Блюменфельд Л.А. Проблемы биологической физики

Подождите немного. Документ загружается.

%,S\ ЦЕПИ

ЭЛЕКТРОННОГО

ПЕРЕНОСА В

МЕМБРАНАХ

201

ДЛЯ постановки тех вопросов более общего характера, ко-

торые представляют биофизический интерес. Поэтому мы

нрложим в основу изложения

схему,

рассматриваемую

чансом в одном из последних обзоров [69] (рис. 7.5).

Переносчики

НАД-Н, флавопротеины (ФП) и убихинон

Х)

могут

в принципе акцептировать и

отдавать

по два

йлектрона: их полностью окисленные и полностью восста-

новленные формы отличаются

друг

от

друга

двумя

элект-

ронными

эквивалентами. Остальные компоненты ЦЭТ —

•,

„

FeS-II

цит й

—лит Ь

•

|Цит

Рис.

7.5. Схема цепи электронного транспорта в митохондриях.

существенно одно электронные переносчики. Можно ду-

мать, что и переносчики первого типа, особенно флавопро-

теины и убихинон,

работают

в ЦЭТ как одноэлектронные

переносчики, переходя от полностью восстановленной

полностью окисленной форме через промежуточное

ион

радикальное семихинонное состояние (см. § 7.2) или

претерпевая окислительно-восстановительные превра-

щения

только

между

семихиноннои и одной из предельных

форм.

Так, например, флавопротеин, переносящий элект-

рон

от НАДФ-Н к цитохрому с в ЦЭТ микросом, функцио-

нирует, испытывая окислительно-восстановительные пе-

реходы

между

семихиноннои и полностью восстановлен-

ной

формами своего активного центра [70]. Рассмотрим

последовательно переносчики, приведенные на рис. 7.5.

Активным центром флавопротеина является флави-

надениндинуклеотид (ФАД) — производное изоаллок-

сазина.

202 ЭЛЕКТРОННЫЙ ПЕРЕНОС В БИОСИСТЕМАХ 1ГЛ. 7

Ниже показан

переход

ФАД из хинонной формы

в гидрохинонную:

R Н R

II II

С NN О С N N- О

/'\ / \/-\У

Х\/\/\У

R—-С

С С С R—G С С С

II I I

~ I II II |

+е

+2Н+

R—С С С N ' R—С С С N—R

S / \ У \ / \ Ч / \ / \ /

N С R С N С

! II ! I!

Флавохинон

"• ^

Флавосемихинон

Н R Н

С NN О

У \ / \ / \ У

R-C С С С

_»

I II II I

R—С G С N—R

VVV

Н Н Офлавогидрохинон

В опытах й моделями и с изолированными флавопроте-

иновыми ферментами, не входящими в состав ЦЭТ, уда-

лось установить, что флавосемихиноны, возникающие в ре-

зультате

ступенчатого окислительно-восстановительного

превращения флавина, сильно взаимодействуют с метал-

лами переменной валентности, прочно связанными с бел-

ком

(см., например,

[71—73]).

Многие флавиновые фер-

менты

содержат

металлы переменной валентности. По-

видимому и в ЦЭТ митохондрий флавопротеины связаны

с железо-белками. Недаром полиферментные комплексы,

возникающие при ультразвуковой фрагментации мито-

хондриальных мембран и содержащие флавиновые фер-

менты,

всегда

содержат

железо-белки (об этих так называе-

мых «гриновских комплексах» см. ниже). Каталитические

свойства очищенных флавопротеинов несколько отлича-

ются от их свойств в неповрежденной ЦЭТ митохондрий.

Небольшие изменения в

методе

экстракции (например,

повышение температуры от 30 до 37° С) меняют способ-

ность фермента взаимодействовать с различными акцеп-

орами. При извлечении флавопротеинов из ЦЭТ меня-

7.J]

ЦЕПИ

ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА В МЕМБРАНАХ 203

втся действие на них некоторых ингибиторов (см., напри-

мер,

[74]).

