Цепь переноса электронов анаэробов включает

Дыхательная цепь: функциональные ферменты

Все биохимические реакции в клетках любого организма протекают с расходованием энергии. Дыхательная цепь – это последовательность специфических структур, которые расположены на внутренней мембране митохондрий и служат для образования АТФ. Аденозинтрифосфат является универсальным источником энергии и способен аккумулировать в себе от 80 до 120 кДж.

Дыхательная цепь электронов — что это такое?

Электроны и протоны играют важную роль в образовании энергии. Они создают разность потенциалов на противоположных сторонах мембраны митохондрий, что порождает направленное движение частиц – ток. Дыхательная цепь (она же ЭТЦ, цепь переноса электронов) является посредником при переносе положительно заряженных частиц в межмембранное пространство и отрицательно заряженных частиц в толще внутренней мембраны митохондрий.

Главная роль в образовании энергии принадлежит АТФ-синтазе. Этот сложный комплекс видоизменяет энергию направленного движения протонов в энергию биохимических связей. К слову, практически идентичный комплекс находится и в хлоропластах растений.

Комплексы и ферменты дыхательной цепи

Перенос электронов сопровождается биохимическими реакциями в присутствии ферментативного аппарата. Эти биологически активные вещества, многочисленные копии которых образуют большие комплексные структуры, служат посредниками при переносе электронов.

Комплексы дыхательной цепи – это центральные компоненты транспортировки заряженных частиц. Всего во внутренней мембране митохондрий находятся 4 таких образования, а также АТФ-синтаза. Все эти структуры объединены общей целью – перенос электронов по ЭТЦ, перенос протонов водорода в межмембранное пространство и, как следствие, синтез АТФ.

Комплекс представляет собой скопление белковых молекул, среди которых встречаются ферменты, структурные и сигнальные протеины. Каждый из 4 комплексов выполняет свою, только свойственную ему, функцию. Давайте разберемся, для каких задач в ЭТЦ присутствуют эти структуры.

I комплекс

В переносе электронов в толще мембраны митохондрий главную роль выполняет дыхательная цепь. Реакции отщепления протонов водорода и сопутствующих им электронов – одна из центральных реакций ЭТЦ. Первый комплекс транспортной цепи принимает на себя молекулы НАД*Н+ (у животных) или НАДФ*Н+ (у растений) с последующим отщеплением четырех протонов водорода. Собственно, из-за этой биохимической реакции I комплекс также называется НАДН – дегидрогеназой (по названию центрального фермента).

В состав дегидрогеназного комплекса входят железосерные белки 3 видов, а также флавинмононуклеотиды (ФМН).

II комплекс

Работа данного комплекса не сопряжена с переносом протонов водорода в межмембранное пространство. Основная функция этой структуры заключается в поставке дополнительных электронов в электрон-транспортную цепь посредством окисления сукцината. Центральный фермент комплекса – сукцинат-убихинон-оксидоредуктаза, который катализирует отщепление электронов от янтарной кислоты и перенос на липофильный убихинон.

Поставщиком протонов водорода и электронов ко второму комплексу также является ФАД*Н2. Однако КПД флавинадениндинуклеотида меньше, чем у его аналогов – НАД* Н или НАДФ*Н.

В состав II комплекса входят три вида железосерных белков и центральный фермент сукцинат-оксидоредуктаза.

III комплекс

Следующий по счету компонент, ЭТЦ, состоит из цитохромов b556, b560 и c1, а также железосерного белка Риске. Работа третьего комплекса сопряжена с переносом двух протонов водорода в межмембранное пространство, и электронов от липофильного убихинона на цитохром С.

Особенностью белка Риске является то, что он растворяется в жире. Другие протеины этой группы, которые встречались в составе комплексов дыхательной цепи, водорастворимы. Эта особенность влияет на положение белковых молекул в толще внутренней мембраны митохондрий.

Третий комплекс функционирует как убихинон-цитохром с-оксидоредуктаза.

IV комплекс

Он же цитохром-оксидантный комплекс, является конечным пунктом в ЭТЦ. Его работа заключается в переносе электрона с цитохрома-с на атомы кислорода. Впоследствии отрицательно заряженные атомы О будут вступать в реакцию с протонами водорода с образованием воды. Главный фермент – цитохром с-кислород-оксидоредуктаза.

