voronina

Електрони і протони (атоми водню), що відщепилися від відно- влених форм НАД H+H+ приєднуються до ізоалоксазинового кільця рибофлавіну до атомів азоту в 1-му та 10-му положеннях; при цьому відбувається переміщення в конденсованих кільцях подвійних спряжених зв'язків:

191

Загальну реакцію другого етапу біологічного окислення можна зобразити так:

При цьому відновлена форма нікотинамідних коферментів оки- слюється й може знову включатися в новий дихальний ланцюг.

Третій етап – перенесення електронів і протонів від відновлених флавопротеїнів на убіхінон, який ще називають коферментом Q (скорочено КоQ) – від першої літери слова quinone.

Убіхінон – це ліпорозчинний хінон, який містить довгий бічний ненасичений ланцюг (див. нижче). Він присутній практично у всіх клітинах. Звідси і його назва «убіхінон», що в перекладі означає «всюдисущий хінон». Його молекула здатна оборотно зв'язувати атоми водню, що супроводжується переходом з окисленої форми у відновлену (убіхінон – КоQ H2). На стадії утворення КоQ H2 зли- ваються два потоки атомів водню, які вводяться в дихальний лан- цюг НАД-залежними і ФАД-залежними дегідрогеназами.

Бічний вуглеводневий ланцюг надає молекулі убіхінону високої гідрофобності. Це сприяє її швидкій дифузії в ліпідних фазах внутрі-

шньої мітохондріальної мембрани.

Убіхінон може брати участь в одно- або двохелектронному пе- реносі. При одноелектронному переносі він утворює відносно стій- кий семіхінон, при двохелектронному – гідрохінон. Убіхінон може мігрувати в ліпідній фазі мембрани, являючи собою лабільний суб- страт для ферментів, вбудованих у мембрану (закріплених). Він є по- хідним бензохінону з довгим бічним ланцюгом, який у більшості

192

тканин ссавців складається з 10 ізопреноїдних одиниць. За хімічною структурою убіхінон є 2,3-диметокси-5-метил-1,4-бензохіноном з ізо- преноїдним ланцюгом R у 6-му положенні:

Нині з’ясовано основну коферментну роль убіхінону, який, роз- чиняючись у ліпідах гідрофобної частини мембран мітохондрій, здійснює перенос електронів і протонів, дифундуючи від внутрішньої до зовнішньої поверхні внутрішньої мембрани. Загальну реакцію третього етапу можна зобразити так:

При цьому відновлена форма флавопротеїну окислюється й мо-

же знову включатися в дихальний ланцюг.

Потім у дихальному ланцюзі шляхи електронів і протонів розхо- дяться (четвертий етап). Електрони атомів водню від відновленої форми КоQ H2 надходять до так званої цитохромної системи, а про- тони вивільняються у зовнішнє середовище. Цитохромна система складається з ряду ферментів, небілкова частина яких (простетична група) представлена залізопорфиринами, близькими за структурою

193

до гему. Відомо близько 20 різних цитохромів. Їх поділяють на гру- пи, базуючись на різних структурах гемової простетичної групи. Ви- діляють чотири типи гемів, їх позначають латинськими літерами a, b, c, d. Позначаючи цитохроми зі встановленою структурою, біля бу- кви ставлять числовий індекс, який вказує на приналежність цито- хрому до певної групи. У процесах тканинного дихання найважливі- шу роль відіграють цитохроми b, c1, c, a, a3. Цитохроми відрізняють- ся один від одного будовою білкової частини, природою бічних лан- цюгів порфіринів та способом приєднання гему до білків.

Атом заліза в гемі цитохромів може змінювати валентність, приєднуючи чи віддаючи електрон:

Fe3+ + e– → Fe2+ Fe2+ – e– → Fe3+

Тому цитохроми беруть участь у транспорті електронів у клітині аеробних організмів.

З’ясовано, що ланка цитохромів розташовується між КоQ H2 й киснем; при цьому в дихальний ланцюг цитохроми включаються в певній послідовності, залежно від окислювально-відновного поте- нціалу, переважно в такому порядку: b, c1, c, a, a3.