Комплексы

белков с негемовым железом FeS (I, II,

III,

IV) являются обязательной компонентой ЦЭТ. Из-

вестно о них (вернее, об их роли в электронном транспорте)

весьма мало, что объясняется техническими трудностями

наблюдений изменений их окислительно-восстановитель-

ного состояния в неповрежденных мембранных

структурах.

Существенный прогресс начал намечаться лишь в самые

последние годы в связи с развитием метода ЭПР. Стали

известны некоторые данные о

структуре

активного центра

этих переносчиков: оказалось, что атомы железа связаны

с сульфгидрильными группами специфических белков.

Все больше появляется косвенных экспериментальных

данных, свидетельствующих о том, что белковые комплек-

сы негемового железа принимают участие в переносе

электронов

вдоль ЦЭТ и в процессах консервации энергии

{75—79].

Как мы увидим ниже, аналогичный белок в хло-

ропластах, ферредоксин, действительно выполняет важ-

ные

функции в ЦЭТ хлоропластов. В мембранах мито-

хондрий центров с негемовым железом больше, чем актив-

ных центров цитохромов. Тем не менее в литературе, в эк-

спериментальных и теоретических работах, до сих пор

значительно больше внимания

уделяют

роли цитохромных

ферментов,

чем роли комплексов негемового железа.

Именно

отдельным конкретным цитохромам приписывает-

ся

в ряде частных теорий функция трансформаторов

энер-

гии

[69]. Я полагаю, что в основном это происходит потому,

что научные исследования обычно

ведут

по принципу

«ищи там, где светлее и

легче».

Четкие спектры погло-

щения

цитохромов в видимой и ближней ультрафиолетовой

областях, испытывающие легко регистрируемые измене-

ния

при окислительно-восстановительных превращениях

пигментов, сильно облегчают их исследование. Нет ни-

каких

данных, свидетельствующих в пользу того, что бел-

ковые комплексы негемового железа играют меньшую роль

электронном транспорте, чем цитохромы. Хотя, конечно,

все известные компоненты ЦЭТ несомненно работают как

одноэлектронные переносчики, не исключено, что для пра-

вильного ее функционирования необходим перенос

двух

электронов

по параллельным цепочкам переносчиков не-

сколько

разного состава [80]. Не

следует

забывать (см.

204 ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС

В БИОСИСТЕМАХ £ГЛ. 7

ниже),

что, возможно, для синтеза одной молекулы АТФ

через переносчик-преобразователь энергии ЦЭТ должно

пройти

два электрона. Железо-белки жестко связаны

с различными участками ЦЭТ и

могут

в ряде пунктов

играть роль таких параллельных переносчиков. Четкое

доказательство того, что для работы преобразователя

энергии,

расположенного на участке ЦЭТ

между

НАД-Н

УХ, необходим железосерный белок, представлено в ра-

боте [81] *).

Флавопротеин ФПц (сукциндегидрогеназа) реализует

(по-видимому, с железосерным белком FeS-II) свявь окис-

лительно-восстановительной пары янтарная — фумаро-

вая

кислоты с главной ЦЭТ. Все сказанное об

ФП1 можно

отнести и к этому флавопротеину (и, конечно, к сильно

флуоресцирующему флавопротеину ФПш)> образующему,

по-видимому, окислительно-восстановительную пару с ци-

тохромом 6^, но не входящему в ЦЭТ.

УХ (убихинон, или коэнзим Q), по некоторым предпо-

ложениям (см., например, [84]), служит подвижным пере-

носчиком,

не фиксированным в

структуре

мембраны. Эти

предположения основаны на том, что из митохондрий УХ

экстрагируется органическими растворителями в

низко-

молекулярной форме, не связанной с белками и лишшроте-

инами.

