Глава 12. Дыхание
Дыхание является одним из самых распространенных способов запасания энергии, которым обладает большинство организмов: животные, растения, простейшие, грибы, аэробные и почти все факультативно анаэробные бактерии. В процессе дыхания энергия запасается по механизму окислительного фосфорилирования, донорами электронов могут выступать как органические, так и неорганические вещества, а акцепторами электронов служат только неорганические вещества. По сравнению с субстратным окислительное фосфорилирование — гораздо более выгодный и эффективный механизм, в эволюционном плане находящийся на более высокой ступени. Его отличительной особенностью является обязательное участие мембран, в которых в строго определенной очередности расположены компоненты дыхательной цепи. Движущей силой синтеза АТР служит энергия протонного градиента на мембране. В свою очередь, протонный градиент создается в результате переноса электронов по компонентам дыхательной цепи в определенном направлении: от лучшего донора к лучшему акцептору.
Компоненты дыхательной цепи (электронтранспортная система) и катализирующий образование АТР фермент (АТР-синтаза) располагаются у прокариот в плазматической мембране, а у эукариот — во внутренней мембране митохондрий. Именно в этих органеллах, как было показано ранее (глава 9, 11), в ходе катаболических и амфиболических процессов формируется наибольшее количество восстановительных эквивалентов, которые с помощью никотинамидных и флавиновых переносчиков передаются в дыхательную цепь.
В дыхательной цепи осуществляются реакции, представляющие собой биохимический аналог горения водорода. Их отличительной особенностью является запасание значительной части выделяющейся энергии в виде макроэргических связей АТР, т. е. перевод свободной энергии в биологически доступную форму. И лишь небольшая доля выделяющейся при дыхании энергии рассеивается в виде тепла.
Для понимания механизма окислительного фосфорилирования необходимо, прежде всего, охарактеризовать компоненты дыхательной цепи, закономерности их функционирования и расположения в мембране.
12.1. Характеристика компонентов дыхательной цепи
Компоненты дыхательной цепи представляют собой переносчики восстановительных эквивалентов, среди них присутствуют переносчики водорода и переносчики электронов. Причем их расположение в мембране строго опре делено: переносчики водорода чередуются с переносчиками электронов, и лучшие доноры электронов всегда предшествуют лучшим акцепторам.
Поскольку транспорт электронов и транспорт водорода являются сопряженными и эквивалентными процессами, дыхательную цепь можно рассматривать как цепь переноса электронов (электронтранспортную цепь). Ее основными компонентами служат флавопротеины, железосерные белки, хиноны и цитохромы.
Флавопротеины. Представляют собой ферменты, содержащие в качестве простетических групп FMN или FAD. Эти переносчики восстановительных эквивалентов охарактеризованы в главе 7. Следует подчеркнуть, что флавиновые кофакторы переносят водород и являются более сильными окислителями, чем NAD+.
Железосерные белки. Эти окислительно-восстановительные системы содержат атомы железа, связанные, с одной стороны, с серой аминокислотных остатков цистеина, а с другой — с неорганической сульфидной серой. Железосерные центры (рис. 12.1) можно рассматривать как простетические группы ферментов, имеющие, однако, структуру, отличную от гема. Поэтому железосерные белки называют еще белками с негемовым железом.
Число атомов железа и сульфидной серы в этих белках может различаться, но наиболее часто встречаются белки, содержащие 2Fe, 2S2- и 4Fe, 4S2-. Железосерные белки переносят только электроны. В частности, 2Fe, 2S2—центры транспортируют по одному электрону. При этом электроны не локализуются на атомах какого-то одного типа, а взаимодействуют и с ядрами железа, и с ядрами серы, т. е. находятся в делокализованном состоянии.
Железосерные белки принимают участие в фиксации молекулярного азота нитрогеназными системами, в восстановлении сульфитов и нитритов, в фотосинтезе, окислении алканов.
Хиноны. Это низкомолекулярные переносчики водорода, которые присутствуют во внутренней части липидного бислоя митохондриальных мембран в 10— 15-кратном избытке по сравнению с другими компонентами электронтранспортной системы. Благодаря наличию неполярной гидрофобной цепи молекулы хинонов свободно перемещаются в липидном бислое. Различают несколько семейств хинонов, среди которых наиболее распространены убихиноны (в переводе с латинского —вездесущие хиноны), которые также называют коферментами Q (СоQ). Количество изопреноидных звеньев в молекуле хинона обозначают в виде подстрочного символа (Qn). Убихиноны митохондрий млекопитающих содержат 10 изопреноидных звеньев (Q10), а убихиноны бактерий — 6 (Q6). На рис. 12.1 представлена структура и стадии окисления—восстановления убихинонов.
Среди других групп хинонов известны пластохиноны (содержатся в мембранах хлоропластов, осуществляют транспорт водорода в фотосистемах), токоферолы (различные формы витамина Е с антиоксидантными функциями), филлохиноны и менахиноны (семейство витаминов группы К, участвуют в транспорте водорода у микобактерий, в свертываемости крови у млекопитающих). Дополнительные сведения об этих соединениях содержатся в главе 17.
Цитохромы. Данные окислительно-восстановительные ферментные системы содержат в качестве простетической группы гем (рис. 12.1). Центральный атом железа в геме участвует в переносе электронов, изменяя свою валентность:
Цитохромы являются переносчиками электронов, и некоторые из них (цитохромоксидаза) способны передавать электроны непосредственно на молекулярный кислород.
Различают множество цитохромов, выделенных из разных источников. Их принято обозначать сочетанием буквенных и цифровых символов: буквы обычно указывают на тип гема (например, a, b, c, o), а цифры — на значение длины волны a-полосы в спектре поглощения (например, 552; 557,5; 450). Для электронтранспортной системы особенно важно, что разные цитохромы характеризуются различными окислительно-восстановительными потенциалами и расположены в мембране в определенной очередности по отношению друг к другу. Только цитохром с, как полагают, находится в растворенном состоянии на внешней поверхности внутренней митохондриальной мембраны.
