Белясова Н.А. Биохимия и молекулярная биология

Подождите немного. Документ загружается.

170

Каждый из комплексов дыхательной цепи включает по несколько редокс-

центров, расположенных в мембране особым образом, формируя несколько

«петель». В каждой такой «петле» 2 атома водорода выносятся к наружной

поверхности внутренней мембраны митохондрий, где отдают 2 протона в

межмембранное пространство, а пара электронов транспортируется затем на

внутреннюю поверхность мембраны. На рис. 12.2 представлена упрощенная

схема функционирования переносчиков дыхательной цепи (комплексы I, III,

IY), работа которых описана ниже.

FMN

FMNH

NADH

NAD

пространство

митохондрий

FeS

CoQ

CoQH

(I)

2Н

4Н

FeS(2e)

1/2 О

Редокс-

центры

компле-

кса III

Редокс-

центры

компле-

кса IV

Редокс-

центры

компле-

кса IV

Рис. 12.2. Упрощенная схема транспорта электронов по компонентам ды-

хательной цепи во внутренней мембране митохондрий

Комплекс I включает 25—30 субъединиц, FMN, 6—7 железосерных цен-

тров и носит название NADH-дегидрогеназа или NADH—CoQ-редуктаза.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

171

Этот комплекс окисляет NADH и восстанавливает хиноны (СоQ). Гидрид-ион

от NADH и протон из матрикса митохондрии передаются на FMN, который

восстанавливается до FMNH

. FMNH

осуществляет перенос двух атомов во-

дорода от внутренней поверхности мембраны к внешней. При этом два про-

тона выводятся в межмембранное пространство, а два электрона акцептиру-

ются железосерными белками и по их редокс-центрам электроны мигрируют

к внутренней поверхности мембраны, где переносятся на хиноны. Но для вос-

становления хинонов требуются атомы водорода, а не электроны, поэтому

дополнительно 2 протона акцептируются из матрикса (рис. 12.2).

Далее вступает в действие комплекс III (CoQH

—цитохром c-редуктаза),

содержащий 11 субъединиц, 2 железосерных центра, 2 гема цитохрома b и

гем цитохрома с

. Работа этого комплекса приводит к окислению CoQH

восстановлению цитохрома с. Перенос электронов осуществляется в следую-

щей последовательности:

CoQH

® гем b ® FeS (III) ® гем с

® гем с

Процесс окисления CoQH

также сопровождается выводом протонов в

межмембранное пространство (рис. 12.2).

Цитохром с окисляется комплексом IV (цитохромоксидаза), включающим

13 субъединиц, 2 атома меди, 2 гема а и 2 гема а

. Этот комплекс восстанав-

ливает молекулярный кислород до воды. Электрон, отнятый от гема с, пере-

носится на редокс-центр Cu

цитохромоксидазы, который расположен ближе

всего к той поверхности фермента, которая обращена в межмембранное про-

странство. Перемещаясь далее вглубь мембраны, электрон переносится на

гем а, а затем на комплекс гем а

— Cu

, который и восстанавливает молеку-

лярный кислород. При этом следует признать, что хотя цитохромы являются

переносчиками электронов, цитохромоксидаза имеет протон-проводящие ка-

налы и, как полагают, может действовать как истинный протонный насос. На

один транспортируемый электрон переносится 2 протона, один из которых

участвует в восстановлении О

, а второй пересекает мембрану. Таким обра-

зом, на 2 транспортируемых по компонентам дыхательной цепи электрона

через канал цитохромоксидазы должно быть перенесено 4 протона

(рис. 12.2).

Комплекс II (сукцинатдегидрогеназа или сукцинат-СоQ-редуктаза) пере-

носит водород от сукцината, окисляемого в ЦТК, на хиноны без участия

NAD

. В этом случае реализуется на одну «петлю» меньше и в межмембран-

ное пространство митохондрий выводится меньшее количество протонов.

