Глава 12. Биохимия питания и пищеварения 4 страница

Водород в составе НАД • Н подключается. к флавопротеиду, где его первым акцептором является ФМН флавопротеида, а водород в составе ФАД • Н₂ подключается на том участке дыхательной цепи, где находит­ся KoQ. Участок дыхательной цепи от НАД • Н до цитохрома Ь представлен переносчиками протонов н электронов. Начиная с цитохрома b и до кисло­рода потоки водорода и электронов разделяются, так как этот участок дыха­тельной цепи содержит только переносчики электронов (цитохромы и особый железосерный белок).

Организация компонентов дыхательной цепи в митохондриях. Дыхатель­ная цепь имеет структурную организацию, так как ее компоненты находятся не в водорастворимом состоянии, а встроены во внутреннюю мембрану митохондрий. Количество дыхательных цепей в митохондриях разных тканей и органов неодинаково. В печени их число, приходящееся на одну митохонд­рию, составляет примерно 5000, а в сердце — около 20 ООО. Митохондрии сердца поэтому отличаются более активным дыханием, чем митохондрии печени.

Переносчики дыхательной цепи находятся в липидном окружении («плавают» в липидном слое мембраны) и прочно связаны с мембра­ной, за исключением цитохрома с, который слабее связан с внешней по­верхностью мембраны и относительно легко извлекается водными раство­рами.

Флавопротеид (ФП) является НАД • Н-дегидрогеназой. Этот сложный

белок содержит ФМН — акцептор про­тонов и электронов от НАД • Н. С ним же связан один из железо- серных белков, также участвующий в переносе протонов и электронов на KoQ. Активный центр НАД • Н-дегид- рогеназы находится на внутренней стороне внутренней мембраны, поэто­му дегидрирование НАД • Н проис­ходит с этой стороны.

Характеристика переносчиков ды­хательной цепи. НАД • Н-дегидрогена- за, или флавопротеид-I (ФЛ,), содер­жит ФМН в качестве кофермента, который акцептирует водород, отщеп­ляемый от НАД • Н. Молекулярная масса НАД • Н-дегидрогеназы около 10^е. Этот флавиновый фермент тесно связан с железосерным белком, участ­вующим в передаче электронов и про­тонов на кофермент Q.

НАД • Н-дегидрогеназа пересекает поперек внутреннюю мембрану мито­хондрий, находясь в окружении ли­пидов. Активный центр ее обращен к внутренней поверхности этой мембра­ны, т. е. к матриксу.

Железосерные белки участвуют в переносе электронов и протонов в дыхательной цепи на двух участках — между флавопротеидом и KoQ и меж­ду цитохромами Ь н с_г. Железосерные белки имеют небольшую молекулярную массу порядка 10 ООО. Они содержат негеминовое железо и серу. Семейство этих белков отличается разными окис­лительными свойствами. Оба железо- серных белка, входящих в дыхатель­ную цепь, отличаются друг от друга значением окислительно-восстанови­тельного потенциала. Железосерные белки находятся в липидном слое мембраны.

Кофермент Q, или убихинон, раст­ворен в липидной части мембраны. Мо­жет диффундировать как поперек, так и вдоль мембраны.

Цитохром Ь имеет различные фор­мы. В дыхательной цепи, очевидно.

имеются цитохромы 6_6в2 и й_5вв, называемые так по максимуму поглощения света. Они образуют комплекс, пересекающий липидную часть мембраны от внутренней (матриксной) к наружной поверхности.

Цитохром С] расположен в липидном слое ближе к наружной поверхности внутренней-мембраны. Имеет молекулярную, м-ассу около 40 000.

Дитохромс относитёльно легко переходит в водный раствор. Находится на наружной поверхности внутренней мембраны н, очевидно, может выходить в межмембранное пространство. Молекулярная масса его 12 ООО.

Цитохромы а я о, образуют комплекс, называемый цитохромоксидазой. Этот* комплекс пересекает мембрану поперек от внешней стороны, где в липид­ном слое находится цитохром а, до внутренней стороны, где находится цитохром а₃. Активный центр цитохрома а, обращен в матрикс. Молекулярная масса цитохромоксидазы около 450 ООО.' В отличие от других цитохромов цитохромоксидаза содержит также Си⁺.

Все цитохромы, будучи гемпротеидами, при переносе электронов под­вергаются обратимому окислению — восстановлению путем белок-белковых взаимодействий. При обратимом окислении меняется степень окисления от железа Fe³⁺ до Fe^s+,

Направление переноса протонов и электронов определяют окислительно- восстановительный потенциалы, а именно: от НАД • H_s (£ ₀=—0, 32 В) к кислороду (£ 'о ⁼ +0, 81 В). Редокс-потенциалы переносчиков дыхательной цепи указаны на рис. 36.

