Митохондриальное окисление

2. МИТОХОНДРИАЛЬНОЕ ОКИСЛЕНИЕ

Все ферменты дыхательной цепи мито­хондрий являются сложными белками. Их не­белковые фрагменты способны принимать элек­троны, а1атем~отда^ать следующему партнеру. Благодаря этому возможно возникновение пото­ка электронов от окисляемого субстрата к моле­куле кислорода. Он направлен в сторону воз­растания редокс-потенциала участников процес­са (стандартный окислительно-восстановитель­ный потенциал пары окислитель/восстанови­тель). Именно в такой последовательности целе­сообразно рассмотреть главные звенья системы митохондриального окисления (МтО): никоти-намидные дегидрогеназы, флавиновые фермен­ты, убихинон, цитохромы. Многие из этих ком­понентов образуют прочные комплексы с осо­быми белками - «железо-серными».

5.2.1. ФЕРМЕНТЫ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ

Никотинамидные дегидрогеназы, (НД). Составляют большую группу ферментов, полу­чивших название по своей главной функции - отнимать водород от окисляемого метаболита. Обладают высокой субстратной избирательно­стью, диктуемой спецификой строения адсорб­ционного центра. Но в качестве кофермента всегда используют либо НАД, либо НАДФ, хотя некоторые НД способны функциониро­вать с любым из них.

Ведущую роль в них игра-ет никотинамидная группа (витамин PP)Именно к ней присоединяются отнимаемые от субстрата два атома водорода, т. е., два элек­трона и два протона. Точнее, оба_;лшк1рона переходят к азоту гетероцикла, восстанавливая его из гштавалент1юТ^д^^ехвалентного_ со­стояния (рис. 5-2), тогда как лишь один из про­тонов фиксируется коферментом (присоединя­ясь в пара-положении относительно этого азо­та, с гшрераспределением двойных связей в кольце), а другой остается в растворе (среда при этом подкисляется). Тем не менее, для краткости удобнее обозначать восстановлен­ные формы НАД и НАДФ в виде WAJ\H2 и НАДФ-Да соответственно.

Если обозначить окисляемый субстрат как А х Н2 реакцию, катализируемую никотин-амидными дегидрогеназами, можно предста­вить в виде общей схемы:

-> А + НАД(Ф)#2

В этой схеме использован частый прием: сокращения НАД(Ф) и НАД(Ф)-/72 применяют тогда, когда имеют в виду любой из этих ко­ферментов (без конкретизации их).

Почти все клетки содержат больше НАД, чем НАДФ. Внутриклеточное распределение их (и соответствующих дегидрогеназ) очень нерав­номерно. НАД сосредоточен главным образом в магриксемитохондрий, в НАДФ-в цитоплазме

Убихинон - единственный компонент сис­темы МтО, не имеющий собственного апофер-мента. Тем не менее, он сохраняет изначальное название кофермент Q (по первой букве слова «quinone»). Гидрофобность и малые размеры обеспечивают ему мобильность в неполярной среде. Поэтому кофермент Q (KoQ) способен, мигрируя в пределах мембраны, принимать восстановительные эквиваленты (атомы водо­рода) от одних участников дыхательной цепи и передавать их другим сложным протеинам, -обладающим более высоким значением редокс-потенциала («оправдывая» тем самым звание кофермента).

Обычным «поставщиком» водорода для убихинона являются восстановленные формы флавиновых ферментов (ФП-Н2). Принимая от них два электрона и два протона, хинонная структура кофермента Q превращается в гидро-хинонную (убшшол), как это показано на рис. 5-5.

ЦитохромъЪ Так обозначают сравнительно небольшие белки (обычно 15-45 кДа), простети-ческая группа которых почти или совсем иден­тична гему Ь, содержащемуся в гемоглобине (см. рис. 1-26). Нередко их называют белками, содержащими гемовов железо.

По мере открытия цитохромов, их обозна­чали латинскими буквами. Выявление все но­вых аналогов потребовало добавления цифро­вых символов к уже принятым буквенным.

В дыхательной цепи МтО функционируют цитохромы Ь, Си с и ааъ. Первый из них коор динационно связывает 2 молекулы гема Ъ. Ци тохромы С\ и с обладают таким же гемом, но фиксированным ковалентно, тиоэфирными свя­зями. А вот цитохром ааъ содержит две молеку­лы гема а, который немного отличается от гема Ь (см. подпись к рис. 1-26). Эти молекулы в нем/Обозначаются как гем а и гем я3 из-за неравно-\ ценности их свойств, обусловленной, похоже, | разным расстоянием от атома меди (Cu2+/Cu+), ) связанного с этим гемопротеином через радика-члы цистеина и гистидина.

