С.С. Медведев - Физиология растений (PDF) (1134225), страница 20
Текст из файла (страница 20)
рис.NAD(P)H,образующихся в цитозоле3.6).3.9.2.Транспорт электронов во внутренней мембране митохондрийОтдельные белки-переносчики электронов расположены во внутренней мембранемитохондрий не беспорядочно, а собраны, как уже было сказано, в4мультиэнзимныхкомплекса. Транспорт электронов идет от одного комплекса к другому. Вначале электроны отI,NAD(P)H,синтезируемого в матриксе в цикле Кребса, поступают в комплекскоторый передает их на убихинон (см. рис .пластохиионом (см. с.52)3.6).Функционально убихинон схож си функционирует как переносчик электронов и протонов,принимая их от четырех дегидрогеназ и передавая уже только электроны или на комплексIII,или на альтернативные оксидазы.Основным компонентом комплексаII являетсясукцинатдегидрогеназа.
Электроны,образующиеся после окисления сукцината, передаются черезFADH 2 игруппу из трехжелезосерных белков на пул убихинонов.КомплексIII работает как убихинол:цитохром с- оксидоредуктаза. Его отличительной особенностью является то, что одновременно с переносом электронов в комплексечерез внутреннюю мембрану митохондрий с помощью хинонов транспортируются протоны в отношении н+/ е- =2/ 1.Хиноны свободно диффундируют в липидной фазе мембран, что позволяет им не только переносить электроны между мембраннымикомплексами, но также выполнять функции протонофоров - трансмембранных переносчиков ионов н+ .95Взаимодействие комплекса цитохромовbjcс пулом убихинонов осуществляется через низкопотенциальный участок цитохрома Ь.
Вначале происходит окисление убихинола (до семихинона) и передача электронов на низкопотенциальный гем (Ь 565 ) цитохромаЬ и железосерный белок Риске. Протоны же, образуемые при окислении убихинола, переносятся в межмембранное пространство. От белка Риске электроны через мембранносвязанный цитохром с 1 поступают от комплексаIIIна водорастворимый цитохром с,который, не являясь мембранным белком, функционирует как подвижный переносчикэлектронов между комплексамиIII и IV.От низкопотенциального гема (Ь 565 ) электроныпоступают на высокопотенциальный гем ( Ь 56 о) цитохрома Ь, а далее- на семихин он, который восстанавливается до убихинола.
В итоге на каждыекомплексом цитохромовпереносится4bjc12 электрона,передаваемыена цитохром с, через внутреннюю мембрану митохондрийпротона (так же, как при транспорте электронов комплексом цитохромов Ь/ f через мембрану тилакоидов). Механизм этого процесса подробно изложен нас.51- 52.КомплексIV осуществляет перенос электронов от цитохрома с на кислород с образованием воды. В ходе этого процесса центр а· а 3 · Сuв получает два электрона от центраСuд и присоединяет к себе кислород, который превращается в пероксид, сохраняя приэтом связь с ферментом до образования воды.Четыре митохондриальных комплекса организованы в мембране строго упорядоченно, что обеспечивает специфичность и векториость процессам окисления.и сукцинат окисляются в матриксе, там же, где и восстанавливаетсяфункционирует в межмембранном пространстве.
В комплексе(FeS)1110 2.NADHЦитохром сжелезосерные центрыбелка Риске, цитохром с 1 и низкопотенциальный гем цитохрома Ь (Ь 565 ) располоЖЕ'Р.:Ы ближе к внешней поверхности мембраны, в то время как высокопотенциальныйгем цитохрома Ь (Ь 56 о) локализован ближе к матриксу.3.9.3.Окислительное фосфорилированиеВпервые идею о сопряжении процессов дыхания с фосфорилированиемразованием АТР высказал В. А. Энгельгардт. Ему в1931ADPи обг. удалось показать, что приаэробном дыхании накапливается АТР. Всии и Г. Калькар (Н. М.1937-1939 гг. биохимики В. А. Белицер в РосKalckar) в США установили, что при окислении промежуточныхпродуктов цикла Кребса (янтарной и лимонной кислот) суспензиями клеток животныхтканей исчезает неорганический фосфат и синтезируется АТР.
В анаэробных условиях или при подавлении дыхания цианядом такого фосфорилирования не происходило. Процесс фосфорилированияADPс образованием АТР, сопряженный с переносомэлектронов по электрон-транспортной цепи митохондрий, назьmается ах:ислителъ·н:ымфосфорилированием.Изменение свободной энергии (дG') в процессе окисления кислородом 1 моляNADH, сопряженного с синтезом 3 молекул АТР, составляет около -110 кДж/моль.Экспериментально также показано, что передача пары электронов от NADH на кислород сопровождается образованием по крайней мере 3 молекул АТР, т. е. коэффициентфосфорилирования Р / 0 = 3. Это же значение следует из величин перепада свободнойэнергии между переносчиками электрона в электрон-транспортной цепи митохондрий.Таких перепадов три:1) между NADH и железосерным белком FeSN 2 в комплексе 1(50 кДж/моль); 2) между убихиноном и цитохромом с 1 в комплексе III (13 кДж/моль);3) между комплексом цитохрома а и атомом меди Сuд и кислородом (8,4 кДж/моль).Если же окисляется сукuинат с использованием FAD, то отсутствует 1-й пункт фосфорилирования и образуется только 2 молекулы АТР.96Для объяснения механизма синтеза АТР были предложены три гипотезы - химическая, механохимическая и хемиосмотическая .Согласно химической гипотезе, в митохондриях за счет энергии окисления на первомэтапе формируется некий фосфорилированный интермедиат (Х"'Р).