По существу тканевое дыхание напоминает в упрощенном виде урав­нение реакции горения водорода в кислороде: Н₂+0₂-»- HjO, протекающей со взрывом. Разница лишь в том, что при тканевом дыхании используется не молекулярный водород, а водород, отщепляемый от органических веществ и связанный с коферментами. Поэтому при тканевом дыхании происходит не одномоментное, а поэтапное освобождение энергии. Эта энергия акку­мулируется в фосфатных связях АТФ н используется для жизнедеятельности клеток.

Окислительное фосфорилированиё

В 1931 г. советский биохимик В. А. Энгельгардт сделал сообщение, что эритроциты голубя, которые в отличие от безъядерных эритроцитов человека имеют, митохондрии, одновременно с поглощением кислорода (по которому ' измерялась интенсивность дыхания) используют неорганический фосфат с образованием фосфорных эфиров. Эти опыты знаменовали открытие окислительного фосфорилирования, т. е. сопряжения дыхания с фосфорклиро- ванием. В 1939 г. советскими учеными В. А. Белицер и Е. Т. Цыбаковой было введено соотношение Р/О как показатель сопряжения Дыхания и фосфорилиро­вания. Этот показатель был назван коэффициентом фосфорилирования. Окислительное фосфорилированиё есть не что иное, как механизм образования энергии при переносе электронов и протонов от субстрата к кислороду. В. А. Белицер (1940) показал, что при поглощении одного атома кислорода (или при переносе пары электронов от субстрата на кислород) поглощается не один атом неорганического фосфата, а примерно три, т. е. коэффициент Р/О, или Р/2е~, равен примерно 3. Иначе говоря, в дыхательной цепи имеется как минимум Vpw пункта сопряжения или фосфорилирования, где неоргани­ческий фосфат участвует в образовании АТФ по уравнению

АДФ + H₃P0₄

Эти работы стимулировали поиск пунктов сопряжения в дыхательной цепи, которые позже были выявлены работами Чанса, Рэкера, Ленинджера. В современном понимании окислительным фосфорилировакием называется процесс образования АТФ при переносе электронов и протонов по дыхатель­ной цепи.

Выход энергии в дыхательной цепи. Зная редоке-потении алы любых окислительно-восстановительных пар, можно рассчитать изменения свободной энергии при переносе электронов от одной пары к другой по уравнению: AG = nFAE, где л — число переносимых электронов (в дыхательной цепи чис­ло переносимых электронов равно 2); F — постоянная Фарадея (тепловой эквивалент работы, равный 95 кДж); Д£ — разность редокс-потенциалов для двух реагирующих окислительно-восстановительных пар.

По приведенному уравнению нетрудно подсчитать, что для образования одной макроэргической связи АТФ, затраты на которую составляют не менее 40 кДж/моль, требуется перепад редокс-потенцналов, между участками ды­хательной цепи примерно в 0, 22 В на пару перенесенных электронов:

Локализация пунктов фосфорилироваиия в дыхательной цепи. В дыха­тельной цепи имеются три пункта сопряжения дыхания и фосфорилироваиия: 1 — между флавопротеидом и KoQ; II — ме^кду цитохромами Ь и с и III — между цитохромами а и о₃ (см. рис. 36).

Значит, субстраты, окисляющиеся НАД-зависимыми дегидрогеназами, являются энергетически более ценными, чем окисляющиеся флавинзависи- мыми дегидрогеназами, поскольку протоны и электроны, переносимые от НАД'Н₂ к кислороду, проходят три пункта фосфорилироваиия (коэффи­циент Р/0=3), а протоны и электроны, поступающие на дыхательную цепь от ФАД-Н₂, — только два пункта фосфорилироваиия. В последнем случае пропускается одно фосфорилирование между флавопротеидом и KoQ. Отсюда легко подсчитать энергетическую ценность, эффективность окисления любого субстрата (как это показано в табл. 27 на примере некоторых субстратов).

Таблица 27. Образование АТФ на 1 ноль окисляемых субстратов

НАД. Н + Н+ 'НАД. Н + Н+ I Сукцинил-К.оА

Расчеты показывают, что при расщеплении ацетнл-КоА до С0₂ образуется 12 молекул АТФ:

3 НАД. Н₂ 9 АТФ) окислительное

) ФАД • Н_г г 2 АТФ / фосфорилированиё

------------- - 1 АТФ 1 субстратное фосфорилированиё

в цикле Кребса