Главным функциональным центром цито­хромов является железо гема. В отличие от ге­моглобина, здесь оно довольно легко может менять свою валентность. Принимая электрон, окисленное железо феррицитохрома (Fe3+) пе­реходит в восстановленную форму (Fe2+). От­давая затем электрон подходящему акцептору, возникший ферроцитохром вновь превращает­ся в ферри-форму:

Вариации в строении гема, в способах его связывания с белком, а также в структуре при­легающих фрагментов апопротеина, - все это заметно отражается на степени сродства желе­за цитохромов к электронам. Приведенный выше перечень цитохромов дан в порядке воз­растания их редокс-потенциала. Поэтому именно в такой последовательности компонен­ты системы цитохромов транспортируют элек­троны от убихинола в конечном счете на молекулярный кислород (рис. 5-6).

Железо-серные белки /(FeS-протеины; FeS-PJ. Так называют небольшие белки (по - рядка 20 кДа), содержащие негемовое железо и неорганическую серу. Обычно в молекуле име­ется один железо-серный центр, включающий по два атома железа и серы (2Fe-2S-npoTeHHbi). Как показано на рис. 5-7, каждый атом железа в нем, помимо связей с сульфидной серой, ком-плексирован еще и с группами - SH двух ради­калов цистеина (вместо одной из них возможен радикал гистидина). Вся эта структура локали­зована в петле, выступающей на поверхность бочкообразной молекулы 2Fe-2S-npoTettHa. Не­редко встречаются и белки с двумя такими кластерами (4Fe-4S-npoTeHHbi) либо с непол­ным удвоением их.

Подобно цитохромам, железо-серные белки тоже осуществляют одноэлектронный транс­порт. Однако делают это они не самостоятельно, а в составе неразрывных комплексов с другими компонентами дыхательной цепи - флавопро-теинами или цитохромами. Влияние партнера в таком комплексе, как и специфика собственного апопротеина, - все это сильно отражается на величине редокс-потенциала железо-серного центра: в разных FeS-белках он составляет обычно от -0,30 до -0,15 В. Неудивительно, что FeS-P со столь^азличающимися характеристи­ками «встроены» в совершенно разные звенья дыхательной цепи.

5.2.2. ПОЛНАЯ ЦЕПЬ СИСТЕМЫ МИТОХОНДРИАЛЬНОГО ОКИСЛЕНИЯ

Систему, в которой участвуют все пере­численные компоненты митохондриального окисления, целесообразно назвать полной ды­хательной цепью. В виде общей схемы она изображена""™" рис. 5-8. Эта давняя схема удобна своей наглядностью. Во-первых, она демонстрирует, что окисление одного компо­нента цепи невозможно без одновременного восстановления другого (это отражено обяза­тельным соприкосновением полукруглых стре­лок). Во-вторых, здесь виден (светлые стрелки) путь электронов (и протонов) от исходного субстрата (А-Я2)в конечном счете^а_молеку-jry^Pj. Приведенные на схеме цифры показы­вают, что этот путь пролегает в направлении постепенного увеличения редокс-потенциала - от^032~В для пары НАД / НАД - Я2 до +0,82 В для пары V2O21 О.

Наконец, схема отражает эксперименталь­ные данные о том, что в трех участках цепи перенос пары электронов с одного звена на другое сопряжен с синтезом молекулы АТФ. Это сопряжение происходит лишь на уровне тех звеньев, где перепад редокс-потенциала наиболее значителен (порядка 0,2 В): именно в этих пунктах освобождаемая порция энергии достаточна для обеспечения синтеза одной мо­лекулы АТФ из АДФ и фосфата.

Таким образом, митохондриальное окис­ление представляет собой по существу реак­цию гремучего газа:

Н2 + Уг 02 = Н20 + 230 кДж/моль.

