Рубин А.Б., Шинкарев В.П. Транспорт электронов в биологических системах

Подождите немного. Документ загружается.

АКАДЕМИЯ

НАУК СССР ,

МОСКОВСКОЕ ОБЩЕСТВО ИСПЫТАТЕЛЕЙ ПРИРОДЫ

А. Б. РУБИН, В. П. ШИНКАРЕВ

ТРАНСПОРТ

ЭЛЕКТРОНОВ

В БИОЛОГИЧЕСКИХ

СИСТЕМАХ

ИЗДАТЕЛЬСТВО

«НАУКА»

МОСКВА 1984

УДК

577.3:577.31

Рубин А. Б., Ш и н к а р е в В. П. Транспорт электронов в биологиче-

ских системах. М.: Наука, 1984.

Монография

посвящена рассмотрению физико-химических проблем

трансформации

энергии в биомембранах при дыхании и фотосинтезе. При-

ведены современные представления об организации электронтранспортных

цепей

митохондрий, хлоропластов и хроматофоров. Особое внимание уде-

лено сопоставлению электронтранспортных комплексов различных групп

организмов. Анализируются кинетические и термодинамические особенности

переноса электронов в мультиферментных комплексах. Рассмотрена

кине-

тика переноса электронов в фотосинтетических реакционных центрах фо-

тотрофных бактерий и зеленых растений.

Книга

представляет интерес для биофизиков, биохимиков, а также хи-

миков

и физиков, изучающих проблемы биоэнергетики и биокинетики.

Табл. 11, ил. 75, библиогр. 505 назв.

Ответственный редактор

доктор биологических наук

А. А. КОНОНЕНКО

—

221-84-П

«Наука»,

1984 г.

042

(02)-84

ПРЕДИСЛОВИЕ

Исследование механизмов преобразования энергии при ды-

хании и фотосинтезе в значительной степени основано на ана-

лизе кинетики окислительно-восстановительных реакций пере-

носчиков электронов в окислительной (дыхательной) и фото-

синтетической электронтранспортных цепях. Эти переносчики

расположены в энергопреобразующих мембранах и, как прави-

ло,

объединены в мультиферментные комплексы строго опреде-

ленного состава и

структуры,

в которых задана последователь-

ность переноса электронов от одной молекулы к

другой.

Для

анализа транспорта электронов в таких комплексах непримени-

мы как обычный кинетический анализ, основанный на предпо-

ложении о столкновительном характере взаимодействия моле-

кул, так и обычный термодинамический анализ, поскольку ско-

рость переноса электронов в комплексах не зависит от объемной

концентрации

индивидуальных переносчиков, а определяется

концентрацией комплексов в

соответствующих

состояниях.

Нами

подробно излагается способ описания кинетики транс-

порта электронов в комплексах переносчиков. Он может быть

непосредственно обобщен для

любых

ферментативных реакций,

протекающих в мультиферментных комплексах; применение

его иллюстрируется на примере анализа фотосинтетического

транспорта электронов.

В первой

главе

рассмотрены современные представления об

организации фотосинтетических и

дыхательных

электронтранс-

портных цепей. Особое внимание

уделено

структурно-функцио-

нальным особенностям электронтранспортных комплексов у раз-

личных групп организмов и их сопоставлению

друг

другом.

Главы, со второй по восьмую, посвящены формулировке и

анализу кинетической модели переноса электронов в комплек-

сах, сравнению различных кинетических моделей транспорта

электронов в биологических системах, а также вопросам термо-

динамического описания окислительно-восстановительных реак-

ций

в комплексах.

Введение понятия состояния всего комплекса как упорядо-

ченного набора состояний отдельных переносчиков позволяет

сформулировать кинетическую модель в виде цепи Маркова с

дискретным набором состояний и непрерывным временем, опи-

сываемой системой линейных обыкновенных дифференциальных

уравнений первого порядка. Разработанная модель позволяет

прямо

учесть

кооперативные эффекты, заключающиеся в том,

что скорость переноса электрона

между

двумя

переносчиками

зависит от состояния и

других

переносчиков, входящих в дан-

ный

комплекс. Специфическими особенностями описания явля-

ются независимость скорости переноса электронов от концент-

рации

переносчиков, а также то, что число состояний комплекса

соответственно число уравнений экспоненциально возрастают

при

увеличении числа переносчиков в комплексе.

