное восстановление Ге8-центров соответстаующих субъединиц, сопряжено с протонированием определенных группировок апопротеина. Обладая редокс-потенциалом от -0,37 до -0,15 В, эти центры образуют цепочку одноэлектронного транспорта в конечном счете на две молекулы убихинона, связанных с белками комплекса прочно, но по-разному (а потому различаются и их свойства). Возникший убихи- иол передает потом атомы водорода тем молекулам КоО, которые свободно мигрируют в мембране (см. рис. 5-10).
Комплекс III, тоже трансмембранный, является следующим звеном системы МтО. Он состоит из серии субъединиц общей массой около 250 кДа. Главную роль играют 3 из них: железо-серный белок 2Бе-28, цитохром Ъ (содержащий два близких по свойствам гема Ъ) и цитохром С (отсюда другое название комплекса - цитохром Ь‘С}). Как показано на рис. 5-10, все они образуют цепочку редокс-центров, которая реализует перенос электронов от
Рис. 5-10. Мембранные дыхательные комплексы и участки выброса протонов из матрикса. [ОДК - мультиферментный комплекс окислительного декарбоксилирования а-кетокислот).
Глава 5
КоС>-#2, мигрирующего в пределах внутренней мембраны митохондрий, на молекулы цитохрома с, примыкающие к ее внешней стороне (протоны при этом остаются в среде). Остальные субъединицы комплекса III нужны для его структурирования, а также для обеспечения контакта цитохрома Ь с донором электронов (КоС>-#2) или цитохрома С с цитохромом с (их акцептором). Последний представляет собой небольшой белок, способный перемещаться в межмембранном пространстве, контактируя с внутренней мембраной митохондрий. По существу, он является в немембранным связующим звеном между комплексами III и IV.
Комплекс IV (цитохром-с-оксидаза) — это конечное звеио в цепи электронного транспорта от исходно окисляемого метаболита на молекулярный кислород. Состоит из нескольких субъединиц, одна из которых (25 кДа) содержит атом меди, связанный с двумя радикалами гистидина и двумя - цистеина. Этот атом (медь А) участвует в переносе электрона с цитохрома с на гем а трансмембранной субьединииы. Будучи самой крупной (57 кДа), она имеет еще один редокс-центр, который включает а себя гем а3 и атом меди (медь В), и осуществляет передачу электрона непосредственно на кислород. Несмотря на одноэлектронный механизм транспорта по системе цитохромов, комплекс IV обеспечивает единовременную передачу сразу 4 электронов на молекулу кислорода, восстанавливая ее до воды (чтобы не усложнять схему, на рис. 5-8 показан единичный акт отнятия пары атомов водорода от субстрата, - с переносом двух электронов на «половинку» молекулы СЪ).
Важно отметить, что последнее звено - цитохромоксидаза — обладает чрезвычайно высоким сродством к кислороду. Поэтому дыхательная цепь функционирует со свойственной ей максимальной скоростью (Ута*) ВПЛОТЬ до почти полного исчерпания 02 в митохондриях.
Схема иа рис. 5-10 ясно показывает функциональные связи между звеньями дыхательной цепи. Следует, однако, подчеркнуть, что эти связи не закреплены структурно: даже крупные комплексы свободно перемещаются в липидном бислое (в среднем - на расстояние не менее собственного диаметра за 1 мс). На порядок выше скорость диффузии молекул убихинона и цитохрома с, которые в ходе хаотичных контактов с крупными комплексами обеспечивают, тем не менее, продвижение по дыхательной цепи от 50 до 200 электронов в секунду.
На пространственную обособленность компонентов дыхательной цепи указывает и факт неэквивалентности их соотношения. По некоторым данным, в расчете на комплекс I внутренняя мембрана содержит 3 комплекса 1П. но 7 комплексов IV, и все они разделены значительными промежутками, для преодоления которых электронами предназначены 9 молекул цитохрома с и 50 молекул Ко(2 (в расчете тоже на каждый комплекс I).
