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

Подождите немного. Документ загружается.

Е,мВ

Рис.

12.

Энергетический

профиль электронного

транспорта

митохонд-

риях

Сукцинат

умарат

Рис.

13.

Энергетический

профиль транспорта

электронов

несерных

пурпурных бактерий

Е,н8

-400

-300

-гоо

-wo

*wo

+200

+300

400

+500

+600

+700

7OO

ФС1

Рис.

14.

Схема сопряже-

иллши

ния

различных электрон-

•

пщчуп

ранспортных комплек-

сов в ЦЭТ

митохондрий,

хлоропластов

хромато-

форов

ФНН

2цитЬ

цит

(РС)цит

с-

цита

С и

цит

Си,

<РРЦ

680

МП

ФСП

ton,

1981] и с

комплексом

—f

хлоропластов [Prince

et al.,

1982].

Показана

способность образованных агрегатов

фотоиндуци-

рованному восстановлению цитохромов типа

Ь,

чувствительного

ингибиторам.

Об

этом

же

говорит

эффект «сверхвосстанов-

ления» цитохромов

Ь,

индуцированного окислителями, обнару-

женный

изолированных комплексов фотосинтезирующих

бак-

терий [Gabellini

et al., 1982] и

высших растений

[Lam,

Malkin,

1982а;

Hurt, Hauska, 1982].

Остальные комплексы молекул переносчиков, участвующие

в преобразовании энергии, являются более специфическими

присутствуют лишь

определенных групп организмов. Универ-

сальность комплекса

III

обусловлена, по-видимому,

тем, что он

не связан специфически

определенными видами доноров

и ак-

цепторов

отличие

от

терминальных комплексов.

Рассмотрим более подробно взаимодействие комплексов

различных фотосинтетических

ЦЭТ.

Пурпурным фотосинтезирующим бактериям, поглощающим

дальней красной области, энергии кванта

хватает

только на

то,

чтобы для генерации Д^Н

использовать лишь третий ком-

плекс.

Использовать цитохромоксидазу им удается только в аэ-

робных условиях (несерные пурпурные бактерии). Восстановить

НАДН бактерии

могут

лишь за счет обратного транспорта элек-

тронов,

который начинается на уровне хинонов и захватывает

комплекс

I [Самуилов, 1982] (см. рис. 13).

Фотосинтез

у растений происходит с участием

двух

фото-

систем, которые расположены на энергетической шкале таким

образом, что при переносе электронов от фотосистемы II к фо-

тосистеме I может быть использован комплекс III (6

—/-комп-

лекс).

С этой точки зрения представляется естественным

сход-

ство акцепторных сторон ФРЦ бактерий фотосистемы II зеле-

ных растений [см. обзор Климов, Красновский, 1982], так как

обоих случаях ФРЦ сопрягается с комплексом III — темновым

генератором ДцН

. Отметим, что с рассматриваемой точки зре-

ния

должно наблюдаться определенное

сходство

донорной ча-

сти ФРЦ пурпурных бактерий и первой фотосистемы высших

растений,

так как комплекс III выступает в качестве донора

электронов

для ФРЦ. Такое

сходство

действительно обнаружи-

вается в значениях редокс-потенциалов переносчиков, находя-

щихся на донорной стороне ФРЦ. Кроме того, у некоторых

синезеленых водорослей пластоцианин в определенных условиях

может заменяться на водорастворимый цитохром с

553

[Wood,

1978; Bochner,

Boger,

1978; Bochner et al., 1980].

Можно

предположить, что если ЦЭТ имеет доноры и акцеп-

торы электронов, потенциалы которых позволяют функциониро-

вать какому-либо известному темновому генератору Д|лН

, то

с большой вероятностью такой генератор, включающий соответ-

ствующие переносчики электронов,

существует

(принцип про-

межуточного генератора).

Редокс-потенциалы акцепторов фотосистемы I таковы, что

они

могли бы донировать электроны в комплекс I, аналогичный

таковому в дыхательной цепи митохондрий. Это позволило бы

запасать энергию в виде Дц,Н

и соответственно переводить ее

биологически полезную форму АТФ. В этом

случае

ЦЭТ рас-

тений

выглядела бы так, как она представлена на рис. 14.