Таким образом, на внутренней мембране митохондрий создается градиент

электрохимического потенциала Н

, который и является движущей силой

синтеза АТР.

Вопрос о том, каким образом энергия протонного градиента сопрягается с

синтезом АТР, пока остается открытым. Известно, что в интактных митохон-

дриях только АТР-синтаза позволяет осуществить обратное (по электрохими-

ческому градиенту) перемещение протонов в матрикс. Этот подчиняющийся

закономерностям облегченной диффузии поток протонов осуществляется че-

рез канал АТР-синтазы и каким-то образом сопряжен с фосфорилированием

АDP.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

172

АТР-синтаза (называется также АТР-аза, поскольку в определенных ус-

ловиях способна катализировать обратную реакцию: гидролиз АТР и созда-

ние протонного градиента на мембране) состоит из двух частей: пронизы-

вающего мембрану протонного канала (F

) и «головки» (F

), выступающей в

матрикс в форме грибовидного выроста. Обе части АТР-синтазы состоят, в

свою очередь, из нескольких субъединиц и организованы в мембране особым

образом (рис. 12.3). Протонный канал и «ствол» головки примыкают друг к

другу, а каталитические центры фермента располагаются между тремя a- и

тремя b-субъединицами.

Синтез АТР осуществляется в три фазы в трех каталитических центрах.

Вначале АТР-синтаза связывает АDP и Р

, затем формируется фосфоангид-

ридная связь между ними (образуется АТР) и, наконец, АТР высвобождается

в матрикс.

Предполагается, что энергия транспортируемых через канал F

протонов

расходуется на поворот g-субъединицы, в результате чего изменяется кон-

формация a- и b-субъединиц и их каталитические центры переходят в актив-

ное состояние. Существуют и другие гипотезы, объясняющие механизм син-

теза АТР. Согласно одной из них, предложенной П. Митчеллом, фосфатная

группа (Р

) связывается в активном центре «головки» фермента в непосредст-

венной близости к протонному каналу. Перенос протонов по каналу F

под

действием градиента рН и мембранного потенциала сопровождается актива-

цией неорганического фосфата, в результате чего от него отщепляется гидро-

ксильная группа (образует с протоном молекулу воды). Оставшаяся часть

неорганического фосфата превращается в весьма реакционноспособную час-

тицу, реагирующую с ADP, образуя АТР.

Рис. 12.3. Структура АТР-синтазы

Следует отметить, что протонный градиент на биомембранах может ис-

пользоваться не только для синтеза АТР, но и для других целей: для транс-

порта через мембраны нуклеозиддифосфатов и нуклеозидтрифосфатов, для

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

173

вращения бактериальных жгутиков, для поддержания осмотического давле-

ния, для транспорта через мембраны веществ против градиента концентра-

ции, для выработки тепла. Последний механизм имеет очень важное значение

для теплокровных животных, а также для некоторых растений, насекомых. У

многих животных обнаружена особая ткань, так называемый «бурый жир»,

содержащая большое количество митохондрий (в мембранах этих митохонд-

рий присутствуют красноватые цитохромы). Особенностью таких специали-

зированных митохондрий является использование свободной энергии про-

тонного градиента не для синтеза АТР, а для обогрева организма: энергия

рассеивается в виде тепла.

12.4. Энергетический баланс

Ранее (табл. 12.1) показано, что в полной дыхательной цепи имеется 3

этапа окисления, на которых высвобождается достаточное для синтеза моле-

кулы АТР количество энергии. Иными словами, при переносе двух электро-

нов от NADH на молекулярный кислород только три электронных перехода

могут быть сопряжены с фосфорилированием ADP, т. е. может образоваться

максимум 3 молекулы АТР. Эту связь фосфорилирования с восстановлением

принято обозначать коэффициентом (отношением) Р/О, который равняется

числу молекул АТР, образованных в расчете на один атом кислорода, использо-

ванного в процессе дыхания.