В состав четвертого комплекса входят цитохромы a, a3 и два атома меди. Центральная роль в переносе электрона к кислороду досталась цитохрому a3. Взаимодействие этих структур подавляется цианидом азота и угарным газом, что в глобальном смысле приводит к прекращению синтеза АТФ и гибели.

Убихинон – это витаминоподобное вещество, липофильное соединение, которое свободно перемещается в толще мембраны. Дыхательная цепь митохондрий не может обойтись без этой структуры, т. к. она отвечает за транспортировку электронов от комплексов I и II к комплексу III.

Убихинон является производным бензохинона. Эта структура на схемах может обозначаться буквой Q или сокращенно ЛУ (липофильный убихинон). Окисление молекулы приводит к образованию семихинона – сильного окислителя, который потенциально опасен для клетки.

АТФ-синтаза

Главная роль в образовании энергии принадлежит АТФ-синтазе. Эта грибоподобная структура использует энергию направленного движения частиц (протонов) для преобразования ее в энергию химических связей.

Основной процесс, который встречается на протяжении всей ЭТЦ, — это окисление. Дыхательная цепь отвечает за перенос электронов в толще мембраны митохондрий и аккумулирование их в матриксе. Одновременно с этим комплексы I, III и IV перекачивают протоны водорода в межмембранное пространство. Разница зарядов на сторонах мембраны приводит к направленному движению протонов через АТФ-синтазу. Так Н+ попадают в матрикс, встречают электроны (которые связаны с кислородом) и образуют нейтральное для клетки вещество – воду.

АТФ-синтаза состоит из F0 и F1 субъединиц, которые вместе образуют роутер молекулы. F1 состоит из трех альфа и трех бета-субъединиц, которые вместе образуют канал. Этот канал имеет в точности такой же диаметр, какой имеют протоны водорода. При прохождении положительно заряженных частиц через АТФ-синтазу головка F0 молекулы крутится на 360 градусов вокруг своей оси. За это время к АМФ или АДФ (аденозинмоно — и дифосфат) присоединяются фосфорные остатки с помощью макроэргических связей, в которых заключено большое количество энергии.

АТФ-синтазы встречаются в организме не только в митохондриях. У растений эти комплексы также расположены на мембране вакуолей (тонопласте), а также на тилакоидах хлоропласт.

Также в клетках животных и растений присутствуют АТФ-азы. Они имеют схожую структуру, как и у АТФ-синтаз, однако их действие направлено на отщепление фосфорных остатков с затратой энергии.

Биологический смысл дыхательной цепи

Во-первых, конечным продуктом реакций ЭТЦ является так называемая метаболическая вода (300-400 мл в сутки). Во-вторых, происходит синтез АТФ и запасание энергии в биохимических связях этой молекулы. В сутки синтезируется 40-60 кг аденозинтрифосфата и столько же используется в ферментативных реакциях клетки. Срок жизни одной молекулы АТФ составляет 1 минуту, поэтому дыхательная цепь должна работать слаженно, четко и без ошибок. В противном случае клетка погибнет.

Митохондрии считаются энергетическими станциями любой клетки. Их количество зависит от энергозатрат, которые необходимы для тех или иных функций. Например, в нейронах можно насчитать до 1000 митохондрий, которые часто образуют скопление в так называемой синаптической бляшке.

Отличия дыхательной цепи у растений и животных

У растений дополнительной «энергетической станцией» клетки является хлоропласт. На внутренней мембране этих органелл также найдены АТФ-синтазы, и это является преимуществом перед животными клетками.

Также растения могут выживать в условиях высокой концентрации угарного газа, азота и цианидов за счет цианид-устойчивого пути в ЭТЦ. Дыхательная цепь, таким образом, заканчивается на убихиноне, электроны с которого сразу переносятся на атомы кислорода. В результате синтезируется меньше АТФ, однако растение может пережить неблагоприятные условия. Животные в таких случаях при длительном воздействии погибают.

Можно сравнить КПД НАД, ФАД и цианид-устойчивого пути с помощью показателя образования АТФ при переносе 1 электрона.

    с НАД или НАДФ образуется 3 молекулы АТФ; с ФАД образуется 2 молекулы АТФ; по цианид-устойчивому пути образуется 1 молекула АТФ.

