Цепь переноса электронов и протонов внутренней мембраны

Митохондрий (дыхательная цепь, редокс-цепь). Компоненты

Дыхательной цепи: флавопротеины, железосерные белки, коэнзим Q, цитохромы в, с1, с, аа3. Топография дыхательных переносчиков

В редокс-цепи

Последовательность реакций, связанных с переносом водорода на кислород при участии специфических переносчиков электронов, называется дыхательной (или электронтранспортной) цепью. У животных и человека она составлена из четырех основных типов переносчиков, каждый из которых способен претерпевать обратимое окисление и восстановление в результате потери и присоединения электронов при взаимодействии с другим переносчиком.

Первый тип переносчиков электронов в дыхательной цепи представлен никотинамидными коферментами – NAD⁺ и NADP⁺. Они способны активировать водород, отщепляемый от различных органических субстратов, действуя в составе дегидрогеназного окислительно-восстановительного ферментного комплекса. Коферменты NAD⁺ и NADP⁺ способны связываться с различными носителями, и каждый такой комплекс служит специфическим катализатором только в одной определенной реакции. Специфичность связывания коферментов NAD⁺ и NADP⁺ с ферментными белками зависит от аденин-нуклеотидной части их молекул, в то время как никотинамидная часть молекул этих коферментов придает им уникальное свойство действовать в качестве переносчиков электронов и протонов. В реакциях дегидрирования два атома водорода отщепляются от молекулы субстрата. Один атом водорода и один электрон переносятся на никотинамидное кольцо с образованием восстановленной формы коферментов NAD⁺ и NADP⁺ (NADН и NADPН), а другой атом водорода, потерявший электрон [Н⁺], освобождается в окружающую среду.

Дегидрогеназные реакции с участием коферментов NAD⁺ и NADP⁺ имеют ряд уникальных свойств, которые обуславливают их ключевую роль в процессах биологического окисления. Первая особенность – легкая обратимость при небольших изменениях свободной энергии, что позволяет коферментам участвовать как в окислении субстрата, так и в восстановлении продуктов реакции (в зависимости от потребностей клетки). Вторая особенность заключается в способности этих коферментов (как в окисленной, так и в восстановленной форме) легко отделяться от белка-носителя, в их высокой подвижности, что облегчает обмен атомами водорода и электронами между различными дегидрогеназными системами, расположенными в разных частях клетки. Коферменты NAD⁺ и NADP⁺ способны акцептировать водород от большого числа субстратов, окислительно-восстановительный потенциал которых ниже -0,3 В. К числу таких субстратов относятся продукты расщепления углеводов, жиров и различных аминокислот.

NADP⁺

NAD⁺

Субстрат-Н₂ + NAD(P) ↔ Субстрат + NAD(P)H + H⁺

Второй тип переносчиков электронов, действующих в дыхательной цепи, ‒ это флавиновые коферменты: флавинмононуклеотид (FMN) и флавинадениндинуклеотид (FAD). В составе специфических дегидрогеназ (флавиновых ферментов или флавопротеинов) они выполняют роль простетической группы, участвующей в переносе электронов. Активной частью молекулы FAD или FMN служит изоаллоксазиновое кольцо рибофлавина, к атомам азота которого могут присоединяться два атома водорода за счет внутримолекулярной перегруппировки двойных связей:

FAD

FMN

FMN и FAD прочно связаны с соответствующими дегидрогеназными белками и не могут свободно переносить восстановительные эквиваленты путем диффузии к другим дегидрогеназным системам. Реакции, катализируемые флавинзависимыми дегидрогеназами, труднообратимы, и, следовательно, флавиновые коферменты не могут служить источником водородных эквивалентов в процессах восстановительного биосинтеза.

В соответствии с относительно низкими окислительно-восстановительными потенциалами (около ‒0,1 В) флавопротеины могут акцептировать водород от NADH. При окислении янтарной кислоты, α-глицерофосфата и СоА-производных жирных кислот флавинзависимые ферменты могут играть роль первичных дегидрогеназ и непосредственно принимать электроны и протоны от окисляемых субстратов без участия NAD и связанных с ним дегидрогеназ:

NADH + H⁺ + Флавиновый фермент ↔ NAD⁺ + Флавиновый фермент | | FMN FMNH₂

FAD FADH₂ (FMN) (FMNH₂)

+ 2H⁺ + 2e^- ↔

Третий тип переносчиков электронов в дыхательной цепи представлен бензохиноновым соединением, носящим название кофермента Q, или убихинона. При восстановлении он присоединяет два электрона и два протона, образуя гидрохиноновую форму CoQH₂. Система CoQ/CoQH₂ имеет величину Е_о, лишь немногим более положительную, чем у флавопротеинов, которые поэтому могут передать свои восстанавливающие эквиваленты на хинон:

FPН₂ + СoQ → FP + СoQН₂.

СoQ способен принимать водород от различных флавопротеинов. Система СoQ представляет собой узловой пункт, куда стекается водород, поступающий в дыхательную цепь от самых различных субстратов. Поэтому СoQ в дыхательной цепи представлен в более высоких концентрациях, чем большинство других переносчиков электронов. Хорошая растворимость в липидной фазе мембранных образований и относительно небольшой молекулярный вес придают СoQ свойство подвижного переносчика, взаимодействующего с фиксированными электронпереносящими белками.