Субстраты, переносящие свои восстановительные эквивалентны на NAD

дают Р/О = 3, а для сукцината и других субстратов, переносящих электроны

на FAD, Р/О = 2 (в этом случае электроны включаются в цепь на уровне хи-

нонов и проходят меньший путь по системе переносчиков). Зная энергетиче-

ские коэффициенты можно подсчитать энергетический баланс окисления

глюкозы.

Общий энергетический баланс окисления глюкозы. Если глюкоза ката-

болизируется по гликолитическому пути, а образованный пируват через ЦТК

полностью окисляется до СО

и Н

О, и при этом весь водород сжигается в

дыхательной цепи до воды, то на 1 молекулу использованной глюкозы обра-

зуется:

— в гликолизе — 2 молекулы NADH;

— при дегидрировании пирувата — (1 ґ 2) =2 молекулы NADH;

— в ЦТК — (3 ґ 2) =6 молекул NADH и (1 ґ 2) =2 молекулы

FADH

;

Итого: 10 молекул NADH и 2 молекулы FADH

Зная, что для NADH Р/О = 3, а для FADH

Р/О = 2, можно вычислить ко-

личество молекул АТР, синтезированных при окислительном фосфорилиро-

вании: (10 ґ 3) +(2 ґ 2) = 34. К этому количеству следует добавить 2 молеку-

лы АТР, запасенные на уровне субстратного фосфорилирования в гликолизе,

и 2 молекулы АТР, запасенные при окислении 2 молекул a-кетоглутарата в

ЦТК.

Таким образом, общий итог по количеству АТР, способного образоваться

при полном окислении глюкозы составляет 38 молекул. Реально эта цифра,

однако, несколько меньше и составляет 32—26 молекул АТР. Объясняется

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

174

данное обстоятельство тем, что транспорт метаболитов (в первую очередь,

АТР и ADP) через мембрану митохондрий сопровождается расходованием

энергии протонного градиента. Таким образом, не вся запасенная в протон-

ном градиенте энергия будет направлена на синтез АТР.

Энергетический баланс брожения. Сопоставление энергетической цен-

ности для клеток процессов дыхания и брожения позволяет заключить, что

дыхание гораздо более выгодный процесс. Простой расчет показывает, что в

ходе наиболее часто используемых типов брожения, таких, как спиртовое и

молочнокислое, на 1 молекулу глюкозы клетка может запасти только 2 моле-

кулы АТР, поскольку даже запасенные в гликолизе 2 молекулы NADH окис-

ляются до NAD

при образовании этанола или лактата.

12.5. Особенности анаэробного дыхания

Как показано выше, окислительное фосфорилирование служит гораздо

более выгодным механизмом запасания энергии, чем субстратное фосфори-

лирование. Поэтому неудивительно, что в ходе эволюции возникла возмож-

ность реализации окислительного фосфорилирования в анаэробных условиях.

В этом случае конечным акцептором электронов выступает не молекулярный

кислород, а какие-либо окисленные либо частично окисленные соединения и

ионы: нитраты, сульфаты, карбонаты, фумарат, сера, возможно, ионы трех-

валентного железа. Подобные процессы и называют анаэробным дыхани-

ем, желая подчеркнуть, что в них реализуется транспорт электронов по ком-

понентам дыхательной цепи, но не принимает участия молекулярный кисло-

род.

Чаще всего анаэробное дыхание осуществляется в клетках бактерий, хотя,

например, фумаратное дыхание (восстановление фумарата в электрон-

транспортной цепи) обнаружено в клетках факультативно-анаэробных червей

и даже млекопитающих. Фумаратное дыхание сравнивают с брожением, по-

скольку и донорами, и акцепторами электронов в этом процессе являются

органические вещества. Однако следует учитывать, что электроны, восста-

навливающие фумарат, уже прошли часть пути по дыхательной цепи и обу-

словили создание протонного градиента на мембране. Поэтому становится

возможным окислительное фосфорилирование, и восстановление фумарата

следует относить к анаэробному дыханию.