Комплекс цитохромів b і c1 здійснює перенос електронів від атомів водню відновленого КоQ H2 на цитохром с. Електрони по- слідовно проходять через атоми заліза цитохромів b і c1, а потім надходять на цитохром c, протони при цьому звільнюються в між- мембранний простір. Цитохром c являє собою залізовмісний білок із невеликою молекулярною масою (~12000), який складається з одно- го поліпептидного ланцюга й порфіринової групи з атомом заліза. Аналогічно убіхінону цитохром с – рухомий переносник електронів. Знаходиться він поблизу зовнішньої поверхні внутрішньої мембрани й, очевидно, може виходити в міжмембраний простір. Він виконує немовби човникові рухи між цитохромами b і комплексом цитохро- мів a й a3, дифундуючи вздовж поверхні мембрани.

Комплекс цитохромів a й a3 діє як цитохромоксидаза (ЦХО), тому її позначають як a a3. ЦХО окрім гему містить іони міді, які теж беруть участь у переносі електронів, змінюючи валентність:

Cu2+ + e– → Cu+ Cu+ – e– → Cu2+

П'ятий етап зв'язаний з передачею електронів відцитохромоксидази на молекулярний кисень. ЦХО– єдиний із цитохромів, який може це здійснювати, тому він називається цитохромоксидазою. Електрони по- слідовно приєднуються до іонів заліза цитохромів a, a3, потім– до іона міді і, нарешті, потрапляють на кисень. У результаті утворюється актив- ний іонізований кисень (O2-), який, реагуючи згодом із двома протонами водню з матриксу, утворює воду, оскільки ЦХO знаходиться поблизу внутрішньої поверхні мембрани з активним центром, спрямованим уматрикс, кудинадходитьмолекулярнийкисень.

194

Поетапно вищесказане можна записати таким чином:

В організмі людини за добу утворюється 300–400 мл ендогенної метаболічної води.

Кожен компонент дихального ланцюга у внутрішній мембрані мітохондрій вбудований між своїм відновником і окисником. Внаслі- док цього створюються умови для потоку електронів від субстрату, через послідовно розташовані переносники електронів, до молекуля- рного кисню. Напрямок переносу протонів і електронів визначає окис- лювально-відновний потенціал. Кожен компонент дихального ланцю- га може віддавати свій водень або свої електрони іншому компоненту, який має більш високий потенціал. Ця послідовність виглядає так:

При переході від одного переносника до іншого електрон посту- пово, невеликими порціями втрачає потенціал. Падіння потенціалу пов'язане зі зміною вільної енергії. У міру зменшення потенціалу ві- льна енергія, що виділилася, трансформується в хімічну форму, зру- чну для використання клітиною.

Процес приєднання молекули фосфорної кислоти до молекули АДФ є реакцією фосфорилювання. Оскільки енергія для цієї реакції постачається окислювально-відновними реакціями за рахунок пе-

195

ретворення вуглеводів, ліпідів та інших сполук, пов’язаних з диха- льним ланцюгом, то цей процес утворення АТФ прийнято назива-

ти окислювальним фосфорилюванням.

Сумарно процес біологічного окислення, спряженого із проце- сом фосфорилювання, можна записати так:

У процесі переходу електронів через систему дихального ланцю- га відбувається поступове виділення вільної енергії (вона запасаєть- ся в хімічних зв'язках АТФ при поетапному проходженні електронів), і до кисню електрони переносяться вже енергетично збіднілими, тому утворення води в організмі не супроводжується вибухом, як це має місце при утворенні гримучого газу. Біологічний сенс поступо- вого ступінчастого окислення в дихальному ланцюзі полягає у виві- льненні вільної енергії частинами (каскадоподібно), й тільки в тако- му випадку вона може бути використана організмом повністю. Якби окислення відбувалося відразу шляхом безпосередньої взаємодії між молекулами водню субстрату й молекулярним киснем, то воно су- проводжувалося б одномоментним виділенням великої кількості енергії, значна частина якої втрачалася б у вигляді тепла.

Таким чином, дихальний ланцюг – це каскад, за допомогою яко- го клітина одержує вільну енергію, яка вилучається із клітинного па- лива, у зручному для використання вигляді (АТФ).