Разница заключается в том, что в мито­хондриях используется не молекула газообраз­ного водорода, а два атома водорода, изымае­мые у окисляемого субстрата. Но самое глав­ное отличие - в том, что дыхательная цепь рас­членяет реакцию гремучего газа на множество пром^жушчнтях стадий. Из-за этого энергия выделяется не мгновенно (как при взрыве гре­мучей смеси) и не столь интенсивно, как при горении струи водорода в воздухе, а - посте­пенно, небольшими порциями. Некоторые из них достаточны для трансформации в энергию макроэргических связей АТФ. Она составляет =30 кДж/моль в стандартных условиях (в ре­альной среде митохондрий - и того больше: до 42 кДж/моль). Следовательно, при окисле­нии субстрата полной дыхательной цепью из 230 кДж/моль освобождаемой энергии не ме­нее 3x30 = 90 кДж/моль концентрируется в мо­лекулах АТФ. Это очень высокий коэффициент полезного действия - более 40%! Остальная энергии рассеивается в форме теплоты (хотя и она небесполезна, ибо пригодна для терморе­гуляции организма).

Синтез АТФ из АДФ и Фн кратко обозна­чают как реакцию фосфорилирования (подра­зумевая фосфорилирование молекулы АДФ неорганическим фосфатом).

Окислительным фосфоршированием^ называют образование АТФ, сопряженное с работой дыхательной цепи (т. е., за счет энер­гии, освобождаемой в процессах митохондри­ального окисления).

Критерием эффективности окислитель­ного фосфорилирования служит количество АТФ, вырабатываемое на единицу утилизи­руемого 02. Как показывает схема (см. рис. 5-8), на пути двух атомов водорода от субстрата до кислорода образуются 3 молекулы АТФ (т. е., используется 3 молекулы Фн в расчете на каждый атом потребляемого кислорода). Этот критерий - отношение фосфор/кислород (ко­эффициент Р к О) - предложили в 1939 г. и . Экспериментальные измерения in vitro поначалу подтверждали, что в полной дыхательной цепи коэффициент Р/О равен 3.

В митохондриях содержатся никотинамид-ные дегидрогеназы для многих веществ. Однако преобладающими субстратами полной дыха-тельной 1депи являются всего только 5 метабо­литов, - те, которые в организме человека окис­ляются сотнями граммов (первые три из приве­денного списка) или десятками граммов в сутки:

-  изолимонная кислота (изоцитрат);

яблочная кислота (малатУ

-  Р-гидроксиацил-КоА (|3-гидроксипроиз-водное а^кШшрШКШшСжирных кислот);

-  Р-гидроксимасляная кислота ф-гид-роксибутират);

- глутаминовая кислота (глутамат). Митохондриальное окисление именно

этих веществ поставляет клеткам основную массу АТФ. Соответствующие дегидрогеназы локализованы в митохондриальном матриксе. По___су_ществу, вырабатываемый всеми ими НАД-Я2 оказывается единым субстратом для полной цепи МтО. И даже если в митохондри­ях появляются молекулы НАДФ-//2, которые возникают в отдельных реакциях, они легко отдают водород молекулам НАД благодаря имеющейся здесь НАД(Ф)-трансгидрогеназе:

НАДФН22 + НАД =НАДФ + НАДН2. [5-1]

Со временем было установлено, что мем­бранные белки, переносящие электроны (часть из них - и протоны), организованы в блоки, каждый из которых сохраняет свою функцию даже после выделения из митохондрий. Блоки оказались устроенными гораздо сложнее, чем это показано на рис. 5-8, и были названы ком­плексами МтО. Современные данные о них обобщены в табл. 5-1. В работе полной дыха­тельной цепи участвуют, однако, не все элек­трон-транспортные белки мембраны, а только комплексы i, iii и iv. Рисунок 5-9 в самом общем виде показывает очередность их вовле­чения в процесс переноса электронов (и прото­нов). Детальнее роль каждого звена представ­лена на рис. 5-10.

Комплекс I является начальным из мем­бранных звеньев полной дыхательной цепи, выполняя роль посредника между никотина­мидными дегидрогеназами матрикса и мобиль­ным KoQ мембраны. Он обозначается как НАДН2-дегидрогеназа и представляет собой кругшоё~Хяо 900 кДа) объединение десятков разных субъединиц" семь из которых кодиру­ются митохондриальной ДНК. Многие субъе­диницы гидрофобны и организованы в транс­мембранные а-спирали. На весь комплекс при­ходится одналго^екула ФМН, которая некова-лентно, но прочно связана~с гидрофильным фрагментом фермента, выступающим в мат-рикс, и является первичным акцептором элек­тронов от НАДН2 (см. рис. 5-10). Следующее затем поочередное восстановление FeS-центров соответствующих субъединиц, сопряжено с протонированием определенных группировок апопротеина. Обладая