Все клетки, способные к анаэробному дыханию, обладают дыхательной

цепью и, как правило, содержат цитохромы. В большинстве случаев неорга-

нические акцепторы электронов включаются в дыхательную цепь на уровне

цитохромов b или c (из-за значений их окислительно-восстановительных по-

тенциалов). Поэтому фосфорилирование в комплексе III, как правило, не

происходит и выход АТР меньше, чем при использовании О

Донорами электронов в анаэробном дыхании могут служить как ор-

Таблица 12.2. Характеристика процессов анаэробного дыхания

Тип дыхания Aкцепторы

электронов

Продукты

дыхания

Представители

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

175

Нитратное NO

, NO

, N

Бактерии-денитрификаторы

(Pseudomonas fluorescens,

Bacillus licheniformis,

Paracoccus denitrificans,

Thiobacillus denitrificans); E.coli,

Enterobacter

Сульфатное SO

S Бактерии-сульфатредукторы

(Desulfovibrio,

Desulfotomaculum,

Desulfococcus, Desulfosarcina,

Desulfobacter

)

Серное

Desulfuromonas acetoxidans

Карбонатное CO

, HCO

-COOH Ацетогенные бактерии

(Clostridium aceticum,

Clostridium thermoaceticum,

Acetobacterium woodii

)

Карбонатное CO

, HCO

Метанобразующие бактерии

(Methanobacterium,

Methanococcus, Methanosarcina,

Methanospirillum

)

Фумаратное Фумарат Сукцинат Сукциногенные бактерии, чер-

ви, клетки млекопитающих

«Железное» Fe

Смешанные популяции почвен-

ных бактерий

ганические, так и неорганические субстраты. В зависимости от используемого

акцептора электронов различают нитратное, сульфатное, серное, карбо-

натное, фумаратное, «железное» дыхание. В табл. 12.2 перечислены пред-

ставители этих типов дыхания, а также образующиеся продукты.

Большинство представленных в табл. 12.2 бактерий играет огромную

роль в природе и хозяйственной деятельности человека, участвуя в кругово-

роте азота и серы, определяя плодородие почв, формируя месторождения по-

лезных ископаемых и метана. Нельзя не учитывать и негативную деятель-

ность многих из перечисленных бактерий, связанную с накоплением нитри-

тов в почве, анаэробной коррозией железа и др.