Інші шляхи тканинного дихання. Існують й інші шляхи тканин-

ного дихання – довші й коротші, але майже всі вони певним чином пов'язані з основним дихальним ланцюгом. Прикладом першого може бути окислення α-кетокислот. Спочатку вони зазнають окис- лювального декарбоксилювання (відбувається втрата карбоксильної групи α-кетокислот з утворенням CO2), потім два атоми водню пе- редаються на ліпоєву кислоту (див. Структура, функції і метаболізм вуглеводів), а після цього вже діють нікотинамідні ферменти, і тоді НАД H2 включається в дихальний ланцюг. Коротким шляхом окис- люється, наприклад, янтарна кислота:

196

При цьому процес дегідрування здійснюють флавінзалежні де- гідрогенази, тобто виключається дія нікотинамідних дегідрогеназ, а потім, починаючи з ФАД H2, продовжується решта етапів тканин- ного дихання.

В організмах існує короткий шлях аеробного окислення органічних речовин без участі цитохромної системи. У цьому випадку атоми водню окислюваного субстрату одразу акцептуються особливими залізовміс- ними флавіновими ферментами (оксидазами) і переносяться безпосе- редньо на молекулярнийкисеньз утвореннямпероксиду водню.

Утворений пероксид водню є сильною отрутою для клітини. Знешкодження пероксиду водню здійснюється за допомогою гемв- місних ферментів: каталази й пероксидази. Каталаза присутня у всіх клітинах і тканинах організму, особливо багато її в печінці, еритро- цитах, нирках. Каталаза – дуже активний фермент: одна молекула її розщеплює близько 40000 молекул H2O2 за 1 с. Пероксидаза у тва- ринних тканинах – малоактивний фермент у порівнянні з каталазою. Рослинні клітини, навпаки, багаті на пероксидазу. Для каталази суб- стратом водню є молекули пероксиду водню, а для пероксидази – органічний субстрат. Схематично сказане можна подати так:

У процесі клітинного дихання крім води утвориюється й CO2, що висвітлено в інших розділах біохімії.

Окислювальне фосфорилювання

У процесі біологічного окислення близько 50% енергії резерву- ється клітинами тканин у макроергічних сполуках, переважно АТФ. Синтез АТФ з АДФ і фосфорної кислоти, який відбувається з вико- ристанням енергії, що виділяється під час окислення речовин у жи- вих клітинах, і пов’язаний з переносом електронів по дихальному ла-

нцюгу, називається окислювальним фосфорилюванням.

Окислювальне фосфорилювання може здійснюватись на рівні субстрату (субстратне фосфорилювання), але головним чином на рі- зних етапах дихального ланцюга. Субстратне фосфорилювання, як зазначалося вище, відбувається шляхом безпосередньої передачі мо-

197

лекули активного фосфату із субстратів, які містять макроергічний зв'язок, на АДФ з утворенням АТФ (див. Обмін вуглеводів, ліпідів). Наприклад, проміжний продукт розпаду глюкози і триацилгліцери- нів 2-фосфоенолпіровиноградна кислота віддає свій активний фос- фат на АДФ з утворенням АТФ за реакцією:

Однак субстратне фосфорилювання дає незначну кількість молекул АТФ. Основна їх кількість синтезується в процесі фосфо- рилювання, яке пов’язане із клітинним диханням. Встановлено, що на кожному етапі переносу електронів від одного переносника на інший вони переходять з одного енергетичного рівня на інший (нижчий), у результаті чого відбувається вивільнення певної кіль- кості енергії. Однак існує три етапи, коли енергії, що вивільняєть-

ся, достатньо для синтезу АТФ.

На основі даних термодинаміки припускалася наявність трьох ділянок (пунктів) дихального ланцюга, які супроводжувалися син- тезом АТФ. Досліди із застосуванням специфічних інгібіторів пе- вних ферментів дихального ланцюга підтвердили ці дані. Так, ро- тенон (інсектицид – токсична речовина рослинного походження, що застосовується індіанцями як отрута) блокує перенесення еле- ктронів на ділянці від НАДН2 до КоQ. При цьому всі компоненти дихального ланцюга переходять в окислений стан, тобто зменшу- ється швидкість транспорту електронів. Амітал (барбітурат на- трію) перешкоджає відновленню КоQ. Антибіотик антиміцин А блокує перенесення електронів від цитохрому b на цитохром c1, а ціаніди, азид натрію, сірководень зв'язуються з цитохромокси- дазою й перешкоджають переходу електронів з ЦХО на молеку- лярний кисень.

