Краткое содержание главы

В реакциях, связанных с переносом электронов, т.е. в реакциях окисления-восстановления, способность донора электронов (восстановителя) отдавать электроны характеризуется стандартным восстановительным потенциалом Окислительно-восстановительные системы, обладающие более электроотрицательными значениями стремятся передать свои электроны системам с более электроположительными значениями Изменение стандартной свободной энергии в окислительно-восстановительных реакциях определяется из уравнения . В митохондриях атомы водорода, отщепленные от субстратов дегидрогеназами, передают свои электроны в цепь переноса электронов. Переходя по этой цепи от одного переносчика к другому, электроны в конечном итоге достигают молекулярного кислорода и восстанавливают его в . Энергия, высвобождающаяся в процессе переноса электронов, используется для окислительного фосфорилирования ADP в АТР. Окислительное фосфорилирование протекает во внутренней митохондриальной мембране.

От всех NAD-зависимых реакций дегидрирования восстановительные эквиваленты переходят к митохондриальной NADH-дегидрогеназе, содержащей в качестве простетической группы FMN. Затем через ряд железо-серных центров они передаются на убихинон, который передает электроны цитохрому . Далее электроны переходят последовательно на цитохромы и , а затем на цитохром (цитохромоксидазу), которая содержит медь. Цитохромоксидаза передает электроны на . Для того чтобы полностью восстановить с образованием двух молекул требуются четыре электрона и четыре иона Перенос электронов блокируется в определенных точках ротеноном, антимицином А и цианидом. Процесс переноса электронов сопровождается значительным снижением свободной энергии. В трех участках дыхательной цепи происходит запасание энергии в результате синтеза АТР из ADP и Окислительное фосфорилирование и перенос электронов можно разобщить, воспользовавшись для этого разобщающими агентами или ионофорами, такими, как валиномицин. Для того чтобы могло происходить окислительное фосфорилирование, внутренняя митохондриальная мембрана должна сохранять свою целостность и должна быть непроницаемой для ионов и некоторых других ионов. Перенос электронов сопровождается «выталкиванием» ионов из митохондрий. Согласно хемиосмотической гипотезе (одной из трех гипотез, предложенных для объяснения механизма окислительного фосфорилирования), перенос электронов создает между двумя сторонами внутренней митохондриальной мембраны градиент концентрации ионов при котором их концентрация снаружи выше, чем внутри. Предполагается, что именно этот градиент служит движущей силой синтеза АТР, когда ионы возвращающиеся из цитозоля в матрикс, проходят через молекулы в мембране.

Во внутренней митохондриальной мембране имеются транспортные системы для адениновых нуклеотидов, фосфата и ряда метаболитов. Перенос электронов тормозится при понижении концентрации ADP и ускоряется, когда концентрация ADP возрастает благодаря тем или иным клеточным процессам, сопровождающимся утилизацией АТР. Скорости гликолиза, цикла лимонной кислоты и процесса окислительного фосфорилирования согласованы между собой. Эта согласованность обеспечивается взаимосвязанными регуляторными механизмами, которые реагируют на величину отношения и на содержание некоторых наиболее важных метаболитов, отражающих энергетическое состояние клеток.

В клетках протекают также окислительные реакции, в процессе которых атомы кислорода включатся в органические молекулы, прежде всего в относительно гидрофобные молекулы различных чужеродных веществ и лекарственных препаратов с образованием гидроксилированных и карбоксилированных продуктов.

ЛИТЕРАТУРА

Общие сводки

Dickerson R. Е. Cytochrome с and the Evolution of Energy Metabolism, Sci. Am., 242, 137-153, March (1980).

Hinkle P., McCarty R E. How Cells Make ATP.

Sci. Am., 238, 104-123, March (1978). Whittaker D. A.. DanksS.M. Mitochondria: Structure, Function and Assembly, Longman, London, 1978. Краткий, написанный на современном уровне обзор. Материал ясно изложен и хорошо иллюстрирован. Прекрасное руководство для общего ознакомления с вопросом.

История вопроса и общие сведения

Keilin D. The History of Cell Respiration and Cytochromes, Cambridge University Press, London, 1966.

Lehninger A.L. The Mitochondrion: Molecular Basis of Structure and Function. Benjamin, New York, 1965. (Имеется перевод: Ленинд-жер А. Митохондрия. Молекулярные основы структуры и функции.-М.: Мир, 1966.) Мнтохондрни как силовые станции клетки.

Racker Е. A New Look at Mechanisms in Bioenergetics, Academic, New York, 1976. (Имеется перевод: Рэкер Э. Биоэнергетические механизмы: новые взгляды,-М.: Мир, 1979.) Отчет о собственных исследованиях с забавными комментариями.

Механизм окислительного фосфорилирования

Boyer P. D.. Chance В.. Ernster L.. Mitchell Р.. Racker Е„ Slater Е. С. Oxidative Phosphorylation and Photophosphorylation, Ann. Rev. Biochem., 46, 955-1026 (1977). Различные представления о механизме окислительного фосфорилирования в изложении ведущих исследователей, работающих в этой области.

Mitchell P. Kellin's Respiratory Chain Concept and Its Chemiosmotic Consequences, Science, 206, 1148-1159 (1979). Речь при вручении Нобелевской премии, в которой вкратце рассказано о том, как создавалась хемиосмотическая гипотеза.

Tedeschi Н. Mitochondria: Structure, Biogenesis, and Transducing Functions, Springer-Verlag, New York, 1976. Более подробная сводка.

Специальные темы

Lehninger A. L. Mitochondria and Biological Mineralization Processes', an Exploration. In: E. Quagliariello, F. Palmieri and T. Singer (eds), Horizons in Biochemistry and Biophysics, vol. 4, pp. 1 -30, Addison-Wisley, Reading, Mass., 1977. Поскольку митохондрии наряду с фосфатом накапливают и Са2+, они, возможно, служат тем местом, где протекают первые стадии процесса биологического кальцинирования.

Luft R., lrkos D., Palmieri С., Ernster AJze-lius B. A Case of Severe Hypermetabolism of Non-Thyroid Origin with a Defect in Mitochondrial Respiratory Control: A Correlated Clinical, Biochemical, and Morphological Study, J. Clin. Invest., 41, 1776- 1804 (1962). Первый изученный случай нарушения регуляции переноса электронов у человека.