На втором этапепроисходит перенос фосфатной группы с фосфорилированного интермедиата наADPи образование АТР:Х"' Р+ ADP ----.АТР+ Х.Однако вещество Х так и не удалось найти .Механохимический механизм синтеза предполагает, что при окислении субстратовпроисходят конформационные изменения митохондрий, которые и обеспечивают энергию для синтеза АТР:окисление субстратов--+в митохондрияхконформационные --+ ~измененияАТРADP + Ри •белковВ основу механохимической гипотезы, предложенной вхимиком Полем Бойером (Р.Boyer),1965г. американским биобыло положено свойство митохондрий изменятьсвой объем в зависимости от энергетического состояния.
Однако гипотеза П. Бойеране давала ответа на вопрос : почему при работе электрон-транспортной цепи митохондрии происходит подкисление среды. Объяснение этому факту было дано английскимбиохимиком Питером Митчеллом (Р. Mitchell, 1961- 1966).Митчелл ввел понятие сопрягающей .ме.мбрани, непроницаемой для ионов н+.
Онnолагал, что в таких мембранах происходит сопряжение процессов окисления, трансмембранного 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 хе.миос.мотичесr.:ой гипотезе, предложенной 1\tlитчеллом в1961г., движение электронов по электрон-транспортной цепи сопровождается транспортом ионов н+из матрикса в межмембранное пространство митохондрий . В результате на внутреннеймембране митохондрий формируется электрохимический градиент протонов, которыйи 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 стимулируютлоглощение 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 фосфорилированияADP. Большинстворазобщителей являются хорошо растворимыми в липидах слабыми кислотами, которые в зависимости от рН среды легко присоединяют или отдаютн+ . Во-вторых, самому Митчеллу удалось в условиях искусственно созданного градиента протонов на МI->тохондриальной мембране зарегистрировать возрастание скоростисинтеза АТР (при подкислении внешней средьr).Окончательное экспериментальное подтверждение теории Митчелла было сдела-97но американским биоэнергетиком Эфраимом Рэкером (Е.Racker, 1973).Ему удалосьполучить мембранные везикулы (липосо!'.tы) из сои и встроить в них хромапротеинбактериородопсин из галофильной археиHalobacteriumhaloЬium, а также АТР-синтазумитохондрий сердца быка. Ба1сmериородопсип обладает способностью за счет энергиисвета функционировать как трансмембранный протонный насос, обеспечивая таким образом создание электрохиыического градиента ионов н+ .
В экспериментах Рэкера приосвещении гибридных везикул, содержащих бактериородопсин и АТР-синтазу, регистрироRались не только генерация мембранного градиента протонов , но и синтез АТР.За разработку хемиосмотической теории окислительного фосфорилирования ПитеруМитчеллу в1978г. была присвоена Нобелевская премия .Таким образом, энергия окисления дыхательных субстратов в процессе переносаэлектронов и протонов по электрон-транспортной цепи митохондрий вначале трансформируется в энергию электрохимического градиента ионов н+ (~Рн+, или протондвижущую силу) на внутренней мембране митохондрий и только затем ареобразуетсяв энергию макроэргической связи АТР:окисление дыхательныхмемб_градиент рНсубстратов в митохондриях~ТРраниыи~->~ ~DP + рн.При этом возникает другой вопрос: каков же механизм трансформации энергиимембранного градиента рН в 11-1акроэргическую энергию фосфатной связи АТР.
Былопредложено несколько принципов синтеза АТР, из которых наибольший интерес представляют два - прямой механизм Митчелла и обмен:н.о-связ'Ы6ающий механизм Бойера.Согласно П. Митчеллу, синтез АТР идет следующим образом. В началесвязываются с комплексомF1ADPи Рнфермента АТР-синтазы. Далее протоны, перемещаясь попротонному каналу, взаимодействуют с одним из атомов кислорода фосфорной кислоты, который выводится из комплекса в виде воды: 2Н++О -+ Н 2 0. После этого ADPчерез атом кислорода соединяется с фосфатом, образуя АТР. На заключительном этапепроисходит отделение синтезированной молекулы АТР от ферментативного комплекса .Механизм связывание-обмен П . Бойера предполагает, что HIJ.
первом этапе происходит присоединениеADPи Р н к активному центру фермента и синтез АТР без притокаэнергии. На втором этапе ионы н+, перемещаясь по протонному каналу АТР-синтазного комплекса(F1),(F0 ), вызывают конформационные изменения в каталитическом центрев результате чего происходит высвобождение АТР.Дальнейшие исследования, связанные с анализом кинетики процесса синтеза АТРи особенно с изучением кристаллической структуры F 1 -комплекса АТР-синтазы, привели к выводу, что синтез АТР идет согласно обменно-связывающему механизму, предложенному Полем Бойером (Р.3.9.4.D. Boyer, 1989, 1993, 1997).Механизм работы АТР-синтазного комплекса митохондрийСинтез АТР катализируется АТР-синтазой, состоящей из водорастворимого каталитического комплексаF 1 и интегрального мембранного комплекса Fo. АТР-синтазаприсутствует во внутренней мембране митохондрий и в тилакоидной мембране хлоропластов .
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
