Окислительное фосфорилирование: молекулярная организация дыхательной цепи

В основе механизма извлечения энергии в дыхательной цепи (ДЦ) лежит принцип, характерный и для рассмотренных ранее метаболических процессов а именно: сильно экзергоническая реакция взрыва гремучего газа Н₂+1/2О₂ → Н₂О разбита на много небольших "шагов", так что высвобождаемая энергия может переходить в высокоэнергетические фосфатные связи, а не рассеиваться в виде тепла. Каким же образом такая простая реакция разбивается на отдельные этапы? Это достигается тем, что прежде чем поступить в дыхательную цепь атомы водорода расщепляются на электроны и протоны. Электроны передаются через серию переносчиков, встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану на кислород, а протоны для нейтрализации отрицательного заряда, возникающего на кислороде берутся из матрикса. Выделяющаяся при прохождении электронов от одного переносчика к следующему энергия и используется на фосфорилирование АТФ.

Дыхательная или электронтранспортная цепь (рис. 4) включает всего около 40 различных белков, объединенных в три больших ферментных комплекса, встроенных во внутреннюю мембрану митохондрй.

1. NADH-дегидрогеназный комплекс - самый большой из дыхательных ферментных комплексов - имеет мол. массу свыше 800 000 и содержит более 22 полипептидных цепей. Данный комплекс принимает электроны от NADH (находящегося в матриксе митохондрий) и передает их на убихинон - небольшую, подвижную жирорастворимую молекулу, восстанавливая ее до убихинола. Содержит флавопротеид и железосерные центры, участвующие в транспорте электронов. Убихинол передает электроны на второй комплекс дыхательных ферментов - комплекс b-c1, окислясь при этом в исходный убихинон. Сокращенно убихинон обозначают Q (или кофермент Q), а убихинол QH2.

2. Комплекс b-c1состоит из 8 разных полипептидных цепей и, вероятно, существует в виде димера с молекулярной массой 500 000. Содержит 2 гема и железосерный центр. На этот комплекс электроны поступают с убихинола и передаются с него на цитохром с, небольшой периферический мембранный белок, который затем переносит их на цитохромоксидазный комплекс.

3. Цитохромоксидазный комплекс (цитохром аа₃) - наиболее изученный из рассмотренных комплексов. Он состоит не менее чем из восьми различных полипептидных цепей, из которых формируется димер с молекулярной массой 300 000; каждый мономер содержит два атома меди. Данный комплекс единственный компонент в дыхательной цепи способный переносить электроны непосредственно на кислород. В большинстве клеток около 90% всего поглощаемого клеткой кислорода взаимодействует с цитохромоксидазой. Токсичность таких ядов, как цианиды, обусловлена способностью прочно присоединяться к цитохромоксидазному комплексу и блокировать тем самым весь транспорт электронов.

	Рис. 4 Дыхательная цепь и АТФ-синтетаза

В митохондриях на один NADH-дегидрогеназный комплекс приходится 3 комплекса b-c1, 7 цитохромоксидазных комплексов, 50 молекул убихинона и 9 молекул цитохрома с. В отличие от большинства клеточных белков, белки - переносчики, входящие в состав второго и третьего комплекса ДЦ поглощают свет в видимой части спектра и эта способность обуславливает наличие у них интенсивной окраски, причем характер окраски изменяется при переходе переносчиков из окисленного в восстановленное состояние. Способность поглощать свет в видимой области и наличие окраски, послужившие основанием для объединения белков-переносчиков в группу - цитохромов, т.е. окрашенных белков, обусловлены присутствием в их молекуле связанной небелковой группы - гема. Гем содержит порфиринофое кольцо и атом железа. Именно атом железа принимает электрон от предыдущего переносчика, восстанавливаясь при этом из состояния Fe³⁺ в Fe²⁺ и затем, вновь окисляясь, передает его на атом железа, входящий в состав последующего цитохрома. Кроме цитохромов гем входит в состав гемоглобина, где играет ключевую роль в транспорте кислорода и обуславливает красный цвет крови. Сходная с гемом структура, в которой атом железа замещен на атом магния, входит в состав хлорофилла и обуславливает зеленый цвет листьев.