12.6. Использование неорганических доноров электронов

В клетках большинства организмов при дыхании донорами электронов

являются органические вещества, которые одновременно выполняют роль

источников углерода. Однако среди прокариот существуют группы почвен-

ных и водных бактерий, способные использовать в качестве доноров электро-

нов неорганические восстановленные вещества: элементарную серу, молеку-

лярный водород, окись углерода, а также ионы аммония, нитрита, сульфита,

тиосульфата, сульфида, двухвалентного железа. Эти бактерии впервые обна-

ружил и описал С.Н. Виноградский, назвав способ их метаболизма «хемо-

синтезом». Данные бактерии по типу питания относят к группе хемолитоав-

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

176

тотрофов: в качестве источника энергии они используют энергию химиче-

ских связей химических соединений, донором электронов служат неорганиче-

ские вещества, а источником углерода — СО

У литотрофных бактерий количество цитохромов в дыхательной цепи

обычно в несколько раз превышает таковое у органотрофов. Связано это с

особенностями используемых доноров электронов, которые в большинстве

случаев характеризуются более положительными значениями Е

ў, чем у NAD,

т. е. не могут передавать свои электроны на NAD

. Включение электронов,

отщепляемых от большинства неорганических субстратов, в дыхательную

цепь осуществляется чаще всего на уровне флавина или цитохромов. Напри-

мер, первичным акцептором электронов при окислении ионов Fe

является

цитохром с, а при окислении ионов NO

— цитохром а. Поэтому у железо-

бактерий и бактерий-нитрификаторов в электронтранспортной цепи функ-

ционируют лишь III-й и IV-й либо даже только IV-й комплексы. Соответст-

венно, число событий фосфорилирования ADP уменьшается до двух или од-

ного против трех, имеющих место у органотрофных бактерий при переносе

электронов на NAD

. Исключение представляют водородные бактерии: для

значение Е

ў = -0,42 В, и при окислении молекулярного водорода под дей-

ствием О

происходит перенос электронов через все три участка сопряжения,

что приводит к синтезу 3 молекул АТР.

Существование укороченной дыхательной цепи у большинства хемолито-

автотрофов является причиной неэффективного запасания энергии в ходе

дыхания, что вызывает необходимость перерабатывать огромные количества

субстрата. В результате эти бактерии очень медленно растут, например, про-

межутки между двумя делениями клетки у бактерий-нитрификаторов дости-

гают 5—10 ч. Кроме этого, у данных бактерий возникает дефицит NADH в

клетках, поскольку большинство неорганических доноров электронов не в

состоянии восстанавливать NAD

. Чтобы справиться с этой проблемой, у хе-

молитотрофов выработался механизм обратного транспорта электронов по

компонентам дыхательной цепи. Такой обращенный поток электронов при-

водится в движение гидролизом АТР.

В табл. 12.3 охарактеризованы некоторые процессы использования неор-

ганических доноров электронов. Следует отметить, что среди хемолитоавто-

трофов встречаются как облигатные, так и факультативные литотрофы. По-

следние способны также к хемоорганогетеротрофному способу питания.

Окисление неорганических соединений может происходить как в аэроб-

ных (с участием О

), так и в анаэробных условиях, т. е. в процессе анаэробно-

го дыхания (табл. 12.3).

Хемолитоавтотрофы способны фиксировать СО

, и большинство из них

использует для этой цели цикл Кальвина.

Таблица 12.3. Способы окисления неорганических доноров электронов

Донор элек-

тронов

Продукт окис-

ления

Конечный акцептор

электронов

Представители

Бактерии-нитрификаторы

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

177

S, S, S

, иногда NO

Тионовые бактерии

Железобактерии

, NO

, SO

, S,

, фумарат

Водородные бактерии

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

178

Глава 13. УЛАВЛИВАНИЕ ЭНЕРГИИ СВЕТА БИОМОЛЕКУЛАМИ

Можно смело утверждать, что Жизнь на нашей планете обязана солнеч-

ному свету. Энергия света поглощается фотосинтезирующими организмами и

запасается в виде химических связей органических соединений, а остальные

обитатели Земли (возможно, лишь за исключением способных к хемосинтезу

бактерий) используют энергию этих связей для того, чтобы осуществить в

клетках окислительное или субстратное фосфорилирование.

Видимый свет представляет собой форму электромагнитного излучения с

длиной волны 400—700 нм, и его происхождение обусловлено сложными

процессами, происходящими на Солнце. Одним из результатов этих процес-

сов является испускание энергии в виде квантов видимого света (фотонов),

которые достигают земной поверхности. Энергия фотонов обратно пропор-

циональна их длине волны, и наибольшей энергией характеризуются фотоны

с наименьшей длиной волны, соответствующей фиолетовому краю видимого

спектра.

Способность вещества поглощать свет зависит от его атомной структуры.