При

анализе данного описания

будут

рассмотрены, в частно-

сти,

следующие

вопросы.

Как

связаны

между

собой закон

действующих

масс, приме-

нимый

к подвижным переносчикам, и модель, описывающая пе-

ренос электронов в

структурных

комплексах?

В каких

случаях

вместо уравнений относительно состояний

всего комплекса можно использовать уравнения относительно

состояний отдельных переносчиков, составляющих комплекс?

В чем различие

между

обычным термодинамическим описа-

нием

окислительно-восстановительных реакций подвижных пе-

реносчиков и описанием переноса электронов в комплексах пере-

носчиков?

Основное внимание

будет

уделено

переносу электронов при

фотосинтезе, поскольку в фотосинтетической электронтранс-

портной цепи имеется уникальная возможность практически

мгновенно

«запускать»

процесс переноса электронов с помощью

света, что является неоспоримым преимуществом при кинетиче-

ском анализе.

Первые восемь

глав

посвящены общим вопросам переноса

электронов в биологических системах и поэтому

могут

предста-

вить интерес для

всех,

кто в своей работе сталкивается с необ-

ходимостью

кинетического анализа транспорта электронов. В по-

следующих

пяти

главах

рассмотрены вопросы, касающиеся опи-

сания

переноса электронов в комплексах реакционных центров

при

фотосинтезе.

Сформулирована обобщенная модель переноса электронов в

ближайшем донорно-акцепторном окружении фотосинтетиче-

ских реакционных центров

(ФРЦ).

На основе этой модели рас-

смотрены стационарные и переходные характеристики переноса

электронов в ФРЦ. Проведенный кинетический анализ показы-

вает,

что функциональное устройство ФРЦ обеспечивает его го-

товность к использованию очередного кванта света за

счет

под-

держания донорной части в восстановленном, а акцепторной — в

окисленном состояниях.

рассмотрена кинетика редокс-

превращений переносчиков ФРЦ в хроматофорах пурпурных

бактерий в окислительных и восстановительных условиях. Осо-

бое внимание

уделяется

анализу функционирования вторичного

хинонного акцептора ФРЦ пурпурных бактерий. Подробно оха-

рактеризованы

двухтактные

колебания концентраций семихинон-

ной

формы вторичного хинона и на основе кинетического анали-

за оценен квантовый

выход

разделения зарядов в реакционных

центрах.

Книга

основана на исследованиях, проводившихся в послед-

ние

10 лет на кафедре биофизики биологического факультета

МГУ. Написание книги стало возможным лишь благодаря мно-

голетнему сотрудничеству и многочисленным дискуссиям с

П.

С. Бенедиктовым, которому авторы выражают свою при-

знательность.

Авторы

считают своим приятным долгом выразить благодар-

ность А. А.

Кононенко,

чьи советы во многом способствовали

нашей

работе над книгой, а также А. А. Константинову, сделав-

шему ряд ценных замечаний по первой главе.

В процессе работы над книгой мы пользовались помощью и

советами целого ряда товарищей и сотрудников, которым выра-

жаем свою искреннюю признательность: С. И. Аксенову,

С.

Д. Варфоломееву, М. И. Верховскому, Т. Н. Воробьевой,

А. Я. Мулкиджаняну, И. И. Поттосину, Н. Ф. Пытьевой,

Г. Ю. Ризниченко, В. Д. Следь, А. Д. Соловьеву, О. Н.

Шинка-

ревой.

