С.С. Медведев - Физиология растений (DJVU) (1134223), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Механизм этого процесса подробно изложен па с. 51-52. Комплекс 1Ч осуществляет перенос электронов от цитохрама с на кислород с образованием воды. В ходе этого процесса центр и. аз- Спв получает два электрона от центра Снд и присоединяет к себе кислород, который превращается в пероксид, сохраняи при этом связь с ферментом до образования воды. Четыре митохондриальных комплекса организованы в мембране строго упорядочешю, что обеспечивает специфичность и векторность процессам окисления. АРАОН и сукцинат окисляются в матриксе, там же, где и восстанавливается Оз. Цитохром с функционирует в межмсмбранном пространстве.
В комплексе 1П железосерные центры (РеЯ) белка Риске, цитохром сз и низкопотенциальный гем цитохрома Ь (Ьзвь) расположены ближе к внешней поверхности мембраны, в то время как высокопотенцивлъный гем цитохрома 6 (Ьзвс) локализован ближе к матриксу. 3.9.3. Окислительнае фосфорилнрование Впервые идею о сопряжении процессов дыхания с фосфорилированием АОР и образованием АТР высказал В. А. Энгельгардт. Ему в 1931 г. удалось показать, что при аэробном дыхании накапливается АТР. В 1937-1939 гг. биохимики В. А.
Белицер в России и Г. Калькар (Н. М. Ка1с1саг) в США установили, что при окислении промежуточных продуктов цикла Кребса (янтарной и лимонной кислот) суспензиями клеток животных тканей исчезает неорганический фосфат и синтезируется АТР. В анаэробных условиях или при подавлении дыхания циаш;дом такого фосфорилирования не происходило. Процесс фосфорилировання А1ЭР с образованием АТР, сопряженный с переносом электронов по электрон-транспортной цепи митохондрий, называется саислитальны.м 4осфарилироеаниелс Изменение свободной энергии (АС') в процессе окисления кислородом 1 моля АРАОН, сопряженного с синтезом 3 молекул АТР, составляет окало -110 кДж/моль.
Экспериментально также показано, что передача пары электронов от АРАОН на кислород сопровождается образованием по крайней мере 3 молекул АТР, т. е. к<~ффициент фосфорилнрования Р/0.=-3. Это же значение следует из величин перепада свободной энергии между переносчиками электрона в электрон-транспортной цепи митохоцлрий. Таких перепадов три: 1) между АРАОН и железосерным белком РеВнз в комплексе 1 (50 кДж/моль); 2) между убихиноном и цитахромом сз в комплексе 1П (13 кДж/моль); 3) между комплексом цвтохрома и и атомом мели Снл н кислородом (8,4 кДж/моль). Если же окисляегся сукцинат с использованием РАП, то отсутствует 1-й пункт фосфорилирования и образуется только 2 молекулы АТР.
Для объяснения механизма синтеза АТР были предложены три гипотезы — химическая, механохимическая и хемиосмотическая. Согласно химической гипотезе, в митохондриях за счет энергии окисления на первом этапе формируется некий фосфорилировшпгый интермедиат (Х Р). На втором этапе происходит перенос фосфатной группы с фосфорилированного интермедиата на АПР я образование АТР: Х Р+АПР- АТР+Х. Однако вещество Х так и не удалось найти.
Механохимический механизм синтеза предполагает, что при окислении субстратов происходят конформационные изменения митохоцдрий, которые и обеспечивают энергию для синтеза АТР АТР окисление субстрагов — конформапианяые — 1 в мятохош~иях изменения АЭР+ Р„. белков В основу механохимической гипотезы, предложенной в 1965 г. американским биохимиком Полем Бойером (Р.
Воуег), было положено свойство митохондрий изменять свой объем в зависимости от энергетического состояния. Однако гипотеза П. Бойера яе давала ответа. на вопрос: почему при работе электрон-транспортной цепи митохондрии происходит подкисление среды. Объяснение этому факту было дано английским биохимиком Питером Митчеллом (Р.
М11сЬе11, 1961-1966). Митчелл ввел понятие сопрягающей мембраны, непроницаемой для ионов Н+. Он полагал, что в таких мембранах происходит сопряжение процессов окисления, транс- мембранного транспорта протонов и синтеза АТР. Он также постулировал, что элементы электрон-транспортной цепи митохондрий расположены в мембране таким образом, что переносчики электронов и протонов чередуются с переносчиками только электронов. Согласно хемиосмошическоб гипотезе, предложенной Митчеллом в 1961 г., движение электронов по электрон-транспортной цепи сопровождается транспортом ионов Н ~ из матрикса в мсжмембранное пространство митохоццрий. В результате на внутренней мембране митохондрий формируется электрохимический градиент протонов, который я является непосредственным источником энергии для синтеза АТР.
Синтез АТР осуществляется в процессе транспорта ионов Н+ по градиенту концентрации через протонный канал фермента АТР-синтазы. Вскоре теория Митчелла получила экспериментальное подтверждение. Во-первых, было обнаружено, что некоторые вещества (так называемые разобщители, к которым относится, например, 2,4-динитрофенол) подавляют синтез АТР, но стимулируют поглощение кислорода. Митчелл объяснил эффект разобщителей тем, что они разряжают мембрану, так как являются протонофорами, т.е. переносчиками ионов Н+.