Когда фотон сталкивается с атомом или молекулой, способными поглощать

свет данной длины волны, энергия фотона поглощается одним из электронов

и атом или молекула переходят в более богатое энергией возбужденное со-

стояние. Возбуждение длится 10

-9

—10

-8

с, после чего молекула возвращается

в первоначальное состояние, которое называется основным и характеризует-

ся меньшей энергией, чем возбужденное. При возврате в основное состояние

возбужденная молекула может терять свою энергию несколькими способами:

1) энергия может рассеиваться в виде тепла; 2) часть поглощенной энергии

может немедленно испускаться в виде света (флуоресценция) или после не-

которой задержки (фосфоресценция). Испускаемый при флуоресценции и

фосфоресценции свет обычно характеризуется большей длиной волны и

меньшей энергией, чем свет, вызвавший возбуждение молекулы. Кроме этого

(3), поглощение света может вызывать фотохимические реакции, в которые

способны вступать возбужденные молекулы.

Фотохимические реакции представляют собой диссоциацию на ионы или

радикалы либо присоединение протонов, что может сопровождаться разры-

вом связей, реакции фотоприсоединения и фотоотщепления, а также изомери-

зации. Возбужденные молекулы способны превращаться в сильные окислите-

ли и восстановители и индуцировать соответствующие процессы по отноше-

нию к другим молекулам. Все перечисленные реакции с участием возбужден-

ных светом молекул становятся возможными, поскольку с повышением энер-

гии молекулы приобретают химические свойства, нехарактерные для их не-

возбужденных форм.

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

179

Фотохимические реакции приобретают особую роль, когда затрагивают

жизненно важные для клетки структуры. Первостепенное значение в этом

отношении играют нуклеиновые кислоты, азотистые основания которых, как

известно, испытывают на себе фотодинамическое действие коротковолнового

света. В результате различного рода фотохимических превращений (в первую

очередь, образования пиримидиновых димеров) в составе ДНК появляется

большое количество изменений, которые, не будучи репарированными, за-

крепляются в виде мутаций (глава 2).

С другой стороны, фотохимические реакции чрезвычайно важны для та-

ких явлений, как фотосинтез и фоторецепция. Среди биологических молекул

есть специализированные, способные в ответ на поглощение света обуслов-

ливать определенные процессы в клетках. Такими молекулами служат, в пер-

вую очередь, фотосинтетические пигменты, участвующие в запасании свето-

вой энергии в ходе фотосинтеза. В возбужденном состоянии молекулы хло-

рофилла способны инициировать фотоокисление молекул воды, что сопрово-

ждается транспортом возбужденных электронов по компонентам фотосистем.

Другой класс светочувствительных биомолекул представлен зрительными

фоторецепторами, которые в ответ на поглощение света генерируют нервный

импульс. Фотохимическая реакция, запускающая данный процесс, состоит в

изомеризации молекулы зрительного пигмента.

13.1. Фотосинтез

Фотосинтез представляет собой высокоэффективный процесс запасания

энергии видимого света и трансформирования ее в энергию химических свя-

зей биологических молекул. Осуществляется данный процесс в клетках рас-

тений, водорослей и фототрофных бактерий, причем у большинства перечис-

ленных организмов фотосинтез сопровождается использованием в качестве

донора электронов воды и выделением молекулярного кислорода (уравне-

ние 13.1). И только у аноксигенных бактерий, относящихся к классу Anoxy-

photobacteria, вместо воды роль доноров электронов могут выполнять неко-

торые иные восстановленные соединения, например сероводород. При этом

не происходит образования О

(уравнение 13.2).

+ H

O ® (CH

O) + O

(13.1)

+ 2H

S ® (CH

O) + H

O + 2S (13.2)

Данное наблюдение принадлежит Корнелису ван Нилю, который в 1931—

1933 гг., будучи еще студентом-дипломником, исследовал особенности фото-

синтеза у разных бактерий и сделал смелое предположение, перевернувшее

взгляды исследователей на закономерности фотосинтеза. Исходя из выведен-

ного им уравнения фотосинтеза для пурпурных серных бактерий (13.2),

К. ван Ниль предположил, что не углекислота, а вода разлагается при фото-

синтезе у растений, образуя молекулярный кислород, и предложил общее

уравнение фотосинтеза (13.3):

+ 2H

A ® (CH

O) + H

O + 2A (13.3)

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)