четливо видна из его неспособности транспортировать Р< и его подверженности ингибирующе-•му воздействию ряда трикарбоксилатных соединений. Отдельный белок участвует в обмене ?-кетоглутарата на малат, сукцинат или малонат. Переносчик пирувата, напротив, обменивает пируват только на ион ОН^ (или симпортирует с Hh). Этот процесс в экспериментальных условиях ингибируется несколькими реагентами, особенно а-циано-4-оксициннаматом, который, по-видимому, весьма специфичен для этого процесса. Есть еще одна группа переносчиков, которые, очевидно, специфичны для глутамата, обменивая эту аминокислоту соответственно на аспарагиновую кислоту, глутамин и особенно на ОН-.

ADP-АТР-транслоказа импортирует внутрь матрпксного пространства ADP, который должен фосфорилироваться митохондри-альным устройством, сопрягающим этот процесс с окислением, а затем экспортирует АТР обратно из митохондрии. Этот переносчик впервые обнаружен при попытках понять механизм действия атрактилозида, который в низких концентрациях препятствует ми-тохондриальному окислительному фосфорилированию. Позднее сходные эффекты были описаны для бонгкрековой кислоты. Оба эти вещества, а также карбоксиатрактилознд в наномолярных кон-

424

iii. МЕТАБОЛИЗМ

центрациях прочно связываются с внутренней мембраной, останавливая таким образом окислительное фосфорилирование. ADP-АТР-транслоказа составляет ~5% мембранного белка. В мембране имеется один или два атрактилозидсвязывающих центра иа один цитохром а (разд. 12.4.1):

НООС сн=сн н

сн.

2-сн

сн2 соон

ОСН3 СООН

СН=СН /СН=Сч 9нз /СН2 сн=сн сн2 н>=сн сн3 с СН=СН СН2 сн3

? сн2

бонгкрековая кислота

Изолированный из клетки переносчик — димер, состоящий из идентичных субъединиц, каждая из которых имеет молекулярную массу 30 ООО. Этот белок не имеет открытой сульфгидрильной группы. Однако при связывании одной молекулы ADP обнажается одна SH-группа. До сих пор не получило объяснения мощное ингибирование транслоказы СоА-производными жирных кислот с длинной цепью, например пальмитоил-СоА. Хотя липид составляет только одну четверть мембранной массы, его значимость для действия ADP-АТР-транслоказы иллюстрируется тем фактом, что при замене ненасыщенных жирных кислот фосфоглицеридов мембраны насыщенными жирными кислотами скорость транслокации аденин-нуклеотида замедляется на 70—90%. хотя число центров переноса остается неизменным.

Молекулярный механизм действия адениннуклеотидтранслока' зы недостаточно изучен. Хотя она обменивает АТРвнутр на АТРвнеш, когда во внешней среде присутствует АТР, а не ADP, при наличии смеси ADP и АТР все же обнаруживается большое предпочтение к ADP, вероятно, потому, что последний имеет на один отрицательный заряд меньше, чем АТР. Адениннуклеотидтрансло-каза претерпевает значительные конформационные изменения при

12. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. I

425

связывании ее субстратов, которое заметно не только по обнаружению ранее скрытой сульфгидрильной группы, но также по физическому уплотнению мембраны. Наблюдения наводят на мысль о том, что внутренний «выход» от транслоказы очень близок к месту синтеза АТР; например, вновь импортируемый ADP используется предпочтительнее, чем тот, который находится в смешанном фонде нуклеотидов в матриксе. Скоростью оборота транслоказы (~2000 молекул субстрата в минуту при 20 °С) может определяться верхний предел скорости образования митохондриального АТР.

Адениннуклеотидтранслоказа участвует в системе, поддерживающей более высокое отношение ???/ADP в цитозоле, чем в митохондриальной матриксе. Энергия, необходимая для функционирования этой системы, поставляется тем же процессом, который приводит к синтезу АТР. Для работы таких переносчиков, как, например, переносчики ди- и трикарбоксилатов, специального снабжения энергией, по-видимому, не требуется, но транслоказы Pi и пирувата, которые либо производят обмен на ОН~-ионы, либо осуществляют котранспорт Н+-ионов, должны были бы непрерывно генерировать ??? на мембране, если бы не происходил противоток протонов в межмембранное пространство, осуществляемый другими системами. Именно этот последний процесс и поставляет энергию, необходимую для селективного входа Pj и пирувата в мито-хондриальный матрикс.

Понимание процесса движения катионов через внутреннюю мембрану находится на несколько менее удовлетворительном уровне. Предполагается, что для Na+/K+- и Ca2+/Mg2+-o6MeHOB существуют ионофоры (возможно, транслоказы); однако в подтверждение такого предположения получено мало данных. Фермент, эквивалентный Na+/K+-ATPa3e (разд. 11.3.2), не был обнаружен в митохондриях. Однако полагают, что в них имеется носитель для К+/Н+-обмена. Во внутренней мембране, например, нет Са2+-АТРазы, сравнимой с таковой в саркоплазматической сети (гл. 36), но имеется механизм Са2+/2Н+-обмена; возможность же входа Са2+ в матрикс тоже обусловлена гидролизом АТР. Оказавшись внутри, Са2+ связывается очень прочно со специальным гликопро-теидом матрикса и может оказывать заметное влияние на метаболические процессы: например, в присутствии Са2+ отношение NADH/NAD+ в матриксе увеличивается, а фосфатаза пируватдегндрогеназы активируется.

