Б. Альбертс, А. Джонсон, Д. Льюис и др. - Молекулярная биология клетки (djvu) (1129766), страница 261
Текст из файла (страница 261)
Однако цитохромпый Ь с, комплекс откачивает два протона па электрон. Сложная последовательность электронных переносов, делающая возможным такое поведение, до сих пор исследуется на атомном уровне, чему способствует полная структура цитохромиого Ь-с, комплекса, расшифрованная методом реиттеиовской кристаллографии 1рис. 14.30). 12В4 . з(зать Ве.' Внутренняя Органиэация кяепси х о 25 Ф го й Ф Ф о щи(5 Ф с а Ф н о.-" Ф 10 и Ф я -1ОО— ': —, 1ОО к ;.-.;.-'' гоо В о :и: зоо ''. 400 ст гх чг-.,-:„".', ВОО тоо ;-.',;:-,:-";=-".
'воо МЕЖМЕМБРАННО ПРОСТРАНСТВО МАТРИКС а) Рис. 14.ЭО. Атомная струнтура цитохрома Ь-с . Этот белок представляет собой димер. У млекопитающих мономер массой 240 кДа состоит из 11 различных белков. Три окрашенных белка составляют функциональное ядро фермента: цитохром Ь (зеленый), цитохром с, (симой) и белок Риске, несущий желеэосерный кластер (фиолегповый). а) Взаимодействие этих белков в двух мономерах. б) Электронные переносчики и места входа и выхода электронов. Донированные убихиноном электроны сначала идут по сложному пути реакций переноса электронов и протонов в белковом комплексе, что увеличивает запасание свободной энергии.
Этот процесс, при котором часть электронов возвращается обратно в пул хинонов, называется О-циклом. 12М ....~ЬСТЬ Вт Ви)ГтРВИйип ОР(ч НиааЦИЯ Кявтии Электронный транспорт вызывает аллостсрические изменения белковой кон формации, которые также способны откачивать протоны, как происходит, когда Н' псрекачивастся при гидролизе АТР работающей в обратном направлении АТР синтазой.
В случае )т)АРН дегидрогеназного комплекса и цнтохромоксидаз ного комплекса электронный транспорт, по видимому, вызывает последовательные аллостернчсскне изменения кон4тормации за счет изменения редокс состояния ком понснтов комплексов. Конфорьгационные перестройки, в свою очередь, заставляют белок перекачивать Н' через внутреннюю мембрану митохондрий. Для такого типа переноса Н' требуется по крайней мере три различные конформации белка; обгций механизм представлен на рисунке (4.3(. (низкое сродство к Н ) гтвй высвобождение протонов Л (высокое сродство к Н ) .Ьйэту(зЯНйЕЕ:.
(высокое сродство к Н ) ЙМФП'~Ч4ВТВб релаксация затрата энерги ПАДЕНИЕ СРОДСТВА К Н (высокое низкое) УВЕЛИЧЕНИЕ СРОДСТВА К Н яй (низкое высокое) г)лт, следующий н цикл захват протонов захват протонов (высокое сродство к Н ) Рис. 14 31. Общая модель перекачки Н'. Данная модель перекачки Н' трансмемб раиным белком основана на механизмах, которые, нак считается, используются ЙАОН-дегидрогеназой и цитохромоксидазой, а также светозависимым прокариотичесним протонным насосом бактериородопсином. Белок проходит цикл из трех нонформаций: А, В и С.
Разное положение белковых конформаций по вертикали отражает тот факт, что они обладают разной энергией. В конформации А белок обладает высоким сродством к Н', что заставляет его захватывать Н' с внутренней стороны мембраны. В конфармации С сродсшо белка н Н' мало, поэтому он высвобождает Н' во внешнюю среду. Переход из конформации В в конформацию С, вызывающий высвобождение Н', энергетически невыгоден и происходит толька за счет аллостеричее ного сопряжения с энергетически выгодной реакцией, протекающей в другом месте белка (синяя стрелка). Два других нонформационных перехода, А -+ В и С -+ А, приводят к сосюяниям с меньшей энергией и происходят самопроизвольно.
Поскольку в целом е цикле А -+  — э С -+ А высвобождается свободная энергия, Н' откачи веются из внутренней среды (матрикса митохондрий) во внешнюю (межмембра нное пространство митохонгзэий). В случае НАЮН-дегигээогеназьг и цитохромонсидазы энергию, необходимую для перехода В -+ С, дает электронный транспорт, тогда кан в случае бантериородопсина движущей силой служит свет (см. рис. 10.33).
