Окисление биоэнергетических продуктов цикла Кребса

Восстановленные формы динуклеотидов НАД×Н и ФАД×Н₂ подвергаются окислению молекулярным кислородом на заключительной стадии процесса дыхания у аэробных организмов. Их окисление катализируют ферментные комплексы, входящие в состав внутренней мембраны митохондрий. Первые сведения об окислении субстратов цикла Кребса кислородом воздуха были получены в 1925 г. Варбургом О.Г. и Кейлином Д., которые открыли действие фермента цитохромоксидазы, способного переносить электроны на молекулярный кислород.

В последующий период были выяснены все основные переносчики электронов и протонов от восстановленных динуклеотидов на молекулярный кислород, а в 1959 г. Чанс Б. по результатам спектрометрических исследований и на основе изучения действия специфических ингибиторов составил из них цепь дыхательных ферментов, которую в настоящее время называют электронтранспортной цепью митохондрий. По современным представлениям электронтранспортная цепь митохондрий включает следующие компоненты:

ФАД×Н₂

‌ 2ē,2Н⁺

‌

2ē,2Н⁺ 2ē,2Н⁺ 2ē 2ē 2ē 2ē 2ē 2ē

НАД×Н+Н⁺¾®ФМН¾®КоQ®цит.b®цит.с₁®цит.с®цит.а®цит.а₃®1/2О₂®Н₂О

ï ç

2Н⁺

---------------------------------------------------

Как видно из указанной схемы, электроны и протоны от ФАД×Н₂ и НАД×Н передаются на кофермент Q, который превращаясь в восстановленную форму, является активным донором электронов для последовательности переносчиков, состоящей из цитохромов. А протоны высвобождаются в физиологическую среду и далее взаимодействуют с ионизированными атомами кислорода, образуя молекулы воды: 2Н⁺ + О^2- ¾® Н₂О. Ионизация кислорода происходит в результате переноса на него электронов от цитохромной системы под действием фермента цитохромоксидазы, включающего в своем составе цитохромы а и а₃

Перенос электронов в электронтранспортной цепи митохондрий осуществляется в соответствии с общим химическим принципом от переносчика с более отрицательным стандартным окислительно-восстановительным потенциалом в направлении возрастания величины стандартного потенциала (табл. 12).

Кофермент Q, или убихинон, так же, как и пластохинон, относится к липидорастворимым производным хинона, содержащим в хиноидной группировке метоксильные группы и ненасыщенный изопреноидный радикал, включающий от 6 до 10 изопреновых группировок. У млекопитающих и растений в структуре убихинона имеются 10 изопреновых группировок. Кофермент Q способен присоединять 2 электрона и 2 протона и превращаться в восстановленную форму:

СН₃ СН₃

| 2ē,2Н⁺ |

–(СН₂–СН=С–СН₂)₁₀Н ¾® –(СН₂–СН=С–СН₂)₁₀Н

окисленный восстановленный

убихинон убихинон

Окисленную форму убихинона принято записывать в виде символа КоQ или Q, восстановленную форму – КоQ×Н₂.

Большинство ферментов электронтранспортной цепи митохондрий связаны c их внутренней мембраной, которая имеет большую плотность по сравнению с внешней мембраной и содержит в своем составе больше

12. Стандартные окислительно-восстановительные потенциалы компонентов экектронтранспортной цепи митохондрий (ЭТЦ)

Компоненты ЭТЦ	Названия компонентов	Еºˈ, В
НАД×Н	Восстановленный никотинамидадениндинуклеотид	-0,32
ФМН×Н2	Восстановленный флавинмононуклеотид	-0,30…-0,07
FeS1(2Fe2S)	Железо-серные белки в составе ферментного комплекса I	-0,31
FeS2(4Fe4S)		-0,02
FeS3(4Fe4S)		-0,25
ФАД×Н2	Восстановленный флавинадениндинуклеотид	-0,05
FeS1*(2Fe2S)	Железо-серные белки в составе ферментного комплекса II	-0,01
FeS2*(2Fe2S)		+0,23
FeS3*(4Fe4S)		+0,08
Q×Н2	Восстановленный убихинон	+0,07
B₅₅₆	Цитохромы в составе ферментного комплекса III	+0,075
В560		+0,08
C₁	Цитохром c₁ (Fe2+)	+0,24
FeSR	Железо-серный белок Риске (2Fe2S)	+0,28
C	Цитохром c (Fe2+)	+0,24
A	Цитохром а (Fe2+)	+0,21
А3	Цитохром а3 (Fe2+)	+0,39
Q2	½ О2 + 2 ē + 2Н+ D Н2О	+0,82

белков и меньше фосфолипидов (отношение фосфолипиды : белки примерно равно 0,27). В отличие от легкопроницаемой внешней мембраны, внутренняя мембрана митохондрии непроницаема для многих соединений (за исключением нейтральных молекул с молекулярной массой менее 150).

Путём фрагментирования физическими и химическими методами внутренней мембраны метохондрий исследователям-биохимикам удалось выделить четыре ферментных комплекса, которые катализируют перенос электронов и протонов на определённых участках электронтранспортной цепи митохондрий. А перенос электронов и протонов между этими связанными с мембранами ферментными комплексами осуществляют подвижные переносчики – убихинон и цитохром c. Ферментные комплексы I, II и III пронизывают внутреннюю митохондриальную мембрану и способны осуществлять перенос через мембрану протонов, создавая таким образом трансмембранный электрохимический потенциал.