СПИСОК

СОКРАЩЕНИИ

АДФ, АТФ — аденозин-5-ди и трифос- ССК — светособирающий комплекс

фат ТМФД — N,N,N',N' — тетраметилпа-

БАЛ — британский антилюизит (2,3- рафенилендиамин

димеркаптопропанол) УГДБТ — 5-.ч-ундецил-6-гидрокси-4,7-

Бхл — бактериохлорофилл диоксобензогиазол

Бф

— бактериофеофетин Ф„ — неорганический фосфат

ДЦКД

— jV.V'-дициклогексилкарбо- ФАД — флавинадениндинуклеотид

диимид фд — Ферредоксин

KoQ,Q — кофеомент Q (убихинон) ФМН — флавинмононуклеотид

ЛДАО

— лаурилдиметиламинооксид ФМС — ЛГ-метилфеназинметосульфат

НАД — никотинамидадениндинуклео- ФРЦ — фотосинтетический реакцион-

тид ный центр

НАДФ — никотинамидадениндину- ФС I — фотосистема I

клеотидфосфат ФС II — фотосистема II

— пластохинон Фф — феофетин

— пластоцланин ЦЭТ — цепь электронного транспорта

СДГ — сукцинатдегидрогеназа Д^Гн+ — трансмембранная разность

СМЧ

— субмитохондриальные части- электрохимических потенциалов ио-

цы

нов водорода

Глава 1

ПЕРЕНОС

ЭЛЕКТРОНОВ

ПРЕОБРАЗОВАНИЕ

ЭНЕРГИИ

В этой главе кратко рассмотрены свойства и характеристики

электронтранспортных цепей митохондрий, хлоропластов и хро-

матофоров, в которых энергия окислительно-восстановительных

реакций используется для синтеза АТФ.

1.1.

Общая

характеристика

преобразования

энергии

биомембранах

В течение последних

15—20

лет стало ясно, что процессы пре-

образования энергии при электронном транспорте в мембранах

митохондрий, хлоропластов, хроматофоров и некоторых бакте-

рий обладают фундаментальным сходством [Грин, Гольдбергер,

1968; Скулачев, 1972; Ленинджер, 1974; Рэкер, 1979]. Было вы-

яснено,

что во

всех

этих системах реализуется единый принцип

сопряжения переноса электронов по цепи электронного транспор-

та с синтезом АТФ [Скулачев, 1972; Mitchell, 1966; Harold, 1977;

Hauska, Trebst, 1977; Рэкер, 1979]. Этот принцип иллюстрирует

рис.

1, на котором показано, что перенос электронов по электрон-

АТФ

ТФаза

Мембрана

Рис.

1. Схема превращения энергии в биомембранах [Skulachev, 1981]

Цепь

электронного транспорта (/), используя энергию окислительно-восстановительных

реакция,

транспортирует протоны через мембрану против их электрохимического потен-

циала.

Образующаяся таким образом трансмембранная разность электрохимических по-

тенциалов

ионов водорода используется АТФ-синтетазой (2) для синтеза АТФ из АДФ

транспортной цепи приводит к переносу протонов через гидро-

фобный

барьер мембраны. В

результате

энергия окислительно-

восстановительных реакций трансформируется в трансмембран-

ную разность электрохимических потенциалов ионов водорода

(ДцН

которая затем используется для синтеза АТФ из АДФ

с помощью особого фермента — АТФ-синтетазы.

Если сам принцип сопряжения переноса электронов с синте-

зом АТФ, выдвинутый Митчелом [Mitchell, 1961, 1966], доста-

точно хорошо обоснован экспериментально [Скулачев, 1972;

Clayton, Sistrom, 1978; Schafer,

Klingenberg,

1978; Lee et al., 1979;

Рэкер,

1979;

Skulachev,

Hinkle, 1981], то механизмы сопряжения

переноса электронов с трансмембранным переносом протонов, а

также механизм использования АТФ-синтетазой энергии протон-

ного градиента по

существу

неясны.

Рассмотрим вначале цепи электронного транспорта (ЦЭТ)

митохондрий.

1.2.

Цепь

электронного

транспорта

во

внутренней

мембране

митохондрий

Превращения энергии, происходящие в митохондриях, можно

схематически представить в виде следующих

трех

стадий [Грин,

Гольдбергер, 1968; Ленинджер, 1974;

Рэкер,

1979;

Уайт

и др.,

1981].

1. Образование доноров электронов для ЦЭТ (НАДН, сукци-

нат и др.).

