Переносники електронів функціонують у складі мультиензимних комплексів

Переносники електронів у дихальному ланцюзі організовані у надмолекулярні комплекси, які вмонтовані у мембрани і можуть бути фізично розділені. Обробка внутрішньої мітохондріальної мембрани у м’яких умовах з використанням детергентів дозволяє виділити чотири окремі комплекси переносників, кожен з яких здатний каталізувати перенесення електронів через певний проміжок ланцюга (Таб. 19-3; Рис.19-7). Комплекси І і ІІ каталізують перенесення на убіхінон електронів від двох різних донорів – NADH (комплекс І) та сукцинату (комплекс ІІ). Комплекс ІІІ переносить електрони від відновленого убіхінона на цитохром с, а комплекс ІV завершує ланцюг перенесенням електронів від цитохрому с на О₂.

Тепер детальніше розглянемо структуру і функції кожного комплекса мітохондріального дихального ланцюга.

Комплекс І: від NADH до убіхінона. Рис.19-8 ілюструє взаємозв’язок між комплексами І, ІІ та убіхіноном. Комплес І, який також називають NADH:убіхінон-оксидоредуктазою або NADH-дегідрогеназою, - це великий ензим, який складається із 42 різних поліпептидних ланцюгів, флавопротеїну, що містить FMN, і принаймні шести залізо-сіркових центрів. Із застосуванням високороздільної електронної мікроскопії встановлено, що комплекс І має L-форму, одне плече якої знаходиться у мембрані, а інше простягається у матрикс. Як показано на рис. 19-9, комплекс І каталізує два одночасних і обов’язково спряжених процеси: (1) екзергонічне перенесення на убіхінон гідрид-іона від NADH і протона з матриксу, що має такий вигляд:

NADH + Н⁺ + Q → NAD⁺ + QH₂ (19-1)

та (2) ендергонічне перенесення чотирьох протонів з матриксу у міжмембранний простір. Отже, комплекс І є протонною помпою, що працює за рахунок енергії перенесення електронів, а каталізована ним реакція є векторною: рух протонів відбувається у специфічному напрямку з одного місця (з матриксу, який через втрату протонів набуває негативного заряду) до іншого (міжмембранного простору, який набуває позитивного заряду). Щоб підкреслити векторну природу цього процесу, загальну реакцію часто записують з підрядковим індексом, який вказує на локалізацію протона: Р – для позитивно зарядженої сторони внутрішньої мембрани (міжмембранного простору), N – для негативно зарядженої сторони (матриксу):

NADH +5Н⁺_N + Q → NAD⁺ + QH₂ + 4H⁺_P (19-2)

Амітал (барбітурат), ротенон (рослинний продукт, широко використовується як інсектицид) і піеріцидин А (антибіотик) інгібують потік елеткронів від Fe-S - центрів комплексу І на убіхінон (Табл 19-4), і тому блокують весь процес окисного фосфорилювання.

Убіхінол (QH₂, повністю відновлена форма; Рис. 19-2) дифундує у внутрішню мітохондріальну мембрану від комплексу І до комплексу ІІІ, де він окиснюється до Q у процесі, що також включає виведення Н⁺ назовні.

Комплекс ІІ: від сукцинату до убіхінону. К омплексом ІІ називають ензим сукцинатдегідрогеназу, з яким ми вже зустрічалися у розділі 16 (стр.), і який є єдиним мембранозв’язаним ензимом у циклі лимонної кислоти. Цей комплекс за своїми розмірами і структурою менший і простіший, ніж комплекс І, хоча також складається з п’яти простетичних груп двох типів і чотирьох різних протеїнових субодиниць (Рис.19-10). Субодиниці С і D - це інтегральні мембранні протеїни, кожен з яких має три трансмембранні спіралі. Вони містять гемову групу, гем b і центр зв’язування убіхінона, який є кінцевим акцептором електронів у реакції, що каталізується комплексом ІІ. Субодиниці А і В простягаються у матрикс (чи цитозоль у бактерій); вони містять три 2Fe-2S - центри, зв’язаний FAD і центр зв’язування субстрату – сукцинату. Довжина шляху переміщення електронів від центру зв’язування сукцинату до FAD, і далі через Fe-S - протеїни до центру зв’язування Q, становить понад 40 Å, проте довжина жодної з окремих ланок шляху не перевищує 11Å; саме такий розмір є оптимальним для швидкого перенесення електронів (Рис.19-10).

