Перенос электронов и окислительное фосфорилирование

Сукцинатдегидрогеназа прочно связана с мембраной митохондрий, имеет сложную структуру и состоит из нескольких субъединиц. Сукцинатдегидрогеназа обладает некоторыми свойствами аллостерического фермента.

Обратимая реакция фумарата, продуктом которой является малат, катализируется ферментом фумаразой.

Изменение свободной стандартной энергии невелико, поэтому эта реакция является легко обратимой. Молекула состоит из 4 субъединиц. Кофермента для реакции не требуется.

СОО^- СОО^- СОО^- СОО^-

| ФАД | Н₂О | НАД⁺ |

CH₂ ↓ C – H ↓ HO – C – H ↓ C = O

| ↔ || ↔ | ↔ |

CH₂ ↓ Н– C H – C – H ↓ CH₂

| ФАДН₂| | НАДН|

COO^- COO^- COO^- COO^-

В последней реакции цикла Кребса НАД-зависимая малатдегидрогеназа катализирует окисление малата в оксалоацетат:

Хотя реакция носит эндергонический (без выделения энергии) характер, в клетке она идет только в прямом направлении, так как продукты реакции быстро удаляются.

Два атома углерода выводятся из цикла в виде двуокиси углерода, т.е. ровно столько же, сколько поступает в цикл в виде ацетильной группы, однако это не те самые, а другие атомы. В реакциях ферментативного дегидрирования образуется также 4 пары атомов водорода – 3 пары используются для восстановления НАД⁺, а одна – для восстановления ФАД сукцинатдегидрогеназы. В конечном счете все 4 пары атомов водорода превращаются в ионы Н⁺ и соответствующее число электронов переносится по дыхательной цепи на кислород.

Рассмотрим вопрос о том, каким образом пары электронов, отдаваемые промежуточными продуктами цикла трикарбоновых кислот, переходят через длинную цепь ферментов – переносчиков электронов, опускаясь на все более низкие энергетические уровни до тех пор, пока они не восстановят молекулярный кислород – конечный акцептор электронов в процессе дыхания. Значительная часть свободной энергии электронов запасается при этом в форме энергии фосфатной связи АТФ. Этот процесс называется окислительным фосфорилированием. Процессы переноса электронов и окислительного фосфорилирования происходят почти во всех аэробных клетках. В эукариотических клетках ферменты, катализирующие эти реакции, локализованы во внутренней мембране митохондрий, в прокариотических клетках они локализованы в клеточной мембране.

2.7.6. Путь переноса электронов – дыхательная цепь

Пары водородных атомов, отщепляемые от промежуточных продуктов в реакциях дегидрирования при гликолизе и в цикле Кребса, окисляются молекулярным кислородом до Н₂О с одновременным фосфорилированием АДФ до АТФ. Происходит это, когда водород, отделившийся от НАДН или ФАДН₂, передается по цепи, включающей по меньшей мере 5 переносчиков – флавопротеид, кофермент Q и несколько разных цитохромов. В конце цепи электроны соединяются с молекулярным кислородом с образованием аниона О^2–. Соединяясь с протонами водорода, эти анионы образуют воду. Промежуточные переносчики водорода претерпевают при этом ряд окислительно-восстановительных реакций. Переносчики сгруппированы таким образом, что в трех пунктах цепи при переходе водородных атомов от одного переносчика к другому, небольшое количество энергии высвобождается и включается в молекулу АТФ.

