4. Терминальная цитохром - оксидаза. Строение, локализация в мембране, механизм химических реакций, катализируемых терминальной оксидазой.

После того, как наш цитохром с из комплекса III (КоQH2-цит-С-редуктаза, цитохром b6с-комплекс) попадает на наружную часть (со стороны межмембранного пространства) внутренней мембраны митохондрии, он убирается от него прочь, где его уже встречает последний на пути электрона комплекс 4 — цитохромоксидаза. Данный комплекс состоит из 3 больших пептидов массой 57, 30 и 26 кДа, кодируемых митохондрией, а также 9 небольших белков, кодируемых ядерным геномом. Цитохромоксидаза содержит в своём составе сразу четыре редокс-центра — два гема цитохрома и два медь-содержащих белка CuА и СuВ, кодируемые митохондрией, проходя через которые, электрон связывается с молекулярным кислородом и вместе с четырьмя протонами образует воду. При этом суммарная Ео позволяет реакции протекать в прямом направлении (0.25В у цитохрома с, 0.82 у воды, разница в 0.55В).

Весьма интересен путь электрона в данном комплексе: после того, как несущий его цитохром с дойдёт до комплекса, электрон перескочит на медь-содержащий белок СuА. Белок содержит два атома меди, хелатированных(?) его же аминокислотами. При этом разницы в Ео почти нет и реакция протекает только за счёт смещения равновесия вправо следующей, в которой электрон переходит на цитохром а-а3, связанный с СuB: здесь уже Ео=0.29-0.55В (точно не назвали, вероятнее всего — варьирует). Точный принцип работы цитохрома неизвестен, однако известно, что именно здесь, в части cyt a3 происходит перекачка двух протонов в межмембранное пространство. Один из наиболее вероятных механизмов перемещения их, а также образования воды путём последовательного переноса четырёх электронов представлен на рисунке:

Как видно из рисунков, в образовании

воды также участвует CuВ. Ниже

изображена гипотетическая схема

протонного насоса

Стоит признать, цитохромоксидазный а3-центр не очень привередлива в плане выбора окислителя: вместо положенного ей кислорода она запросто может схватить СО, азид- или цианид-ион, при этом связывание будет настолько прочным, что комплекс, по сути, полностью ингибируется. Поэтому данные вещества являются для аэробоных организмов ядами: ингибировав цитохромоксидазу, на ЭТЦ будет накапливаться избыток электронов, которые некуда будет вывести. Отчасти по этой причине растения обзавелись альтернативной оксидазой.

5. Цианид - резистентное дыхание и его физиологическая роль.

Терминальный комплекс ЭТЦ электронов, цитохромоксидаза, строго говоря, не очень избирательна в выборе своего окислителя, так что помимо кислорода, к цитохрому а-а3 могут присоединиться азид, цианид или СО. Опасность данный соединений в том, что они, в отличие от О2, присоединяются к железу гема необратимо, нарушая работу всей ЭТЦ.

У растений, в отличие от животных, ЭТЦ устроена несколько сложнее, чем у животных: помимо основной, они также содержат на внутренних мембранах митохондрий пять дополнительных ферментов. Два из них — НАДН-, а ещё два — НАДФН-дегидрогеназы, отнимающих атом водорода у соответствующего субстрата, при этом электрон отправляется с них на убихинон. Данные ферменты необходимы для реализации НАД(Ф)Н из матрикса, не транспортабельных для мембраны, а также в качестве шунта, если комплекс 1 повреждён или ингибирован. У животных эту функцию выполняет трансгидрогеназа. Однако в случае, если ЭТЦ повреждена или разобщена дальше, надо избавиться от этого электрона, пока пул убихинона не заполнился, что чревато дестабилизацией всей системы. Как быть?

