Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 260
Текст из файла (страница 260)
где требуется большее сродство. Порядок электронных переносчиков в цепи определен сложными спектроскопи вескими измерениями (рис. (4.25), и многие белки сначала выделены и охарактери зованы как отдельные полипептиды. Важным прорывом в понимании дыхательной цепи стало более позднее открытие, заключавшееся в том, что большая часть белков входит в состав трех крупных ферментных комплексов.
1280 Чаетвг М ВйУГРайиЯЯ ОРГаииааЦйЯ КЯЕтнтв комплексов может быть встроен в липидные бислойные везикулы, где он будет качать протоны через бислой при прохождении по нему электронов. В митохондрии зти три комплекса ассиметрично ориентированы во внутренней мембране и связаны вместе в группу зависимых от электронного транспорта Н' насосов, откачиваюших протоны из матрикса (рис. 14.26): 1.
ХАРН-дегидрогеназный комплекс (известный как комплекс 1) — зто самый большой фсрмснтный комплекс дыхательной цепи, содержащий более 40 полипсптидпых цепей. Он принимает электроны с МАРН и передаст их через флавии и по крайней мере семь железо серных кластеров на убихинон. Затем убихинон переносит электроны на второй дыхательный ферментный комплекс, цитохром Ь с, комплекс; 2. Цитохром Ь-с, комплекс содержит по крайней мере 11 различных поли пептидных цепей и функционирует как димер.
Каждый мономер содержит три гема, связанных с цитохромами и железо серным белком. Комплекс принимает электроны с убихинона и передает их на цитохром с, который переносит электрон на цитохромоксидазный комплекс; 3. Цитохромоксидазный комплекс также функционирует как димер; каждый мономер содержит 13 различных полипептидных цепей, включая два цитохрома и два атома меди. Комплекс принимает по одному электрону от цитохрома с и пере даст их одновременно по чсгырс на кислород. Цитохромы, железо серные кластеры и атомы меди могут единовременно переносить только один электрон. Однако МАРН отдает два электрона, а каждая моле кула О. должна принять четыре для образования воды. В электрон транспортной цепи есть несколько участков, где происходит накопление и рассеивание электронов и где координируются эти изменения в числе электронов.
Основным таким участком является цитохромоксидаза. Сх'Фд МЕЖМЕМБРАНН ПРОСТРАНСТВО внутренняя мембрана митохондрии ~ МАТРИКС Рис. 14.26. Путь электроне через три ферментных комплексе дыхательной цепи. Показаны примерные размер и форма каждого комплексе. В ходе переноса электронов с НАСН нэ кислород (красные линии) убихинон и цитохром с служат подвижными переносчиками, транспортирующими электрон от одного комплекса к другому. Как показано, протоны перекачиваются через мембрану всеми тремя фермент- ными комплексами.
.142.'ЭПЕКтрвнвтраВСтаэртНЭВГЕ4Еди И ПратОННЫЕ Ваетю«Ы т461 44.2.6. Железо-медный кластер цитохромоксидазы катализирует 'аффективное восстановление О2 Поскольку кислород обладает высоким сродством к электронам, при его воспановлении до воды выделяется большое количество свободной энергии. Таким образом, эволюция клеточного дыхания, при котором О превращается в воду, позволила организмам получать значительно больше энергии, чем это возможно 'при анаэробном метабюлизме. Предположительно, именно поэтому все высшие организмы дышат. Однако способность биологических систем использовать таким образом Оз требует очень сложной химии.
Мы способны выносить О2 во вдыхаемом нами воздухе потому, что ему сложно захватить первый электрой это свойство позволило клеткам контролировать начальную реакцию посредством ферментативного катализа. Но как только молекула Оз получила один электрон и образовала гупероксид-радикал (Π— ), она становится опасно реакционно способной и быстро захватывает еп1е три электрона отовсюду. откуда может их достать. Клетка может использовать О для дыхания только потому, что цитохромоксидаза удерживает кислород в специальном двуметаллическом кластере, где он зажат между связан ным с гемом атомом железа и атомом меди до тех пор, пока не получит все четыре гатектрона.