Естественно, последнее обстоятельство нельзя счи-

тать сколько-нибудь убедительным доказательством. Мы

видели уже в предыдущем параграфе, что УХ должен быть

изолирован

от воды в гидрофобных частях мембраны. Нет

никаких

оснований считать его менее или более подвиж-

ным

в мембране, чем

другие

окислительно-восстановитель-

ные

центры. Как мы увидим ниже, все кинетические дан-

ные

свидетельствуют о том, что цитохром с является столь

же структурно фиксированной компонентой ЦЭТ, как и

другие

цитохромы, хотя экстрагируется значительно лег-

че, чем УХ. Кстати, нет полной уверенности в функцио-

нальной

и структурной однородности убихинона мито-

хондрий. В «разобщенных» митохондриях с максимальной

последние

годы

новые

важные

результаты

по

структуре

функциям

железосерных

белков

были

получены

при

исследовании

спектров

ЭПР

митохондрий,

тканей

отдельных

металлопротеинов

при

гелиевых

температурах.

Удалось

идентифицировать

новые

ин-

дивидуальные

белки,

участвующие

процессах

электронного

пере-

носа

трансформации

энергии

[82, 83].

7.3]

ЦЕПИ

ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА В МЕМБРАНАХ 205

скоростью электронного транспорта НАД-Н окисляется

несколько

скорее, чем УХ [85]. Возможно, что в переносе

злектронов вдоль ЦЭТ принимает участие лишь часть

убихинона, молярное содержание которого в митохондри-

ях значительно превышает содержание

других

перенос-

чиков

(см. [86]). Многие свойства УХ в митохондриях

изменяются

при переходе от неповрежденных органелл к

продуктам их более или менее мягкого разрушения —

различного типа субмитохондриальным частицам, весьма

широко

исследуемым в последние годы.

Цитохромы (Ьк, Ь

, c

с, а, а

) — это хромопротеиды",

простетическими активными группами которых являются

гемы, т. е. железопорфирины, различающиеся заместите-

лями

в порфириновом кольце. Цитохромы fc

и Ь

содержат

химически одинаковые протогемы — комплексы железа

с протопорфирином IX. Деление на Ъц и Ь

обусловлено

небольшими спектральными различиями, различиями в

кинетике

окислительно-восстановительных превращений и

во влиянии разобщителей, антимицина А (ингибитор),

АТФ и АДФ + Ф

на соотношение

между

окисленными

восстановленными формами в стационарных состояниях

митохондрий и на кинетику окислительно-восстановитель-

ных переходов [69, 80, 87]. Очень интересны приводи-

мые Чансом данные, свидетельствующие о том, что состоя-

ние

и функциональные характеристики цитохрома 6

су-

щественно зависят от состояния соседнего переносчика —

цитохрома с

Цитохром с

имеет ту же простетическую группу (гемс),

что и подробно описанный в гл. 5 цитохром с, однако

молекулярный вес белка, приходящийся на одну простети-

ческую

группу,

равен 51 000, т. е. значительно больше,

чем в

случае

цитохрома с. Неизвестно, из скольких таких

единиц

состоит

«ансамбль»

цитохрома с

в митохондриях.

Экстрагируется этот цитохром в виде полимера с молеку-

лярным

весом около 360 000, т. е. полимера, состоящего

примерно

из семи функциональных единиц, но, поскольку

при

экстракции используют детергенты, последнее обстоя-

тельство ни о чем не говорит.

Цитохром с как индивидуальный белок изучен значи-

тельно лучше

других

переносчиков (см. гл. 5). Легкость

его экстракции гипотоническими солевыми растворами

не

может служить доказательством того, что он является

206

ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС

В БИОСИСТЁМАХ [ГЛ.?

подвижным переносчиком, не фиксированным (в отличие от

других

цитохромов ЦЭТ) в

структуре

мембраны.

Уже давно известно, что для спектра нативной формы

феррицитохрома с в растворе характерно наличие полосы

поглощения

при

6950

А [88]. Эта полоса исчезает при

термической обработке, при щелочных значениях рН, и ее

исчезновение сопровождается потерей способности цито-

хрома с восстанавливаться аскорбиновой кислотой, гидро-

хиноном и другими восстановителями [89—91].

