БИОХИМИЯ - Л. Страйер - 1984

ТОМ 2

ЧАСТЬ II ГЕНЕРИРОВАНИЕ И ХРАНЕНИЕ МЕТАБОЛИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

ГЛАВА 14. ОКИСЛИТЕЛЬНОЕ ФОСФОРИЛИРОВАНИЕ

14.4. Флавин, железосерные комплексы, хинон и гемовые группы переносят электроны от NADH к O₂

Электроны переносятся от NADH к O₂ через ряд переносчиков: флавины, железосерные комплексы, хиноны и гемы (рис. 14.4). Эти переносчики электронов, за исключением хинонов, являются простети- ческими группами белков. Первая реакция состоит в окислении под действием NАDН-Q- редуктазы (называемой также NАDН-дегидрогеназой),ферментом, состоящим по меньшей мере из шестнадцати полипептидных цепей. Два электрона переносятся от NADH на флавинмонопуклеотид (FMN), простетическую группу фермента, с образованием ее восстановленной формы FMNH₂

NADH + Н⁺ + FMN → FMNH₂+ NAD⁺.

Рис. 14.4. Последовательность переносчиков электронов в дыхательном ансамбле. Протоны выбрасываются тремя комплексами, которые на рисунке закрашены

C FMNH₂ электроны переносятся затем на ряд железо-серных комплексов (сокращенно Fe-S), играющих роль второй нро- стетической группы в молекуле NADH-Q- редуктазы. Железо в этих соединениях это негемовое железо, в связи с чем железосерные белки называют также не гемовыми железопротеинами, Новые исследования показали, что Fe-S-комплексы играют важную роль в широком круге окислительно-восстановительных реакций в биологических системах. Известны три вида Fe-S-центров (рис. 14.5). В простейшем случае единственный атом железа тетраэдрически координирован с сульфгидрильными группами четырех цистеиновых остатков белка. Второй вид комплексов (обозначен как Fe₂-S₂) содержит 2 атома железа и два неорганических дисульфида, присоединенных к четырем цистеиновым остаткам. В комплексах третьего вида (Fe₄-S₄) содержится четыре атома железа, четыре неорганических сульфида и четыре остатка цистеина. Атом железа в этих комплексах может присутствовать в восстановленном (Fe²⁺) или окисленном (Fe³⁺) состоянии. NADH-Q-редуктаза содержит второй (Fe₂-S₂) и третий (Fe₄ -S₄) тины комплексов.

От железосерных центров NADH-Q-peдуктазы электроны переносятся далее на кофермент Q (сокращенно Q).

Рис. 14.5. Молекулярные модели Fe-S- комплексов: А) Fe-S-центр; Б) Fe₂-S₂-HeHTp; В) Fe₄-S₄- центр. Атомы железа окрашены красным цветом, атомы серы цистеина - желтым, атомы неорганической серы- зеленым

Кофермент Q-хиноновое производное с длинным изопреноидным хвостом. Его называют также убихиноном из-за его повсеместного распространения (ubiquitous) в биологических сисгемах. Число изопреновых единиц в коферменте Q зависит от вида живых организмов. У млекопитающих его наиболее распространенная форма содержит десять изопреновых единиц и обозначается как Q₁₀.

Изопреноидный хвост обусловливает высокую неполярность Q, которая способствует его быстрой диффузии в углеводородной фазе внутренней митохондриальной мембраны. Кофермент Q-единственный переносчик электронов в дыхательной цепи, который не связан прочно с белком и не присоединен к нему ковалентно. Кофермент Q действительно служит высокомобильным переносчиком электронов между флавопротеинами и цитохромами цепи переноса электронов.