Ферментный комплекс I осуществляет перенос электронов и протонов от НАД×Н, образующихся в цикле Кребса, на кофермент Q. Передача двух электронов и двух протонов происходит со стороны внутреннего матрикса митохондрии на флавинмононуклеотид (ФМН), входящий в состав ферментного комплекса I (рис. 37). Затем электроны передаются с участием FeS-белков от ФМН×Н₂ на димер убихинона 2Q, а протоны высвобождаются на внешней стороне митохондриальной мембраны.

Окисленный убихинон, приняв электроны от FeS-белка, присоединяет 2 протона из внутреннего матрикса и превращается в восстановленную форму 2Q×Н, которая диффундирует через липидную фазу митохондриальной мембраны к ферментному комплексу III.

В составе ферментного комплекса III имеются цитохромы с₁, в₅₅₆ и в₅₆₀, а также железо-серный белок Риске (FeS_R). Этот ферментный комплекс переносит электроны от восстановленного убихинона на цитохром с и одновременно выполняет функцию Н⁺-помпы, т.е. осуществляет трансмембранный перенос протонов. При взаимодействии с ферментным комплексом III восстановленная форма убихинона 2Q×Н акцептирует 2 электрона от цитохрома в₅₆₀ и в таком состоянии становится способной присоединить 2 протона из внутреннего матрикса митохондрии, превращаясь в восстановленную форму 2Q×Н₂. Полностью восстановленный кофермент Q передает 2 электрона цитохрому в₅₅₆ и 2 электрона железосерному белку FeS_R, который далее передает их цитохрому с₁. А цитохром в₅₅₆, приняв 2 электрона от восстановленного кофермента Q, переводит далее в восстановленное состояние цитохром в₅₆₀, который снова может быть донором электронов для восстановления подвижного переносчика электронов и протонов - убихинона.

В процессе передачи электронов от восстановленного убихинона 2Q×Н₂ на цитохром с с участием ферментного комплекса III происходит высвобождение четырёх протонов с внешней стороны внутренней мембраны митохондрии, что приводит к созданию определённой величины трансмембранного электрохимического потенциала. Таким образом, с участием цитохромов в₅₆₀ и в₅₅₆ оказывается возможным при переносе каждой пары экектрронов и протонов от ферментного комплекса I на цитохром с присоединение из внутреннего матрикса и перенос через мембрану двух дополнительных протонов. После передачи электронов и протонов на ферментный комплекс III восстановленный убихинон превращается в окисленную форму и может снова диффундировать через липидную фазу митохондриальной мембраны к ферментному комплексу I (или II) и акцептировать новую пару электронов и протонов и далее осуществлять их перенос на ферментный комплекс III и т.д.

Ферментный комплекс II катализирует окисление янтарной кислоты с участием кофермента ФАД и передает электроны и протоны окисленному убихинону. Передачу электронов от ФАД×Н₂ на убихинон выполняют железо-серные группировки FeS^*_1-3. Поскольку ферментный комплекс II не пересекает внутреннюю мембрану митохондрии, то высвобождающиеся при окислении ФАД×Н₂ протоны остаются во внутреннем матриксе митохондрии и поэтому не используются для создания трансмембранного электрохимического потенциала. Однако при переносе каждой пары электронов от ФАД×Н₂ на цитохром с ферментный комплекс III осуществляет трансмембранный перенос двух протонов.

Функцию переноса электронов от ферментного комплекса III к ферментному комплексу IV выполняет водорастворимый белок цитрохром с, который способен перемещаться на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны в жидкой физиологической среде, заполняющей пространство между внешней и внутренней мембранами митохондрии. Цитохром с акцептирует электроны от цитохрома с₁, находящегося в составе ферментного комплекса III, и перемещаясь в жидкой дисперсионной среде на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны, передает их цитохрому а в составе ферментного комплекса IV, который кроме гемовой группировки, содержит ещё атом меди, участвующий в переносе электронов. Восстановленный цитохром а передаёт электроны цитохрому a₃, в составе которого наряду с гемом активную роль в транспорте электронов выполняет атом меди. Восстановленный цитохром a₃, связывая кислород, ионизирует его атомы, отдавая им переносимые по цепи переносчиков электроны. Ионизированные атомы кислорода, взаимодействуя с протонами внутреннего митохондриального матрикса, образуют молекулы воды: О^2-+2Н⁺¾® Н₂О.

Ферментный комплекс IV при переносе электронов от цитохрома с на кислород выполняет также электрохимическую работу по переносу протонов из внутреннего митохондриального матрикса на внешнюю поверхность внутренней мембраны митохондрии.

В растительных клетках ( в отличие от животных) с участием ферментов митохондрий происходит также окисление НАД×Н, поступающих из цитоплазмы. В этом процессе участвуют флавиновые дегидрогеназы, локализованные как во внешней, так и во внутренней мембранах митохондрии. Первые из них передают электроны от НАД×Н, поступающих из цитоплазмы, на цитохром с, а вторые окисленному убихинону. Как происходит перенос электронов от восстановленных форм убихинона и

цитохрома с, на кислород нами уже показано. Восстановленные динуклеотиды НАДФ×Н не способны передавать электроны и протоны в электронтранспортную цепь митохондрий, они передают их на окисленные динуклеотиды НАД⁺ в результате так называемой трансгидрогеназной реакции.