Анализ рис. 14 приводит к выводу, что участие комплекса

в ЦЭТ сделало бы возможным восстановление НАД(Ф) за

счет работы только фотосистемы II. Образование НАД(Ф)Н в

них могло бы происходить так же, как у пурпурных бактерий,

за счет обратного транспорта. Для этого был бы необходим эф-

фективный

циклический транспорт электронов в фотосистеме II.

Такая

ЦЭТ соответствовала бы бактериальной, но с использо-

ванием

в качестве донора электронов воды. Кроме рассмотрен-

ной

ситуации, возможна также обратная картина, при которой

донором электронов служит не вода, как у растений, а более

восстановленные соединения, и вместе с тем энергии кванта све-

та

хватает

для того, чтобы

охватить

первый и третий энергопре-

образующие комплексы и работать сразу на

двух

генераторах

АрШ

вместо одного. Таким объектом являются, по-видимому,

зеленые серобактерии.

Следовательно, точка зрения, согласно которой минимальной

функциональной единицей энергопреобразующих электронтран-

спортных цепей являются комплексы молекул переносчиков,

способных к образованию трансмембранной разности электро-

химического потенциала ионов водорода, приводит к достаточ-

но

естественной и простой картине, согласно которой в центре

энергетического преобразования в ЦЭТ стоят темновые гене-

раторы Д|АН

-комплекс III и, возможно, комплекс I. Объедине-

ние

с ними остальных энергопреобразующих комплексов и об-

разует

ЦЭТ, специфичную для каждого типа организмов.

Заключение

Выше были рассмотрены только процессы транспорта элек-

тронов при дыхании и фотосинтезе и совсем не затрагивались

другие

известные системы переноса электронов, такие, как си-

стема гидроксилирования, нитрогеназа, и многие

другие.

По-

дробный анализ химических свойств и строения этих систем

приведен в книге Г. И. Лихтенштейна [1979], к которой мы и

отсылаем читателя. Рассмотрение лишь энергопреобразующих

систем транспорта электронов связано с их структурированно-

стью, которая доказана экспериментально.

Наиболее изученным в отношении состава и

структуры,

также последовательности, кинетики и термодинамики переноса

электронов является ФРЦ пурпурных бактерий. По-видимому,

общие принципы функционирования

других

фотосинтетических

реакционных центров сходны с таковыми для ФРЦ пурпурных

бактерий (см. гл. 9).

Вместе

с тем совершенно очевидно, что

детали организации различных реакционных центров

могут

быть

отличны

друг

от

друга.

Изложенное справедливо и для

других

комплексов,

участвующих

в переносе электронов.

Проведенный выше анализ переноса электронов при

дыха-

нии

и фотосинтезе показывает, что, несмотря на значительный

прогресс в изучении различных аспектов транспорта электро-

нов,

до настоящего времени во многом еще неясны последова-

тельность, механизмы и кинетика переноса электронов для ос-

новных электронтранспортных комплексов I—IV дыхательной

цепи,

а также комплексов ФРЦ.

в книге мы рассмотрим способы взаимодействия пе-

реносчиков электронов

друг

другом,

кинетику переноса элек-

тронов внутри отдельных электронтранспортных комплексов,

а также зависимость скорости переноса электронов от различ-

ных факторов. До последнего времени предполагалось, что пе-

ренос электронов в биосистемах можно описать таким же обра-

зом,

как и окислительно-восстановительные реакции, происхо-

дящие в растворах. Вместе с тем, как явствует из приведенного

выше материала, структурной единицей переноса электронов в

ЦЭТ

являются определенным образом организованные элек-

тронтранспортные комплексы. Для описания транспорта элек-

тронов в таких комплексах нами используется далее вероят-

ностное описание [Шинкарев, Венедиктов, 1977], одной из ха-

рактерных черт которого является введение состояний комплек-

са как целого. Предложенный формализм является достаточно

общим и может быть использован для описания функциониро-

вания

не только электронтранспортных, но и

других

мультифер-

ментных комплексов.

Глава 2

ВЕРОЯТНОСТНАЯ МОДЕЛЬ

МУЛЬТИФЕРМЕНТНОГО

КОМПЛЕКСА

В данной главе приведены сведения из теории вероятностей

случайных процессов, необходимые для формулировки вероят-

ностной модели функционирования мультиферментного комп-

лекса. Большинство примеров, приведенных для иллюстрации ос-

новных положений теории вероятностей и случайных процессов,

относится к этой вероятностной модели. Выбранная нами точка

зрения

на мультиферментный комплекс как на совокупность

взаимодействующих центров, каждый из которых может нахо-

диться в конечном числе состояний, позволяет в рамках единой

кинетической схемы охватить чрезвычайно большой класс про-

цессов, таких, как обычный ферментативный катализ, адсорб-

цию,

окислительно-восстановительные реакции, эстафетный

транспорт ионов и т. д., рассматриваемых обычно отдельно

друг

от

друга.