Напомним, что FADH₂ образуется в цикле трикарбоновых кислот при окислении сукцината в фумарат сукцинат-дегидрогеназой. Сукцинат-дегидрогеназа - один из двух компонентов сукцинат-Q-редуктазного комплекса; второй компонент Fe-S-белок. Этот комплекс, подобно NADH-Q-редуктазе, является интегральным компонентом внутренней митохондриальной мембраны. Обладающие высоким потенциалом электроны FADH₂в сукцинат-дегидрогеназном компоненте переносятся затем на Fe-S-центры комплекса и далее на кофермент Q для включения в цепь переноса электронов. Подобно этому, глицеролфосфат-дегидрогеназа (разд. 14.9) и дегидрогеназа СоА-эфиров жирных кислот (разд. 17.8) переносят свои электроны с высоким потенциалом на кофермент Q с образованием его восстановленной формы QH₂.

Переносчиками электронов между QH₂ и 0₂ помимо одного Fe-S-белка служат все цитохромы. Центральную роль цитохромов в дыхании открыл в 1925 г. Дэвид Кейлин (David Keilin). Цитохром-это переносящий электроны белок, молекула которого содержит в качестве простетической группы гем. В ходе переноса электронов атом железа находится то в восстановленной ферроформе (+ 2), то в окисленной ферриформе (+ 3). Группа гема, подобно Fe-S-центру, переносит только один электрон в отличие от NADH, флавина и кофермента Q, переносящих по два электрона. Таким образом, молекула QH₂, восстановленной формы хинона, переносит свои два обладающие высоким потенциалом электрона на две молекулы цитохрома Ь, следующего члена цепи переноса электронов. В качестве промежуточного продукта при этих реакциях переноса электронов, возможно, образуется свободный радикал семихинона (обозначенный QH •).

В цепи переноса электронов на участке от QH₂до О₂ располагаются пять цитохромов. Цитохромы δ и с₁ наряду с Fe-S-белком являются компонентами QH₂-цитохром-с - редуктазного комплекса. Цитохром с переносит электроны от этого комплекса к цитохром-с-оксидазному комплексу, содержащему цитохромы а и а₃. Окислительно-восстановительный потенциал (сродство к электронам, или окислительная способность) этих цитохромов возрастает в последовательности

QН₂ → Цитохром δ → FеS → Цитохром c₁→ Цитохром с → Цитохром а → Цитохром а₃ → O₂.

Указанные цитохромы различаются по структуре и свойствам. Простетической группой цитохромов Ь, с₁ и с служит железосодержащий протопорфирин IX, называемый обычно гемом, который является простетической группой также в миоглобине и гемоглобине. В цитохроме δ гем не связан ковалентно с белком, тогда как в цитохромах с и с₁ он ковалентно присоединяется к белку при помощи тиоэфирных связей (рис. 14.6). Эти связи образуются путем присоединения сульфгидрильных групп двух цистеиновых остатков к винильным группам гема.

Рис. 14.6. Гем в цитохромах с и с₁ ковалентно присоединен к двум цистеиновым боковым цепям

Цитохромы а и а₃ имеют иную железо- порфириновую простетическую группу, называемую гемом а. Он отличается от гема цитохромов с и c₁ наличием формильной группы вместо одной из метальных групп и углеводородной цепи вместо одной из винильных групп. Цитохромы а и а₃ являются конечными звеньями дыхательной цепи. Они существуют в виде комплекса, иногда называемого цитохромоксидазой.

QН₂-цитохром-с-редуктазный комплекс переносит электроны от QН₂ к цитохрому с, водорастворимому периферическому мембранному белку (разд. 14.15-14.17).

Затем восстановленный цитохром с переносит свои электроны на цитохром-с-оксидазный комплекс. Роль цитохрома с аналогична роли кофермента Q: он служит мобильным переносчиком электронов между различными комплексами в дыхательной цепи. Электроны переносятся к a-цитохромному компоненту комплекса и затем к цитохрому а₃, содержащему медь. При транспорте электронов от цитохрома а₃ к молекулярному кислороду атом меди существует то в окисленной (+2), то в восстановленной (+1) форме. Образование воды-процесс, связанный с переносом четырех электронов, тогда как группы гема являются переносчиками одного электрона. Каким образом четыре электрона «сходятся» для восстановления молекулы O₂, пока не установлено:

O₂ + 4Н⁺ + 4е^- → 2Н₂O.