ОРГАНИЗАЦИЯ ДЫХАТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ В МИТОХОНДРИЯХ

Главные компоненты дыхательной цепи (рис. 13.2) приведены последовательно в порядке возрастания окислительно-восстановительного потенциала в табл. 12.1. Атомы водорода или электроны перемещаются по цепи от более электроотрицательных компонентов к более электроположительному кислороду, изменение окислительно-восстановительного потенциала при переходе от системы к системе составляет 1,1 В.

Главная дыхательная цепь в митохондриях начинается от -зависимых дегидрогеназ, проходит через флавопротеины и цитохромы и заканчивается молекулярным кислородом. Не все субстраты связаны с дыхательной цепью через -зависимые дегидрогеназы; некоторые из них, имеющие относительно высокий окислительно-восстановительный потенциал (например, система фумарат/сукцинат, см. табл. 12.1), связаны с флавопротеиновыми дегидрогеназами, которые в свою очередь связаны с цитохромами дыхательной цепи (рис. 13.3).

В последнее время установлено, что в дыхательной цепи имеется еще один переносчик, связывающий флавопротеины с цитохромом b, обладающим самым низким среди цитохромов окислительновосстановительным потенциалом. Этот переносчик, названный убихиноном или коферментом Q (рис. 13.4), в аэробных условиях находится в митохондриях в форме окисленного хинона, а в анаэробных условиях — в восстановленной хинольной форме. Кофермент Q является компонентом митохондриальных липидов; среди других липидов преобладают

Рис. 13.1. Главные источники восстановительных эквивалентов и их связь с митохондриальной дыхательной цепью. Основным внемитохондриальным источником является NADH, который образуется в ходе гликолиза.

фосфолипиды, являющиеся частью митохондриальной мембраны. Структура кофермента Q сходна со структурой витаминов К и Е. Близкую структуру имеет и пластохинон, находящийся в хлоропластах. Все эти вещества имеют в своей структуре полиизопреноидную боковую цепь. Содержание кофермента Q значительно превосходит содержание других компонентов дыхательной цепи (по параметру стехиометрии); это позволяет предположить, что кофермент Q является подвижным компонентом дыхательной цепи, который получает восстановительные эквиваленты от фиксированных флавопротеиновых комплексов и передает их на цитохромы.

Дополнительным компонентом, находящимся в функционально активных препаратах дыхательной цепи, является железо-серный белок, FeS (негемовое железо). Он ассоциирован с флавопротеинами (металлофлавопротеинами) и с цитохромом b. Железо и сера, как полагают, участвуют в окислительновосстановительном процессе, протекающем по одноэлектронному механизму (рис. 13.5).

Современные представления о последовательности главных компонентов дыхательной цепи отражены на рис. 13.3. На электроотрицательном конце цепи дегидрогеназы катализируют перенос электронов от субстратов на NAD, находящийся в дыхательной цепи. Это происходит по двум путям. В тех случаях, когда субстратами служат а-кетокислоты, пируват и кетоглутарат, в переносе электронов на NAD участвуют сложные дегидрогеназные системы, содержащие липоат и FAD. Перенос электронов другими дегидрогеназами, использующими в качестве субстратов L(+)-3-гидроксиацил-СоA, D(-)-3-гидрокси-бутират, пролин, глутамат, малат и изоцитрат, происходит прямо на NAD дыхательной цепи.

Восстановленный NADH в дыхательной цепи в свою очередь окисляется металлофлавопротеином -дегидрогеназой. Этот фермент содержит и FMN и прочно связан с дыхательной цепью. Кофермент Q служит коллектором восстановительных эквивалентов, которые поставляются рядом субстратов через флавопротеиновые дегидрогеназы в дыхательную цепь. К числу этих субстратов относятся сукцинат, холин, глицерол-3-фосфат, саркозин, диметилглицин и ацил-СоА (рис. 13.3). Флавиновым компонентом этих дегидрогеназ является, по-видимому, FAD. Поток электронов от кофермента Q далее идет через ряд цитохромов к молекулярному кислороду (рис. 13.3). Цитохромы выстроены в порядке возрастания окислительно-восстановительного

Рис. 13.2. Транспорт восстановительных эквивалентов по дыхательной цепи.

Рис. 13.3. Компоненты дыхательной цепи митохондрий. FeS находится в цепи «на -стороне» ФП или Цит b. Цит— цитохром; ЭПФП—электронпереносящий флавопротеин; FeS-железо-серный белок; ФП—флавопротеин; Q-убихинон.

Рис. 13.4. Структура убихинона (Q); п—число изопреноидных звеньев, варьирующее от 6 до 10, т.е.

Рис. 13.5. Железо-серный центр железо-серного белка. -кислотолабильная сера; Рг—апобелок; остаток цистеина. Некоторые железо-серные белки содержат 2 атома железа и 2 атома серы потенциала. Терминальный цитохром (цитохромоксидаза) осуществляет конечную стадию процесса — перенос восстановительных эквивалентов на молекулярный кислород. Как уже упоминалось, эта ферментная система содержит медь — непременный компонент истинных оксидаз. Цитохромоксидаза имеет очень высокое сродство к кислороду, что позволяет дыхательной цепи функционировать с максимальной скоростью до тех пор, пока в ткани не будет практически исчерпан . Эта катализируемая цитохромоксидазой реакция является необратимой; она определяет направление движения восстановительных эквивалентов в дыхательной цепи, с которым сопряжено образование АТР.

В отношении структурной организации дыхательной цепи был выдвинут ряд предположений. Существенно то, что молярные соотношения между компонентами являются почти постоянными. Функционирующие компоненты дыхательной цепи встроены во внутреннюю митохондриальную мембрану

Рис. 13.6. Предполагаемые участки ингибирования дыхательной цепи специфическими лекарственными веществами, химическими реагентами и антибиотиками. Указаны участки, где предположительно происходит сопряжение с фосфорилированием. BAL-димеркапрол; TTFA — хелатобразующий реагент на железо. Комплекс I — NADH: убихинон-оксидоредуктаза; комплекс II — сукцинат: убихинон-оксидоредуктаза; комплекс III — убихинол: феррицитохром с-оксидоредуктаза; комплекс IV — ферроцитохром с: кислород-оксидоредуктаза. Другие сокращения — такие же, как и на рис. 13.3.

в виде четырех белково-липидных комплексов дыхательной цепи. На этом основании был сделан вывод об определенной пространственной ориентации этих комплексов в мембране. Цитохром с является единственным растворимым цитохромом и наряду с коферментом Q служит относительно мобильным компонентом дыхательной цепи, осуществляющим связь между фиксированными в пространстве комплексами (рис. 13.6).