загрузка...
 
УКОРОЧЕННАЯ ЦЕПЬ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ
Повернутись до змісту

УКОРОЧЕННАЯ ЦЕПЬ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ

У ряда веществ, окисляемых в митохондриях, редокс-потенциал существенно выше значения -0,32 В, присущего никотинамндным коферментам. Например, у янтарной кислоты его уровень (+0,03 В) почти такой же, как и у Ко(^. Следовательно, эта кислота (сукцинат) не может быть субстратом полной дыхательной цепи. Установлено, что она окисляется непосредственно флавиновым ферментом, - аналогичным тому, который показан как второе звено в схеме на рис. 5-8. Иными словами, здесь отсутствует никотинамидный компонент. Однако это не просто «укорочение» полной цепи: сукцинат окисляется не частью комплекса I, а вполне самостоятельным ансамблем, который содержит ФАД (а не ФМН!) и обозначен как комплекс П (см. табл. 5-1). Поскольку он тоже переносит два атома водорода от субстрата (но своего!) на мобильный Ко(^ мембраны, комплекс II следует считать особым - альтернативным комплексу I - вариантом начального участка дыхательной цепи. Тем не менее, термин укороченная дыхательная цепь целесообразно сохранить. Хотя бы потому, что в ней действительно нет никотинамидного звена. И, как следствие, величина коэффициента Р/О, установленная экспериментально, оказалась равной 2, а не 3 (то есть, эффективность окислительного фосфорилирования на треть меньше, чем в полной цепи). Наконец, комплекс II строго избирателен к сукцинату, а для ряда других субстратов существуют свои флавопро- теиновые системы, но - совсем иной структуры (см. табл. 5-1). Термин «укороченная дыхательная цепь» позволяет объединить все эти варианты общим названием, отражающим их однотипность. Наиболее значимыми субстратами такой цепи являются 3 метаболита (первые два из которых окисляются сотнями граммов в сутки):

янтарная кислота (сукцинат);

ацил-КоА (активированная форма жирных кислот);

глицерол-3-фосфат (фосфоглицерол).

Комплекс II (сукцинатдегидрогеназа),

как упомянуто выше, способен окислять только янтарную кислоту (уравнение реакции приведено на рис. 5-22). У эукариот ои представляет собой объединение нескольких белков, встроенное во внутреннюю мембрану митохондрий, но не пронизывающее ее (см. рис.

10). Самый крупный из иих (60-70 кДа) выступает в матрикс и содержит молекулу ФАД, ковалентно соединенную с радикалом гистидина. Другую часть комплекса составляют субъединицы, несущие три Ре8-кластера и гем Ъ. Именно "в такой последовательности эти ре- докс-центры участвуют в передаче двух электронов от сукцината на мобильный убихинон (чему сопутствует перенос на него и двух протонов).

Апил-КоА-дегндрогеназа представляет собой другой вариант начала укороченной цепи. Этот фермент локализован в матриксе и катализирует отщепление двух атомов водорода от жирной кислоты в составе ацил-КоА (рис. 7-6). Их он присоединяет к собственной молекуле ФАД, а затем передает на особый олектроитраиспортирующий флавопротеин (ЭТФ). Этот белок играет роль специального акцептора восстановительных эквивалентов от ряда флавииовых дегидрогеназ митохондрий. Реоксидацию его ФАД осуществляет еще один флавопротеин - ЭТФ-дегидрогеназа внутренней мембраны (см. табл. 5-1). Помимо ФАД, она обладает тремя Ге8-центрами, которые помогают ей использовать восстановленную форму ЭТФ для превращения КоС> липидного бислоя В КоС>-#2*

Фосфоглицероддегидрогеназа производит окисление третьего из перечисленных субстратов укороченной цепи — глицерол-3-фосфата - до фосфоглицеральдегида (ФГА) или изомерного ему дегидроксиацетон-фосфата (ДГАФ). Уравнение этой обратимой реакции, показанное на рис. 5-33, характеризует НАД-зависимую форму фермента, которая сосредоточена в цитоплазме. Митохондриальная же фосфоглицерол- дегидрогеназа является флавиновым ферментом: ту же самую реакцию она реализует с участием не НАД, а ФАД. Этот фермент встроен во внутреннюю мембрану митохондрий с внешней ее стороны и состоит из трех субъединиц. Одна из них иековалентно связывает молекулу ФАД, другая содержит два Ге8-центра. Последние способстауют восстановлению мобильного Ко(2, которое осуществляется, вероятнее всего, с участием ЭТФ и ЭТФ-дегидрогеназы (как и в случае ацил-КоА-дегидрогеназы).