Эволюционное значение ЭТЦ

Для всех эукариотических организмов одним из основных источников энергии является дыхательная цепь. Биохимия синтеза АТФ в клетке делится на два типа: субстратное фосфорилирование и окислительное фосфорилирование. ЭТЦ используется в синтезе энергии второго типа, т. е. за счет окислительно-восстановительных реакций.

У прокариотических организмов АТФ образуется только в процессе субстратного фосфорилирования на стадии гликолиза. Шестиуглеродные сахара (преимущественно глюкоза) вовлекаются в цикл реакций, и на выходе клетка получает 2 молекулы АТФ. Этот тип синтеза энергии считается наиболее примитивным, т. к. у эукариот в процессе окислительного фосфорилирования образуется 36 молекул АТФ.

Однако это не значит, что современные растения и животные потеряли способность к субстратному фосфорилированию. Просто этот тип синтеза АТФ стал только одним из трех этапов получения энергии в клетке.

Гликолиз у эукариот проходит в цитоплазме клетки. Там находятся все необходимые ферменты, которые смогут расщепить глюкозу до двух молекул пировиноградной кислоты с образованием 2 молекул АТФ. Все последующие этапы проходят в матриксе митохондрий. Цикл Кребса, или цикл трикарбоновых кислот, также протекает в митохондриях. Это замкнутая цепь реакций, в результате работы которой синтезируются НАД*Н и ФАД*Н2. Эти молекулы пойдут как расходный материал в ЭТЦ.

Электрон-транспортная цепь дыхания

В процессе субстратного фосфорилирования (разрушение органических веществ) происходит синтез АТФ и восстановление НАД + , НАДФ + , ФАД + . В результате гликолиза в анаэробных условиях образуются 2 молекулы АТФ и 2 молекулы НАДН; при последовательном осуществлении гликолиза и цикла Кребса в аэробных условиях – 4 молекулы АТФ, 10 молекул НАДН и 2 молекулы ФАДН2. Во время глиоксилатного цикла восстанавливается 1 молекула НАД + . При разрушении глюкозо-6-фосфата в пентозофосфатном окислительном цикле восстанавливается 12 молекул НАДФ + .

Таким образом, часть энергии, которая освобождается при разрушении дыхательного субстрата, запасается в макроэргических связях АТФ, а часть, причем большая, содержится в восстановленных коферментах.

Образовавшиеся молекулы АТФ используются в качестве источника энергии для работы клетки. А какая же судьба восстановленных коферментов? Мы уже говорили, что они могут служить донорами водорода для восстановительных процессов, проходящих в клетках. Кроме того, они могут окисляться с образованием воды и одновременным синтезом АТФ. В этом случае кофермент включается в электрон-транспортную цепь.

Поскольку в восстановленных коферментах заключено довольно большое количество энергии, освобождаться она должна постепенно путем передачи Н + и электрона от этих коферментов целому ряду переносчиков. Эти переносчики связаны с белками и образуют цепь транспорта электронов или дыхательную цепь.

Электрон-транспортная цепь и АТФаза находятся во внутренней мембране митохондрий. АТФаза располагается в грибовидных выростах внутренней мембраны.

Порядок размещения компонентов в цепи зависит от величины их окислительно-восстановительного потенциала (ОВП). Стандартный ОВП донора электронов НАДН равен – 0,32 В. Каждый следующий переносчик находится на более низком уровне восстановленности и в соответствии с этим содержит меньше энергии, чем предыдущий. Однако, подобные системы очень динамичны. Чанс и др. (США) в 50-х гг. ХХ в разместили компоненты ЭТЦ в следующем порядке (рис.3.5).

Рис. 3.5. Передача энергии по цепи переносчиков электронов в мембране митохондрий

Несколько позднее Д. Грин (1961 г.) пришел к выводу, что все переносчики электронов в митохондриальной мембране сгруппированы в 4 комплекса; это было подтверждено дальнейшими исследованиями.

Таким образом, дыхательная цепь митохондрий включает в себя четыре основных мультиэнзимных комплекса и два небольших по молекулярной массе компонента: убихинон и цитохром с (табл. 3.1).