З наведеної вище схеми (рис. 57) випливає, що перша молекула АТФ синтезується під час переносу електронів і протонів на ділянці «нікотинамідний кофермент – флавопротеїд – KoQ», друга – при пе- реносі електронів від цитохрому b на цитохром с1 і третя – на ділянці переносу електронів від цитохромоксидази на молекулярний кисень. Звідси при переносі двох атомів водню в дихальному ланцюзі утво- рюється три молекули АТФ.

Отже, у дихальному ланцюзі є три ділянки, в яких перенос елек- тронів супроводжується великим зниженням вільної енергії. Це ті ділянки, де звільнена енергія запасається, тобто використовується для синтезу АТФ.

198

Рис. 57. Локалізація трьох пунктів поєднання дихання й фосфорилювання в дихальному ланцюзі

Мітохондрії і їх роль в окислювальному фосфорилюванні

Мітохондрії – це особливі органели клітин, внутрішньоклітинні центри аеробного дихання. Вони виділені з багатьох тваринних і рослинних тканин деяких мікроорганізмів і, як правило, являють собою овальні тільця розміром 1–4 мкм завдовжки і 0,3–0,7 мкм за- вширшки. Однак, у різних клітинах їхні розміри й форма можуть суттєво різнитися – від ниток до паличок, петель і сфер. У клітині в залежності від її типу й функції може знаходитись від декількох десятків до кількох тисяч мітохондрій. У багатьох клітинах мітохо- ндрії розподілені рівномірно, але спостерігається тенденція до ло- калізації їх у найактивніших зонах клітини. У деяких тканинах міто- хондрії розташовані таким чином, щоб забезпечити доставку АТФ до структур, які використовують енергію.

Структура мітохондрій вивчена методом електронної мікро- скопії. Вони складаються із двох окремих мембран – зовнішньої і внутрішньої. Зовнішні мембрани мітохондрій за своїм хімічним складом та іншими властивостями досить близькі до решти внут- рішньоклітинних мембран, тоді як внутрішні мембрани різко від- різняються від них. Внутрішня мембрана утворює численні висту- пи – так звані крісти (лат. crista – гребінь), чия загальна поверхня дуже велика. Так, у мітохондріях печінки сумарна поверхня внут- рішніх мембран у розрахунку на 1 г білка дорівнює 40 м2. Внутрі- шньоклітинний простір, обмежений внутрішньою мембраною, за- повнено матриксом – гелеподібною напіврідкою масою. Внутрі- шня мембрана відокремлена від зовнішньої водним міжмембран- ним простором. Один із можливих спрощених варіантів структури мітохондрій зображено на рис. 58. Мітохондріальні мембрани яв- ляють собою ліпопротеїнові структури завтовшки 5–7 нм.

199

Внутрішня й зовнішня мембрани суттєво відрізняються за скла- дом, властивостями й функціями.

Зовнішня мембрана гладка, з доброю проникністю для речовин, що мають молекулярну масу до 10000. Для неї характерне високе спів- відношення кількості фосфоліпідів і білків (приблизно 1:1). У зовніш- ній мембрані міститься ряд ферментів, які беруть участь у подовженні молекул насичених жирних кислот, а також монооксидази тощо.

Внутрішня мембрана мітохондрій вкрита з боку матриксу гри- боподібними виростами, які в основному утворені H+-АТФ-синтета- зою (рис. 58). Внутрішня мембрана непроникна для більшості речо- вин. Вона непроникна для НАД+, НАДФ+, НАД H+H, а також різних іонів: H+, OH-, К+, C1- та ін. Проникають тільки вода й нейтральні молекули з молекулярною масою, меншою за 150. Співвідношення фосфоліпідів і білків приблизно 1:3. Внутрішня мембрана у всіх клі- тинах виконує однакову функцію: спряження окислення із синтезом АТФ, тобто є поєднуючою мембраною. Вона містить ферменти ди- хального ланцюга й синтезу АТФ, різноманітні ферменти, які забез- печують транслокацію, зокрема ті, що здійснюють перенесення АДФ із цитозолю крізь внутрішню мембрану в матрикс і зворотний вихід АТФ (АДФ-АТФ-транслоказа). Матрикс мітохондрій містить систе- му ферментів циклу Кребса, окислення жирних кислот, НАД- і ФАД- залежні дегідрогенази і т.ін.

Рис. 58. Модель будови мітохондрій (за А. Ленінджером)

200