Таким образом, все три названных варианта начала укороченной цепи обеспечивают (как и комплекс I) восстановление мобильного Ко<2 (см. рис. 5-10). Но энергетический баланс этого процесса недостаточен для синтеза АТФ. Дальнейший путь электронов от КоС^-Д? до Ог протекает так же, как и в полной дыхательной цепи, с использованием заключительных звеньев системы МтО (комплекс III, цитохром с и комплекс IV). Именно на этом отрезке пути происходит освобождение всей той энергии, которая может быть использована для синтеза АТФ (две молекулы АТФ на каждый акт окисления субстрата).

Помимо перечисленных метаболитов, укороченными путями окисляются также минорные субстраты (в данном контексте имеются в виду вещества, суточная утилизация каждого из которых составляет около 1 г). В основном это продукты частичной деградации таких аминокислот, как лейцин, лизин, триптофан. Их окисление не дает ощутимого вклада в общую выработку АТФ, появляется составной частью нормального катаболизма названных аминокислот.

МЕХАНИЗМ СОПРЯЖЕНИЯ ОКИСЛЕНИЯ С ФОСФОРИЛИРОВАНИЕМ

Долгое время оставалось загадкой, каким образом энергия, освобождаемая при биологическом окислении, трансформируется в энергию макроэргических связей АТФ. Многие выдающиеся биохимики пытались обнаружить и выделить «сопрягающие» ферменты или образующиеся с их участием промежуточные продукты. Прорыв наступил в 1961 г., когда английский исследователь Питер Митчел опубликовал короткую статью «Сопряжение окисления и фосфорилирования механизмом хемиос- мотического типа».

Судьба П. Митчела сложилась так, что основные эксперименты он выполнил в своей домашней лаборатории (как в свое время А.Н. Бах), в оборудовании которой едва ли не самым главным прибором был обычный рН-метр. Ученый сумел перевести проблему в совсем другую, совершенно неожиданную плоскость. Его публикации вызвали очень острую и длительную полемику. Большую роль в доказательстве правоты П. Митчела сыграли эксперименты группы московских ученых во главе с В.П. Скулачевым (ныне академиком РАН, председателем Российского биохимического общества). В 1978 г. П. Митчел был удостоен высшей научной награды - Нобелевской премии.

Суть хемиосмотической теории сводится к тому, что в местах сопряжения (отмеченных на рис. 5-8) происходит не фосфорилирование как таковое, а просто выброс протонов из матрикса в межмембранное пространство. В результате создается трансмембранный градиент концентрации протонов: снаружи их в 10 раз больше (pH ^7), чем в матриксе (pH ~8). Возникающий градиент электрохимического потенциала (Др.Н+ ) является движущей силой, стремящейся вернуть протоны в матрикс, т.е., устранить резкий перепад их концентрации. Однако возвратное движение ионов Н+ возможно только через специальные трансмембранные каналы. Энергия «прорыва» протонов по ним используется для синтеза АТФ (как поток воды по каналам в теле плотины - для выработки электроэнергии). Важно подчеркнуть, что это — поток «обезличенных» протонов, т.к. невозможно определить, на каком участке дыхательной цепи выброшена из матрикса та или иная пара ионов Н+ (все они образуют совокупный пул протонного градиента).

Преодоление П.Митчелом рамок традиционной научной парадигмы привело к быстрому прогрессу в раскрытии механизмов окислительного фосфорилирования. Теперь уже точно известно, что оно осуществляется не в тех трех участках, которые отмечены в схеме на рис. 5-8, а в других местах - с внутренней (мат- риксной) стороны протонных каналов. Указанные же на этой схеме участки сопряжения являются лишь пунктами выкачивания протонов из матрикса. Ими становятся один за другим трансмембранные комплексы I, III и IV системы МтО (как это отмечено на рис. 5-10). В каждом из них передача электронов по редокс- центрам обеспечивает транслокацию протонов из матрикса наружу. И хотя детали этого процесса еще не вполне ясны, можно считать установленным количество ионов Н+, удаляемых из матрикса при прохождении комплекса парой электронов. Как показано в последней графе табл. 5-1, для комплекса I оно составляет 4 прогона, для комплекса III — 2 протона и для комплекса IV - снова 4 протона.