Только после этого два атома молекулы кислорода могут быть безопасно иьювобождены в форме молекул воды (рис. т4.2У). Цитохромоксидазная реакция составляет около 90'э всех реакций захвата кислорода в клетке. Таким образом, этот белковый комплекс необходим для всей озробной жизни. Цианид и азид очень ядовиты, потому что крепко связываются с цитохромоксидааными комплексами клетки и останавливают электронный транспорт, значительно снижая синтез АТР.
атом Со 4 зле по од пере с цит МЕЖ ПРО активный сайт Рис. 14.27. Реакция О с электронами в цитокромоксидазе. Как показано, атом железа в геме а служит местом задержки электрона; это гем переносит четыре электрона на молекулу О, удерживаемую а активном сайте дауметаллического кластера, который образован другим связанным с тем ом железом (в геме о ) и расположен напротив атома меди. Обратите внимание, что на каждую молекулу О, вступающую в реакцию 4е + 4Н + О -+ 2Н,О, из матрикса откачиваетсл четыре протона. 1262 Часть)У. Виутрвиияяоргаииаацияиявнги Несмотря на то что у млекопитающих цитохромоксидаза содержит 13 различных белковых субъединиц, большинство из них, по видимому, играет вспомогательную роль, спосоГ)ствуя регуляции активности или сборке трех субъединигь составляющих ядро фермента.
Полная структура этого крупного белкового комплекса расшиф рована при помощи рентгеновской кристаллографии, как показано на рис. 14.28, Структуры в атомном разрешении, а также механистические исследования влияния направленных мутаций, введенных в фермент посредством генетической инженерии дрожжевых и бактериальных ферментов, позволили подробно изучить механизм работы этой слаженной белковой машины. МЕЖМЕМБРАННОЕ ПРОСТРАНСТВО МАТРИКС электроны с цитохрома Рис. 14.28. Молекулярная структура цитохромоксидазы. Этот белок представляет собой димер, образованный состоящими из 13 различных белковых субъединиц мономерами (масса мономера составляет 204 кда).
Три окрашенные субъединицы кодируются митохондриальным геномом, и они составляют функциональное ядро фермента. По мере того как злектроны движутся по ферменту на пути к связанной молекуле О,, они заставляют белок переносить протоны через мембрану (см. Рис. 14.27). а) Показан весь белок, расположенный во внутренней митохондриальной мембране. 6) Переносчикизлектроновлокализованы всубъединицах ) и и, как показано. Сц гем аз 14.2. Электрон-транспортные цепи и протонные насосы 1283 14.2.7.
Перенос электрона во внутренней митохондриальной мембране происходит путем туннелирования при случайных столкновениях Два компонента, переиосящих электроны между тремя основными ферментпыми комплексами дыхательной цепи, — убихииои и цитохром с — быстро диффуидируют в плоскости внутренней митохоидриальиой мембраны. Наблюдаемые скорости электронного транспорта (всякий комплекс отдает и получает электрон каждые 5 — 20 миллисекунд) можно объяснить предполагаемой скоростью случайных столкновений между этими подвижными переносчиками и медленнее диффуидирующими фермеитиыми комплексами.
Направленный перенос электронов по дыхательной цепи обеспечивают исключительно специфичные фуикциоиальиые взаимодействия между компонентами цепи: каждый переносчик электронов способен взаимодействовать без коротких замыканий только <о смежным переносчиком в последовательности, изображенной иа рис. 14,2б. В биологических системах электроны движутся между переносящими их молекулами ие только за счет движения вдоль ковалеитиых связей в пределах молекулы, ио и перепрыгивая иа расстояние до 2 им.