2. Перенос электронов по ЦЭТ от НАДН и сукцината к ки-

слороду, сопряженный с образованием трансмембранной разно-

сти электрохимических_потенциалов ионов водорода

(Дц.Н

3. Использование ДцН

для синтеза АТФ из АДФ и Ф„.

Все стадии, кроме первой, протекают во внутренней мембра-

не митохондрий. Таким образом, основной энергетической функ-

цией

ЦЭТ митохондрий является использование энергии редокс-

реакций

для синтеза АТФ, причем образующаяся в процессе этих

реакций

Дц,Н

, необходимая для синтеза АТФ, может непосред-

ственно использоваться для совершения химической и осмотиче-

ской

работы и

других

процессов [Скулачев, 1972;

Skulachev,

1980, 1981].

Суммарная реакция окисления НАДН кислородом, осущест-

вляемая митохондриями, есть реакция горения водорода, кото-

рая в митохондриях происходит в несколько этапов, причем на

каждую

молекулу НАДН, окисляемую дыхательной цепью в со-

пряженных условиях, образуется не менее

трех

молекул АТФ

[Рэкер,

1979].

Скорость переноса электронов

между

переносчиками ЦЭТ

митохондрий различна и в среднем увеличивается при приближе-

нии

к акцепторной стороне, где происходит восстановление О

В стационарных условиях электронный поток

по ЦЭТ

является

достаточно быстрым,

10—100

электронов

секунду [Chance

al.,

1980].

1.3.

Переносчики цепи электронного транспорта

митохондрий

Молекулы переносчиков представляют собой основные

эле-

менты структуры митохондрий,

на

которые приходится около

25%

белка митохондриальных мембран [Ленинджер, 1966].

Известно

около

переносчиков электронов, составляющих

ЦЭТ

митохондрий (табл.

1).

Среди переносчиков только

НАД,

флавины

убихинон являются двухэлектронными,

в то

время

как

остальные компоненты ЦЭТ

—

одноэлектронные.

Большинство

компонентов дыхательной цепи содержат

ато-

мы переходных металлов, претерпевающих редокс-превращения.

Так,

ряд

белков содержит атомы железа, связанные

атомами

кислотолабильной серы [Palmer,

1975;

Орм-Джонсон,

1978;

Лихтенштейн, 1979].

Это так

называемые железо-серные центры

(иначе

их

называют белками, содержащими негем(ин)овое

же-

лезо-,

или

железо-серосодержащими белками).

Как

правило,

железо-серные центры являются одноэлектронными переносчи-

ками,

однако

определенных условиях

они

могут

иметь несколь-

ко

степеней окисления [Орм-Джонсон,

1978;

Лихтенштейн,

1979].

Большую группу переносчиков электронов составляют цито-

хромы, которые содержат гемовую(железо-порфириновую)

про-

стетическую группу [Ленинджер,

1974;

Рэкер,

1979]. Цитохро-

мы подразделяются

на три

основных класса

(а, Ъ, с)

согласно

типу гема,

также

их

характерному спектру поглощения

в вос-

Таблица

Потенциалы полувосстановления митохондриальных переносчиков*

Переносчик

электронов

Е° (рН

7,2),

—0,32

—0,30

—0,305

-0,245

-0,020

-0,045

—0,03

+0,03

рН

зависи-

мость

мВ/ед

рН

60,

—

рН

рН7

Переносчик

электронов

рН

зависи-

мость

мВ/ед

рН

НАД

Флавопротеид

FeS

центры

1а+16

FeS

центры

3+4

FeS

центр

Флавопротеид

(СДГ)

Цитохром

бдев

FeS

центр

(СДГ)

Убихинон

(KoQ)

Цитохром

FeS

центр «Риске»

Цитохром

Си

Цитохром

+0,03

+0,045

+0,215

+0,235

+0,280

+0,210

+0,245

+0,385

~20

-0,

рН7;

60, рН 7

• Таблица составлена

по

данным работы Вилсона

соавторами

[Wilson

et al.,

1974].

становленной

форме [Dickerson, Timkovich,

1975;

Харбури,

Маркс,

1978;

Bartsch, 1978].