2.1.

Состояния комплекса как случайные события

Как

известно [Гнеденко, 1965; Гихман и др., 1979], сущест-

вуют

два крайних случая связи

между

некоторой совокупностью

условий G и событием А, наступление или ненаступление кото-

рого при данных условиях может быть точно установлено. В пер-

вом

случае

при каждом осуществлении совокупности условий G

наступает событие А. Это так называемый детерминированный

случай. Во втором

случае

при выполнении совокупности усло-

вий

G событие А может произойти, а может и не произойти. Та-

кие

события, которые при известных условиях либо происходят,

либо

не

происходят, называются случайными. Типичным приме-

ром такого рода случайного события является выпадение

«орла»

или

«решки» при подбрасывании монеты.

теории вероятностей

рассматриваются случайные события,

для

которых при большом

числе испытаний доля

той

части случаев, когда происходит

со-

бытие

А,

лишь изредка сколько-нибудь значительно уклоняется

от некоторой величины.

Эта

величина есть вероятность данного

события,

служащая количественной оценкой возможности

по-

явления

события

при выполнении совокупности условий

Будем говорить,

что

задан случайный эксперимент, если

ука-

зана

совокупность условий

G и

множество случайных событий

со

о)

•••

наступление которых

следует

наблюдать.

теории вероят-

ностей предполагается,

что

рассматриваемому эксперименту по-

ставлено

соответствие некоторое множество

точки которого

изображают наиболее полную информацию

результатах

дан-

ного эксперимента. Множество

называют пространством

эле-

ментарных событий,

а его

точки

—

элементарными событиями

[Боровков,

1976; Гихман

др., 1979].

Приведем примеры случайных экспериментов.

1. Пусть фермент

катализирует образование продукта

из

субстрата

согласно следующей схеме:

E+S^ES-*E+P,

(2.1)

где

ES —

фермент-субстратный комплекс.

результате

эксперимента, который состоит

наблюдении

за со-

стоянием

отдельной молекулы фермента, может быть зареги-

стрирован либо фермент-субстратный комплекс ES

—

это одно

событие, либо свободный фермент

—

это

другое

событие.

По-

скольку как присоединение субстрата

отдельной молекуле фер-

мента,

так и его

освобождение определяются большим числом

случайных факторов,

то

состояния,

которых находится данный

фермент

рассматриваемый момент времени, представляют

со-

бой случайные события. Следовательно, пространство элементар-

ных событий

для

каждой молекулы фермента состоит

из

двух

элементов:

{<Й,,

СО

}={свободный

фермент, фермент-субстрат-

ный

комплекс},

т. е.

Q={E,

ES}.

2. Рассмотрим окислительно-восстановительную реакцию

между

А и D:

+ D-*±A~+D

(2.2)

Пусть

мы

наблюдаем

за

состоянием отдельной молекулы

А.

Она

может находиться

двух

состояниях

—

окисленном

(А

) и вос-

становленном (А~). Соответственно этому пространство элемен-

тарных событий

рассматриваемом эксперименте также состо-

ит

из

двух

элементов:

Q =

{A\A-}.

3. Рассмотрим группу

некоторого белка, которая может

присоединять

протон. Считаем, что наблюдаемыми

эксперимен-

те являются состояния этой группы. Ясно,

что

пространством

элементарных событий

этом

случае

является Q

= {5, БН}, где

БН

—

протонированное состояние группы.

Рассмотрение этих

подобных примеров приводит

целесо-

образности выделения общей модели фермента (центра)

Е, ко-

торый может находиться

двух

состояниях

—

свободном

(£

)

занятом (.Е

каждом частном

случае

центр может быть

за-

нят

ионом, электроном, субстратом, ингибитором

и т. д.

(рис.

15).

Рис.

15.