Знак. Гем b комплексу ІІ, очевидно, не задіяний безпосередньо у перенесенні електронів, натомість він може слугувати для зменшення „витікання” електронів із системи під час їхнього руху від сукцинату до молекулярного кисню; поява таких електронів може призводити до утворення реактивних видів кисню (РВК, англ. ROS, від r eactive o xygen s pecies) – пероксида водню (Н₂О₂) і супероксидного радикала (^•О₂‾), описаних у підрозділі 19.5. Особи, у яких є точкові мутаціі у субодиницях комплексу ІІ поблизу гему b чи хінон-зв’язувального центра, хворіють на спадкову параґанґліому. Ця вроджена вада характеризується доброякісними пухлинами в ділянках голови та шиї, як правило, у каротидному тільці – органі, що відчуває рівень О₂ у крові. Такі мутації призводять до утворення більшої кількості РВК і, можливо, більшого ушкодження тканини під час окиснення сукцинату.

Інші субстрати мітохондріальних дегідрогеназ передають електрони у дихальний ланцюг на рівні убіхінону, але не через комплекс ІІ. Першй етап β -окиснення ацил-СоА, який каталізує флавопротеїн ацил-СоА- дегідрогеназа (див. Рис. 17-8), включає перенесення електронів від субстрату на FAD-дегідрогенази, тоді на електронно-транспортний флавопротеїн (ЕТФ), який у свою чергу передає ці електрони на ЕТФ:убіхінон-оксидоредуктазу (Рис. 19-8). Цей ензим переносить електрони у дихальний ланцюг шляхом відновлення убіхінона. Гліцерол 3-фосфат, який утворюється або з гліцерола, вивільненого під час розщеплення триацилгліцерола, чи внаслідок відновлення дигідроксиацетонфосфата, що утворюється у процесі гліколізу, окиснюється гліцерил-3-фосфатдегідрогеназою (див. рис.17-4). Цей ензим є флавопротеїном, розташованим на зовнішній стороні внутрішньої мітохондріальної мембрани і, подібно до сукцинатдегідрогенази та ацил-СоА-дегідрогенази, утворює канал, по якому електрони надходять у дихальний ланцюг, відновлюючи убіхінон (рис.19-8). Важлива роль гліцерол-3-фосфатдегідрогенази як човникової системи для транспорту відновлювальних еквівалентів від цитозольного NADH у мітохондріальний матрикс, описана у підрозділі 19.2 (див. Рис. 19-28). Вплив кожного з цих електронно-транспортних ензимів спрямований на поповнення пулу відновленого убіхінона. QH₂, що утворюється в усіх цих реакціях, повторно окиснюється комплексом ІІІ.

Комплекс ІІІ: від убіхінона до цитохрому с. Наступний дихальний комплекс – комплекс ІІІ, який також називають комплексом цитохром bc₁ чи убіхінон:цитохром с -оксидоредуктазою, поєднує перенесення електронів від убіхінолу (QH₂) на цитохром с з векторним транспортом протонів з матриксу у міжмембранний простір. З’ясування повної структури цього величезного комплексу (рис.19-11) і комплексу IV (описаного нижче) із застосуванням рентгеноструктурного методу відбулося між 1995 і 1998 рр. і стало знаменною віхою у вивченні процесу перенесення електронів у мітохондріях; воно забезпечило структурну основу для інтеграції численних біохімічних спостережень щодо функцій дихальних комплексів.