Другие протонные насосы получают энергию за счет гидролиза АТР но всегда для направленного процесса перекачки требуются па крайней мере три различные конформации, точно тан же как по крайней мере три конформации требуются для создания бел на. способного двигаться по филаменту в одном направлении (см. Рис. 3.77). 14.2. Электрон-транспортные цепи и протонные насосы 1287 Теперь, когда мы обсудили механистические основы электронного транспорта и перекачки протонов, мы можем перейти к рассмотрению регуляции дыхательной цепи, то есть того, как достигается ее оптимальная работа в клетке. 14.2.10. Н'-ионофоры разобщают электронный транспорт и синтез АТР Начиная с 40-х гг. ХХ века было известно несколько соединений, например 2,4-динитрофенол, которые действуют как разобщители, то есть разобщают электронный транспорт и синтез АТР.
Добавление этих низкомолекулярных органических соединений в клетку останавливает синтез АТР митохондриями, не блокируя при этом захват кислорода. В присутствии разобщителя электронный транспорт и перекачка Н+ продолжаются с высокой скоростью, но градиента Н" не создается. Объяснение этого эффекта простое и изящное: разобщители — это жирорастворимые слабые кислоты, которые действуют как диффундирующие переносчики Н" в липидном бислое (Н'-ионофоры) и создают путь для тока Н' через внутреннюю митохондриальную мембрану, обходящий АТР-синтазу стороной.
В результате такого короткого замыкания протондвижущая сила полностью диссипирует, и АТР ие может синтезироваться. 14.2.11. Дыхательный контроль обычно ограничивает поток электронов через цепь Добавление разобщителя, например динитрофенола, к клеткам вызывает увеличение скорости электронного транспорта, что ведет к усилению поглощения кислорода, отражающего с)чцествование дыхательного контроля. Считают, что контроль действует посредством прямого ингибиторного влияния электро- химического протонного градиента на скорость электронного транспорта. Когда разобщитель снимает градиент, электронный транспорт может свободно щютекать на максимальной скорости. По мере увеличения градиента электронный транспорт затрудняегся, и процесс замедляется.
Более того, если на внутренней мембране искусственно создать необычно большой электрохимический протонный градиент, нормальный электронный транспорт полностью останавливается, и на некоторых участках дыхательной цепи можно наблюдать обратный транспорт электронов. Это наблюдение указывает на то, что дыхательный контроль отражает простое равновесие между изменением свободной энергии связанного с электронным транспортом переноса протонов и изменением свободной энергии электронного транспорта, то есть величина электрохимического протонного градиента влияет как на скорость, так и на направление электронного транспорта.
Точно так же она влияет на направление работы АТР-синтазы (см. рис, 14.19). Дыхательный контроль является лишь частью сложной взаимосвязанной системы обратных связей, координирующей скорости гликолиза, расщепления жирных кислот, цикла лимонной кислоты и электронного транспорта. Скорости всех этих процессов связаны с соотношением АТР:АПР, и возрастают, когда усиленная утилизация АТР приводит к падению этого соотношения. АТР-синтаза во внутренней мембране митохондрий, например, работает быстрее при увеличении концентрации ее субстратов АПР и Р, Когда она ускоряется, фермент позволяет большему числу Н' проникать в матрикс, и, следовательно, электрохимический щютонный градиент быстрее диссипирует. Падение градиента, в свою очередь, усиливает скорость электронного транспорта.
1288 Часть 1Ч. Внутренняя организация клетки Сходные механизмы, включая ингибирование нескольких ключевых ферментов молекулой АТР, направлены на регуляцию скоростей синтеза и распада )чАОН дыхательной цепью, и так далее. Результатом этих разнообразных процессов контроля является в 5 — 10 раз более быстрое, чем в покое, окисление организмом жиров и сахаров во время тяжелой физической нагрузки. 14.2.12. Природные разобщители превращают митохондрии бурого жира в производящие тепло машины В некоторых специализированных жировых клетках митохондриальное дыхание в норме не сопряжено с синтезом АТР.
В этих клетках, известных как клетки бурого жира, большая часть энергии окисления диссипирует в тепло, а не переводится в АТР. Внутренние мембраны крупных митохондрий этих клеток содержат специальный транспортный белок, так называемый разобщающий белок, который позволяет протонам двигаться по электрохимическому градиенту без участия АТР-синтазы. Разобщающий белок включается, когда необходимо производство тепла. В результате клетки быстро окисляют запасы жира и производят больше тепла, чем АТР.
Ткани, содержащие бурый жир, служат «грелками», способствуя просыпанию находящихся в спячке животных и защищая чувствительные участки тела новорожденных младенцев от холода. 14.2.13. Митохондрии играют множество ключевых ролей в метаболизме клетки Клетки большей частью состоят из макромолекул, которые постоянно требуют восстановления или замены по мере старения клетки. Даже у нерастущих клеток и организмов разлагающиеся молекулы должны быть заменены посредством биосинтеза. В данной главе мы делали ударение на ключевую роль митохондрий в синтезе АТР, необходимого клеткам для поддержания себя как высокоорганизованных единиц во Вселенной, всегда стремящейся к увеличению беспорядка (см.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
