Перенесення електронів відбувається за допомогою низки зв’язаних з мембраною переносників

Мітохондріальний дихальний ланцюг включає низку переносників електронів, які діють у певній послідовності. Більшість з цих переносників є інтегральними протеїнами, що містять простетичні групи, здатні приєднувати чи віддавати один або два електрони. У процесі окисного фосфорилювання задіяні три типи перенесення електронів: (1) пряме перенесення електронів, як у випадку відновлення Fe³⁺ до Fe²⁺; (2) перенесення у вигляді атома водню (Н⁺ + е^-); (3) перенесення у вигляді гідрид-іона (:Н^-), який переносить два електрони. Термін відновлювальний еквівалент використовується для позначення одноелектронного еквівалента, який переноситься в окисно-відновній реакції.

Окрім NAD і флавопротеїнів, у дихальному ланцюзі функціонують три інші типи переносників електронів: гідрофобний хінон (убіхінон) і два різні типи залізовмісних протеїнів (цитохроми та залізо-сіркові протеїни). Убіхінон (інша назва коензим Q, або просто Q) - це жиророзчинний бензохінон з довгим ізопреноїдним бічним ланцюгом (рис. 19-2). Аналогічну до убіхінона роль перенесення електронів у зв’язаних з мембранами електронно-транспортних ланцюгах відіграють спорідені компоненти пластохінон (міститься у хлоропластах рослин) і менахінон (у бактеріях). Убіхінон може прийняти або один електрон і утворити напівхіноновий радикал (^•QH), або два електрони і утворити убіхінол (QH₂) (рис. 19-2), а також, подібно до флавопротеїнових переносників, може функціонувати у ролі зв’язувальної ланки між двохелектронним донором і одноелектронним акцептором. Оскільки убіхінон - це невелика гідрофобна молекула, то він вільно переміщається шляхом дифузії всередині подвійного ліпідного шару внутрішньої мітохондріальної мембрани і може транспортувати відновлювальні еквіваленти між іншими, менш мобільними переносниками електронів у мембрані. А завдяки здатності переносити як електрони, так і протони, убіхінон відіграє центральну роль у спряженні потоку електронів з переміщенням протонів.

Цитохроми – це протеїни, для яких характерним є сильне поглинання видимого світла, що зумовлено наявністю залізовмісних гемових простетичних груп (Рис.19-3). Мітохондрії містять три типи відмінних за спектрами поглинання світла цитохромів, які позначають a, b, c. Кожен тип цитохрому у відновленій формі (Fe²⁺) має три смуги поглинання у видимому спектрі (рис. 19-4). Смуга з найбільшою довжиною хвилі характерна для цитохрома типу а - приблизно 600 нм, для типу b – 560 нм і для типу с – 550 нм. Щоб вирізнити серед споріднених цитохромів один тип, інколи до їхньої назви додають цифру, яка точно вказує на максимум поглинання, наприклад, - цитохром b ₅₆₂.

Гемові кофактори a і b цитохромів міцно, але нековалентно зв’язані зі своїми асоційованими протеїнами, а геми цитохромів типу с ковалентно зв’язуються з протеїнами через залишки Cys (рис. 19-3). Як і у флавопротеїнів, стандартний відновлювальний потенціал гемового атома заліза цитохрома залежить від його взаємодії з бічними ланцюгами протеїна, а тому відрізняється у кожного цитохрома. Цитохроми типів a і b, так само, як деякі цитохроми типу с, належать до інтегральних протеїнів внутрішньої мітохондріальної мембрани. Єдиним яскравим винятком є мітохондріальний цитохром с – розчинний протеїн, асоційований за допомогою електростатичних взаємодій з зовнішньою поверхнею внутрішньої мембрани. Ми вже зустрічалися з цитохромом с під час розгляду структури протеїнів (рис. 4-18).

У залізо-сіркових протеїнах, які відкрив Гельмут Байнерт, також наявне залізо, але перебуває воно не у складі гема, а в асоціації або з неорганічними атомами сірки, або з атомами сірки залишків Cys у протеїнах, або ж мають місце обидва варіанти. Такі залізо-сіркові (Fe-S) центри можуть мати різну будову – від простих структур з одним атомом заліза, зв’язаним координаційними в’язками з чотирма групами Cys-SH, до більш складних центрів з двома чи чотирма атомами Fe (рис. 19-5). Одним із варіантів є з алізо-сіркові протеїни Ріске (названі так на честь Джона С. Ріске, що їх відкрив), у яких один атом Fe зв’язаний координаційними в’язками з двома залишками His, а не Cys. Усі залізо-сіркові протеїни беруть участь в одноелектронних перенесеннях, під час яких один атом заліза у складі залізо-сіркового центра окиснюється, або відновлюється. У мітохондріальному перенесенні електронів беруть участь принаймні вісім Fe-S - протеїнів. Залежно від мікрооточення заліза всередині молекули протеїнів, відновлювальний потенціал Fe-S - протеїнів змінюється у діапазоні від ‑0,65В до +0,45В.

У мітохондріальному дихальному ланцюзі електрони переносяться від NADH, сукцинату чи деяких інших первинних донорів через флавопротеїни, убіхінон, залізо-сіркові протеїни, цитохроми і, врешті, на О₂. Методи, які було використано для визначення послідовності функціонування даних переносників, знайшли застосування і в аналогічних дослідженнях інших ланцюгів перенесення електронів, наприклад, у хлоропластах.

Спочатку експериментально було визначено стандартні відновлювальні потенціали окремих переносників електронів (Таб. 19-2). Можна було б очікувати, що переносники функціонують у порядку зростання відновлювального потенціалу, оскільки електрони мають тенденцію спонтанно перетікати від переносників з нижчим значенням Е^′° до переносників з вищим Е^′°. Порядок перенесення, встановлений за допомогою цього підходу, виглядає так: NADH → Q → цитохром b → цитохром c₁ → цитохром c → цитохром a → цитохром a₃ → O₂. Проте слід зазначити, що порядок стандартних відновлювальних потенціалів не завжди відповідає порядку дійсних відновлювальних потенціалів в умовах клітини, які залежать від концентрації відновних чи окиснених форм (стр.). Другий метод визначення послідовності переносників електронів полягає у відновленні всього ланцюга переносників в експерименті за умови забезпечення джерела електронів, але не акцептора електронів (відсутній О₂). Якщо ж після цього у систему раптово ввести О₂, то швидкість окиснення кожного переносника електронів (яку вимірюють спектроскопічно) виявляє порядок їхнього функціонування. Переносник, найближче розташований до О₂ (у кінці ланцюга) віддає свої електрони першим, наступним окиснюється другий переносник від кінця ланцюга, і так далі. Такі експерименти підтвердили послідовність, визначену за значеннями стандартних відновлювальних потенціалів.

Для остаточного підтвердження послідовності переносників застосували сполуки, які інгібують потік електронів через ланцюг, у поєднанні з визначенням ступеня окиснення кожного переносника. За наявності кисню і донора електронів, переносники, які функціонують до етапу інгібування, стають повністювідновленими, а ті, що функціонують після цього етапу - повністю окисненими (рис. 19-6). Використовуючи різні інгібітори, які блокують різні етапи ланцюга, дослідники встановили повну послідовність дії переносників; вона виявилася такою ж, як було визначено за допомогою перших двох підходів.

Дата добавления: 2015-08-18