К счастью, на этот случай есть выход: в нашем магазине на диване вы можете купить у растений есть альтернативная оксидаза. Белок размером в 37 кДа, кодируемый ядерным геномом, состоит из 2 идентичных субъединиц, соединённых дисульфидным мостиком. У белка есть как минимум две изоформы (конститутивная и вариабельная) и две формы по степени окисленности (окисленная и восстановленная, окисленная неактивна). Основной функцией фермента, как следует из названия, является оксигеназная активность: связывая два протона из матрикса и два электрона из мембранного пространства, а также кислорода, он образует в одном из двух своих центров связывания воду — отсюда и вся её «альтернативность»: работая независимо от цитохромоксидазы, данный фермент вполне в состоянии стать конечным акцептором электронов. Однако при этом есть у него минус: он не с состоянии прокачивать протоны и вся энергия от процесса диссипирует в тепло. Весь этот процесс не зависим от ингибитора цитохромоксидазы цианида и получил название цианид-резистентного дыхания.

Строго ответить, по какому мех-му функционирует альтернативная оксидаза, сложно — на данный момент существуют две модели для описания этого процесса. По одной из них, названной «electron overflow(перелив)», оксидазная активность включается в случае, когда переполнен пул восстановленного убихинона. По другой же, получившей название «elctron distribution(распределение)», альтернативная оксигеназа конкурирует с цитохромоксидазой за пул убихинона. Для чего растениям нужна альтернативная оксидаза, точно неясно. Здесь есть три гипотезы: 1) шунтировать ЭТЦ; 2)снижение уровня АФК — при слишком активной цитохромоксидазке; 3) для быстрого генерирования энергии — например при стрессе. Живым примером последнему является растения из ароидных: температура его цветка сохраняет относительное постоянство, а при похолодании скорость потребления кислорода возрастает. Количество испарённых аттрактантов возрастает и число опылителей тоже.

Источники: презентации, лекции, Ермолов (стр. 251-253), Страсбургер (стр. 176)

6. Q - цикл дыхания.

Q – цикл – цикл последовательных реакций окисления и восстановления хинонов в комплексе 3, сопровождающийся транспортом протонов в межмебранное пространство.

Для понимания работы Q - цикла необходимо понимать, как устроен комплекс 3.

Один из центров связывания хинона Q_out расположен между 2Fe-2S-центром и гемом b_L, со стороны мембраны, обращенной в межмебранное пространство. В этом центре связывается восстановленный убихинон.

Q_in связывает окисленный убихинон, расположен со стороны мембраны, обращенной к матриксу.

Транспорт электрона организован следующим образом:

1. связывание QН₂ в Q_out , окисление. При этом 2 Н⁺ поступают в межмебранное пространство

2. один из электронов уходит по ЭТЦ дальше: сначала на белок Риске, потом на цитохром с₁ и цитохром с.

3. один электрон остается на убихиноне – семихинон, он очень нестабилен в Q_out, поэтому быстро отдает свой электрон в близлежащий b_L, далее на b_H, затем он передается на Q_in, в котором уже находился окисленный убихинон. Так в Q_in образуется семихинон, который здесь стабилен и ждет своего часа.

4. те же события происходят со второй молекулой убихинона, поступившей в Q_out

5. второй электрон, пришедший из Q_out восстанавливает семихинон, семихинон захватывает 2Н⁺ из матрикса и уходит в межмембранное пространство.

Таким образом, при окислении 2 QH₂ в Q_out 2Н⁺ идут в межмебранное пространство, 2 электрона передаются на цитохром с, еще 2 электрона восстанавливают Q до QH₂, что сопровождается захватом еще 2Н⁺.

Ключевое:

1. семихинон в Q_out центре нестабилен, он готов на все, даже отдать свой электрон на низкопотенциальный гем b_L

2. семихинон в Q_in стабилен, может принимать электроны с гема b_Н

3. развилка ЭТЦ на 2 пути обусловлена наличием подвижного домена в белке Риске, с которым ассоциирован 2Fe-2S. Он последовательно перемещается и передает электроны то на цитохром с₁, то возвращает в Q_out