Белковые

компоненты переносчиков электронов необходимым

образом модифицируют редокс-свойства металлов,

также обес-

печивают

им

соответствующее диэлектрическое

химическое

окружение [Лихтенштейн,

1979;

Эйхгорн,

1978;

Chance

et al.,

1980].

Подробное описание свойств индивидуальных переносчиков

электронов

можно найти

литературе [Ленинджер,

1974; Эйх-

горн,

1978;

Лихтенштейн,

1979;

Adman, 1979].

На

рис. 2

показана упрощенная схема расположения перенос-

чиков

электронов

дыхательной цепи. Первым субстратом

ЦЭТ

является НАДН,

которого электроны переходят

на ФМН и да-

лее через несколько железосерных центров переносятся

на уби-

хинон

цитохромы

Ъ.

Затем через цепь цитохромов электроны

переносятся

на

кислород.

Как

правило,

в ЦЭТ

переносчики электронов расположены

последовательности,

при

которой

их

редокс-потенциалы

воз-

растают

от

некоторого отрицательного значения, приблизительно

соответствующего потенциалу водородного электрода,

до

значе-

ния,

близкого

потенциалу,

при

котором происходит восстанов-

ление кислорода

до

воды.

Энергия

электрона

при

переносе

от

НАДН

кислороду изме-

няется

приблизительно

на

1,1—1,2

эВ; эта

разность

есть

та

движущая сила, которая

конечном итоге приводит

синтезу

АТФ.

табл.

приведены редокс-потенциалы некоторых компо-

нентов

дыхательной цепи.

Эти

значения являются приближенны-

ми

варьируют

при

изменении

рН,

ионного состава среды,

тем-

пературы

и др.

Кроме того, редокс-потенциалы переносчиков,

силу

их

белкового характера, естественно зависят

от

источника

способа выделения митохондрий

и их

фрагментов. Поскольку

переносчики

электронов расположены асимметрично

мембране

[Рэкер,

1979],

их

редокс-потенциалы зависят также

от

величины

трансмембранного

поверхностного электрических потенциалов

[Hinkle, Mitchell,1970;

Walz, 1979;

Itoh,

1980].

1.4.

Комплексы переносчикоз —

основные структурные единицы ЦЭТ

Большинство

переносчиков

ЦЭТ

митохондрий организовано

мультиферментные комплексы определенного состава,

кото-

рых задана последовательность переноса электронов

между

пе-

реносчиками

[Hatefi

et al., 1962;

Hatefi, Galante,

1978;

Грин,

Флейшер,

1964;

Ленинджер,

1966;

Грин, Гольдбергер, 1968].

При

обработке внутренних мембран детергентами полная элек-

тронтранспортная цепь может быть разделена

на

четыре муль-

тиферментных комплекса, обозначаемых римскими цифрами:

НАДН: убихинон-оксидоредуктаза;

II.

сукцинат: убихинон-

Рис.

2. Упрощенная схе-

ма последовательности

переноса электронов в

дыхательной цепи ми-

тохондрий

Таблица 2. Свойства

комплексов цепи

переноса электронов

митохондрии

Сунцинат

ФАД^-цит

5575

-2

FeS

s-i

цит

В.

562.

•цит

с,-

FeS

Ратенон

Антиницин А

-цит

с—*~цит

а—*~цит

-г-^г

со.сг

Комапекс

НАД Н:Ко<Э-оксидоредуктаза

П.

Сукцинат:KoQ-оксидоредуктаза

III.

Ко<ЭН

:цитохром с-оксидоредук-

таза

IV. Цитохром с:О

-оксидоредуктаза

Относи-

тельное

содержание

Молеку-

лярный

вес.

кД

<700

200

250

150—200

Количество

полнпепти-

дов

16-18

8—9

Компонент

ФМН

Негемовое железо

Убихинон, липиды

ФАД

Негемовое железо

Цитохром Ь

Липиды

Цитохром Ь

Цитохром с

Негемовое железо

Убихинон

Липиды

Цитохром а

Медь

Липиды

Содержание

компонен-

тов,

моль

16-18

7—8

2^1

Специфические

ингибиторы

Ротенон,

амитал, пирицидин

а-Теноилтрифторацетон

Антимицин А

Цианид,

азид, СО