Основы молекулярной биологии. Часть 1: Молекулярная биология клетки - А.Н. Огурцов 2011

Генерация протондвижущей силы и синтез АТФ
Перенос электронов по дыхательной цепи

В митохондрии каждая молекула НАДН доставляет два высоко-энергетичных электрона в дыхательную цепь. Эти электроны в конце своей релаксации восстанавливают атом кислорода, в результате чего получается молекула воды. Суммарно весь этот процесс можно записать как

Релаксация электрона с НАДН на O₂ сопровождается снижением энергии электрона на 1,14 эВ, что соответствует 26,2 ккал/моль. Соответственно, для двух электронов снижение энергии будет ≈ 53 ккал/моль. Большая часть этой энергии превращается в протондвижущую силу.

Каждый из четырех мультибелковых комплексов дыхательной цепи проходит сквозь внутреннюю мембрану митохондрии (является интегральным белком внутренней мембраны) и содержит в себе несколько различных простетических групп - акцепторов электронов, которые участвуют в переносе электронов. Эти небольшие небелковые молекулы или ионы металлов прочно и специфически связаны с мультибелковыми комплексами (таблица 9) и, в отличие от переносчиков электронов, не перемещаются механически независимо от комплексов.

Несколько типов гемов - железосодержащих простетических групп, подобных тем, которые содержатся в гемоглобинах и миоглобинах (рисунок 164) - прочно связаны или даже ковалентно присоединены к митохондриальным белкам, образуя цитохромы (обозначены Cyt на рисунке 162).

Таблица 9 - Электрон-несущие простетические группы (электрон-акцепторные группы) в дыхательной цепи

Атомы железа в центре гема присоединяют и отдают электроны (окисление и восстановление Fe) в процессе переноса электронов по дыхательной цепи:

Рисунок 164 - Схема гема: а - схема гемов цитохромов b₁ и b_H; б - порфириновое кольцо (циклический тетрапиррол) является основой структуры гема любого типа

В дыхательной цепи электроны переносятся по цитохромам в последовательности b, с₁, с, а, a₃ (рисунок 162). Разные цитохромы имеют разные гемы, которые отличаются химическими группами, присоединяемыми к периметру порфиринового кольца, и различным аминокислотным окружением гемов. Поэтому каждый цитохром имеет специфический восстановительный потенциал. Набор значений восстановительных потенциалов разных цитохромов однозначно задает направление и необходимую последовательность переноса электронов вдоль дыхательной цепи.

Поскольку порфириновое кольцо гема в цитохромах состоит из чередующихся двойных и одинарных связей (рисунок 164), в нем возможно большое количество разнообразных резонансов, и дополнительный электрон может связаться с атомами углерода или азота или с ионом железа. Все цитохромы, кроме цитохрома с, входят в состав мультибелковых комплексов на внутренней мембране митохондрии. А цитохром с, хотя он также представляет собой гем-протеиновый комплекс, является водорастворимым белком и свободно перемещается в межмембранном пространстве митохондрии.

Кластеры из атомов железа и серы (Fe-S) являются железосодержащими простетическими группами, в которых атом Fe присоединен к неорганическим атомам S и к цистеиновым атомам серы из аминокислотного окружения простетической группы (рисунок 165).

Рисунок 165 - Димерный кластер атомов железа и серы

Все Fe-S кластеры могут присоединить (и отдать) один электрон. В кластерах некоторые атомы железа имеют заряд (+2), а другие атомы железа - (+3), хотя реальный заряд атома Fe между (+2) и (+3), поскольку электроны внешних орбит атомов Fe обобществлены и формируют общую орбиталь. Присоединяемый к кластеру электрон также становится общим электроном всех атомов Fe, входящих в кластер.

Кофермент Q (CoQ), который чаще называют убихинон (ubiquinone), является единственным переносчиком электронов в дыхательной цепи, в котором электрон связывается не с простетической группой белка (рисунок 166).

Рисунок 166 - Схема восстановления убихинона до дигидроубихинона

В действительности убихинон переносит не один электрон, а два атома водорода, то есть два электрона и два протона. Сначала окисленная хинонная форма CoQ принимает на себя один электрон, образуя промежуточный заряженный свободный радикал полухинон (semiquinone), который обозначают (CoQ^-●).

Затем присоединением ещё одного дополнительного электрона и двух протонов образуется полностью восстановленная форма убихинона дигидроубнхинон (CoQH₂) (dihydroquinone) (рисунок 166).

Обе формы убихинона: и CoQ, и CoQH₂ - являются жирорастворимыми (липофильными), они свободно диффундируют по внутренней мембране митохондрии. Убихинон получает электроны и от НАДН-CoQ-редуктазы (комплекс I) (рисунок 167), и от cyкцинaт-CoQ-peдyктaзы (комплекс II) (рисунок 168) и передает их на CoQH₂-цитохром с редуктазу (комплекс III).

Рисунок 167 - Схема взаимодействия компонентов дыхательной цепи: а - НАДН-СоQ-редуктаза (комплекс I); б - СоQH₂-цитохром с редуктаза (комплекс III); в - цитохром с оксидаза (комплекс IV)

Важно, что восстановление и окисление убихинона (CoQ) сопряжено с перекачкой (транслокацией) протонов через мембрану из матрикса в межмембранное пространство митохондрии.

Суммарно (рисунок 167) на каждую пару электронов с НАДН через мембрану перекачивается десять протонов.

Завершается процесс переноса электронов в матриксе образованием ферментом цитохром-с-оксидаза молекулы воды из молекулярного кислорода (рисунок 167(b)).

При окислении сукцината в фумарат (рисунок 168) и переносе электронов с комплекса (II) на убихинон не происходит перекачка протонов через мембрану, а дальнейшая цепь переноса электронов через комплексы (III) и (IV) в этом случае идентична переносу электронов с НАДН (рисунок 167(6, в)). Поэтому на каждую пару электронов переносимых с сукцината на O₂ через мембрану транслоцируется только шесть протонов.

Рисунок 168 - Схема переноса электрона убихиноном CoQ с сукцинат-CoQ-редуктазы (комплекс II) на CoQH₂-цитохром с редуктазу (комплекс III)

Убихинон получает электроны с той части комплексов (I) и (II), которые ориентированы в матрикс (рисунки 167 и 168). Восстановленный убихинон CoQН₂ (дигидроубихинон) передает электроны комплексу (III) на домен, который ориентирован в межмембранное пространство, высвобождая при этом два связанных с CoQH₂ протона в межмембранное пространство. Поэтому перенос каждой пары электронов убихиноном обязательно сопровождается транслокацией двух протонов из матрикса в межмембранное пространство. Такое циклическое циркулирование убихинона, в результате которого комплекс (III) переносит дополнительно два электрона, называют "Q-цикл".