Наличие

полосы при

6950

А и способность к восстанов-

лению связаны, по-видимому, с сохранением специфи-

ческой нативной конформации (или конфигурации) фер-

рицитохрома [92, 93]. Чане с сотрудниками [94] показали,

что в спектре цитохрома с митохондрий имеется полоса

при

6950

А, но она не исчезает при термической обработке,

достаточной для ее исчезновения и инактивации феррици-

тохрома с в растворе. Этот

результат

свидетельствует

том, что взаимодействие с окружением цитохрома с,

включенного в мембранную

структуру

ЦЭТ, стабилизи-

рует

его нативное конформационное состояние, влияет

на

способность молекулы к конформационным переходам.

Ниже

мы увидим, что к тому же выводу можно прийти

на основании кинетических данных.

Цитохромы а, аз и ионы меди образуют ферментный

комплекс,

названный цитохромоксидазой (в течение дол-

гого времени ее считали одним белком). При выделении

цитохромоксидазы из митохондрий и ее тщательной очист-

ке

получают ферментативно активный (т. е. способный

окислять

цитохром с) пентамер, состоящий из пяти моно-

мерных белковых субъединиц с молекулярным весом 72 000

каждая. Такая субъединица содержит один гем а, один

атом меди и один атом негемового железа [95, 96], но

она

ферментативно не активна. В выделенной цитохромок-

сидазе и ЦЭТ цитохромы а и из различаются кинетически

спектроскопически, что, по-видимому, связано с раз-

личиями

в их структурной упаковке и, следовательно,

конформации. В ЦЭТ отношение молярных концентра-

ций

цитохромов а я

а-А

(по гемам) равно единице. Изоли-

рованная

цитохромоксидаза не полностью эквивалентна

соответствующему

участку

ЦЭТ, так как для нее харак-

терны иные кинетические соотношения

между

цитохро-

мами а и а

[97].

Ионы

меди прочно связаны с белком ге-

7.3]

ЦЕПИ

ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА В МЕМБРАНАХ 207

мопротеинов и подвергаются окислительно-восстанови-

тельным превращениям при функционировании ЦЭТ

198, 99].

Прежде чем перейти к анализу термодинамических и

кинетических данных по функционированию ЦЭТ, необ-

ходимо рассмотреть два общих вопроса."* Первый вопрос

формулируется следующим образом: можно ли во внут-

ренней

мембране митохондрий выделить конкретные фик-

сированные

ЦЭТ? Иными словами, происходит ли элект-

ронный

перенос в ЦЭТ

между

вполне определенными мо-

лекулами переносчиков или на разных ее участках цепи

переноса

могут

разветвляться и, по

существу,

следует

говорить о сетке, а не о цепочках электронного тран-

спорта? В последнем

случае

стехиометрический состав

ЦЭТ

фиксирован лишь в среднем. В сущности, как и вся-

кая

крайняя формулировка вопроса в науке («или — или»),

такая

его постановка не допускает однозначного ответа:

он

зависит от конкретной задачи исследования, от харак-

терных времен изучаемых процессов. Эта проблема обсуж-

далась на специальной и чрезвычайно интересной дискуссии

на

симпозиуме, посвященном оксидазам и родственным

окислительно-восстановительным системам [100]. Вы-

ступая в дискуссии, Чане представил убедительные дока-

зательства того, что на участке ЦЭТ цитохром с — О

(включительно) разветвление цепей происходит, но со ско-

ростями,

на 2—3 порядка меньшими, чем перенос элект-

ронов

вдоль цепей. Возможно, что на уровне УХ развет-

вление цепей идет с большей скоростью, а может быть,

в этом

случае

каждая ЦЭТ имеет свой структурно

фикси-

рованный

резервуар убихинона, обслуживающий дан-

ную ЦЭТ значительно эффективнее, чем

другие

цепочки.

