4.2. Электронный транспорт и синтез атф в митохондриях растений

4.2.1. Электрон-транспортная цепь дыхания. Перенос электрона от надн на кислород

В предыдущем разделе были рассмотрены окислительные превращения глю­козы в биохимических реакциях, в результате которых образуются небольшое количество АТФ и восстановительные эквиваленты в виде НАДН и ФАДН₂. Заключительный этап дыхания связан с трансформацией энергии на сопряга­ющей мембране и синтезом основной массы АТФ. Образованные в ЦТК НАДН и ФАДН₂ окисляются в ЭТЦ дыхания, локализованной во внутренней мемб­ране митохондрий. Окисление сопровождается транспортом 2е по цепи пере­носчиков на О₂, который восстанавливается до воды. Переносчиками электро­нов (кроме убихинона) в дыхательной цепи служат белки, содержащие простетические группы. Это флавопротеиды, в составе которых есть ФМН или ФАД, цитохромы и железосерные белки (см. подразд. 2.2). Способность этих соединений отдавать или принимать электроны может быть охарактеризована через стандартный редокс-потенциал Е°'. В дыхательной цепи перенос электро­на от НАДН (Е°' = -0,32) на О₂

(Е°' = +0,82) идет через цепь переносчиков по градиенту, т. е. от соединений с более отрицательным к соединениям с более положительным редокс-потенциалом (рис. 4.13).

Рис. 4.13. Схематичное расположение основных ком­понентов электрон-транспортной цепи дыхания в соответствии со значениями редокс-потенциала

Последовательность расположения в цепи переносчиков впервые была определена в начале 50-х гг. XX в. Б.Чансом. Дело в том, что многие компоненты дыхательной цепи имеют разные спектры поглощения в окисленном и восстановленном состояниях. При исполь­зовании высокочувствительной спектрофотометрии удалось определить их пере­ходы из окисленного в восстановленное состояние и обратно во времени. Об­наружение ингибиторов, избирательно блокирующих электронный транспорт на разных участках, оказалось чрезвычайно полезным в этих исследованиях.

В митохондриальной мембране ЭТЦ организована сложным образом. В соста­ве основной цепи,

т. е. общей для животных, растений и грибов, есть четыре трансмембранных белковых комплекса (I — IV) и АТФ-синтаза (комплекс V) (см. рис. 4.13, 4.14).

Рис. 4.14. Электрон-транспортная цепь внутренней мембраны растительных

митохондрий.

В состав основной цепи, общей для митохондрий животных и растений, входят комплексы I — IV, связь между которыми осуществляют подвижные переносчики электронов — убихинон (Q) и цитохром с. Для каждого комплекса известен специфический ингибитор: ротенон, антимицин A, KCN и СО. Комплексы I, III и IV работают как протонные помпы: стрелками указана транс­локация Н⁺ из матрикса в межмембранное пространство. Энергия Δ обеспечивает работу АТФ-синтазы, катализирующей синтез АТФ из АДФ и Ф_н. Дыхательная цепь растений дополнительно содержит четыре ротеноннечувствительные НАД(Ф)Н-дегидрогеназы и альтернативную оксидазу (АО). НАД(Ф)Н-дегидрогеназы расположены на внешней (ДГ_ex) и внутренней (ДГ_in) сторо­нах мембраны. Альтернативная оксидаза является второй терминальной оксидазой растений и восстанавливает О₂ до воды в обход комплексов III и IV. Специфическим ингибитором альтерна­тивной оксидазы является салицилгидроксамовая кислота (SHAM). I — комплекс I: НАДН-дегидрогеназа; II — комплекс II: сукцинатдегидрогеназа; III — комплекс III: цитохром b₆ fкомплекс; IV — комплекс IV: цитохромоксидаза

Каждый из комплексов состоит из многих субъединиц бел­ка, часть которых кодируется митохондриальной ДНК, а часть ядерным гено­мом. Переносчики электронов входят в состав комплексов: их простетические группы, или редокс-центры, формируют пути переноса электрона. Связь меж­ду комплексами осуществляют подвижные переносчики: убихинон и цитохром с. Участники транспорта могут функционировать как двухэлектронные (флавопротеиды и убихинон) и одноэлектронные (цитохромы и Fe-S-белки) пе­реносчики.