Четвертый тип переносчиков электронов в дыхательной цепи от СoQ на кислород представлен группой различных гемсодержащих белков (гемопротеинов), называемых цитохромами. Отличаясь друг от друга структурой белкового компонента, все они имеют простетическую геминовую группу, по строению близкую к гему гемоглобина. В центре порфиринового кольца каждого гема находится ион железа. Гем цитохрома а отличается от простетических групп цитохромов b и c наличием формильного остатка, замещающего метильную группу. Цитохромы переносят электроны последовательно от СoQ на конечный акцептор – кислород. На участке NADH и СoQ осуществляется двухэлектронный перенос, цитохромы переносят по одному электрону. При этом происходит обратимое окисление-восстановление атома железа простетической группы, переходящего из Fe²⁺ в Fe³⁺. Следовательно, на данном участке цепи должны действовать две молекулы цитохромов.

Убихинон восстановленный CoQН₂

Убихинон окисленный CoQ

В соответствии с величиной окислительно-восстановительного потенциала у разных цитохромов, они располагаются в определенной последовательности в дыхательной цепи между CoQ и кислородом (здесь и далее цит. – цитохром):

цит.b → цит.с₁ → цит.с → цит.а → цит.а₃ → О₂

+70 мВ +212 мВ +210 мВ +210 мВ +385 +820 мВ

Первой реакцией на этом участке является перенос электронов от CоQН₂ на цитохром b, имеющий наиболее низкую величину Е`₀.

CoQH₂ + 2Fe³⁺ - цит.b → CoQ + Fe²⁺ - цит.b + 2H⁺

В этой реакции для акцептирования двух электронов от восстановленного CoQ требуется 2 моля цитохрома b и два протона, которые могут быть перенесены через систему цитохромов и освобождены в окружающую среду. Окислительно-восстановительные пары CoQ/CoQH₂ и Fe²⁺- цит. b, Fe³⁺- цит. b имеет близкие значения величины Е′₀, и эти реакции происходят при небольших изменениях энергии. Восстановленная форма цит. b имеют меньшую величину Е′₀, что позволяет ей действовать в качестве восстановителя для следующих переносчиков в дыхательной цепи, а именно цитохрома с:

2Fe²⁺ - цит.b + 2Fe³⁺ - цит.с → 2Fe³⁺ - цит.b + Fe²⁺ - цит.с

Цитохром с₁, близкий по величине Е′₀ к цитохрому с, участвует в этой реакции в качестве промежуточного переносчика электрона между цитохромами b и с. Завершающей является реакция, катализируемая ферментом цитохромоксидазой – сложным гемопротеином, состоящим из 7 полипептидных цепей, двух различных гемов (цитохромы а и а₃), и двух атомов меди, принимающих участие в транспорте электронов:

Cu²⁺ + e → Cu⁺

Первый из цитохромов на этом участке – цитохром а – реагирует с цитохромом с, принимает электроны и переносит их на цитохром а₃, который способен прямо взаимодействовать с кислородом как конечным акцептором электронов:

2Fe²⁺ - цит. а₃ + 2Н⁺ + ½ О₂ → 2Fe³⁺ - цит. а₃ + Н₂О

«Активный» кислород присоединяет два протона из окружающей среды, образуя воду. В этой реакции кислород, как наиболее сильный окислитель, акцептируя электроны, создает основную движущую силу для переноса электронов вдоль дыхательной цепи, в результате чего все выше расположенные переносчики поддерживаются в окисленном состоянии и оказываются способными принимать водород и электроны, поставляемые от окисляемых субстратов.

В транспорте электронов принимают участие белки (ферредоксины), содержащие негемовое железо, в молекуле которых железо связывается с белком-носителем через атом серы.

Отличительная особенность FeS-белков – строение их активного центра, содержащего негемовое железо, связанное нековалентными связями с кислотолабильной серой и серой, входящей в состав цистеиновых остатков пептидной цепи. Разные типы железосероцентров (FeS-центры) широко распространены в клетках. Простейший из них содержит один атом железа, нековалентно связанного в молекуле белка и получившего название рубредоксина, с четырьмя остатками цистеина (рис.26.2).

Рубредоксин имеет окислительно-восстановительный потенциал около -57 мВ и участвует в реакциях одноэлектронного переноса. Остальные FeS-белки имеют более сложноорганизованные FeS-центры, в состав которых входит неорганическая кислотолабильная сера. Известны Fe₂S₂-центры (содержат по два атома железа и неорганической серы), Fe₃S₃- и Fe₄S₄-центры. FeS-белки могут содержать один или более центров в молекуле. В зависимости от особенностей строения FeS-центров ферредоксины могут одновременно переносить один или два электрона. Окислительно-восстановительный потенциал ферредоксинов находится в диапазоне от -490 до -310 мВ.

Рис.26.2. Железосерные центры FeS-белков. А ‒ железосерный центр рубредоксина; б – железосерный центр Fe₂S₂-типа; в – железосерный центр Fe₄S₄-типа

Все компоненты дыхательной цепи локализуются на внутренней мембране митохондрий и включены в состав белковых комплексов. Активные центры NADH-дегидрогеназы и сукцинатдегидрогеназы находятся на мембране, со стороны матрикса, как и центр для О₂ на цитохроме а₃. Цитохром с находится на наружной стороне мембраны, убихинон – в липидной фазе мембраны. Комплекс F₁-F₀ расположен на внутренней стороне мембраны и ориентирован внутрь матрикса (рис.26.3).