Результатом «протонного» шунтирования митохондриальной мембраны является разобщение процессов окисления субстратов в дыхательной цепи и фосфорилировання АПР. Большинство разобщителей являются хорошо растворимыми в липидах слабыми кислотами, которые в зависимости от рН среды легко присоединяюг или отдают Н+. Во-вторых, самому Митчеллу удалось в условиях искусственно созданного градиента протонов на мктохоцлриальной мембране зарегистрировать возрастание скорости синтеза АТР (при псдкислении внешней среды). Окончательное экспериментальное подтверждение теории Митчелла было сдела- 97 но американским биоэнергетиком Эфраимом Рэкером (Е. Вас1сег, 1973). Ему удалось получить мембранные везикулы (липосомы) из сои и встроить в них хромопротеин бактериородопсин из галофильной археи Оа1обас1е~ит Ьа1обтит, а также АТР-синтазу митохондрий сердца быка.
Бактпериородопсии обладает способностью за счет энергии света функционировать как трансмембранный протонный насос, обеспечивая таким образом создание электрохимического градиента ионов Н+. В экспериментах Рэкера при освещении гибридных везикул, содержащих бактериородопсин и АТР-синтазу, регистрировались не только генерация мембранного градиента протонов, но и синтез АТР. За разработку хемиосмотической теории окислительного фосфорилированин Питеру Митчеллу в 1978 г. была присвоена Нобелевская премия. Таким образом, энергия окисления дыхательных субстратов в процессе переноса электронов и протонов по электрон-транспортной цепи митохондрий вначале трансфорьгируется в энергию электрохимнческого градиента ионов Н+ (Лрты, или протовдвижушую силу) на внутренней мембране митохондрий н только затем преобразуется в энергию макроэргической связи АТР АТР окисление дыхательных мембранный субсг1внов в мнтохондрнах градиент рН т Аро .~.
о Н При этом возникает другой вопрос: каков же механизм трансформиши энергии мембранного градиента рН в макроэргическую энергию фосфатной свнзи АТР. Было предложено несколько принципов синтеза АТР, из которых наибольший интерес представляют два — прямой механизм Митчелла и оймеяно-связывающий механизм Бойера. Согласно П. Митчеллу, синтез АТР идет следующим образом. В начале АВР и Р„ связываются с комплексом Рт фермента АТР-синтазы. Далее протоны, перемещаясь по протонному каналу, взаимодействуют с одним из атомов кислорода фосфорной кислоты, который выводится из коьшлекса в виде воды: 2Н+ + Π— НзО.
После этого АПР черте атом кислорода соединяется с фосфатоы, образуя АТР. На заключительном этапе происходит отделение синтезированной молекулы АТР от ферментативного комплекса. Механизм связывание — обмен П. Бойера предполагает, что на первом этапе происходит присоединение АПР и Р„к активноыу центру фермента и синтез АТР без притока энергии. На втором этапе ионы Н+, перемещаясь по протонному каналу АТР-синтазного комплекса (Ро), вызывают конформационные изменения в каталитическом центре (Рт), в результате чего происходит высвобождение АТР.
Дальнейшие исследования, связанные с анализом кинетики процесса синтеза АТР и особенно с изучением кристаллической структуры Рт-комплекса АТР-синтазы, привели к вьпюду, что синтез АТР идет согласно обменно-связывающему механизму, предложенному Полем Бойероьг (Р. П. Воуег, 1989, 1993, 1997). 3.9.4. Механизм работы АТР-синтазного комплекса митохондрий Синтез АТР катализируется АТР-синтазой, состоящей из водорастворимого каталитического комплекса Гт и интезрального мембранного комплекса Ро. АТР-синтаза присутствует во внутретпгей мембране митохондрий и в тилакоидной мембране хлоропласгов. Субъединичный состав комплекса Рт очень консервативен и совпадает у хлоропластов и митохондрий (см.
рис. 2.15). Комплекс Рт включает пять различных белков — три (т-субъедитшцы, три о-субъединицы и по одной йч 6- и е-субъединице. Субьединичный состав комплексов Го у различных организмов более вариабелен. У Е. сой Н сой в состав Рс входит 15 субъсдиниц, а у млекопитающих -- 22-26 субъединиц 1Ре«1- егзеп е. а., 2000); АТР-синтаза Е. сей Митохондриальная АТР-синтаза животных Комплекс из 24 субъединиц Комплекс из 31 субъединицы На рис. 3.7 приведено строение наиболее хорошо изученного АТР-синтазного комплекса Е. со11 Можно видеста что в состав Ро-комплекса входит одна а-субъединица, две Ь-субъединицы и 12 с-субъединиц.
Когда комплекс Р1 диссоциирует от мембраны, он функционирует как АТРаза. В определенных условиях комплекс РзРе может функционировать как протонный насос, использующий энергию гидролиза АТР для транспорта Н+ через мембрану (см. рис. 5.5). Обменно-связывающий механизм Бойера включает три принципиальных элемента. + 1. Основным этапом, требующим энергии, является Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