НАДН + Н⁺ + Е₁ – ФАД → НАД⁺ + Е₁ – ФАДН₂

Е₁ – ФАДН₂ + 2Е₂ – Fe(111) → E₁– ФАД + 2Е₂ – Fe(11) + 2H⁺

2E₂ – Fe(11) + 2H⁺ + KoQ → 2E₂ – Fe(111) + KoQH₂

KoQ H₂ + 2 Цит.b(111) → KoQ + 2H⁺ + 2 Цит.b(111)

2Цит.b(11) + 2 Цит.с(111) → 2Цит.b(111) + 2Цит.с(11)

2Цит.с(11) + 2 Цит. а (111) → 2Цит.с(111) + 2Цит.а(11)

2Цит.а(11) + 2Цит.а₃(111) → 2Цит.а(111) + 2Цит.а₃(11)

2Цит.а₃(11) +1/2О₂ + 2Н⁺ → 2Цит.а₃(111) + Н₂О

Считается, что на участке НАДН и КоQ (убихинон - вездесущий хинон) осуществляется двухэлектронный перенос, а на участке между цитохромом b и кислородом – одноэлектронный. Молекулы–переносчики электронов, составляющие цепь переноса электронов, сгруппированы в надмолекулярные структуры – дыхательные ансамбли. Эти дыхательные ансамбли встроены в структуру внутренней митохондриальной мембраны. Переносчики, располагающиеся рядом в цепи переноса, ориентируются, вероятно, таким образом, что их простетические группы могут контактировать друг с другом благодаря определенным колебательным и вращательным движениям.

Процесс переноса электронов через всю дыхательную цепь, от НАДН к молекулярному кислороду, сопровождается очень большим уменьшением свободной энергии, а именно на 52,7 ккал. Для образования АТФ из АДФ и фосфата необходимо только 7,3 ккал. Очевидно, что уменьшение свободной энергии при переносе одной пары электронов от НАДН до кислорода достаточно велико для того, чтобы обеспечить возможность синтеза нескольких молекул АТФ из АДФ и фосфата в стандартных условиях при условии наличия соответствующего механизма сопряжения. Изменение свободной энергии, сопровождающее перенос пары электронов от НАД*Н к кислороду, можно разбить на 3 части, каждая из которых соответствует определенному участку дыхательной цепи и достаточна для того, чтобы обеспечить фосфорилирование АДФ до АТФ в сопряженной реакции. Эти реакции окислительного фосфорилирования сохраняют около 40% энергии.

Идея о наличии сопряжения между фосфорилированием АДФ и аэробным дыханием была впервые высказана в Советском Союзе Энгельгардтом еще в начале 30 годов. В настоящее время общепризнанно, что необходимым условием окислительного фосфорилирования является целостность структуры внутренней мембраны митохондрий.

Суммарное уравнение процесса фосфорилирования в дыхательной цепи:

НАДН + 2Н⁺ + 3 АДФ + Фн + 1/2 О₂ → НАД⁺ + 4 Н₂О + 3 АТФ

Экзергонический компонент:

НАДН + 2Н⁺ + 1/2 О₂ → НАД⁺ + Н₂О DG¢ = – 52,7 ккал

Эндергонический компонент:

3 АДФ + 3 Фн → 3 АТФ +3 Н₂О DG¢ = + 21,9 ккал

Рис.14. Окислительно-восстановительные потенциалы переносчиков электронов в электрон-транспортной цепи митохондрий и места сопряжения окисления и фосфорилирования

Очевидно, что при сопряженном фосфорилировании, в результате которого образуется 3 молекулы АТФ, запасается 21,9/52,7*100, т.е. около 40% всей энергии, освобождающейся от переноса электронов от НАДН к кислороду. Окисление всех связанных с НАД субстратов, происходящее в митохондриях за счет молекулярного кислорода, сопровождается образованием 3 молекул АТФ. Была установлена также примерная локализация трех участков дыхательной цепи, в которых происходит запасание энергии, основанная на термодинамических расчетах и экспериментальных данных (рис.14): 1) один из флавопротеидов цепи, 2) место, в котором пара электронов переходит от цитохрома b к цитохрому с, 3) место, где пара электронов переходит от цитохрома а к кислороду. Таким образом, дыхательная цепь напоминает каскадное устройство, поставляющее клетке свободную энергию удобными для нее порциями.