Митохондриальная цепь переноса электронов

Цепь переноса электронов (дыхательная цепь) представляет собой организован­ную совокупность белковых и небелковых переносчиков электронов локализо-

ванную во внутренней митохондриальной мембране. Электроны перемещаются по цепи ступенчато, в одном направлении, от переносчика с низким электрохими­ческим потенциалом к переносчику с более высоким потенциалом. Многоступен­чатый транспорт электронов от НАДН и ФАДН₂ к О₂ по цепи этих переносчиков приводит к выбросу протонов из митохондриального матрикса в межмембранное пространство и генерированию протонного градиента. Протоны перекачиваются тремя видами электронпереносящих комплексов. АТФ синтезируется при обрат­ном токе протонов через АТФ-синтетазный комплекс. Сопряжение окисления и фосфорилирования обеспечивается протонным градиентом через внутреннюю мембрану.

Компоненты дыхательной цепи

Дыхательная цепь включает в себя три основных белковых ферментативных ком­плекса (комплексы I, III и IV), встроенных во внутреннюю митохондриальную мембрану и две подвижные молекулы-переносчика (кофермент Q и цитохром С).

С укцинатдегирогеназа, относящаяся к циклу трикарбоновых кислот, в цепи пере­носа электронов рассматривается как комплекс П. Комплексом V иногда называ­ют АТФ-синтетазу, хотя этот фермент не принимает участия в транспорте элек­тронов. Комплексы (I-IV) дыхательной цепи состоят из большого числа полипеп­тидных цепей и содержат ряд различных окислительно-восстановительных ко-ферментов, связанных с белками. К ним относятся ФМН (флавинмононуклеотид), ФАД (флавинадениндинуклеотид) в комплексах I и II; железо-серные (FeS) цен­тры в комплексах I, II и III и группы гема в комплексах II, III и IV. Электроны транспортируются от комлексов I и II к комплексу III и, затем к ком­плексу IV в сторону увеличения электрохимического потенциала.

Переносчики электронов

Многие переносчики электронов представлены белками цитохромами, содержа­щие в качестве простетической группы гем, который придает им красное окраши­вание. Цитохромы (сь с, а и а₃) расположены в различных участках дыхательной цепи и различаются структурой полипептидных цепей, строением боковых групп и способом прикрепления к апобелку. Присоединение электрона к гему влечет за собой изменение степени окисления железа в активном центре.

К другому типу негемовых белков - переносчиков электронов относят железо-серные белки (FeS). В них атомы железа связаны с сульфгидрильными группами остатков цистеина белка, а также сульфгидрильными анионами, образуя железо-серные комплексы или центры.

В Fe₂S2 центре каждый из двух атомов железа связан координационными связями с двумя атомами неорганической серы и двумя остатками цистеи-на в белке.

В Fe₄S4 четыре атома железа связаны с четырьмя атомами серы и четырь­мя остатками цистеина в белке.

Атомы железа в Fe_xS_x-4eHTpax могут находиться в окисленном (Fe³⁺) или восстановленном (Fe²⁺) состоянии.

Атомы железа в Fe_xS_x-4eHTpax могут принимать или отдавать электроны переходя в 4>eppo(Fe²⁺)- или ферри(Ре³⁺)- состояния. Железо-серные центры функциониру­ют совместно с флавиновыми ферментами, принимая электроны от сукцинатде-гидрогеназы (комплекс II) и дегидрогеназ, участвующих в окислении липидов.

Еще одним типом переносчиков электронов является ФМН-содержащий белок. ФМН (флавин-мононуклеотид) переносит электроны от НАДН на железо-серные центры (включен в состав комплекса I).

Единственный небелковый переносчик электронов - убихинон (коэнзим Q), на­званный так, потому, что с одной стороны он хинон, а с другой встречается по­всюду (ubiquitous - вездесущий). Железо-серные центры отдают электроны уби-хинону, который включен в состав комплекса III.

Один из цитохромов - цитохром С не закреплен жестко в митохондриальной мембране, а свободно перемещается между III и IV комплексами по внешней сто­роне мембраны и переносит электрон. Цитохром С гемсодержащий водораство­римый белок, массой 12,5 кДа, содержит 104 аминокислотных остатка.

Коэнзим Q и цитохром С - мобильные переносчики электронов дыхательной це­пи. Все другие белковые переносчики - интегральные белки, занимают в мембра­не строго фиксированное положение и ориентированы определенным образом.

НАД-зависимые и Флавиновые дегидрогеназы, НАДН-дегидрогеназа. Коэн­зим Q-редуктаза митохондриальной цепи

НАД-зависимые и Флавиновые дегидрогеназы - ферменты, катализирующие ре­акции дегидрирования субстратов (I класс, оксидоредуктазы), катализируют реак­ции переноса электронов и протонов с субстрата на кофермент.

НАД-зависимые дегидрогеназы содержат НАД⁺ в активном центре и при взаимодействии с субстратом отбирают от него два электрона и протон, которые присоединяются к молекуле НАД⁺ образуя НАДН (Рис. 18). Поскольку НАД⁺ или НАДН находятся в активном центре дегидрогеназ не постоянно - их рассматри­вают в качестве вторых субстратов реакции и переносчиков электронов.

Флавиновые дегидрогеназы содержат ФАД или ФМН (флавин адениндинук-леотид или флавин мононуклеотид) в активном центре. Флавиновые дегидрогена­зы катализируют реакции переноса электронов в составе атомов водорода от суб­страта на ФАД или ФМН (Рис. 20).

НАДН-дегидрогеназа (НАДН-С^-редуктаза, комплекс I) состоит из нескольких по­липептидных цепей. Роль небелковой (простетической) группы выполняет ФМН. Субстратом фермента является НАДН, с которого 2 электрона переносятся на ФМН с образованием ФМН-Нг. При этом второй протон поглощается из матрик-са. С ФМН-Нг электроны переносятся на ряд FeS-белков, играющих роль второй простетической группы этого фермента. От Fe_xS_x-n,eHTpoB (FeS, Fe₂S2, Fe₄S₄) элек­троны переносятся на коэнзим Q. В процесс переноса электронов с НАДН-дегидрогеназы через FeS-белки на коэнзим Q (убихинон) он обратимо превраща­ется в гидрохинон (QH₂). Возможно также превращение коэнзима Q в форму се-михинона при присоединении одного протона и одного электрона. Убихинон вы­полняет коллекторную функцию, присоединяя электроны от НАДН-дегидрогеназы и других флавиновых дегидрогеназ, таких как сукцинат-дегидрогеназа (комплекс II).