Таблица 3.1. Компоненты ЭТЦ митохондрий растений и их стандартные окислительно-восстановительные потенциалы (Е)

КомплексI (НАДН: СоQ-оксидоредуктаза)

Ляющей эндогенный НАДН

КомплексII (сукцинат: убихинон-оксидоредуктаза)

КомплексIII (убихинол: цитохром с-оксидоредуктаза)

КомплексIV(цитохром с: кислород – оксидоредуктаза; цитохромоксидаза

Комплекс I осуществляет перенос электронов от НАДН к убихинону Q. Его субстратом служит молекула внутримитохондриального НАДН, который восстанавливается в цикле Кребса. В состав комплекса входит флавиновая ФМН-зависимая НАДН: убихинон-оксидоредуктаза, содержащая три железосерных центра (FeSN1–3). При встраивании в искусственную фосфолипидную мембраны этот комплекс функционирует как протонная помпа.

Комплекс II катализирует окисление сукцината убихиноном. Эту функцию выполняет флавиновая (ФАД-зависимая) сукцинат: убихинон-оксидоредуктаза, в состав которой также входят три железосерных центра (FeS1–3).

Комплекс III переносит электроны восстановленного убихинона к цитохрому С1, т. е. функционирует как убихинон: цитохром с-оксидоредуктаза. В своем составе он содержит цитохромы B556, B560 , С1 и железосерный белок Риске. По структуре и функции он подобен цитохромному комплексу B6F тилакоидов хлоропластов. В присутствии убихинона комплекс III осуществляет активный трансмембранный перенос протонов.

В комплексе IV электроны переносятся от цитохрома с к кислороду, т. е. этот комплекс является цитохром с: кислород-оксидоредуктазой (цитохромоксидаза). В его состав входят четыре редокс-компонента: цитохром А А3 и два атома меди. Цитохром А3 и CuВ способены взаимодействовать с О2, на которые передают электроны от цитохрома А – CuА. Транспорт электронов через комплекс IV связан с активным переносом Н + . Взаимодействие цитохрома А3 – CuВ с О2 подавляется цианидом, азидом и СО. В последнее время показано, что комплексы I, III и IV пересекают внутреннюю мембрану митохондрий.

Все компоненты цепи, за исключением убихинона представляют собой белки с характерными простетическими группами. В состав цепи входят белки трех типов:

– флавопротеины, содержащие в качестве простетичной группы флавинмононкулеотид (ФМН) или флавинадениндинуклеотид (ФАД);

– цитохромы, содержащие в качестве простетичной группы гемы;

– железосеропротеины, в которых простетичная группа состоит из негемового железа, освязанного комплексно с неорганической серой или серой цистеина.

Убихинон – липид, который состоит из бензохинона и длинной гидрофобной изопреноидной боковой цепи (см. табл. 3.1).

Компоненты ЭТЦ классифицируют также как переносчики электронов или переносчики водорода в зависимости от функции, которую они выполняют. Поскольку назначение цепи перенос электронов – это перемещать (или содействовать передаче) электронов от высокоэнергетического восстановителя к кислороду, все компоненты цепи должны быть переносчиками электронов. Однако некоторые из них совместно с электронами переносят и протон (Н + ); эти соединения называют переносчиками водорода (это сделано чтобы отличать их от переносчиков ē, которые перемещают только электроны).

Кроме этого, очень важно знать к каким переносчикам относится компонент – к одно — или двухэлектронным ОВ соединениям. В одноэлектронных соединениях окисленная и восстановленная формы отличаются на один электрон; это значит они принимают только один электрон при преобразованиях окисленной формы в восстановленную и отдают один электрон в обратной реакции. У двухэлектронных переносчиков окисленное и восстановленное положения отличаются на два электрона. Флавопротеины и убихинон являются двухэлектронными ОВ соединениями; цитохром – одноэлектронное соединение. Классификация железосерных белков не такая простая, но, вероятно, их правильней рассматривать как одноэлектронные ОВ соединения.