Общая схема работы основной дыхательной цепи (далее ДЦ) такова (рис. 4.14). Образованный в матриксе в ходе ЦТК НАДН окисляется на комплексе I, который представляет собой НАДН-дегидрогеназу. Окисление НАДН сопровож­дается переносом 2 е на убихинон или просто хинон (Q — от англ. quinon). Как было показано в гл. 2 «Биоэнергетика», для полного восстановления Q необхо­димо два атома водорода. Поэтому, принимая 2 е , убихинон захватывает недо­стающие 2Н⁺ из матрикса и переходит в восстановленную форму убихинола (QH₂). Убихинон может быть также восстановлен в результате окисления сукцината на комплексе II, который представляет собой сукцинатдегидрогеназу и является также компонентом ЦТК. Окисление сукцината до фумарата в ЦТК сопровождается восстановлением ФАД — простетической группы комплекса II, с которой е передаются на убихинон.

Убихинон в виде пула Q и QH₂ растворен в липидном бислое мембраны. С пула QH₂ электроны уходят на комплекс III, или цитохром b₆ f -комплекс, с кото­рого передаются на цитохром с, локализованный в межмембранном простран­стве. Этот небольшой водорастворимый белок действует как одноэлектронный переносчик между комплексами III и IV, перемещаясь путем диффузии вдоль мембраны. Комплекс IV, или цитохромоксидаза, — последний комплекс ДЦ, терминальная оксидаза всех аэробных организмов. Комплекс акцептирует элек­троны с цитохрома с и передает их на О₂, который в итоге восстанавливается до Н₂О.

Для полного восстановления О₂ необходимо 4 е , поэтому 4 цитохрома с должны быть окислены на комплексе IV, чтобы произошла реакция

О₂ + 4Н⁺ + 4 е = 2Н₂О

Перенос е в цепи по градиенту редокс-потенциала представляет собой экзергонический процесс с отрицательным значением ∆G⁰'. Освобождаемая при этом свободная энергия запасается на мембране в форме Δ . Электронный транспорт сопряжен с генерацией Δ , так как неразрывно связан с направ­ленным переносом ионов Н⁺ через мембрану. Три комплекса цепи — I, III, IV — функционируют как протонные помпы, перекачивая протоны из матрикса в межмембранное пространство. Энергия Δ реализуется для синтеза АТФ из АДФ и Ф_н на

АТФ-синтазных комплексах (F₀F₁-АТФазах), также интегриро­ванных во внутреннюю мембрану митохондрий.

Сопряженный с электронным транспортом синтез АТФ получил название окислительного фосфорилирования. Такой является основная, или «стандартная», дыхательная цепь, общая для животных и растений, но у растений в отличие от животных дыхательная цепь организована сложнее: помимо комплексов I— IV она содержит пять дополнительных ферментов: четыре НАД(Ф)Н-дегидрогеназы, способные наряду с комплексом I окислять НАДН, а также и НАДФН. Но наиболее интересная и удивительная особенность дыхания растений связа­на с присутствием во внутренней мембране растительных митохондрий аль­тернативной оксидазы. Альтернативная оксидаза (АО) окисляет QH₂ и восста­навливает О₂ до воды и является, таким образом, второй терминальной оксидазой в дыхательной цепи растений. С пула QH₂ электроны могут идти по двум направлениям — по цитохромному пути через комплексы III и IV, или по альтернативному пути через альтернативную оксидазу (рис. 4.14). Электрон­ный транспорт по альтернативному пути не сопровождается генерацией Δ поэтому большая часть энергии электронного потока рассеивается в виде тепла.

Рассмотрим подробно события, которые происходят на комплексах ДЦ и которые являются предметом интенсивного изучения во многих лабораториях мира. Все комплексы удалось выделить из мембран и исследовать (за исключе­нием комплекса I) их трехмерную молекулярную структуру с разрешением 0,29 нм с помощью ренгеноструктурного анализа. В то же время события на комплексах нельзя считать до конца установленными, и полученные факты

только приближают нас к истине. При этом следует признать, что исследова­ний на растительных объектах было мало, и во многом наши знания базируют­ся на аналогиях с другими, более изученными системами животного или бак­териального происхождения.