На підставі даних про структуру комплексу ІІІ і детальних біохімічних досліджень окисно-відновних реакцій, було запропоновано обґрунтовану модель переходу електронів і протонів через комплекс. Сумарне рівняння окисно-відновних реакцій цього Q-циклу (рис.19-12) є наступним:

QH₂ + 2 цит с₁ (окиснений) + 2Н⁺_N → Q + 2 цит с₁ (відновлений) + 4Н⁺_Р (19-3)

Функціонування Q-циклу забезпечує перемикання процесу перенесення електронів від двохелектронного переносника убіхінона на одноелектронні переносники цитохроми b ₅₆₂, b ₅₆₆, c ₁ і c, та пояснює встановлену стехіометрію переміщення чотирьох протонів на кожну пару електронів, які переносяться через комплекс ІІІ на цитохром с. Хоча шлях електронів через цей сегмент дихального ланцюга досить складний, однак загальний результат реакції перенесення простий: QH₂ окиснюється до Q, а дві молекули цитохрому с відновлюються.

Цитохром с (див. рис. 4-18) - розчинний протеїн, локалізований у міжмембранному просторі. Після того, як його єдиний гем акцептує електрон від комплексу ІІІ, цитохром с переміщається до комплексу IV і передає електрон на двоядерний мідний центр.

Комплекс IV: від цитохрома с до О₂. На завершальному етапі дихального ланцюга комплекс IV, який також називають цитохромоксидазою, переносить електрони від цитохрома с на молекулярний кисень, відновлюючи його до Н₂О. Комплекс IV - це великий ензим (13 субодиниць; M r 204 000), локалізований на внутрішній мітохондріальній мембрані. Бактерії містять значно простішу форму цього ензиму, яка має лише три з чотирьох субодиниць, але здатна каталізувати як перенесення електронів, так і викачування протонів. Порівняння мітохондріальних і бактеріальних комплексів свідчить, що ці три субодиниці є критично важливими для їх функціонування (Рис.19-13).

Мітохондріальна субодиниця ІІ містить двоядерний мідний центр (Cu_A; рис.19-13b), у якому два іони Cu перебувають у комплексі з ‑SH-групами залишків Cys, і який за своєю будовою нагадує 2Fe-2S - центри залізо-сіркових протеїнів. Субодиниця І містить дві гемові групи, позначені як а і а₃, та ще один іон міді (Cu_В). Гем а₃ і Cu_В формують другий двоядерний центр, який акцептує електрони від гему а і переносить їх на зв’язану з гемом а₃ молекулу О₂.

Перенесення електронів через комплекс IV відбувається від цитохрому с до центра Cu_A, далі до гему а, гему центра а₃ -Cu_В і врешті на О₂ (рис.19-14). Для перетворення О₂ на Н₂О, на кожні чотири електрони, які проходять через цей комплекс, ензим поглинає чотири „субстрати” Н⁺ з матриксу (N-сторони). Він також використовує енергію цієї окисно-відновної реакції для того, щоб на кожен перенесений електрон викачати один протон назовні у міжмембранний простір (Р-сторону), що збільшує величину електрохімічного потенціалу, який утворюється внаслідок редокс-залежного протонного транспорту через комплекси І і ІІІ. Загальна реакція, яку каталізує комплекс IV, має такий вигляд:

4 Цит c (відновлений) + 8Н⁺_N + О₂ → 4 цит c (окиснений) + 4Н⁺_Р + 2Н₂О (19-4)

Таке чотирьохелектронне відновлення О₂ здійснюють окисно-відновні центри, які здатні переносити лише по одному електрону, і цей процес повинен відбуватися без вивільнення неповністю відновлених проміжних продуктів, таких як пероксид водню чи гідроксильні вільні радикали, оскільки вони є високореактивними сполуками, що пошкоджують компоненти клітини. Тому такі проміжні продукти залишаються міцно зв’язаними з комплексом доти, поки повністю не перетворяться на воду.

Дата добавления: 2015-08-18