Схематическое

изо-

бражение

перехода

фермента

(центра)

из

занятого состояния

свободное

наоборот

Черными кружками обозначены

ча-

стицы, обусловливающие занятое

состояние фермента (центра)

•

При

указанном расширении понятия состояния отдельного

фермента можно

рамках единой

схемы

охватить

широкий класс

моделей. Достаточно отметить,

что

уравнение Нернста

для

окис-

лительно-восстановительных реакций, уравнение. Михаэли-

са-Ментен

для

ферментативных реакций, уравнение Ленгмюра

для изотермы адсорбции, уравнение Гендерсона—Хассельбалха

для кислотно-основных переходов

и т. д. с

рассматриваемой

точ-

ки

зрения являются

не чем

иным,

как

одним

и тем же

уравне-

нием,

описывающим некий центр, который может находиться

только

двух

состояниях.

первом

случае

это

окисленная

и вос-

становленная

формы фермента,

во

втором

—

это свободный

фер-

мент

фермент, связанный

субстратом

и т. д.

4. Рассмотрим комплекс

двух

ферментов

(двух

взаимодейст-

вующих

центров)

£\ и Е

каждый

из

которых может находиться

соответственно

свободном

занятом состоянии. Здесь по-преж-

нему

под

занятым состоянием отдельного фермента можно

пони-

мать

его

восстановленную, протонированную

и т. п.

форму.

Для

комплекса

двух

ферментов пространством элементарных собы-

тий

является совокупность

следующих

четырех

событий, отли-

чающихся

друг

от

друга

состоянием либо первого, либо второго

фермента:

Q = {EiEz, E1E2, Е1Е2, Е1Е2}.

Здесь, например, событие (EiE\), означает,

что

первый фермент

свободен,

второй фермент занят.

Совершенно

аналогично может быть рассмотрен мультифер-

ментный

комплекс, состоящий

из

любого конечного числа

фер-

ментов,

каждый

из

которых может находиться

нескольких,

не

обязательно

двух,

состояниях.

Событием

будем

называть любое подмножество

конечного

пространства элементарных событий

Й.

Таким образом, счита-

ется,

что

произошло событие

А,

если произошло какое-либо

из

элементарных событий, принадлежащих А. Над случайными

событиями определены некоторые операции, выражаемые сло-

вами «и»,

«или»,

«не»

и их комбинации [Лоэв, 1962]. Так, на-

пример,

каждому событию А можно сопоставить противополож-

ное

событие А

(«не»

А), которое происходит только

тогда,

когда

не

происходит событие А. Следовательно, эти же операции мо-

гут быть определены и на ферментных формах. Ниже приведе-

на

краткая сводка основных операций над случайными события-

ми

[Гихман и др., 1979].

Обозначение

А\В

A=Q\A

АГ)В

(АВ)

A\JB

Название

Достоверное событие

Разность

событий А к В

Событие, противоположное

Невозможное событие

Умножение (пересечение, сов-

мещение) событий А я В

Сумма (объединение) событий

АиВ

Определение

Совокупность

всех

элементарных

событий

Событие, состоящее в том, что про-

изойдет Л, но не произойдет В

Происходит

тогда,

когда не проис-

ходит

событие А

Событие, противоположное досто-

верному событию

Происходит

тогда

и только

тогда,

когда происходят оба события Л и В

Происходит

тогда,

когда происходит

либо событие А, либо В

В качестве иллюстрации операций над ферментными форма-

ми

рассмотрим пространство элементарных событий комплекса,

состоящего из

двух

ферментов (пример 4):

Q =

{ElElElElEtElElEl}

= {щ, со

, со

, ш

Пусть Е° — событие, состоящее в том, что первый фермент сво-

боден, а событие El состоит в том, что второй фермент занят.

Перечислением этих

двух

событий Е\[\ Е\ — Е\Е\ является со-

бытие (о

, состоящее в том, что первый фермент свободен, а вто-

рой

фермент занят. Таким образом, состояния рассматриваемого

ферментного комплекса есть не что иное, как пересечение состоя-

ний

отдельных ферментов, составляющих комплекс. Заметим, что

различные состояния комплекса

двух

ферментов несовместны,

поскольку каждое из них отличается от

другого

состоянием либо

первого, либо второго фермента. Вместе с тем объединение

всех

состояний

комплекса есть достоверное событие. Про такие слу-

чайные события говорят, что они образуют полную группу собы-

тий

[Гнеденко, 1965]. Коротко определение полной группы со-

бытий можно записать следующим образом:

(2.3)

Любое событие, относящееся к комплексу, может быть представ-

лено как сумма несовместных событий из полной группы, ины-

ми

словами, может быть выражено через со

. Так, например, со-

бытия E

El,

El\El,

El U El

могут

быть следующим образом

выражены через события полной группы:

El = ElEl + Е\Е\; Е\ = Е\Е\ + Е\Е\,

Е\/

Е\

= ElEl;

El l = ElEl + ElE\ + ElEl

(2-4)

Наглядно

указанные соотношения можно усмотреть из рис. 16,

на

котором события Е\ и Е\ указаны соответственно горизон-

тальной и вертикальной штриховкой.

