2.11. Организация этц в мембране.

Электрон-транспортные цепи фотосинтеза и дыхания организованы в мембране сложным образом, и представляют собой встроенные в мембрану суперкомплексы, состоящие из многих субъединиц белка. В их составе обязательно присутствуют трансмембранные белки, закрепляющие весь комплекс в мембране. Каждый такой суперкомплекс содержит, как правило, несколько активных центров: на белках в качестве простетических групп или за счет нековалентных взаимодействий удерживаются соединения, которые принимают участие в переносе электрона. Некоторые комплексы из тилакоидных и митохондриальных мембран удалось выделить с помощью детергентов и получить в кристаллизованном состоянии. Это позволило изучить их молекулярную организацию с помощью ренгеноструктурного анализа. Связь между комплексами осуществляют подвижные переносчики, которые могут перемещаться либо в липидной фазе мембраны (хиноны), либо в водной фазе вблизи мембраны. Реакции в ЭТЦ идут с большими скоростями, измеряемыми в интервалах 10^-4 -10^-9 сек.

Организация электронного транспорта такова, что перенос электрона по цепи неразрывно связан с направленной транслокацией ионов Н⁺ через мембрану и генерацией ⁺. В тилакоидной мембране протоны переносятся внутрь тилакоидного пространства, а в митохондриях - из матрикса в межмембранное пространство. Механизмы транслокации Н⁺ через мембрану могут быть разными и в ряде случаев остаются непонятными. Общим случаем является перенос протона через мембрану при участии подвижных переносчиков – хинонов.(см. Q- цикл раздел «дыхание»).

Если в процессе электронного транспорта на мембране возникает ⁺, который используется на синтез АТФ, то транспорт называется сопряженным. Однако могут быть ситуации, когда работа цепи не сопряжена с генерацией ⁺ и синтезом АТФ. Тогда электронный транспорт называется разобщенным. Разобщение электронного транспорта с фосфорилированием имеет место in vivo, при этом энергия электронного потока диссипирует в тепло. Разобщение имеет место в митохондриях животных и растений и представляет особый механизм регуляции метаболизма ( см. разд.»дыхание»)

2.12. Некоторые переносчики электронов являются общими для этц всех типов.

Никотинамидадениндинуклеотид (НАД⁺) и никотинамидадениндинуклеотидфосфат (НАДФ⁺) – это близкие по структуре растворимые соединения, функциональной частью которых является ароматическое кольцо (рис.2.4). НАД(Н) и НАДФ(Н) являются коферментами НАД(Ф)-зависимых дегидрогеназ. Эти ферменты катализируют реакции, связанные с отнятием или присоединением двух атомов водорода, при этом коферменты переносят гидрид-ион Н:^- (2e‾ + Н⁺), а недостающий протон захвытывается или отдается в водною фазу:

АН₂ + НАД(Ф)⁺  А + НАД(Ф)Н + Н⁺

Большая часть НАД(Н) и НАДФ(Н) растворена в водной фазе, т.к. их связи с ферментными белками непрочные и возникают только в момент ферментативной реакции. Окисленные формы НАД⁺ и НАДФ⁺ имеют полосу поглощения при 260 нм, а при их восстановлении появляется полоса поглощения при 340 нм. Это позволяет регистрировать редокс-состояние коферментов в ходе реакций. Стандартный E₀ этих соединений равен –0,32 В. Роль НАД(Н) и НАДФ(Н) в клетке очень велика, Принимая участие во многих реакциях в качестве доноров или акцепторов электронов, они обеспечивают взаимодействие разных процессов и в целом контролируют редокс- статус клетки.

Флавопротеиды. Компонентами ЭТЦ являются флавопротеиды - белки, содержащие в качестве прочно связанной простетической группы флавинмононуклеотид (ФМН) и флавинадениндинуклеотид( ФАД). Функциональной частью этих соединений является система ароматических колец (рис.2.5), в состав которой входит остаток рибофлавина (витамин В2). Окисление –восстановление флавопротеидов связано с переносом двух атомов водорода. Окисленные формы флавинов имеют два максимума поглощения при 375 и 450 нм, которые исчезают при восстановлении. Редокс-потенциалы флавопротеидов варьируют в широких пределах ( –0,49 до +0,19 В), в зависимости от структуры апобелка.

Ц

CH₃

итохромы. Обязательными компонентами ЭТЦ являются цитохромы- железосодержащие белки, в составе которых присутствует гем. Основой структуры гема является порфириновое кольцо, образованное из четырех пиррольных колец, в центре которого расположен атом железа (рис.2.6). В редокс-превращениях цитохромы функционируют как одноэлектронные переносчики, при этом железо меняет свою валентность, переходя из состояния Fe⁺² в состояние Fe⁺³.

Восстановленные формы цитохромов имеют три характерных полосы поглощения в областях 545-600, 520-55, 415-445 нм, которые получили название , ,  полос. На основе положения основного максимума  полосы цитохромы разделяют на три группы : цитохромы а, в, и с. Если цитохромы находятся в окисленном состоянии, то полосы  и  исчезают, а  полоса сдвигается в более коротковолновую область. Стандартные E₀ цитохромов варьируют в диапазоне от 0,0 до +0,6 В.

Железосерные белки. Железо-серные белки, или Fe-S-белки, содержат так называемые Fe-S-кластеры, или центры. Центры состоят из двух или четырех атомов железа, комплексно связанных с атомами неорганической серы или серой остатков цистеина в структуре белка. В основе классификации железосерных белков лежит структура кластера: 2Fe-2S или 4Fe-4S –кластеры (рис.2.7).

Хотя в состав центра входят несколько атомов железа, каждый из центров способен принимать или отдавать только один электрон. Восстановление железосерных белков сопровождается исчезновением в спектре полосы 450 нм и появлением сигнал ЭПР, что указывает на появление свободного радикала. Для этой группы соединений диапазон значений Е^/₀ также достаточно широк - 0,42 В до 0,+35В.

Хиноны. В качестве подвижных переносчиков, действующих в липидной фазе мембраны, функционируют хиноны (Q, от английского quinon)– пластохинон в ЭТЦ фотосинтеза и убихинон в ЭТЦ дыхания. Хиноны состоят из ароматического кольца и боковой липофильной цепи, в составе которой может содержаться 9 (пластохинон) или10 (убихинон) изопреноидных остатков. (рис.2.8). Свободно диффундирующие в мембране хиноны осуществляют связь между белковыми комплексами и могут переносить два атома водорода. Хиноны обладают двумя свойствами, исключительно важными для работы ЭТЦ по переносу протонов через мембрану. Во-первых, в ходе редокс реакций хиноны могут захватывать или освобождать 2Н⁺ на границе раздел двух фаз липид-вода с любой стороны мембраны. Во-вторых, в ходе электронного транспорта хиноны могут принимать или отдавать только один электрон и находится какое-то время в форме свободного анион радикала - семихинона (Q·‾). Спектры поглощения хинонов находятся в УФ-области и маскируются поглощением других соединений, поэтому их окислительно-восстановительные состояния отслеживают как правило методом ЭПР. Редокс- потенциалы хинонов близки к нулю или имеют низкие положительные значения.