Цитохромы, способны переносить одновременно только один электрон. Между тем каждая молекула NADH отдает два электрона и каждая молекула кислорода должна принять четыре электрона при образовании воды. Поэтому 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 четыре электрона и в конечном итоге передает их на молекулярный кислород, что ведет к образованию двух молекул воды.

Какие же силы заставляют электроны двигаться по дыхательной цепи и какова величина выделяемой при этом энергии. Чтобы разобраться в этом рассмотрим перенос электронов по дыхательной цепи с позиции электрохимии. В этом случае NADH и NAD, окисленные и восстановленные компоненты электронтранспортной цепи и Н₂О и 1/2О₂ будут ни чем иным как гальваническими или окислительно-восстановительными парами, так как один из членов такой пары превращается в другой при передаче или удалении электронов. Каждая окислительно-восстановительная пара поддерживает определенное "давление электронов", характеризуемое величиной восстановительного потенциала или редокс-потенциала. Все окислительно-восстановительные пары можно расположить в порядке возрастания их восстановительных потенциалов, определяемых по отношению к стандартному водородному полуэлементу или гальванической паре (2Н⁺ Н₂), потенциал которой произвольно принят за нулевой. Отрицательное значение восстановительного потенциала свидетельствует о высоком давлении электронов или тенденции конкретной пары отдавать электроны, и эта тенденция тем больше выражена, чем больше отрицательное значение восстановительного потенциала и наоборот положительный потенциал свидетельствует преобладании тенденции принимать электроны. Величины стандартных восстановительных потенциалов основных компонентов дыхательной цепи митохондрий составляют:

NADH → NAD - 0,32 в

FADH → FAD 0,00 в

QH2→ Q 0,00 в

Комплекс b-c1 (Fe²⁺ → Fe³⁺) + 0,26 в

Цитохром аа3 (Fe²⁺ → Fe³⁺) + 0,53 в

Н₂О →1/2О² + 0,82 в

Совокупность двух гальванических или, по другому, окислительно-восстановительных пар образует гальванический элемент в котором поток электронов будет двигаться от полуэлемента с более отрицательным ВП к полуэлементу с менее отрицательным или положительным ВП.

Разность потенциалов гальванического элемента (ΔЕ), являющаяся движущей силой потока электронов будет равна сумме ВП полуэлемета донора электронов, взятого с противоположным знаком и ВП акцептора электронов. Именно ЭДС, возникающая благодаря разности потенциалов окислительно-восстановительных пар, заставляет электроны двигаться по дыхательной цепи. Рассматривая в качестве гальванических элементов митохондриальные дыхательные комплексы можно вычислить следующие значения разности потенциалов в каждом комплексе:

комплекс 1	комплекс b-c1	цитохром аа3
+0,32 0,00	0,00 +0,26	-0,26 +0,53
Е(в) = +0,32	+0,26	+0,27

Величина ΔЕ связана с величиной изменения свободной энергии ΔG окислительно-восстановительной реакции следующим уравнением:

ΔG = -nΔEF и ΔЕ = ΔG/nF , где n - число переносимых электронов,

F – число Фарадея, равное 23 060 кал/в

Зная, что от каждой молекулы NADH на кислород переносится два электрона, вычислим изменение свободной энергии на каждом комплексе:

комплекс 1 Комплекс b-c1цитохром аа3

ΔG(ккал)= 2.0,32.23060 =-14,8 -12 -12,4

Поскольку, реакция фосфорилирования АДФ с образованием АТФ требует 7,3 ккал можно сделать вывод, что при переносе пары электронов через каждый дыхательный комплекс изменение свободной энергии более чем достаточно для сопряженного синтеза молекулы АТФ, а количество выделяемой свободной энергии за полный путь от NADH до кислорода (с образованием одной молекулы воды), достаточно для синтеза трех молекул АТФ. Если в качестве окисляемого агента используется FADH то электроны попадают в дыхательную цепь на уровне убихинона, минуя первый дыхательный комплекс. Так как ВП убихинона, практически совпадает с ВП FADH, то уменьшения свободной энергии на этом этапе не происходит и, в результате, при переносе электронов на конечный акцептор (кислород) образуется всего две молекулы АТФ.