Том 1 (1128365), страница 24
Текст из файла (страница 24)
атомы водорода) отщепляются отмолекул субстрата в ходе определенных метаболических реакций при помощиферментов, которые имеют собирательное название дегидрогеназы. Все этиферменты функционируют только при участии пиридиновых или флавиновыхкоферментов. Самые распространенные среди них -уже упоминавшийсяникотинамидадениндинуклеотид (NAD+) и флавинадениндинуклеотид (FAD).Их структурные формулы приведены на рис.
3-33. В восстановленной форме этикоферменты служат акцепторами электронов, а в окисленной 73Рис. 3.33. Структурафлавинадениндинуклеотида (А) и никотинамидадениндинуклеотида (Б). (Lehninger, 1975.)Рис. 3.34.Спектры поглощения NAD + и NADH. Поскольку разность коэффициентовпоглощений для этих двух форм максимальна при 340 нм, именно эта длина волныобычно используется для наблюдения за процессом восстановления NAD + в NADH.(Lehninger, 1975.)74Рис. 3.35. Окисление NADH приводит к высвобождению химической энергии ΔG° = - 52 ккал/молъ).донорами:Весьма удобным обстоятельством для изучения реакций с участием этихкоферментов является то, что спектры поглощения в ультрафиолетовой областиу восстановленной и окисленной форм отличаются друг от друга (рис.
3-34).При переходе из окисленной формы в восстановленную и наоборот происходиттакже изменение их спектров флуоресценции при возбуждении вультрафиолетовой области. Эти две особенности позволяют физиологам ибиохимикам применять спектрофотометрические методы для наблюдения законцентрацией восстановленного кофермента в живых клетках в условияхэксперимента.Энергетический уровень восстановленной молекулы кофермента, NADHили FADH2, гораздо выше, чем энергетический уровень кислорода. В результатеперенос пары электронов с NADH на О2 сопровождается изменением свободнойэнергии на величину порядка - 52 ккал/моль (рис.
3-35). Эта энергия составляетзначительную часть в общем балансе свободной энергии в 686 ккал,возникающем при окислении глюкозы, так как из 1 моля глюкозы получается 10молей восстановленного NAD и 2 моля восстановленного FAD. Умножив 12 на52, получим в итоге 624 ккал. Таким образом, 91% энергии окисления глюкозыпередается электронпереносящим коферментам и расходуется на последнихэтапах переноса электронов. Как мы уже отмечали, 266 ккал из этого количествааккумулируется в молекулах АТР.7573 :: 74 :: 75 :: Содержание75 :: 76 :: 77 :: 78 :: Содержание3.9.
Цепь переноса электроновЗамечательно, что, несмотря на большую разницу в электронном давлениимежду NADH и О2, не существует ферментативного механизма прямогоокисления NADH и FADH2 кислородом. Вместо этого в процессе эволюциисформировалась сложная цепь переноса электронов, или дыхательная цепь,состоящая примерно из семи отдельных ступеней, по которым передаютсяэлектроны,-начиная с NADH или FADH 2 с их низким окислительновосстановительным потенциалом и кончая молекулярным кислородом,конечным акцептором электронов.
Эта цепь переноса электронов представляетсобой общий для всех электронов конечный отрезок пути при аэробномметаболизме. Как мы увидим ниже, его роль заключается в эффективнойутилизации энергии, высвобождаемой при переносе электронов, через реакциюфосфорилирования AJDP с образованием АТР.Рис. 3.36. Структура гема А, который является донорно-акцепторной группой цитохрома аа3. В центре порфиринового кольца находится атом железа, которыйокисляется или восстанавливается в процессе переноса электронов. (Lehninger, 1975.)Цепь переноса электронов включает ряд сложных белков, называемыхцитохромами, каждый из которых содержит гемогруппу-силъньш. хромофор.Основной компонент гемогруппы-макроцикл порфирина с атомом железа вцентре (рис.
3-36); эта группа подобна гемогруппе пигмента гемоглобина вэритроцитах позвоночных. Функциональная последовательность цитохромногоряда изображена схематически на рис. 3-37. Расположение молекул на этойдиаграмме таково, что при движении слева направо у каждой следующеймолекулы электронное давление ниже, чем у предыдущей. В результатеэлектроны переносятся с NADH вниз по энергетической лестнице, состоящей изсеми окислительно-восстановительных реакций; перенос заканчиваетсявосстановлением молекулярного кислорода.
Только последний компонент вэтой цепочке -цитохром аа3 (единственный из цитохромов, который является75Рис. 3.37. Энергетическая лестница, по которой происходит перенос электронов в дыхательной цепи.собственно ферментом) - способен переносить свои электроны непосредственнона кислород.Как окисленные, так и восстановленные формы цитохромов имеютхарактерные спектры поглощения, причем последние поглощают сильнее вдлинноволновой части спектра. Такие их свойства помогли Дейвиду Кейлину в1925 г. впервые установить функцию цитохромов.