Такое перемещеиие происходит путем < туииелироваиияь электронов, кваитово-механического процесса, играющего ключевую роль в рассматриваемых нами процессах. Электрическая изоляция предупреждает короткие замыкания, которые могли бы происходить при столкновении электронного переносчика с низким редокс-потеициалом с переиосчиком с высоким редокс-потеициалом. По-видимому, эта изоляция создается за счет того, что электрон переносится достаточно глубоко внутри белка; в результате, туииельиые взаимодействия с неподходящим партнером невозможны. Далее мы обсудим, как изменение редокс-потеициала от одного переносчика к другому используется для откачки протонов из матрикса митохондрий. 14.2.8.
Значительное падение редокс-потенциала вдоль каждого иэ трех дыхательных ферментных комплексов дает энергию для откачки Н' Ранее мы рассмотрели, как окислительио-восстаиовительиый потенциал отражает сродство к электрону (см. разд. 2.2.9). На рис. 14.29 схематически представлено измеиеиие редокс-потеициалов вдоль дыхательной цепи. Потенциалы падают в три этапа иа трех основных фермеитативиых комплексах. Разница окислительио-восстаиовительиых потеициаив между любыми двумя электронными переносчиками прямо пропорциоиальиа свободной энергии, высвобождаемой при переносе электрона между кими.
Каждый фермеитиый комплекс преобразует энергию путем использования части этого изменения свободиой зиергии для откачки Н' через внутреннюю мембрану, создавая таким обржюм электрохимический протонный градиент, по мере того как злектроиы проходят через комплекс. Это преобразование можно наглядно продемонстрировать, если выделить все фермеитиые комплексы и по отдельности встроить их в липосомы: если добавить подходящий электронный донор и акцептор, электроны проходят по комплексу, и протоны переносятся через мембрану липосомы. Обратите внимание, что )чАРН вЂ” ие единственный источник электроиов дыхательной цепи.
Флавии ГАРН также синтезируется при окислении жирных кислот (см. рис. 2.81) и в цикле лимонной кислоты (см. Рис. 2.82). Его два электрона передаются напрямую иа убихинои без участия )чАРН-дегидрогеиазы; таким образом, оии приводят к откачке меньшего числа протонов, чем два электрона ХАРН. МДОН -400 зоо 200 гб 5 Я о 2Н + ИОз НзО гюправпег ие транспорта апек сроков Рис.
14.29. Изменение редокс-потенциала в электрон-трансе цепи митохондрий. Редакс-потенциал (обозначенный ЛЕз') увеличивается по мере тока электронов па дыхательной цепи к кислороду, Изменение стандартной свободной энергии Лб'для переноса двух электронов, донированных молекулой Идои, может быть определено при помощи расположенной слева оси ординат (Лб = -л(0 023) ЛЕ ', где л — число электроновов, перенесенных через разность потенциалов, равную ЛЕз' ма). Электроны движутся по дыхательному ферментному комплексу по цепочке электронных переносчиков, Часть изменения свободной энергии, как показано, используется для перекачки Н' через внутреннюю мембрану митохондрий. НЯОН-дегидзогеназа и цитохром Ь-с, комплекс откачивают по два протона на электрон, тогда как цитохромоксидаза только один.
П Н+я происходит ОО разньим механизмам Некоторые дыхательные комплексы перекачивают через внутреннюю митохоцдриальную мембрану один Н' на электрон, тогда как другие перекачивают два. Механизмы, посредством которых электронный транспорт сопрягается с перекачкой Н', различаются у разных фермептных комплексов. В цитохромпом Ь с, комплексе, очевидно, играют роль хиионы. Как упоминалось ранее, хицоп захватывает один Н' из водного окружения па каждый переносимый электрон, и высвобождает его при передаче электрона ссм. рис. 14.24). Поскольку убихипоп свободно перемещается по липидиому бислою, оп может получать электроны вблизи внутренней поверхности мембраны и донировать их на цитохромпый Ь-с, комплекс вблизи внешпей поверхности, перенося таким образом через бислой один Н+ на каждый электрон.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