Депсипептиды, такие, как антибиотик валиномицин, продуцируемый одним из штаммов Streptomyces, оказались необычайно полезными при исследовании этих взаимосвязей. спонтанно н обратимо связывается во внутренней полости молекулы этого мак-ролида (рис. 12.9). Валиномицин проникает через липидные участки внутренней митохондриальной мембраны и плазматической

426

III. МЕТАБОЛИЗМ

Рис. 12.9. Циклическая структура валиномицина, образуемая трижды повторяющейся единицей L-валин—»Т>-а-оксивалериановая кислота (HyV)—>-Е)-ва-лин—i-L-лактат (L-Lac), так что эфирные и пептидные связи чередуются. Трехмерная модель, построенная из шариков и палочек, показывает, что К+ связывается шестью карбонильными группами. (Взято с изменениями из работы [Smith J. D., Duax W. L., Langs D. ?., De Titta J. Т., Edmonds J. W., Rohrer D. C. Weeks С. M., J. Am. Chem. Sot, 97, 7243, 1975.]

мембраны почти всех клеток. Следовательно, небольшое количество валиномицина может «переправлять» большие количества К+ через мембрану и уравновешивать концентрацию [К+]> по обе стороны мембраны. Природный эквивалент валиномицина в животных клетках неизвестен.

12.4. Перенос электронов

Электроны переносятся от субстратов к NAD+ дегидрогеназамн, находящимися в митохондриальном матриксе, и к флавиновым нуклеотидам — дегидрогеназамн, которые либо находятся в матриксе (ацил-СоА — дегидрогеназы жирных кислот), либо погружены во внутреннюю мембрану (дегидрогеназы сукцината, глице-ролфосфата, саркозина). АТР образуется во время движения электронов от этих восстановленных нуклеотидов к 02. Для реакции

Н+ -f- NADH -f-1/202 ->- NAD+ + H20

???=?40 мВ и, таким образом, АСж—51 ООО кал/моль. Для восстановления 02 в присутствии донора электронов FADH2 эти же величины равны: ???=790 мВ и ,ДС°«35 000 кал/моль. В прева-

12. БИОЛОГИЧЕСКОЕ ОКИСЛЕНИЕ. I

427

лирующих в митохондриальном матриксе условиях, т. е. при относительно низких [ADP] и [Pj] и относительно высокой [АТР], AG, требующаяся для синтеза АТР, составляет примерно 12 ООО—-14 000 кал/моль; следовательно, окисление 1 моля восстановленных нуклеотидов может обеспечивать образование ~3 н 2 молей АТР соответственно. Ниже обсуждается, как это происходит.

Наряду с пиридин- и флавиннуклеотидными коферментами обратимое восстановление и окисление претерпевают и некоторые еодержащиеся в мембране компоненты, которые относятся к иным классам соединений. Негемовые железопротеиды [ (FeS)-белки] уже описывались при обсуждении свойств сукцинатдегидрогеназы (разд. 12.2.2) и детально рассматриваются в разд. 13.2.1. Вероятно, дюжина таких веществ функционирует в митохондриальной элект-ронпереносящей цепи. Убихинон и его гидрохинон — широко распространенная окислительно-восстановительная пара, но не связанная, подобно коферментам, со специфическими белками. Вместо этого небольшой фонд указанного соединения находится в липид-ной фазе мембраны, где он служит в качестве акцептора электронов для одной группы ферментов и в качестве донора электронов для другой, следующей группы ферментов цепи. Таким образом, убихинон представляет собой мобильный жирорастворимый субстрат, доступный для соответствующих ферментов, более жестка встроенных в мембранную структуру:

В убихиноне, полученном из различных биологических источников, я в приведенной выше формуле варьирует от б (у некоторых дрожжей) до 10 (в печени млекопитающих). При частичном восстановлении убихинон образует относительно стойкий семихинон и, следовательно, может участвовать в одноэлектронном переносе, а также может подвергаться двухэлектронному восстановлению до гидрохинона.

Цитохромы, которые более подробно рассматриваются в гл. 13, представляют собой гемопротеиды, т. е. белки, с каждым нз которых связан гем или железопорфирин (рис. 12.10). Химия порфири-нов обсуждается в гл. 31. Отдельные цитохромы отличаются друг от друга по своим белкам, природе боковых цепей их порфнринов. и по способу присоединения гема к белкам. Цитохром с — наиболее изученный представитель группы цитохромов. Из всех мнто-

о

СН3 СН3 (СН2-СН=С-СН2)„Н

о

уйихинон (кофермент Q, СоО)

428

[II. МЕТАБОЛИЗМ

СН,

??

Me НС—S—СН2 — С—CO-z^ ?

1

NH

-сн2—с—co-VW I

?

прогпопорфирин IX

цитохром С

Рис. 12.10. Протопорфирин IX и цитохром с. Иминогруппы пиррольных компонентов молекулы придают им свойства слабых кислот. При введенни Fe2+ образуется гем за счет замещения обоих атомов водорода в иминогруппах. Ион металла присоединен к плоскому порфириновому кольцу двумя ковалентными и двумя координационными связями. Железопротопорфирин IX и есть гем. Два заряда Fe2+ электрически нейтрализуются за счет анионной формы двух пиррольных колец. Вся молекула, будучи окислена до состояния Fe3+ (ферригем), несет положительный заряд, который должен уравновешиваться анионом среды. В цитохроме с винильные боковые цепи в положениях 2 и 4 восстановлены в результате присоед