Во всяком случае, пока мы рассматриваем кинетику пере-

носа

электронов вдоль цепочки цитохромов к кислороду

(а

может быть, и вдоль всей ЦЭТ от НАД-Н или сукцината

кислороду), мы вправе считать, что перенос происходит

между

определенными фиксированными переносчиками,

пренебрегать разветвлением цепей. В этом смысле можно

говорить о существовании ЦЭТ как функциональных (а мо-

жет быть,

даже

морфологических) субъединиц митохонд-

риальных мембран. Отсюда не

следует,

что ЦЭТ не взаи-

модействуют

друг

с другом, т. е. что протекание процессов

одной ЦЭТ не зависит от состояния

других

ЦЭТ мембра-

208 ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС

В БИОСИСТЕМАХ [ГЛ. 7

ны.

Более того, в следующей главе мы увидим, что содер-

жащие ЦЭТ мембраны действительно обладают такими

кооперативными

свойствами, которые обусловливаются их

конформационными

изменениями.

Второй вопрос, в значительной степени связанный

с первым, относится к реальности существования внут-

ри

ЦЭТ отдельных белково-липоидных полиферментных

комплексов,

своего рода субъединиц ЦЭТ.

Выше уже говорилось, что Грину с сотрудниками уда-

лось фрагментировать мембраны митохондрий и получить

олигоферментные^"комплексы четырех типов: комплекс I

содержит ФП/и FeS, комплекс II — ФПц и FeS, комплекс

III

— цитохромы Ь, с

и FeS, а комплекс IV представляет

собой цитохромоксидазу [84]. Кинетические характеристи-

ки

переносчиков в комплексах отличаются от аналогичных

свойств соответствующих переносчиков в митохонд-

риях. В работе той же лаборатории [101] была показана

необходимость присутствия особого, так называемого

структурного, белка для нормального функционирования

различных переносчиков.

Следует

сказать, что

даже

слабые

воздействия на митохондрии, приводящие к образова-

нию

так называемых субмитохондриальных частиц

(СМЧ),

способных к контролируемому переносу электронов и окис-

лительному фосфорилированию, вызывают изменения

кинетических характеристиках отдельных переносчи-

ков

— цитохромов Ъ и убихинона [102]. Кроме того,

СМЧ иными оказываются не только

структура

самой мем-

браны (она вывернута наизнанку по сравнению с интакт-

ными

митохондриями), но и структурные характеристики

отдельных белковых переносчиков, например флуоресци-

рующего флавопротеина [103—105].

Возможность выделения гриновских комплексов сви-

детельствует

лишь в пользу того, что переносчики, обла-

дающие близкими значениями равновесных окислительно-

восстановительных потенциалов и входящие в один комп-

лекс,

действительно являются соседями в ЦЭТ, как и пред-

полагалось ранее на основании кинетических измерений,

опытов с ингибиторами "и т. д. Вряд ли можно говорить о

предсуществовании в ЦЭТ морфологически выделенных

образований,

соответствующих этим комплексам. По-ви-

димому,

следует

согласиться с мнением Скулачева, счи-

тающего, что «в известном смысле всю

дыхательную

цепь

7.3]

ЦЕПИ

ЭЛЕКТРОННОГО ПЕРЕНОСА В МЕМБРАНАХ 209

можно было бы определить как один фермент НАД-Н-ок-

сидазу,

а отдельные

дыхательные

переносчики — как

субъединицы различной степени агрегации, составляющие

один фермент с очень сложной четвертичной

структурой»

[106].