В дыхательной цепи происходит перенос электронной пары по термодинамическому потенциалу на кислород. Перемещается пара электронов, поскольку оба агента НАДН и сукцинат являются двухэлектронными ОВ системами. Это значит, что при окислении НАДН и сукцината до НАД + и фумарата соответственно в цепь переноса электронов входит два электрона. Эти два электрона затем передаются по цепи компонентов с уменьшающимся электрическим потенциалом, пока не достигнут последнего компонента цепи цитохромоксидазы. Цитохромоксидаза (цит. А и цит. А3 ) использует эти два ē совместно с протонами для восстановления одного атома кислорода до одной молекулы воды. Таким образом, каждый компонент цепи взаимодействует одновременно с 2 ē. Поэтому для переноса пары ē, полученной одной молекулой убихинона к одному атому кислорода необходимы две молекулы каждого из цитохромов (они функционируют парами).

Работа ЭТЦ представлена на рис. 3.6.

Рис. 3.6. Схема функционирования электрон-транспортной цепи в мембране митохондрий

Пируват, изоцитрат, α-кетаглутарат, малат окисляются с помощью дегидрогеназы, коферментом который является НАД + . Окисление НАДН происходит с помощью НАДН-дегидрогеназы, которая является флавопротеидом; роль простетической группы выполняет ФМН. Протон, который отщепляется от НАДН, переносится с внутренней стороны мембраны на внешнею (ФМНН2), а электроны передаются на убихинон Q. Q, получивший электроны, заряжается отрицательно, захватывает протоны со стромы митохондрии и диффундирует в форме QН2 к цитохрому B. На внешней стороне мембраны QН2 окисляется и отдает электроны цитохрому B, А протон – в межмембранное пространство митохондрии. Через FeSR электрон передается цитохрому С1. Считают, что цитохром С 1, получивший электрон, также захватывает ион Н + со стромы митохондрии и передает ē цитохрому С, а Н + выбрасывается в межмембранное пространство. В конце ЭТЦ находится цитохромоксидаза, состоящая из цит. А и цит. А3 и катализирующая перенос электронов на кислород воздуха. Когда окисляющим субстратом служит сукцинат, тогда водород переносится на ФАД, а затем на Q.

Таким образом, электрон переходит через цепь ферментов, спускаясь на более низкий энергетический уровень до тех пор, пока не акцептируется молекулярным кислородом. Следовательно, движущей силой транспорта электронов является разность ОВ потенциалов – –0,5 В у дыхательного субстрата и +0,82 В у кислорода воздуха.

Когда при окислении дыхательного субстрата образуется НАДФН, то он окисляется до НАДФ + , и дальше транспорт электронов идет так же, как и при образовании НАДН.

Рассмотренный механизм работы ЭТЦ очевидным образом подтверждает два положения теории В. И. Палладина: ферменты работают в клетке не «врассыпную», а образуют системы; кислород воздуха нужен только для окисления ферментов, а не дыхательного субстрата.

На одних этапах, транспорта от одного переносчика другому передаются совместно протоны и электроны, на других – только электроны. В последнем случае происходит разделение зарядов: Н → Н + + ē. В результате присоединения электронов, передаваемых по дыхательной цепи, и протонов из внешней водной среды к кислороду воздуха образуется новая молекула воды: 4Н + + 4ē + О2 → 2Н2О.

Эта вода получила название метаболической. В таких растениях, как суккуленты, выдерживающих засуху благодаря запасанию воды в тканях листьев или стеблей, она играет важную роль в водном балансе организма.

Для функционирования ЭТЦ необходима упорядочность и тесная упаковка молекул. Нарушение в какой-нибудь точке ЭТЦ полностью блокирует транспорт электронов.

Дыхательная ЭТЦ служит для передачи электронов от восстановленных субстратов на кислород, что сопровождается трансмембранным переносом ионов Н + . Таким образом, ЭТЦ митохондрий (как и тилакоидов) выполняет функцию окислительно-восстановительной Н + — помпы.

Особенностью растительных митохондрий от митохондрий животных является способность окислять экзогенный НАДН, т. е. НАДН, который поступает из цитоплазмы (рис. 3.7).

Это окисление происходит, по меньшей мере, двумя флавинами НАДН-дегидрогеназами, одна из которых локализована на внешней стороне внутренней мембраны митохондрий, а другая – на внутренней стороне. Первая из них передает электроны в ЭТЦ митохондрий на убихинон УХ, а вторая на цитохром С.

Для функционирования НАДН-дегидрогеназы на внутренней стороне внутренней мембраны необходимо присутствие кальция.