Комплекс V — так обозначен крупный (почти 500 кДа) надмолекулярный ансамбль, формирующий в мембране особый канал, в котором поток протонов по градиенту концентрации обеспечивает реакцию синтеза АТФ из АДФ и Фн. Полное название комплекса - протон- транспортирующая двухсекторная АТФ-аза. Фактически это и есть фактор сопряжения. Часть его — сектор Б© — состоит из более чем десятка субъединиц (почти все они одинаковы), образующих цилиндрической формы трансмембранный канал для протонов. На нем, как на оси, фиксирован сектор Бь который выдается в матрикс в виде округлого расширения («шляпка гриба»). По окружности этой «шляпки» равномерно распределены три одинаковых гетеродимера, состоящих из а- и р-субъединиц (55 и 50 кДа соответственно). Каждая из них содержит нуклеотид-связывающий центр для АТФ и АДФ. В центре этой трехсекционной «шляпки» находятся три меньшие субъединицы, нековалентно соединяющие ее с Р0.

Функционально субкомплекс р! представляет собой фермент, катализирующий реакцию фосфорилирования молекулы АДФ (т.е., превращение ее в АТФ). Обычно его обозначают термином протонная АТФ-синтетаза, ибо энергию, необходимую для синтеза АТФ, поставляет здесь поток ионов Н+ через протонный канал Р0 (рис. 5-11).

По современным представлениям, ведущую роль в механизме синтеза АТФ играет вращательное движение комплекса Е0р1 вокруг продольной оси. Движущей силой является поток протонов через Е0, вызывающий его ротацию, которая увлекает за собой и сектор Вращение последнего происходит ступенчато, с «длительными» (~1 мс) остановками после каждого поворота на 120° (т.е., на протяженность димера ар). В итоге за один оборот димер трижды претерпевает конформационную перестройку (вызываемую сменой «обстановки», т.е., ближайшего окружения). В одном из конформационных состояний димер сорбирует молекулы АДФ и Фн, в следующем формирует макроэргическую связь между ними (образуя молекулу АТФ с выделением НгО) и, наконец, в третьем - освобождается от синтезированной молекулы АТФ, переходя в состояние готовности снова повторить весь этот цикл. Таким образом, в любой момент времени все три димера ар, расположенные по окружности субкомплекса Еь находятся в разных конформационных состояниях, а синтез АТФ идет непрерывно, пока достаточен протонный градиент по обе стороны мембраны. Максимальная скорость процесса может достигать ^600 молекул АТФ за 1 секунду.

Рис. 5-11. Схема функционирования протонной АТФ-синтетазы (слева) и АТФ/ДЦФ-транслоказы (справа).

Сравнительно недавно стало очевидно, что через протонные каналы проходят далеко не все ионы Н+, удаляемые из матрикса трансмембранными комплексами I, III и IV. Ибо в живой клетке энергия ДцН+ частично используется и на другие нужды. В частности, на доставку в матрикс анионов фосфата, требуемых (вместе с АДФ) для материального обеспечения биосинтеза АТФ (см. рис. 5-11). Иными словами, соотношение между «выбросом» протонов из митохондрий и «прорывом» их обратно по протонным каналам отнюдь не является сте- хиометрическим (т.е. таким, которое выражается коэффициентами уравнения химической реакции). Оно заметно варьирует в разных типах клеток и в зависимости от их функционального состояния. Современные исследователи пришли к согласию в том, что прежние значения коэффициента Р/О (упомянутые в разделах 5.2.2 и

явно завышены, а более реальными являются Р/О = 2,5 для полной дыхательной цепи (окисление НАД-Яг) и Р/О = 1,5 - для укороченной (окисление ФАД-#2). Эти «консенсусные величины» приняты теперь (взамен ранее установленных 3 и 2 соответственно) для расчета энергетической эффективности процессов катаболизма (таких как распад глюкозы или высших жирных кислот).

Н* Матрикс митохондрии (рН*8)

В заключение следует отметить обратимость механизма синтеза АТФ за счет энергии протонного потенциала. Процесс может пойти вспять при накоплении АТФ на стороне расположения Иь В этих условиях синтез АТФ сменяется его гидролизом, из-за чего наступает ротация всего комплекса Е0р1 в обратном направлении и, как следствие, градиент протонов не уменьшается, а нарастает. Такое «обратное сопряжение» фосфорилирования с наработкой протонного градиента действительно реализуется в ряде живых объектов. В частности, так работает протонная АТФ-синтетаза в плазматической мембране бактерий, способных подкислять среду, а также в мембране везикул с кислым содержимым (таких как лизосомы). Таким образом, комплекс V объединяет в себе два двигателя: мотор Ио, движимый потоком протонов по градиенту их концентрации, и мотор р1, вращаемый в обратную сторону гидролизом АТФ, что ведет к увеличению этого градиента.



загрузка...