Рассмотрим некоторые термодинамические характери-

стики ЦЭТ. В

существующей

научной

литературе

единст-

венной

основой такого рассмотрения являются значения

нормальных окислительно-восстановительных потенциа-

лов

Ё*}п

(mid-point potentials) переносчиков, входящих

в'состав ЦЭТ. Однако физический смысл этих величин не

вполне ясен. Равновесные значения Ет крайних компо-

нент^ЦЭТ,

НАД+/НАД-Н и */

/Н

О, равны -290 и

+800 мв соответственно. Измеряемые значения потенциа-

лов

промежуточных переносчиков действительно попада-

ют внутрь этого интервала. Однако при сравнении значе-

ний

Ет для изолированных переносчиков с их значениями

для тех же переносчиков в интактных митохондриях или

СМЧ,

измеряемыми по отношению концентраций окислен-

ных и востановленных форм, обнаруживаются

расхожде-

ния.

Таким образом, само вхождение в ЦЭТ изменяет

окислительно-восстановительные характеристики перенос-

чиков.

Более того, для ряда переносчиков эти характери-

стики зависят от состояний ЦЭТ, наличия ингибиторов,

концентраций

АТФ и АДФ, разобщителей [69, 80, 87, 97,

107, 108]. Под действием АТФ или разобщителей измеряе-

мые величины Ет таких переносчиков, как цитохромы а

могут

меняться на

100—-300

мв.

Авторы

цитированных

выше работ считают подобные изменения Е

свидетель-

ством того, что данный переносчик

служит

одновременно

преобразователем энергии в процессе окислительного фос-

форилирования (подробное обсуждение см. ниже). Вряд

ли,

однако, величинам Е

отдельных переносчиков, из-

меряемым по отношению концентраций их окисленных и

восстановленных форм в функционирующей в разных усло-

виях ЦЭТ, можно приписать тот смысл, который вклады-

вает

в них классическая физическая химия. Дело здесь не

только в том, что стационарное состояние ЦЭТ и стационар-

ное значение отношений концентраций окисленных и вос-

становленных форм отдельных переносчиков

могут

значи-

тельно отличаться от равновесного состояния и соответст-

210 ЭЛЕКТРОННЫЙ

ПЕРЕНОС

В БИОСИСТЕМАХ { ГЛ. 7

вующих

равновесных характеристик (функционирующая

ЦЭТ

— открытая система). Существенно то, что степень

кинетической

неравновесности компонент ЦЭТ может за-

висеть от пути прихода системы к данному квазистацио-

нарному состоянию, и поэтому измеряемые окислительно-

восстановительные потенциалы отдельных переносчиков

вообще

могут

не быть термодинамическими величинами.

Отношение концентраций окисленных и восстановленны.

форм переносчиков в данном квазистационарном состоянии

может не равняться отношению эффективных констант

скоростей реакций окисления и восстановления тех же пе-

реносчиков, измеряемому по необходимости на системе,

выведенной из этого состояния.

Рассмотрим данные по скоростям электронного пере-

носа

между

компонентами ЦЭТ митохондрий.

Следует

сказать, что разброс результатов, полученных разными

авторами и

даже

одними и теми же авторами в разных пуб-

ликациях, весьма велик. Это вполне понятно, так как ки-

нетические характеристики необычайно чувствительны

состоянию митохондрий и добиться одинаковых усло-

вий

практически невозможно. Тем не менее

даже

на осно-

вании

существующих

данных можно прийти к некоторым

0,40 0,51 2,5 5,0 80 300 500 750

' " —НАД-Н

Рис.

7.6. Кинетическая

схема

окисления переносчиков ЦЭТ в мито-

хондриях.

Числа у стрелок означают время полуокисления (в

мсек)

после пег-

дачи кислорода.

важным заключениям. Приведем несколько кинетических

схем

ЦЭТ, взятых из работ, выполненных в лаборатории

Чанса. В обзорном докладе [109] дана кинетическая схе-

ма электронного переноса в ЦЭТ митохондрий (рис. 7.6)

указаны скорости окисления полностью восстановленных

переносчиков в анаэробных митохондриях после дачи ки-

слорода импульсным методом или методом остановленной

струи.

Представление о разбросе кинетических параметров

можно получить из рис. 7.7, где приведены более поздние

данные той же лаборатории [110]. Здесь уже дифференци-