Рис.

16. Схематическое изо-

бражение

различных

состоя-

ний-

комплекса

двух

фермен-

тов

(центров)

Горизонтдльной

и вертикальной

штрихозчой

указаны

состояния

£i'

сОсО

c'fff-

Таким

образом, для каждого мультиферментного комплекса

совокупность

всех

его состояний, отличающихся

друг

от

друга

состояниями

отдельных ферментов, является полной группой со-

бытий.

2.2.

Вероятность состояний

комплекса

Рассмотрим случайный эксперимент

конечным числом

раз-

личных

исходов

о»!, <в

, ... , со„:

Q = {o)i, . .. , &>„}.

На

пространстве элементарных событий Q определим вероятно-

сти элементарных событий

р*

Р{(0(}

таким образом, чтобы

Здесь подразумевается суммирование по всем элементарным со-

бытиям,

составляющим Q.

Вероятностью события A {AaQ) в этом

случае

называют число

(2.6)

Р(Л)=

2 л.

где суммирование распространяется по всем элементарным со-

бытиям,

составляющим событие А. Следовательно, если заданы

вероятности элементарных событий, то можно определить веро-

ятность любого сложного события, составленного из них.

случае

мультиферментного комплекса элементарными со-

бытиями являются его состояния, вероятность которых необхо-

димо определить. В частности, для комплекса

двух

ферментов,

каждый из которых может находиться в

двух

состояниях — сво-

бодном и занятом, пространство элементарных событий имеет

вид Q =

{E[El,

, «з. »*}• Вероятность

любого события может быть выражена через вероятности р

(

P{®i} элементарных событий. Например, вероятность того, что

первый фермент занят, может быть записана следующим обра-

зом:

Р (El)

= Р

(Е[Е°

Е\Е\)

= Р

(Е\Е1)

+ Р

(E\El)

= р

+ р

Как

известно [Боровков, 1976; Гихман и др., 1979], вероят-

ность обладает следующими свойствами:

1. Вероятность достоверного события равна 1, а вероятность не-

возможного события равна 0: P(Q) = 1, Р(0) =0.

2. Вероятность наступления хотя бы одного из

двух

событий А

В равна сумме вероятностей этих событий [Р(А)+Р(В)]

минус вероятность совмещения этих событий:

P(A[jB)

— Р(А)+Р(В)—Р(АПВ). Для несовместных событий вероят-

ность их объединения равна сумме вероятностей этих собы-

тий:

Р(А + В)=Р(А)+Р(В).

3. Если из наступления события А

следует

наступление события

В, то вероятность события А не превосходит вероятность со-

бытия В: Если

AczB,

то Р(А)

<Р(В).

4. Для любого события А его вероятность неотрицательна и не

превышает единицы: О^Р(Л) =g:l.

В качестве иллюстрации свойств вероятности рассмотрим

фермент, который может находиться только в

двух

состояниях —

свободном и занятом. Поскольку свободное и занятое состояния

являются дополнительными событиями, то имеют место следую-

щие

соотношения:

^]Е°

= 0,

\JE°=E

+ E

= Q. В силу свойств'

вероятности 1° и 2° имеем P(Q) =P(E

+ E°)

=Р(£

)

+ Р(Е

) = 1.

Таким

образом, всегда вероятность занятого состояния фермен-

та равна единице минус вероятность свободного состояния фер-

мента: Р(Е

) =

1—Р(Е°).

2.3. Условная вероятность.

Независимость ферментов, составляющих комплекс

В ряде случаев приходится рассматривать вероятность слу-

чайного события Л, если известно, что уже произошло некоторое

другое

событие В, имеющее положительную вероятность — так

называемую условную вероятность [Гнеденко, 1965; Боровков,

1976; Гихман и др., 1979]. Напомним определение условной ве-

роятности.

Условной вероятностью события А, при условии, что произош-

ло событие

В[Р(В)>0],

называют

следующую

величину

(рис.

17):

Р(А

™ . (2.7)