Проводя спектрофотометрические измерения, он обнаружил, что летательные мышцы насекомыхсодержат какие-то соединения, которые окисляются и восстанавливаются впроцессе дыхания. Он назвал эти соединения цитохромами и предположил, чтоони переносят электроны с высоко энергетических субстратов на кислород.Когдаконечныйэтапдыхательнойцепи-переносэлектроновцитохромоксидазой (состоящей из субъединиц а и a3) на О2-блокируетсяцианидом, наблюдается тот же эффект, что и по прекращении поступлениямолекулярного кислорода. Электроны "накапливаются" выше места блокировки,поскольку перекрывается сквозной транспорт вдоль цепи, и восстанавливаютвсе молекулы цитохромов до точки блокировки.
Другой дыхательный яд антимицин - перекрывает поток электронов на пути от цитохрома b кцитохрому с (рис. 3-38), в результате чего все цитохромы, расположенные вышеточки блокировки, восстанавливаются, а все цитохромы ниже этой точки,окисляются. Такое избирательное ингибирование в разных точках дыхательнойцепи помогло биохимикам установить последовательность переноса электроновс помощью спектрофо-тометрических методов, позволяющих следить заокислением и восстановлением цитохромов.С помощью энергетической лестницы, по которой движутся электроны, т.е.благодаря высвобождению химической энергии относительно небольшимипорциями, достигается значительный энергетический выигрыш по сравнению сгипотетическим непосредственным восстановлением кислорода с помощьюNADH.
"Логика" такой системы переноса электронов становится понятной, есливспомнить, что средняя величина энергии в биологическом энергетическомобмене невелика по сравнению с полным изменением свободной энергии припереносе электронов с NADH на кислород. Для синтеза АТР из ADP инеорганического фосфата требуется всего 7,3 ккал/моль, тогда как пригипотетическом одноэтапном окислении NADH, при котором синтезировалосьбы не более одной молекулы АТР, высвобождается 52 ккал/моль.
При такоммеханизме лишь 14% (7,3 ÷ 52) доступной химической энергии было бызапасено в форме АТР, остальная энергия рассеялась бы в виде тепла. Воизбежание лишних потерь большой энергетический скачок, который имел быместо при переносе электронов в реакции прямого окисления NADHкислородом, разбивается на несколько этапов, на которых энергиявысвобождается более мелкими порциями. Таким образом, сложившаяся вклетке система переноса электронов представляет собой механизм, которыйпозволяет высвобождать энергию порциями, как раз достаточными дляэффективного синтеза АТР. Как мы увидим далее, существуют три этапапереноса электронов в дыхательной76Рис.
3.38.Цепь переноса электронов. Пунктирные стрелки показывают, в каких участкахможет произойти размыкание цепи под действием дыхательных ядов (ингибиторов).При переносе пары электронов вдоль всей цепи, начиная с NADH (NAD 2 e-),происходит фосфорилирование трех молекул ADP до AT Р. Здесь FР-флавопротеин,Q-кофермент Q. Символы b, с, c 1 , а и а3 обозначают соответствующие цитохромы,которые, как видно из рисунка, при переносе двух электронов работают парами.цепи, на которых изменение свободной энергии достаточно велико дляактивирования реакции фосфо-рилирования ADP с образованием АТР (рис. 338).
Собственно реакция синтеза АТР из ADP и неорганического фосфата,сопряженная с отдельными этапами переноса электронов, называетсяокислительным фосфорилированием или фосфорилированием в дыхательнойцепи. Фосфорилирование ADP до АТР происходит в результате переносаэлектронов 1) с флавопротеина на кофермент Q; 2) с цитохрома b на цитохромыс и с1; 3) с цитохромов аа3 (цитохромоксидаза) на молекулярный кислород.Таким образом, на каждую пару электронов, перенесенных вдоль всей цепи,синтезируются три молекулы АТР из трех молекул ADP и трех молекулнеорганического фосфата (Р^. Каждая пара электронов в конце путивосстанавливает половину молекулы О2 с образованием одной молекулы воды:Сравнивая количество поглощенного кислорода (т.е.
превращенного в воду)с количеством поглощенного неорганического фосфата (т. е. включенного всоставАТР),мыможемопределить коэффициент окислительногофосфорилирования Р/О (отношение количества неорганического фосфата кколичеству атомарного кислорода). Например, в случае когда окислительноефосфорилирование происходит на каждом из трех этапов, упомянутых выше, насинтез АТР будет израсходовано 3 моля неорганического фосфата на каждый1моль атомов кислорода (О2), который будет включен в состав Н 2О.2Следовательно, здесь Р/О = 3. Некоторые переносчики электронов, однако,минуют первый этап, на котором происходит фосфорилирование,восстанавливая сразу кофермент Q; в этом случае при переносе электроноввозможны лишь две реакции фосфорилирования ADP до АТР на паруэлектронов, т.е.
Р/О = 2.Чтобы объяснить, каким образом происходит сопряжение синтеза АТР намолекулярном уровне с высвобождением свободной энергии в процессепереноса электронов, было предложено несколько моделей, которые сводятся ктрем основным. Наиболее убедительной в настоящее время считается хемиосмотическая теория преобразования энергии, которую мы обсудим в разд.4.7. Здесь стоит отметить, что когда митохондриальная мембрана почему-либоначинает"протекать",происходит р а з о б щ е н и е окислительногофосфорилирования и цепи переноса электронов.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
